Способ производства полос для изготовления обсадных труб
Изобретение относится к области металлургии, конкретнее к прокатному производству, и может быть использовано при изготовлении на непрерывных широкополосных станах полос для электросварных обсадных труб, предназначенных для обустройства нефтяных и газовых скважин в условиях Крайнего Севера. Техническим результатом изобретения является повышение качества и выход годных полос. Для достижения технического результата проводят нагрев стальных слябов, черновую прокатку до промежуточной толщины и чистовую прокатку с регламентированной температурой конца прокатки, охлаждение водой до температуры смотки. Для этого используют сталь следующего химического состава, мас.%: 0,14-0,19 С, 0,15-0,40 Si, 0,8-1,2 Mn, 0,01-0,05 Al, 0,01-0,03 Ti, 0,002-0,01 V, 0,03-0,07 Nb, 0,10-0,20 Mo, 0,10≥Cr; 0,10≥Ni, 0,10≥Cu, 0,015≥P, 0,005≥S, 0,005≥Ca, 0,010≥N, остальное Fe. Температуру конца прокатки поддерживают в диапазоне 890-940°С, а температуру смотки - 540-600°С, при этом в температурном интервале от 940-1100°С до температуры конца прокатки полосу прокатывают с суммарным обжатием 75-89%. 3 табл.
Изобретение относится к области металлургии, конкретнее к прокатному производству, и может быть использовано при изготовлении на непрерывных широкополосных станах полос из низколегированной стали для электросварных обсадных труб, предназначенных для обустройства нефтяных и газовых скважин в условиях Крайнего Севера.
Для производства сварных обсадных труб, работающих в условиях Крайнего Севера, необходимы горячекатаные полосы (штрипсы) толщиной 5,5÷8,9 мм, шириной 1060÷1360 мм из низколегированной стали, обладающие следующим комплексом механических свойств (таблица 1):
| Таблица 1 | ||||
| Механические свойства полос | ||||
| σв, Н/мм2 | σт, Н/мм2 | δ5, % | KCV-60, Дж/см2 | В-60, % |
| не менее 595 | не менее 380 | не менее 33,0 | не менее 60 | не менее 70 |
| Примечания: 1. Все испытания проводятся на образцах, ось которых поперек направления прокатки полосы; 2. В-60 - доля вязкой составляющей в изломе образца при -60°С. |
Помимо указанных механических свойств, регламентированы следующие параметры микроструктуры горячекатаных полос:
- размер зерна N не крупнее 8 номера;
- загрязненность неметаллическими включениями ЗНВ не более 2,5 балла по ГОСТ 1778 метод Ш4;
- полосчатость структуры ПС по ГОСТ 5640 не выше 3 балла.
Известен способ производства полос, включающий выплавку и непрерывную разливку в слябы низколегированной стали, содержащей по массе, %:
| Углерод | 0,04÷0,10 |
| Кремний | 0,01÷0,50 |
| Марганец | 0,4÷1,5 |
| Хром | 0,05÷1,0 |
| Молибден | 0,05÷1,0 |
| Ванадий | 0,01÷0,1 |
| Бор | 0,0005÷0,005 |
| Алюминий | 0,001÷0,1 |
| Железо и примеси | Остальное |
Отлитые слябы нагревают до температуры 1250°С и прокатывают с суммарным обжатием не менее 75%. Прокат в дальнейшем подвергают закалке из аустенитной области и высокотемпературному отпуску [1].
Недостатки известного способа состоят в том, что листы из этой стали имеют низкие вязкостные свойства при отрицательных температурах и не соответствуют требованиям, предъявляемым к микроструктуре. Это делает невозможным их применение для изготовления обсадных труб северного исполнения. Кроме того, необходимость проведения термического улучшения (закалки и отпуска) листов после прокатки усложняет и удорожает производство.
Известен также способ производства листовой низколегированной стали, включающий отливку слябов следующего химического состава, мас.%:
| Углерод | 0,02÷0,3 |
| Марганец | 0,5÷2,5 |
| Алюминий | 0,005÷0,1 |
| Кремний | 0,05÷1,0 |
| Ниобий | 0,003÷0,01 |
| Железо | Остальное |
Слябы нагревают до температуры 950÷1050°С и прокатывают при температуре выше точки Аr3 с суммарным обжатием 50÷70%. Прокатанные листы охлаждают на воздухе [2].
При таком способе производства листы имеют недостаточную прочность и пластичность. Листы также не удовлетворяют требованиям по вязкости при отрицательных температурах и не соответствуют требованиям, предъявляемым к микроструктуре, вследствие чего непригодны для изготовления обсадных труб северного исполнения.
Наиболее близким по своей технической сущности и достигаемым результатам к предлагаемому изобретению является способ производства полос из низколегированной стали марки 17Г1С (по ГОСТ 19281) следующего химического состава, мас.%:
| Углерод | 0,15÷0,20 |
| Марганец | 1,15÷1,6 |
| Кремний | 0,4÷0,6 |
| Хром | не более 0,30; |
| Никель | не более 0,30 |
| Медь | не более 0,30 |
| Фосфор | не более 0,035 |
| Сера | не более 0,040 |
| Мышьяк | не более 0,08 |
| Азот | не более 0,008 |
| Железо | Остальное |
Слябы из низколегированной стали 17Г1С нагревают до температуры 1250°С, подвергают черновой прокатке на непрерывном широкополосном стане до промежуточной толщины 20÷40 мм, чистовой прокатке с регламентированной температурой конца прокатки Ткп=830÷880°С и охлаждают водой до температуры смотки Tсм=620÷700°С [3].
Недостатки известного способа состоят в том, что полосы имеют низкие вязкостные свойства при отрицательных температурах и обладают недостаточной пластичностью. Кроме того, горячекатаные полосы не соответствуют требованиям к микроструктуре металла для обсадных труб северного исполнения. Это снижает качество и выход годных полос.
Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в повышении качества и выхода годных полос.
Для решения поставленной технической задачи в известном способе производства полос для изготовления обсадных труб, включающий нагрев стальных слябов, черновую прокатку до промежуточной толщины и чистовую прокатку с регламентированной температурой конца прокатки, охлаждение водой до температуры смотки, согласно предложению сталь содержит следующее соотношение компонентов в мас.%:
| Углерод | 0,14÷0,19 |
| Кремний | 0,15÷0,40 |
| Марганец | 0,80÷1,20 |
| Алюминий | 0,01÷0,05 |
| Титан | 0,01÷0,03 |
| Ванадий | 0,002÷0,01 |
| Ниобий | 0,03÷0,07 |
| Молибден | 0,10÷0,20 |
| Хром | не более 0,10 |
| Никель | не более 0,10 |
| Медь | не более 0,10 |
| Фосфор | не более 0,015 |
| Сера | не более 0,005 |
| Кальций | не более 0,005 |
| Азот | не более 0,010 |
| Железо | остальное |
температуру конца прокатки поддерживают в диапазоне 890÷940°С, а температуру смотки - в диапазоне 540÷600°С, при этом в температурном интервале от 940÷1100°С до температуры конца прокатки полосу прокатывают с суммарным обжатием 75÷89%.
Сущность изобретения состоит в следующем. Механические свойства и конечная микроструктура горячекатаных полос определяются как химическим составом стали, так и температурно-деформационными режимами их горячей прокатки. Поэтому для придания горячекатаным полосам заданных механических свойств и микроструктурных характеристик необходимо одновременно оптимизировать химический состав стали, температурно-деформационный режим прокатки и охлаждения полос водой перед смоткой в рулоны.
Чистовая прокатка полосы из стали предложенного химического состава в температурном интервале от 940÷1100°С до температуры конца прокатки 890÷940°С со степенью суммарного обжатия 75÷89% обеспечивает необходимое измельчение зерна микроструктуры, полное выпадение из твердого раствора карбонитридных упрочняющих частиц, деформационное упрочнение металлической матрицы, измельчение неметаллических включений (фосфидов, сульфидов, нитридов, оксидов). В результате микроструктура полосы после охлаждения до температуры смотки 540÷600°С представляет из себя зернистый перлит с равномерными зернами 9 номера и подавленной полосчатостью (не выше 3 балла). Неметаллические включения не превышают величины 2 по среднему баллу.
Использование стали предложенного химического состава и горячая прокатка по предложенным режимам обеспечивают стабильное получение заданных механических свойств полос и показателей микроструктуры, что, в конечном счете, повышает качество металлопродукции и выход годного.
Углерод в стали предложенного состава определяет прочностные свойства полос. Снижение содержания углерода менее 0,14% приводит к падению их прочности ниже допустимого уровня. Увеличение содержания углерода более 0,19% ухудшает вязкостные свойства листов при отрицательных температурах и их пластичность.
При содержании кремния менее 0,15% ухудшается раскисленность стали, снижаются прочностные свойства полос. Увеличение содержания кремния более 0,40% приводит к возрастанию количества силикатных неметаллических включений, снижает пластичность полос, ухудшает показатель KCV-60.
Снижение содержания марганца менее 0,8% увеличивает окисленность стали, ухудшает прочность и пластичность полос. Повышение содержания марганца более 1,20% снижает ударную вязкость и пластические свойства горячекатаных полос.
Алюминий раскисляет и модифицирует сталь. Связывая азот в нитриды, подавляет его негативное воздействие на свойства листов. При содержании алюминия менее 0,01% снижается комплекс механических свойств листов. Увеличение его концентрации более 0,05% приводит к ухудшению вязкостных свойств полос.
Титан является сильным карбидообразующим элементом, упрочняющим сталь. Мелкодисперсные карбиды титана, выделившиеся в процессе горячей прокатки и охлаждения полос водой, обладают высокой устойчивостью к перегреву. При содержании титана менее 0,01% снижается прочность горячекатаных листов. Повышение содержания титана сверх 0,03% приводит к снижению вязкостных свойств при температуре -60°С, что недопустимо.
Ванадий и ниобий, как каждый в отдельности, так и совместно, измельчают зерно микроструктуры, повышают прочность и вязкость горячекатаных полос, прокатанных по предложенным режимам. При содержании ванадия менее 0,002% и ниобия менее 0,03% полосы имеют крупнозернистую микроструктуру, недостаточную вязкость при отрицательных температурах. Увеличение содержания ванадия более 0,01% и ниобия более 0,07% оказалось нецелесообразным, так как не приводило к дальнейшему повышения свойств горячекатаных полос.
Молибден в данной стали является упрочняющим элементом, измельчающим зерно микроструктуры. При содержании молибдена менее 0,10% горячекатаные полосы имеют нестабильный структурно-фазовый состав и механические свойства. Увеличение концентрации молибдена более 0,2% ухудшается свариваемость горячекатаных полос.
Хром, никель и медь являются примесными элементами, попадающими в состав стали из металлолома. При концентрации каждого из них не более 0,10% они не оказывают вредного влияния на механические свойства полос для обсадных труб, но расширяют возможности использования металлического лома при выплавке, что удешевляет производство. При концентрации каждого из этих элементов более 0,10% ухудшаются вязкостные свойства при температуре -60°С, снижаются пластические свойства и свариваемость горячекатаных полос.
Сталь предложенного состава может содержать в виде примесей не более 0,015% фосфора, не более 0,005% серы и не более 0,010% азота. При указанных предельных концентрациях эти элементы в горячекатаных полосах из стали предложенного состава не оказывают заметного негативного воздействия на механические свойства полос, тогда как их удаление из расплава стали существенно повышает затраты на производство и усложняет технологический процесс. Увеличение концентрации этих вредных примесей более предложенных значений ухудшает весь комплекс механических свойств полос и, в особенности, ударную вязкость при температуре -60°С, увеличивает загрязненность стали неметаллическими включениями и их размеры.
Кальций способствует модификации стали и измельчению зерен микроструктуры. Кальций попадает в сталь при ее выплавке из известняка и шлака. Однако увеличение содержания кальция более 0,005% приводит к увеличению количества неметаллических включений и ухудшению вязкостных и пластических свойств горячекатаных полос, что недопустимо.
Экспериментально установлено, что при начале чистовой прокатки Тнп ниже 940°С происходит ухудшение вязкостных и пластических свойств горячекатаных полос. Повышение этой температуры более 1100°С приводит к формированию неравномерной зеренной микроструктуры и снижению прочностных свойств стальных полос.
При температуре конца прокатки Ткп выше 940°С не достигается требуемая степень упрочнения полосы и измельчение микроструктуры и неметаллических включений до требуемого уровня. Снижение температуры Ткп ниже 890°С приводит к чрезмерному измельчению микроструктуры, ухудшению комплекса механических свойств полос.
Уменьшение степени суммарного обжатия ε∑ менее 75% в температурном интервале от Тнп до Ткп приводит к тому, что не достигается требуемая степень измельчения зерна микроструктуры и неметаллических включений. Увеличение степени суммарного обжатия более 89% приводит к потере пластичности и ударной вязкости, что недопустимо.
Повышение температуры смотки Тсм выше 600°С способствует формированию разнобалльности микроструктуры, снижению прочностных свойств ниже допустимых значений. Снижение Тсм менее 540°С приводит к ухудшению пластических свойств горячекатаных полос.
Пример реализации способа
В конвертерном производстве производят выплавку и разливку сталей различного состава (таблица 2).
Слябы толщиной 250 мм загружают в методические печи и нагревают до температуры аустенитизации Та=1280°С. Разогретые слябы выдают на печной рольганг непрерывного широкополосного стана 2000 и подвергают прокатке в черновой группе клетей (черновая прокатка) до промежуточной толщины Н=40 мм. Затем раскат при температуре Тнп=1020°C задают в непрерывную 7-клетевую чистовую группу клетей, где прокатывают в полосы конечной толщины h=8,0 мм. Суммарное обжатие ε∑ при этом составляет:
Прокатку полосы завершают при температуре Ткп=915°С. Регламентированную температуру конца прокатки Ткп=915°С поддерживают изменением скорости прокатки и межклетевым охлаждением полосы.
Прокатанную полосу выдают на отводящий рольганг, где охлаждают водой до температуры смотки Тсм=575°С. Охлажденную полосу сматывают в рулон.
Варианты технологии прокатки полос по различным режимам из сталей различного состава, а также показатели их эффективности приведены в таблице 3.
Из таблицы 3 следует, что при реализации предложенного способа (варианты №2-4) достигается улучшение механических свойств и микроструктурных характеристик горячекатаных полос. За счет этого обеспечивается повышение их качества и выхода годного. В случаях запредельных значений заявленных параметров (варианты №1 и №5) механические свойства и характеристики микроструктуры ухудшаются, снижается качество полос, они становятся непригодными для производства обсадных труб. Также более низкое качество при нулевом выходе годных полос с требуемыми характеристиками имеют полосы, произведенные согласно способу-прототипу (вариант №6).
Технико-экономические преимущества предложенного способа заключаются в том, что горячая прокатка полос из стали предложенного состава с суммарным обжатием 75÷89% в температурном интервале от 940÷1100°С до 890÷940°С и охлаждение полос водой до температуры смотки 540÷600°С обеспечивает формирование оптимальной мелкозернистой перлитной микроструктуры стали. За счет этого достигается повышение комплекса механических свойств горячекатаных полос и выхода годного.
Использование предложенного способа обеспечит повышение на 10÷15% рентабельности производства полос для обсадных труб нефтяных и газовых скважин в условиях Крайнего Севера.
Литературные источники, использованные при составлении описания изобретения
1. Заявка Японии №61-163210, МПК С21D 8/00, 1986 г.
2. Заявка Японии №61-223125, МПК С21D 8/02, С22С 38/54, 1986 г.
3. Матросов Ю.И. и др. Сталь для магистральных газопроводов. М., Металлургия, 1989, с.262-266 - прототип.
| Таблица 2 | ||||||||||||||||
| Химический состав сталей | ||||||||||||||||
| № состава | Содержание химических элементов, мас.% | |||||||||||||||
| С | Si | Mn | Al | Ti | V | Nb | Мо | Cr | Ni | Cu | Р | S | Са | N | Fe | |
| 1 | 0,13 | 0,14 | 0,7 | 0,009 | 0,009 | 0,001 | 0,02 | 0,09 | 0,08 | 0,05 | 0,06 | 0,010 | 0,003 | 0,002 | 0,005 | ост. |
| 2 | 0,14 | 0,15 | 0,8 | 0,01 | 0,01 | 0,002 | 0,03 | 0,10 | 0,07 | 0,04 | 0,04 | 0,011 | 0,004 | 0,003 | 0,006 | -:- |
| 3 | 0,17 | 0,22 | 1,0 | 0,03 | 0,02 | 0,006 | 0,05 | 0,15 | 0,06 | 0,07 | 0,07 | 0,013 | 0,004 | 0,004 | 0,008 | -:- |
| 4 | 0,19 | 0,40 | 1,2 | 0,05 | 0,03 | 0,010 | 0,07 | 0,20 | 0,10 | 0,10 | 0,10 | 0,015 | 0,005 | 0,005 | 0,010 | -:- |
| 5 | 0,20 | 0,41 | 1,3 | 0,06 | 0,04 | 0,011 | 0,08 | 0,30 | 0,12 | 0,11 | 0,11 | 0,016 | 0,006 | 0,006 | 0,011 | -:- |
| 6 | 0,19 | 0,50 | 1,2 | - | - | - | - | - | 0,28 | 0,25 | 0,27 | 0,032 | 0,036 | - | 0,007 | -:- |
| Примечание: сталь состава 6 дополнительно содержит 0,07% As. |
| Таблица 3. | ||||||||||||||
| Режимы производства полос и их эффективность | ||||||||||||||
| № п/п | Режимы производства | Механические свойства | Параметры микроструктуры | Выход годного Q, % | ||||||||||
| № состава | Тнп, °C | ε∑, % | Ткп, °С | Тсм, °C | σв, Н/мм2 | σт, Н/мм2 | δ5, % | KCV-60, Дж/см2 | В-60, % | N | ЗНВ | ПС | ||
| 1 | 5 | 930 | 90 | 880 | 550 | 710 | 670 | 15 | 22 | 31 | 5-9 | 4,5 | 4 | - |
| 2 | 2 | 940 | 75 | 890 | 540 | 700 | 560 | 36 | 61 | 72 | 10 | 2,0 | 3 | 99,5 |
| 3 | 3 | 1020 | 80 | 915 | 575 | 675 | 480 | 38 | 63 | 75 | 10 | 1,5 | 2 | 99,9 |
| 4 | 4 | 1100 | 89 | 940 | 600 | 600 | 390 | 37 | 62 | 74 | 9 | 1,0 | 2 | 99,7 |
| 5 | 1 | 1110 | 74 | 950 | 610 | 590 | 370 | 30 | 58 | 68 | 7-8 | 3,0 | 4 | - |
| 6 | 6 | не регл. | 70 | 870 | 690 | 500 | 445 | 18 | 24 | 44 | 6-8 | 3,5 | 6 | - |
Способ производства полос для изготовления обсадных труб, включающий нагрев стальных слябов, черновую прокатку до промежуточной толщины, чистовую прокатку с регламентированной температурой конца прокатки и охлаждение водой до температуры смотки, отличающийся тем, что сталь содержит следующие компоненты, мас.%:
| Углерод | 0,14-0,19 |
| Кремний | 0,15-0,40 |
| Марганец | 0,80-1,20 |
| Алюминий | 0,01-0,05 |
| Титан | 0,01-0,03 |
| Ванадий | 0,002-0,01 |
| Ниобий | 0,03-0,07 |
| Молибден | 0,10-0,20 |
| Хром не более | 0,10 |
| Никель не более | 0,10 |
| Медь не более | 0,10 |
| Фосфор не более | 0,015 |
| Сера не более | 0,005 |
| Кальций не более | 0,005 |
| Азот не более | 0,010 |
| Железо | Остальное |
при этом температуру конца прокатки поддерживают в диапазоне 890-940°С, температуру смотки - 540-600°С, а в температурном интервале от 940-1100°С до температуры конца прокатки полосу прокатывают с суммарным обжатием 75-89%.
