Трубная заготовка из среднеуглеродистой легированной стали

Изобретение относится к области металлургии, в частности к производству трубной заготовки диаметром от 90 до 180 мм для производства бесшовных труб различного назначения. Для обеспечения повышенного уровня потребительских свойств трубная заготовка изготовлена из стали, содержащей, мас.%: С (0,31-0,34), Mn (0,55-0,95), Si (0,20-0,35), Cr (0,80-1,10), Ni (0,005-0,50), Mo (0,15-0,65), Al (0,015-0,05), S (0,001-0,020), P (0,005-0,020), N (0,005-0,012), As (0,0001-0,03), Sn (0,0001-0,02), Pb (0,0001-0,01), Zn - (0,0001-0,005), железо и примеси, при соотношении: (As+Sn+Pb+5×Zn)≤0,07; 0,60≤(C+Mn/6+(Cr+Mo)/5)≤0,82, горячекатаной и улучшенной, имеет феррито-перлитную структуру, размер действительного зерна 5-10 балл, макроструктуру: центральная пористость, точечная неоднородность, ликвационный квадрат не более 2,0 балла, подусадочная ликвация - не более 1 балла; ликвационные полоски не более 1 балла, неметаллические включения: сульфиды точечные, оксиды точечные, оксиды строчечные, силикаты хрупкие, силикаты пластичные, силикаты недеформированные не более 2.5 балл, временное сопротивление разрыву 570-840 Н/мм², предел текучести не менее 420 Н/мм², относительное удлинение не менее 18%, ударную вязкость KCV (+20°С) не менее 38,0 Дж/см². В качестве примеси сталь дополнительно содержит медь не более 0,25%. 4 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к производству трубной заготовки диаметром от 90 до 180 мм, предназначенной для производства бесшовных труб различного назначения.

Известна трубная заготовка из легированной стали, содержащая углерод, кремний, марганец, ниобий, молибден, серу, фосфор, хром, медь, никель, алюминий, титан, и железо остальное, изготовленная из горячекатаного листа, имеющая заданные механические свойства, структуру (RU 2252972 C1, C21D 9/08, 27.05.2005).

Известна трубная заготовка из среднеуглеродистой легированной стали, содержащей углерод, марганец, кремний, хром, никель, ванадий, ниобий, титан, алюминий, кальций, серу, фосфор, азот, медь, сурьму, олово, мышьяк, железо остальное, изготовленная из горячекатаного листа, имеющая заданные механические свойства и структуру (RU 2180691 C1, C21D 9/08, 20.03.2002).

Известна трубная заготовка из среднеуглеродистой марганецсодержащей стали, содержащей углерод, марганец, кремний, хром, алюминий, серу, фосфор, азот, медь, ниобий, молибден, титан, железо и примеси, горячекатаная, имеющая заданные параметры механических свойств (RU 2251587 C1, С22С 38/14, 10.05.2005).

Важнейшим требованием, предъявляемым к трубной заготовке из среднеуглеродистой легированной стали является, с одной стороны, обеспечение однородности микро и макроструктуры, низкого содержания неметаллических включений, с другой стороны - обеспечение повышенного комплекса потребительских свойств и заданной морфологии неметаллических включений.

Задачей изобретения является обеспечение повышенного уровня потребительских свойств при обеспечении благоприятного соотношения прочности, пластичности и вязкости, минимальном уровне анизотропии механических свойств, низкого содержания неметаллических включений, однородной макро- и микроструктуры проката, повышенных характеристик прокаливаемости.

Поставленная задача решена тем, что трубная заготовка изготовлена из среднеуглеродистой легированной стали, содержащей следующее соотношение компонентов, мас.%:

углерод [С]	0,31-0,34
марганец [Mn]	0,55-0,95
кремний [Si]	0,20-0,35
хром [Cr]	0,80-1,10
никель [Ni]	0,005-0,50
молибден [Мо]	0,15-0,65
алюминий [Al]	0,015-0,05
сера [S]	0,001-0,020
фосфор [Р]	0,005-0,020
азот [М]	0,005-0,012
мышьяк [As]	0,0001-0,03
олово [Sn]	0,0001-0,02
свинец [Pb]	0,0001-0,01
цинк [Zn]	0,0001-0,005
железо и неизбежные примеси	остальное

при выполнении соотношений: (As+Sn+Pb+5xZn)≤0,07; 0,60≤[C+Mn/6+(Cr+Mo)/5]≤0,82, горячекатаной и улучшенной, имеет феррито-перлитную структуру, размер действительного зерна 5-10 баллов, макроструктуру - центральная пористость, точечная неоднородность, ликвационный квадрат не более 2,0 балла, подусадочная ликвация не более 1 балла, ликвационные полоски не более 1 балла, неметаллические включения: сульфиды точечные, оксиды точечные, оксиды строчечные, силикаты хрупкие, силикаты пластичные, силикаты недеформированные не более 2.5 балла, средний по каждому виду включений, механические свойства после нормализации: временное сопротивление разрыву 570-840 Н/мм², предел текучести, не менее 420 Н/мм², относительное удлинение - не менее 18%, ударную вязкость KCV (+20°С) не менее 38,0 Дж/см².

В качестве примесей сталь дополнительно содержит медь не более 0,25%. При содержании в стали, мас.%: марганец - (0,55-0,70), хром - (0,95-1,10), никель (0,005-0,25), молибден - (0,15-0,25), сера - (0,005-0,020), фосфор - (0,005-0,020), заготовка имеет механические свойства после улучшения: временное сопротивление разрыву 600-800 Н/мм², предел текучести не менее 450 Н/мм², относительное удлинение не менее 20%, ударную вязкость KCV (+20°С) не менее 45,1 Дж/см².

При содержании в стали, мас.%: марганец - (0,55-0,70), хром - (0,95-1,10), никель - (0,005-0,25), молибден - (0,15-0,25), сера - (0,001-0,005), фосфор - не более 0,010, заготовка имеет механические свойства после улучшения: временное сопротивление разрыву 570-760 Н/мм², предел текучести, не менее 420 Н/мм², относительное удлинение не менее 22%, ударную вязкость KCV (+20°С) не менее 50,1 Дж/см².

При содержании в стали, мас.%: марганец - (0,75-0,95); хром - (0,80-1,0), никель - (0,30-0,50), молибден - (0,50-0,65), сера - (0,001-0,005), фосфор - (0,005-0,010), заготовка имеет механические свойства после улучшения: временное сопротивление разрыву 640-840 Н/мм², предел текучести не менее 480 Н/мм², относительное удлинение не менее 18%, ударную вязкость KCV (+20°С) не менее 38,0 Дж/см².

Приведенные сочетания легирующих элементов (п.1) позволяют получить в готовом изделии мелкодисперсную феррито-перлитную структуру, оптимальные содержание и морфологию неметаллических включений, однородную макроструктуру и благоприятное сочетание характеристик прочности и пластичности.

Углерод вводится в композицию данной стали с целью обеспечения заданного уровня ее прочности и прокаливаемости. Верхняя граница содержания углерода (0,34%) обусловлена необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижняя - соответственно 0,31% - обеспечением требуемого уровня прочности и прокаливаемости данной стали.

Марганец, молибден и хром используются, с одной стороны, как упрочнители твердого раствора, с другой стороны, как элементы повышающие устойчивость переохлажденного аустенита стали. При этом верхний уровень содержания: марганца - 0,95%, молибдена - 0,65% и хрома - 1,10%, определяется необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижний - 0,55%, 0,65% и 0,15% соответственно, необходимостью обеспечить требуемый уровень прочности и прокаливаемости и теплостойкости данной стали.

Кремний относится к ферритообразующим элементам. Нижний предел по кремнию 0,20% обусловлен технологией раскисления стали. Содержание кремния выше 0,35% неблагоприятно скажется на характеристиках пластичности стали.

Азот способствует образованию нитридов в стали. Верхний предел содержания азота 0.012% обусловлен необходимостью получения заданного уровня пластичности и вязкости стали, а нижний предел 0.005% вопросами технологичности производства.

Алюминий - сильный карбонитридообразователь и раскислитель стали. Верхний предел содержания алюминия 0,05% обусловлен необходимостью получения заданного уровня пластичности и вязкости стали, а нижний предел 0,015% - вопросами технологичности производства.

Никель в заданных пределах влияет на характеристики прокаливаемости и вязкости стали. При этом нижний уровень содержания никеля 0,005%, обуславливается необходимостью обеспечения заданного уровня вязкости стали, а верхний 0,50% - необходимостью получения требуемого уровня прокаливаемости стали.

Сера определяет уровень пластичности стали. Верхний предел (0,020%) обусловлен необходимостью получения заданного уровня пластичности и вязкости стали, а нижний предел (0,001%) - вопросами технологичности производства, а также обеспечением заданного уровня обрабатываемости резанием данной стали.

Фосфор определяет уровень пластичности стали и ее склонность к обратимой отпускной хрупкости. Верхний предел (0,020%) обусловлен необходимостью получения заданного уровня пластичности и вязкости стали, а нижний предел (0,005%) - вопросами технологичности производства.

Мышьяк, олово, свинец и цинк цветные примеси, определяющие общий уровень пластичности стали и ее склонность к проявлению обратимой отпускной хрупкости при последующей термической обработке готовых изделий из рассматриваемой трубной заготовки. Нижний предел по мышьяку, олову, свинцу и цинку (0,0001% по каждому элементу соответственно) обусловлен технологией производства стали, а верхний (0,03%, 0,02%, 0,01% и 0,005% соответственно) определяет повышенную склонность стали к обратимой отпускной хрупкости.

Соотношение (As+Sn+Pb+5×Zn)≤0,07 определяет пониженную склонность стали к проявлению обратимой отпускной хрупкости. Соотношение 0,60≤[С+Mn/6+(Cr+Мо)/5]≤0,82 определяет параметры вязкости и прокаливаемости стали.

Анализ патентной и научно-технической информации не выявил решений, имеющих аналогичную совокупность признаков, которой достигался бы сходный эффект - обеспечение повышенного уровня потребительских свойств и прокаливаемости при обеспечении благоприятного соотношения прочности, пластичности и вязкости, минимальном уровне анизотропии механических свойств, низкого содержания неметаллических включений, однородной макро- и микроструктуры проката.

Примеры осуществления изобретения, не исключая других в объеме формулы изобретения. Выплавку исследуемых сталей химического состава, мас.%.

Пример 1: углерод - 0,32, марганец - 0,62, кремний - 0.28, хром - 0,99, никель - 0,12, молибден - 0,22, алюминий - 0,032, сера - 0,010, фосфор - 0,012, азот - 0,011, мышьяк -0,014, олово - 0,012, свинец - 0,009, цинк - 0,001;

Пример 2: углерод - 0,31, марганец - 0,66, кремний - 0.29, хром - 0,92, никель - 0,14, молибден - 0,24, алюминий - 0,032, сера - 0,003, фосфор - 0,009, азот - 0,009, мышьяк - 0,010, олово - 0,009, свинец - 0,007, цинк - 0,002;

Пример 3: углерод - 0,33, марганец - 0,95, кремний - 0.23, хром - 0,95, никель - 0,44, молибден - 0,59, алюминий - 0,038, сера - 0,002, фосфор - 0,009, азот - 0,009, мышьяк - 0,012, олово - 0,010, свинец - 0,007, цинк - 0,001 производят в 150-тонных дуговых сталеплавильных печах (ДСП) с использованием в шихте 100% металлизованных окатышей, что обеспечивает получение массовой доли азота перед выпуском из ДСП не более 0,003%, а также низкое содержание цветных примесей. Предварительное легирование металла по марганцу и кремнию производится в ковше при выпуске из ДСП. После выпуска производилась продувка металла аргоном через донный продувочный блок, во время которой сталь раскисляется алюминием. После этого металл поступает на агрегат комплексной обработки стали (АКОС), на котором имеется возможность нагрева металла до необходимой температуры, продувки его аргоном через донный продувочный блок, дозированной присадки необходимых ферросплавов и обработки стали порошковой проволокой с различными наполнителями. На АКОСе производятся наведение рафинировочного шлака присадкой извести и плавикового шпата, раскисление шлака гранулированным алюминием, легирование металла алюминием до содержания 0,050%, доводка металла по содержанию марганца, нагрев до температуры, обеспечивающей дальнейшую обработку. После обработки на АКОС металл подвергается вакуумной обработке на порционном вакууматоре. Во время вакуумирования производится окончательная корректировка по химическому составу. После вакуумирования металл обрабатывается силикокальцием и передается на разливку. Разливка производится на четырехручьевых УНРС радиального типа в слиток размерами 300×360 мм со скоростью вытягивания 0,6÷0,7 м/мин, с защитой металла от окисления путем использования покровных шлаковых смесей в промежуточном ковше и кристаллизаторе, защитных труб, погружных стаканов и подачей аргона. Это также обеспечивает получение низкого содержания азота и кислорода и чистоту металла по неметаллическим включениям. После разливки и пореза на мерную длину полученные непрерывнолитые заготовки охлаждались в печах контролируемого охлаждения. Горячую прокатку сортового проката начинают при температуре 900-950°С, и заканчивают при температуре 740-850°С при деформации в последних проходах не менее 20%. Термическая обработка проката включала закалку от 880-900°С, масло, отпуск 560-620°С, воздух: улучшение.

В результате горячей прокатки получаем трубную заготовку диаметром 120 мм, длиной - 4800 мм:

пример 1: структура пластинчатого перлита, балл действительного зерна - 7, макроструктура: центральная пористость - 2 балла, точечная неоднородность - 1 балл, ликвационный квадрат - 1 балл, подусадочная ликвация - 2 балла, ликвационные полоски - 1 балл, неметаллические включения: сульфиды точечные - 1,0 балл, оксиды точечные - 0,5 балла, оксиды строчечные - 1,0 балл, силикаты хрупкие - 0,5 балла, силикаты пластичные - 0,5 балла, силикаты недеформированные - 1,0 балл, механические свойства после улучшения: временное сопротивление разрыву 697 Н/мм², предел текучести 544Н/мм², относительное удлинение 23%, ударная вязкость KCV (+20°С) 55,2 Дж/см²

(As+Sn+Pb+5×Zn)=0,040; [C+Mn/6+(Cr+Mo)/5]=0,665;

пример 2: пластинчатая феррито-перлитная структура, балл действительного зерна 8, макроструктура: центральная пористость 1,5 балла, точечная неоднородность 1,5 балла, ликвационный квадрат 1 балл, подусадочная ликвация 1,5 балла, ликвационные полоски 0,5 балла, неметаллические включения: сульфиды точечные - 0,5 балла, оксиды точечные - 0,5 балла, оксиды строчечные - 0,5 балла, силикаты хрупкие - 1,0 балл, силикаты пластичные - 0,5 балла, силикаты недеформированные - 1,0 балл, механические свойства после улучшения: временное сопротивление разрыву 712 Н/мм², предел текучести 580 Н/мм², относительное удлинение 24%, Ударная вязкость KCV (+20°С) 58,3 Дж/см²

(As+Sn+Pb+5xZn)=0,036; [C+Mn/6+(Cr+Mo)/5]=0,652;

пример 3: пластинчатая феррито-перлитная структура, балл действительного зерна 7, макроструктура: центральная пористость 1,0 балл, точечная неоднородность 1,0 балл, ликвационный квадрат 1,5 балла, подусадочная ликвация 1,0 балл, ликвационные полоски 1,0 балл, неметаллические включения: сульфиды точечные 1,5 балла, оксиды точечные 0.5 балла, оксиды строчечные 0,5 балла, силикаты хрупкие 1,5 балла, силикаты пластичные 0,5 балла, силикаты недеформированные 1,5 балла, механические свойства после улучшения - временное сопротивление разрыву 740 Н/мм², предел текучести 590 Н/мм², относительное удлинение 19%, Ударная вязкость KCV (+20°С) не менее 47,4 Дж/см².

(As+Sn+Pb+5×Zn)=0,033; [C+Mn/6+(Cr+Mo)/5]=0,716.

Внедрение трубной заготовки из среднеуглеродистой легированной стали обеспечит повышенный уровень потребительских свойств, благоприятное соотношение прочности, пластичности и вязкости, минимальный уровень анизотропии механических свойств, низкое содержание неметаллических включений, однородную макро- и микроструктуру проката.

1. Трубная заготовка из среднеуглеродистой легированной стали, отличающаяся тем, что она получена из стали, содержащей следующее соотношение компонентов, мас.%:

углерод [С]	0,31-0,34
марганец [Mn]	0,55-0,95
кремний [Si]	0,20-0,35
хром [Cr]	0,80-1,10
никель [Ni]	0,005-0,50
молибден [Мо]	0,15-0,65
алюминий [Al]	0,015-0,05
cepa [S]	0,001-0,020
фосфор [Р]	0,005-0,020
азот [N]	0,005-0,012
мышьяк [As]	0,0001-0,03
олово [Sn]	0,0001-0,02
свинец [Pb]	0,0001-0,01
цинк [Zn]	0,0001-0,005
железо и
неизбежные примеси	остальное,

при выполнении соотношений:

(As+Sn+Pb+5·Zn)≤0,07;

0,60≤(C+Mn/6+(Cr+Mo)/5)≤0,82,

горячекатаной и улучшенной, при этом она имеет ферритоперлитную структуру, размер действительного зерна 5-10 баллов, макроструктуру: центральную пористость, точечную неоднородность, ликвационный квадрат не более 2,0 баллов, подусадочную ликвацию не более 1 балла, ликвационные полоски не более 1 балла, неметаллические включения: сульфиды точечные, оксиды точечные, оксиды строчечные, силикаты хрупкие, силикаты пластичные, силикаты недеформированные со средним баллом не более 2,5 по каждому виду, временное сопротивление разрыву 570-840 Н/мм², предел текучести не менее 420 Н/мм², относительное удлинение не менее 18%, ударную вязкость KCV (+20°С) не менее 38,0 Дж/см².

2. Трубная заготовка по п.1, отличающаяся тем, что в качестве неизбежных примесей сталь содержит медь не более 0,25 мас.%.

3. Трубная заготовка по любому из пп.1 и 2, отличающаяся тем, что при содержании в стали, мас.%: марганец (0,55-0,70), хром (0,95-1,10), никель (0,005-0,25), молибден (0,15-0,25), сера (0,005-0,020), фосфор (0,005-0,020), она имеет временное сопротивление разрыву 600-800 Н/мм², предел текучести не менее 450 Н/мм², относительное удлинение не менее 20%, ударную вязкость KCV (+20°С) не менее 45,1 Дж/см².

4. Трубная заготовка по любому из пп.1 и 2, отличающаяся тем, что при содержании в стали, мас.%: марганец (0,55-0,70), хром (0,95-1,10), никель (0,005-0,25), молибден (0,15-0,25), сера (0,001-0,005), фосфор не более 0,010, она имеет временное сопротивление разрыву 570-760 Н/мм², предел текучести не менее 420 Н/мм² относительное удлинение не менее 22%, ударную вязкость KCV (+20°С) не менее 50,1 Дж/см².

5. Трубная заготовка по любому из пп.1 и 2, отличающаяся тем, что при содержании в стали, мас.%: марганец (0,75-0,95), хром (0,80-1,0), никель (0,30-0,50), молибден (0,50-0,65), сера (0,001-0,005), фосфор (0,005-0,010), заготовка имеет временное сопротивление разрыву 640-840 Н/мм², предел текучести не менее 480 Н/мм², относительное удлинение не менее 18%, ударную вязкость KCV (+20°С) не менее 38,0 Дж/см².