Сталь низколегированная свариваемая
Изобретение относится к области металлургии, а именно к низколегированным сталям, используемым для изготовления сварных нефте- и газопроводов, эксплуатируемых в условиях Крайнего Севера. Сталь содержит углерод, кремний, марганец, ванадий, ниобий, алюминий, титан, азот, хром, никель, медь, серу, фосфор, кальций и железо, при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,05-0,15, кремний 0,30-0,90, марганец 0,40-0,90, ванадий 0,04-0,15, ниобий 0,02-0,08, алюминий 0,02-0,06, титан 0,005-0,03, азот не более 0,008, хром не более 0,30, никель не более 0,30, медь не более 0,30, сера не более 0,005, фосфор не более 0,018, кальций 0,001-0,006, железо - остальное. Сталь имеет в структуре феррит с номером зерна не менее 9 при структурной полосчастости не более 2 баллов и неметаллические включения не крупнее 3 баллов. Суммарное содержание хрома, никеля и меди соответствует условию: Cr+Ni+Cu≤0,6 мас.%. Повышаются коррозионная стойкость, хладостойкость и выход годного горячекатаного полосового проката. 3 табл.
Изобретение относится к металлургии, конкретно к низколегированным сталям, используемым для изготовления сварных нефте- и газопроводов, пригодных к эксплуатации в условиях Крайнего Севера.
Горячекатаная листовая сталь, низколегированная, свариваемая для магистральных нефте- и газопроводов, работающих в условиях Крайнего Севера, должна сочетать высокую прочность, пластичность, коррозионную стойкость и хладостойкость (таблица 1).
Известна низколегированная сталь следующего химического состава, мас.% [1]:
| Углерод | 0,03-0,11 |
| Марганец | 0,90-1,80 |
| Кремний | 0,06-0,60 |
| Хром | 0,005-0,30 |
| Никель | 0,005-0,30 |
| Ванадий | 0,02-0,12 |
| Ниобий | 0,03-0,10 |
| Титан | 0,010-0,040 |
| Алюминий | 0,010-0,055 |
| Кальций | 0,001-0,005 |
| Сера | 0,0005-0,008 |
| Фосфор | 0,0005-0,010 |
| Азот | 0,001-0,012 |
| Медь | 0,005-0,25 |
| Сурьма | 0,0001-0,005 |
| Олово | 0,0001-0,007 |
| Мышьяк | 0,0001-0,008 |
| Железо | остальное, |
причем суммарное содержание фосфора Р, сурьмы Sb, мышьяка As и олова Sn должно удовлетворять соотношению: 2P+Sn+Sb+As<0,035.
Недостатки стали известного состава состоят в том, что в горячекатаном состоянии она характеризуется низкими механическими свойствами, коррозионной стойкостью и хладостойкостью. Сталь не технологична в производстве, так как требует проведения специальных мероприятий по удалению фосфора, введению сурьмы, олова и мышьяка в регламентированных количествах. Кроме того, сурьма, олово и мышьяк существенно ухудшают коррозионную стойкость и свариваемость стали, вследствие чего введение их в качестве легирующих элементов не представляется целесообразным.
Известна также сталь следующего химического состава, мас.%:
| Углерод | 0,05-0,15 |
| Кремний | 0,15-0,60 |
| Марганец | 1,2-2,0 |
| Ванадий | 0,03-0,15 |
| Ниобий | 0,005-0,10 |
| Алюминий | 0,006-0,06 |
| Азот | 0,002-0,015 |
| Титан | 0,005-0,10 |
| Хром | 0,01-0,30 |
| Никель | 0,01-0,30 |
| Медь | 0,01-0,30 |
| РЗМ | 0,002-0,050 |
| Сера | не более 0,01 |
| Фосфор | не более 0,02 |
| Железо | остальное [2]. |
Недостатки данной стали состоят в том, что изготовленные из нее горячекатаные полосы имеют низкую коррозионную стойкость и хладостойкость.
Наиболее близкой по своему химическому составу и свойствам к предлагаемой стали является низколегированная свариваемая сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, ванадий, ниобий, титан, азот, хром, никель, медь, серу, фосфор и железо при следующем соотношении, мас.%:
| Углерод | 0,02-0,35 |
| Кремний | 0,01-1,0 |
| Марганец | 0,02-2,5 |
| Ванадий | ≤0,2 |
| Ниобий | ≤0,1 |
| Алюминий | 0,001-0,1 |
| Титан | 0,005-0,2 |
| Азот | 0,0004-0,01 |
| Хром | ≤1,0 |
| Никель | ≤1,0 |
| Медь | ≤1,0 |
| Сера | ≤0,01 |
| Фосфор | 0,005-0,1 |
| Железо | остальное [3]. |
Недостатки данной стали состоят в том, что изготовленные из нее горячекатаные полосы имеют низкую коррозионную стойкость и хладостойкость. Это снижает выход годного горячекатаного полосового проката.
Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в повышение коррозионной стойкости, хладостойкости и выхода годного горячекатаного полосового проката.
Для этого низколегированная свариваемая сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, ванадий, ниобий, алюминий, титан, азот, хром, никель, медь, серу, фосфор и железо, дополнительно содержит кальций при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Углерод | 0,05-0,15 |
| Кремний | 0,30-0,90 |
| Марганец | 0,40-0,90 |
| Ванадий | 0,04-0,15 |
| Ниобий | 0,02-0,08 |
| Алюминий | 0,02-0,06 |
| Титан | 0,005-0,03 |
| Азот | не более 0,008 |
| Хром | не более 0,30 |
| Никель | не более 0,30 |
| Медь | не более 0,30 |
| Сера | не более 0,005 |
| Фосфор | не более 0,018 |
| Кальций | 0,001-0,006 |
| Железо | остальное, |
при этом она содержит в структуре феррит с номером зерна не менее 9 при структурной полосчатости не более 2 баллов и неметаллические включения не крупнее 3 баллов, а суммарное содержание хрома, никеля и меди соответствует условию:
Cr+Ni+Cu≤0,6 мас.%.
Углерод в стали предложенного состава определяет ее прочностные свойства. Снижение содержания углерода менее 0,05% приводит к падению прочности ниже допустимого уровня. Увеличение содержания углерода сверх 0,15% ухудшает пластичность и вязкость стали.
Кремний раскисляет и упрочняет сталь, повышает ее упругие свойства. При содержании кремния менее 0,30% прочность стали недостаточна. Увеличение содержания кремния более 0,90% приводит к охрупчиванию стали, ухудшению ее пластичности.
Марганец введен для раскисления и повышения прочности стали, связывания примесной серы в сульфиды. При содержании марганца менее 0,40% снижается прочность стали и вязкость при отрицательных температурах, что приводит к увеличению отбраковки. Повышение концентрации марганца сверх 0,90% ухудшает пластичность стали, снижает хладостойкость и повышает отношение σт/σв более 0,7.
Ванадий и ниобий образуют с углеродом карбиды VC, NbC, а с азотом - нитриды VN, NbN. Мелкие нитриды и карбонитриды ванадия и ниобия располагаются по границам зерен и субзерен, тормозят движение дислокации и тем самым упрочняют сталь. При содержании ванадия менее 0,04% и ниобия менее 0,02% их влияние недостаточно велико, свойства стали ниже допустимого уровня. Увеличение концентрации ванадия более 0,15% или ниобия более 0,08% вызывает дисперсионное твердение проката и приводит к их выделению на границах зерен в виде интерметаллических соединений. Это ухудшает свойства и снижает выход годных горячекатаных полос.
Алюминий является раскисляющим и модифицирующим элементом. При содержании алюминия менее 0,02% его воздействие проявляется слабо, сталь имеет низкие механические свойства. Увеличение содержания алюминия более 0,06% приводит к графитизации стали, потере прочности, ухудшению хладостойкости, а также ухудшает качество поверхности горячекатаного проката.
Титан является сильным карбидообразующим элементом, упрочняющим сталь. Снижение концентрации титана менее 0,005% не оказывает благоприятного влияния на механические свойства горячекатаных полос. Однако повышение содержания титана до 0,030% оказывает положительное влияние на формирование структуры сварного соединения и околошовной зоны. Повышение содержания титана более 0,030% делает сталь не технологичной при разливке, вследствие чего ухудшается выход годного по качеству поверхности.
Азот является карбонитридообразующим элементом, упрочняющим сталь. Однако повышение концентрации азота сверх 0,008% приводит к снижению вязкостных свойств при отрицательных температурах, что недопустимо.
Хром, никель и медь способствуют повышению прочностных свойств и стойкости против питтинговой коррозии, но при содержании каждого из этих элементов более 0,30% имеет место снижение хладостойкости стали при отрицательных температурах. Причем лучшие свойства по коррозионной стойкости и свариваемости стали достигаются при суммарном содержании этих элементов не более 0,6%.
Фосфор в количестве не более 0,018% целиком растворяется в α-железе, что ведет к упрочнению металлической матрицы. Однако увеличение содержания фосфора более 0,018% вызывает охрупчивание стали и снижение хладостойкости.
Сера является вредной примесью, снижающей пластические и вязкостные свойства. При концентрации серы не более 0,005% ее вредное действие проявляется слабо и не приводит к заметному снижению механических свойств стали. В то же время более глубокое удаление серы удорожает сталь, делает ее производство нерентабельным.
Кальций обеспечивает рафинирование границ зерен микроструктуры стали. Действуя как поверхностно-активное вещество, он очищает межзеренные границы от нежелательных примесей, благодаря чему достигается одновременное повышение ударной вязкости при отрицательных температурах и коррозионной стойкости стали. При снижении содержания кальция менее 0,001% его положительное влияние проявляется слабо. Увеличение содержания кальция сверх 0,006% ведет к увеличению количества неметаллических включений, что отрицательно сказывается на механических свойствах горячекатаного проката.
При содержании в структуре стали мелкозернистого структурно свободного феррита с номером зерна не менее 9 баллов при структурной полосчатости не более 2 баллов имеет место дополнительное повышение стойкости стали против локальной коррозии и хладостойкости. Снижение номера зерна феррита менее 9 баллов, как и повышение структурной полосчатости более 2 баллов ухудшает коррозионную стойкость и хладостойкость стали.
Экспериментально установлено, что скопления алюмокальциевых, сульфидных, алюмокальциевосиликатных включений крупнее 3 баллов приводят к разрушению образцов при коррозионных испытаниях, что недопустимо. Кроме того, неметаллические включения крупнее 3 баллов снижают хладостойкость стали, снижают выход годных горячекатаных полос.
Сталь выплавляли в кислородном конвертере, раскисляли ферромарганцем, феррокремнием, ферросилицием, легировали феррованадием, феррониобием, вводили металлический алюминий, ферротитан, силикокальций. Проводили десульфурацию и дефосфорацию расплава, продувку аргоном. Сталь подвергали непрерывной разливке в слябы и горячей прокатке на непрерывном широкополосном стане 2000 в полосы толщиной 9,0 мм с температурой конца прокатки Ткп=880°С, после чего охлаждали водой до температуры Тсм=590°С и сматывали в рулоны.
В таблице 2 приведены химические составы сталей с различным содержанием легирующих элементов и примесей, а в таблице 3 - свойства этих же сталей и выход годных горячекатаных полос.
Как следует из таблиц 2 и 3, горячекатаные полосы из сталей предложенного состава (составы №2-5) имеют повышенную коррозионную стойкость, хладостойкость (ударную вязкость при отрицательных температурах). Благодаря этому достигается максимальный выход годного горячекатаного полосового проката.
В случаях запредельных значений концентрации легирующих элементов и примесей (составы №1 и 6), а также при использовании стали известного химического состава (состав №7), принятой в качестве прототипа, коррозионная стойкость и хладостойкость стали в горячекатаном состоянии ухудшаются.
В качестве базового объекта при оценке технико-экономической эффективности предложенной стали выбрана сталь-прототип. Использование стали предложенного состава позволит повысить рентабельность производства магистральных труб для нефте- и газопроводов на 20-30%.
Источники, использованные при составлении описания изобретения
1. Патент Российской Федерации №2141002, МПК С22С 38/60, 1999 г.
2. Авторское свидетельство СССР №863707, МПК С22С 38/58, 1981 г.
3. Заявка JP 2005-146395 А, МПК С22С 38/58, 09.06.2005 г. - прототип.
| Таблица 2 | |||||||||||||||||||
| Химический состав низколегированных сталей | |||||||||||||||||||
| № состава | Содержание химических элементов, масс.% | Параметры микроструктуры | |||||||||||||||||
| С | Si | Mn | V | Nb | Al | Ti | N | Cr | Ni | Cu | S | Р | Са | Fe | Cr+Ni+Cu | № зерна феррита | Балл полосчатости | Балл неметалл. включен. | |
| 1. | 0,04 | 0,2 | 0,3 | 0,03 | 0,01 | 0,01 | 0,004 | 0,005 | 0,1 | 0,3 | 0,3 | 0,003 | 0,013 | - | Основа | 0,7 | 7-8 | 3 | 3 |
| 2. | 0,05 | 0,3 | 0,4 | 0,04 | 0,02 | 0,02 | 0,005 | 0,006 | 0,1 | 0,1 | 0,2 | 0,003 | 0,014 | 0,001 | -:- | 0,4 | 9 | 1 | 1 |
| 3. | 0,10 | 0,6 | 0,6 | 0,09 | 0,05 | 0,04 | 0,017 | 0,007 | 0,2 | 0,2 | 0,1 | 0,004 | 0,016 | 0,003 | -:- | 0,5 | 10 | 1 | 1 |
| 4. | 0,11 | 0,7 | 0,5 | 0,10 | 0,06 | 0,05 | 0,018 | 0,007 | 0,3 | 0,1 | 0,1 | 0,005 | 0,017 | - | -:- | 0,5 | 9 | 2 | 2 |
| 5. | 0,15 | 0,9 | 0,9 | 0,15 | 0,08 | 0,06 | 0,030 | 0,008 | 0,3 | 0,1 | 0,2 | 0,005 | 0,018 | 0,006 | -:- | 0,6 | 10 | 2 | 3 |
| 6. | 0,16 | 1,0 | 1,0 | 0,16 | 0,09 | 0,07 | 0,032 | 0,009 | 0,4 | 0,4 | 0,4 | 0,006 | 0,019 | 0,007 | -:- | 1,2 | 11 | 3 | 4 |
| 7. | 0,07 | 0,5 | 1,9 | 0,08 | 0,09 | 0,01 | 0,086 | 0,013 | 0,2 | 0,3 | 0,2 | 0,008 | 0,018 | - | -:- | 0,7 | 8-9 | 4 | 4 |
Низколегированная свариваемая сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, ванадий, ниобий, алюминий, титан, азот, хром, никель, медь, серу, фосфор, кальций и железо, отличающаяся тем, что она содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%:
| углерод | 0,05-0,15 |
| кремний | 0,30-0,90 |
| марганец | 0,40-0,90 |
| ванадий | 0,04-0,15 |
| ниобий | 0,02-0,08 |
| алюминий | 0,02-0,06 |
| титан | 0,005-0,03 |
| азот | не более 0,008 |
| хром | не более 0,30 |
| никель | не более 0,30 |
| медь | не более 0,30 |
| сера | не более 0,005 |
| фосфор | не более 0,018 |
| кальций | 0,001-0,006 |
| железо | остальное, |
при этом имеет в структуре феррит с номером зерна не менее 9, при структурной полосчастости не более 2 баллов и неметаллические включения не крупнее 3 баллов, а суммарное содержание хрома, никеля и меди соответствует условию
Cr+Ni+Cu≤0,6 мас.%.
