Трубная заготовка из микролегированной, марганецсодержащей стали

Изобретение относится к области металлургии, в частности к производству трубной заготовки диаметром от 80 до 180 мм. Для обеспечения повышенного уровня потребительских свойств, минимального уровня анизотропии механических свойств, свариваемости и повышенной стойкости к отпускной хрупкости заготовка выполнена из стали, содержащей, мас.%: углерод 0,13-0,18, марганец 1,00-1,40, кремний 0,10-0,30, алюминий 0,015-0,050, ванадий 0,005-0,05, хром 0,005-0,08, никель 0,005-0,20, медь 0,005-0,20, молибден 0,001-0,08, мышьяк 0,0001-0,03, олово 0,0001-0,02, свинец 0,0001-0,01, цинк 0,0001-0,005, железо и неизбежные примеси - остальное, при соотношении: As+Sn+Pb+5xZn≤0,07, примеси: фосфор не более 0,020%, сера не более 0,010%, азот не более 0,015%. Заготовка выполнена горячекатаной и нормализованной, имеет феррито-перлитную структуру с размером зерна 6-9 баллов, макроструктуру по центральной пористости, точечной неоднородности, ликвационному квадрату, подусадочной ликвации не более 3 баллов по каждому виду, ликвационным полоскам не более 1 балла, неметаллические включения по сульфидам, оксидам точечным, оксидам строчечным, силикатам хрупким, силикатам пластичным, силикатам недеформированным не более 4,0 баллов по каждому виду, временное сопротивление разрыву 450-620 Н/мм², предел текучести не менее 310 Н/мм², относительное удлинение не менее 16%, относительное сужение не менее 40%. 4 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к производству трубной заготовки диаметром от 80 до 180 мм с пониженной склонностью к различным видам хрупкого разрушения.

Известна трубная заготовка из легированной стали, имеющая заданную структуру, механические свойства, в состав стали включены углерод, кремний, хром, марганец, никель, молибден, ниобий, алюминий, бор, азот (RU 2070585 С1, C21D 9/14, 20.12.1996).

Известна трубная заготовка из легированной стали, содержащей углерод, кремний, марганец, ниобий, молибден, серу, фосфор, хром, медь, никель, алюминий, титан, сурьму, олово, мышьяк и железо остальное, изготовленная из горячекатаного листа, имеющая заданные параметры механических свойств и заданную структуру (RU 2252972 С1, C21D 9/08, 27.05.2005).

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

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, а также повышенной стойкости к отпускной хрупкости.

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

углерод	0,13-0,18
марганец	1,00-1,40
кремний	0,10-0,30
алюминий	0,015-0,050
ванадий	0,005-0,05
хром	0,005-0,08
никель	0,005-0,20
медь	0,005-0,20
молибден	0,001-0,08
мышьяк	0,0001-0,03
олово	0,0001-0,02
свинец	0,0001-0,01
цинк	0,0001-0,005
железо и неизбежные примеси	остальное

при выполнении соотношения:

сумма (мышьяк + олово + свинец + 5×Zn)≤0,07,

горячекатаной, подвергнутой нормализации, и имеет пластинчатую феррито-перлитную структуру, размер действительного зерна 6-9 баллов, макроструктуру - центральная пористость, точечная неоднородность, ликвационный квадрат, подусадочная ликвация не более 3 баллов по каждому виду, ликвационные полоски - не более 1 балла, неметаллические включения: сульфиды, оксиды точечные, оксиды строчечные, силикаты хрупкие, силикаты пластичные, силикаты недеформированные - не более 4,0 баллов по каждому виду включений и механические свойства после нормализации: временное сопротивление разрыву 450-620 Н/мм², предел текучести не менее 310 Н/мм², относительное удлинение не менее 16%, относительное сужение не менее 40%.

В качестве примесей сталь дополнительно содержит в мас.%: фосфор не более 0,020, сера не более 0,010, азот не более 0,015.

При содержании ванадия не более 0,01%, кремния 0,10-0,25% и марганца 1,00-1,30% заготовка имеет временное сопротивление разрыву 450-510 Н/мм², предел текучести не менее 310 Н/мм², относительное удлинение не менее 21%, относительное сужение не менее 45%.

При содержании ванадия не более 0,01%, кремния 0,15-0,30% и марганца 1,20-1,40% заготовка имеет временное сопротивление разрыву 490-560 Н/мм², предел текучести не менее 360 Н/мм², относительное удлинение не менее 18% относительное сужение не менее 42%.

При содержании ванадия 0,02-0,04%, кремния 0,10-0,25% и марганца 1,0-1,30% заготовка имеет временное сопротивление разрыву 510-620 Н/мм², предел текучести не менее 420 Н/мм², относительное удлинение не менее 16%, относительное сужение не менее 40%.

Приведенные сочетания легирующих элементов позволяют получить в готовом изделии феррито-перлитную мелкодисперсную структуру с благоприятным сочетанием характеристик прочности и пластичности, повышенной прокаливаемости и повышенной сопротивляемости различным видам хрупкого разрушения.

Углерод вводят в композицию данной стали с целью обеспечения заданного уровня ее прочности и прокаливаемости. Верхняя граница содержания углерода (0,18%) обусловлена необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижняя - 0,13% - обеспечением требуемого уровня прочности и прокаливаемости данной стали.

Ванадий вводят в композицию данной стали с целью обеспечения мелкодисперсной, однородной зеренной структуры. При этом ванадий управляет процессами в нижней части аустенитной области (определяет склонность к росту зерна аустенита, стабилизирует структуру при термомеханической обработке, повышает температуру рекристаллизации и, как следствие, влияет на характер γ-α-превращения). Верхняя граница содержания ванадия - 0,05% обусловлена необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижняя - соответственно 0.005% - обеспечением требуемого уровня прочности данной стали.

Марганец, молибден и хром используют, с одной стороны, как упрочнители твердого раствора, с другой стороны, как элементы, повышающие устойчивость переохлажденного аустенита стали. При этом верхний уровень содержания марганца - 1,40%, молибдена - 0,08% и хрома - 0,08% определяется необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижний - марганца - 1,00%, молибдена - 0,001% и хрома - 0,005% соответственно - необходимостью обеспечить требуемый уровень прочности и прокаливаемости данной стали.

Кремний относится к ферритообразующим элементам. Нижний предел по кремнию - 0,10% обусловлен технологией раскисления стали. Содержание кремния выше 0,30% неблагоприятно сказывается на характеристиках пластичности стали.

Никель в заданных пределах влияет на характеристики прокаливаемости и вязкости стали. При этом нижний уровень содержания никеля - 0,005% обусловлен необходимостью обеспечения заданного уровня вязкости стали, а верхний - 0,20% - необходимостью получения мартенситной структуры при закалке стали (так как никель является аустенитизатором).

Медь определяет характеристики горячей пластичности стали. При этом нижний уровень ее содержания - 0,005% определяется требованиями обеспечения заданного уровня пластичности стали. Верхний уровень - 0,20% обусловлен необходимостью обеспечить заданный уровень вязкости и прочности стали.

Алюминий - сильный нитридообразователь и раскислитель стали. Верхний предел содержания алюминия - 0,05% обусловлен необходимостью получения заданного уровня пластичности и вязкости стали, а нижний - 0.015% соответственно - 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.

Анализ патентной и научно-технической информации не выявил решений, имеющих аналогичную совокупность признаков, которой достигался бы сходный эффект - повышение уровня потребительских свойств при обеспечении благоприятного соотношения прочности, пластичности и вязкости, минимальном уровне анизотропии механических свойств, пониженной склонности к обратимой отпускной хрупкости, повышенной теплостойкости, низком содержании неметаллических включений, однородной макро и микроструктуре проката.

Примеры осуществления изобретения

Выплавку трех вариантов исследуемой стали (химический состав в мас.%):

вариант 1: углерод 0,16, марганец 1,12, кремний 0,15, хром 0,07, ванадий 0,009, алюминий 0,026, никель 0,06, медь 0,05, молибден 0,04, мышьяк 0,007, олово 0,008, свинец 0,009, цинк 0,002,

вариант 2: углерод 0,17, марганец 1,32, кремний 0,12, хром 0,07, ванадий 0,009, алюминий 0,026, никель 0,06, медь 0,05, молибден 0,04, мышьяк 0,010, олово 0,009, свинец 0,008, цинк 0,002;

вариант 3: углерод 0,19, марганец 1,22 кремний 0,12, хром 0,07, ванадий 0,017, алюминий - 0,028, никель 0,07, медь 0,05, молибден 0,03, мышьяк 0,007, олово 0,008, свинец 0,006, цинк 0,001;

производят в 150-ти тонных дуговых сталеплавильных печах (ДПС) 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 производят в ковше при выпуске из ДСП. После выпуска производят продувку 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 проводят наведение рафинировочного шлака присадкой извести и плавикового шпата, раскисление шлака гранулированным алюминием, легирование металла алюминием до содержания 0,050%, доводку металла по содержанию марганца, нагрев до температуры, обеспечивающей дальнейшую обработку. После обработки на АКОС металл подвергают вакуумной обработке на порционном вакууматоре. Во время вакуумирования производят окончательную корректировку по химическому составу. После вакуумирования металл обрабатывают силикокальцием и передают на разливку. Разливку производят 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 охлаждают в печах контролируемого охлаждения. Горячую прокатку сортового проката начинают при температуре 1180-1150°С и заканчивают при температуре 840-950°С.

Механические характеристики при комнатной температуре определяют на образцах тип I, ГОСТ 1497-84, на испытательной машине "INSTRON-1185" с тензометрической регистрацией деформации. Скорость нагружения образца - 5 мм/мин. Определяют характеристики прочности σ_b и σ_0.2, пластичности - δ и ϕ.

Средние значения характеристик подсчитывают по результатам испытаний не менее трех образцов на точку. Значимость различий средних значений анализируемых величин оценивают с использованием критерия Стьюдента, вычисляемого следующим образом:

где: M₁ и М₂ - средние значения сравниваемых величин; S₁ ² и S₂ ² - дисперсии среднего; t_kr ^0.05(α) - критическое значение критерия Стьюдента при уровне значимости 0.95 и числе степеней свободы - α.

Макроструктуру контролируют в соответствии с ТУ 14-1-5212-93 и ГОСТ 10243-75.

В результате горячей прокатки получают трубную заготовку ⊘140 мм, длиной - 11800 мм.

Вариант 1: структура феррито-перлитная, балл действительного зерна 7, макроструктура: центральная пористость 1 балл, точечная неоднородность 1 балл, ликвационный квадрат 1 балл, подусадочная ликвация 1 балл, ликвационные полоски 0,5 балла, неметаллические включения: сульфиды 2 балла, оксиды точечные 1 балл, оксиды строчечные 1 балл, силикаты хрупкие 1 балл, силикаты пластичные 1 балл, силикаты недеформированные 1 балл, механические свойства после нормализации при 920°С, 1 час: временное сопротивление разрыву 492 Н/мм², предел текучести 385 Н/мм², относительное удлинение не менее 24%, относительное сужение не менее 48%.

As+Sn+Pb+5×Zn=0,034.

Вариант 2: структура феррито-перлитная, балл действительного зерна 7, макроструктура: центральная пористость 0,5 балл, точечная неоднородность 1 балл, ликвационный квадрат 1 балл, подусадочная ликвация 1 балл, ликвационные полоски 1 балла, неметаллические включения: сульфиды 2 балла, оксиды точечные 1 балл, оксиды строчечные 1 балл, силикаты хрупкие 2 балла, силикаты пластичные 2 балла, силикаты недеформированные 1 балл, механические свойства после нормализации при 920°С, 1 час: временное сопротивление разрыву 545 Н/мм², предел текучести 412 Н/мм², относительное удлинение 22%, относительное сужение 45%.

As+Sn+Pb+5×Zn=0,037.

Вариант 3: структура феррито-перлитная, балл действительного зерна 7, макроструктура: центральная пористость 1 балл, точечная неоднородность 1 балл, ликвационный квадрат 2 балла, подусадочная ликвация 2 балла, ликвационные полоски 1 балл, неметаллические включения: сульфиды 1 балл, оксиды точечные 1 балл, оксиды строчечные 1 балл, силикаты хрупкие 1 балл, силикаты пластичные 1 балл, силикаты недеформированные 1 балл, механические свойства после нормализации при 920°С, 1 час: временное сопротивление разрыву 540 Н/мм², предел текучести 435 Н/мм², относительное удлинение 19%, относительное сужение 45%.

As+Sn+Pb+5×Zn=0,026.

Внедрение предложенной трубной заготовки из легированной марганецсодержащей стали обеспечило повышение уровня потребительских свойств при обеспечении благоприятного соотношения прочности, пластичности и вязкости, минимальном уровне анизотропии механических свойств, пониженной склонности к обратимой отпускной хрупкости, повышенной прокаливаемости, низкого содержания неметаллических включений, однородной макро- и микроструктуры проката.

1. Трубная горячекатаная заготовка из микролегированной, марганецсодержащей стали с заданными параметрами структуры, неметаллических включений и механических свойств, отличающаяся тем, что заготовка выполнена из стали, содержащей следующее соотношение компонентов, мас.%:

углерод	0,13-0,18
марганец	1,00-1,40
кремний	0,10-0,30
алюминий	0,015-0,050
ванадий	0,005-0,05
хром	0,005-0,08
никель	0,005-0,20
медь	0,005-0,20
молибден	0,001-0,08
мышьяк	0,0001-0,03
олово	0,0001-0,02
свинец	0,0001-0,01
цинк	0,0001-0,005
железо и неизбежные примеси	остальное,

при выполнении соотношения:

(As+Sn+Pb+5×Zn)≤0,07,

при этом она подвергнута нормализации и имеет пластинчатую феррито-перлитную структуру, размер действительного зерна 6-9 баллов, макроструктуру по центральной пористости, точечной неоднородности, ликвационному квадрату, подусадочной ликвации не более 3 баллов по каждому виду, ликвационным полоскам не более 1 балла, неметаллические включения по сульфидам, оксидам точечным, оксидам строчечным, силикатам хрупким, силикатам пластичным, силикатам недеформированным не более 4,0 баллов по каждому виду, временное сопротивление разрыву 450-620 Н/мм², предел текучести не менее 310 Н/мм², относительное удлинение не менее 16% и относительное сужение не менее 40%.

2. Трубная заготовка по п.1, отличающаяся тем, что в качестве неизбежных примесей сталь содержит, мас.%: фосфор не более 0,020, сера не более 0,010, азот не более 0,015.

3. Трубная заготовка по п.1, отличающаяся тем, что при содержании в стали, мас.%: ванадия не более 0,01, кремния 0,10-0,25 и марганца 1,00-1,30, она имеет временное сопротивление разрыву 450-510 Н/мм², предел текучести не менее 310 Н/мм², относительное удлинение не менее 21% и относительное сужение не менее 45%.

4. Трубная заготовка по п.1, отличающаяся тем, что при содержании в стали, мас.%: ванадия не более 0,01, кремния 0,15-0,30 и марганца 1,20-1,40, она имеет временное сопротивление разрыву 490-560 Н/мм², предел текучести не менее 360 Н/мм², относительное удлинение не менее 18% и относительное сужение не менее 42%.

5. Трубная заготовка по п.1, отличающаяся тем, что при содержании в стали, мас.%: ванадия 0,02-0,04, кремния 0,10-0,25 и марганца 1,0-1,30, она имеет временное сопротивление разрыву 510-620 Н/мм², предел текучести не менее 420 Н/мм², относительное удлинение не менее 16% и относительное сужение не менее 40%.