Трубная заготовка из низкоуглеродистой марганецсодержащей стали

Изобретение относится к области металлургии, в частности к производству трубной заготовки диаметром от 75 до 180 мм. Для обеспечения повышенного уровня потребительских свойств при обеспечении благоприятного соотношения прочности, пластичности и вязкости, заготовка выполнена из стали, содержащей, мас.%: углерод 0,06-0,12, марганец 1,30-1,70, кремний 0,50-0,80, хром 0,005-0,30, никель 0,005-0,30, медь 0,005-0,30, сера 0,005-0,040, фосфор 0,005-0,040, кальций 0,001-0,010, азот 0,005-0,015, мышьяк 0,0001-0,01, олово 0,0001-0,02 свинец 0,0001-0,01, цинк 0,0001-0,005, железо и неизбежные примеси - остальное, при выполнении соотношений: As+Sn+Pb+5×Zn≤0,055, кальций/сера ≥0,055, C+Mn/6+Cr/5+(Ni+Cu)/15≤0,45, непрерывнолитой и горячекатаной. В качестве примесей сталь содержит, мас.%: ниобий не более 0,02, ванадий не более 0,02. Заготовка 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 2 баллов. 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 не менее 315 Н/мм², предел текучести не менее 260 Н/мм², относительное удлинение не менее 25%, ударная вязкость KCU+20°C не менее 49 Дж/мм². 1 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к производству трубной заготовки диаметром от 75 до 180 мм.

Известна сталь для изготовления трубной заготовки, содержащая углерод, марганец, кремний, хром, алюминий, фосфор, титан, церий, сурьму, железо (SU 899705, С22С 38/60, 23.01.1982).

Известна сталь для изготовления трубной заготовки, содержащая углерод, марганец, кремний, молибден, ванадий, хром, алюминий, азот, серу, фосфор, цинк, свинец, олово, висмут, сурьму, железо (SU 1754790 А1, С22С 38/60, 15.08.1992).

Известна трубная заготовка из микролегированной стали, содержащей углерод, марганец, кремний, хром, никель, ванадий, ниобий, титан, алюминий, кальций, серу, фосфор, азот, медь, сурьму, олово, мышьяк, молибден, железо, горячекатаная (RU 2252972 C1, C21D 9/08, 27.05.2005).

Важнейшим требованием, предъявляемым к трубной заготовке из легированной 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, повышенных характеристик свариваемости. Поставленная задача решена тем, что в трубной заготовке из низкоуглеродистой марганецсодержащей стали, горячекатаной, сталь содержит следующие соотношения компонентов, мас.%:

углерод	0,06-0,12
марганец	1,30-1,70
кремний	0,50-0,80
хром	0,005-0,30
никель	0,005-0,30
медь	0,005-0,30
сера	0,005-0,040
фосфор	0,005-0,040
кальций	0.001-0.010
азот	0,005-0,015
мышьяк	0,0001-0,01
олово	0,0001-0,02
свинец	0,0001-0,01
цинк	0,0001-0,005
железо и неизбежные примеси	остальное,

при выполнении следующих соотношений:

сумма (мышьяк + олово + свинец + 5 × цинк)≤0,055;

(кальций/сера)≥0,055;

сумма: [углерод + (марганец/6) + (хром/5) + (никель + медь)/15]≤0,45.

Непрерывнолитая горячекатаная трубная заготовка имеет пластинчатую феррито-перлитную структуру, размер действительного зерна 6-9 балл, макроструктуру: центральная пористость, точечная неоднородность, ликвационный квадрат, подусадочная ликвация не более 3 балла по каждому виду, ликвационные полоски не более 2 балла, неметаллические включения: сульфиды, оксиды точечные, оксиды строчечные, силикаты хрупкие, силикаты пластичные, силикаты недеформированные не более 4,0 балл по каждому виду включений, механические свойства после нормализации: временное сопротивление разрыву не менее 315 Н/мм², предел текучести не менее 260 Н/мм², относительное удлинение не менее 25%, ударная вязкость KCU+20°C не менее 49 Дж/мм².

В качестве примесей сталь дополнительно содержит ниобий и ванадий в следующих соотношениях, мас.%: ниобий не более 0,02, ванадий не более 0,02.

Приведенные сочетания легирующих элементов позволяют получить в готовом изделии феррито-перлитную мелкодисперсную структуру с благоприятным сочетанием характеристик прочности и пластичности, свариваемости и вязкости.

Углерод вводят в композицию данной стали с целью обеспечения заданного уровня ее прочности и прокаливаемости. Верхняя граница содержания углерода (0,12%) обусловлена необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижняя - соответственно 0,06% - обеспечением требуемого уровня прочности данной стали.

Марганец 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 (1,70%) и хрома (0,30%) определяется необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижний - марганца (1,30%) и хрома (0,005%) - необходимостью обеспечить требуемый уровень прочности и прокаливаемости данной стали.

Кремний относится к ферритообразующим элементам. Нижний предел по кремнию (0,50%) обусловлен технологией раскисления стали. Содержание кремния выше 0,80% неблагоприятно скажется на 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 (0,30%)- 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 (0.30%) обусловлен необходимостью обеспечить заданный уровень вязкости и прочности стали.

Сера определяет уровень пластичности стали. Верхний предел (0.040%) обусловлен необходимостью получения заданного уровня пластичности и вязкости стали, а нижний предел (0.005%) - 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 (0.040%) обусловлен необходимостью получения заданного уровня пластичности и вязкости стали, а нижний предел (0.005%) - вопросами технологичности производства.

Кальций - элемент, модифицирующий неметаллические включения. Верхний предел (0.010%), как и в случае серы, обусловлен необходимостью получения заданного уровня пластичности и вязкости стали, а нижний (0.001%) - вопросами технологичности производства.

Азот способствует образованию нитридов в стали. Верхний предел содержания азота (0,015%) 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 - (0,01%, 0,02%, 0,01% и 0,005% соответственно) определяет повышенную склонность стали к обратимой отпускной хрупкости.

Соотношение C+Mn/6+Cr/5+(Ni+Cu)/15≤0,45 определяет характеристики свариваемости исследуемой стали, в то время как соотношение As+Sn+Pb+5×Zn≤0,055 определяет характеристики вязкости стали.

Соотношение кальций/сера ≥0,055 определяет параметры обрабатываемости стали резанием.

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, удовлетворительной свариваемости и повышенной обрабатываемости резанием, низкого содержания неметаллических включений, однородной макро и микроструктуры проката.

Пример осуществления изобретения. Выплавку исследуемой стали (химический состав, мас.%: углерод 0,10%, марганец 1,47%, кремний 0,69%, хром 0,12%, никель 0,07%, медь 0,09%, фосфор 0,009%, сера 0,022%, кальций 0,006%, мышьяк 0,009%, олово 0,005%, свинец 0,003%, цинк 0,001%, азот 0,010%) производят в 150-тонных дуговых сталеплавильных печах 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 производят 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 производится окончательная корректировка 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 и пластичности - δ. Характеристики ударной вязкости при комнатной температуре определяют на образцах тип I, ГОСТ 9454-78. на механическом копре МК-30. Величину вязкой составляющей в изломах ударных образцов определяют визуально.

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 диаметром 100 мм, длиной 1180 мм. Структура феррито-перлитная, балл действительного зерна - 9. Макроструктура: центральная пористость -1 балл, точечная неоднородность - 1 балл, ликвационный квадрат - 0,5 балл, подусадочная ликвация - 0,5 балл, ликвационные полоски - 0,5 балла. Неметаллические включения: сульфиды - 1 балл, оксиды точечные - 0 балл, оксиды строчечные - 1 балл, силикаты хрупкие - 1 балл, силикаты пластичные - 1 балл, силикаты недеформирующие - 1 балл. Механические свойства после нормализации при 920°С, 1 час, воздух: временное сопротивление разрыву 350 Н/мм², предел текучести 280 Н/мм², относительное удлинение 28%, ударная вязкость KCU+20°C 62 Дж/мм².

As+Sn+Pb+5×Zn=0,022

кальций/сера=0,27

C+Mn/6+Cr/5+(Ni+Cu)/15=0,38

Внедрение производства трубной заготовки обеспечивает повышение уровня потребительских свойств при обеспечении благоприятного соотношения прочности, пластичности и вязкости, минимальном уровне анизотропии механических свойств, пониженной склонности к обратимой отпускной хрупкости, удовлетворительной свариваемости и повышенной обрабатываемости резанием, низкого содержания неметаллических включений, однородной макро и микроструктуры проката.

1. Трубная непрерывнолитая заготовка из низкоуглеродистой марганецсодержащей стали, горячекатаная, отличающаяся тем, что заготовка выполнена из стали, содержащей следующее соотношение компонентов, мас.%:

углерод	0,06-0,12
марганец	1,30-1,70
кремний	0,50-0,80
хром	0,005-0,30
никель	0,005-0,30
медь	0,005-0,30
сера	0,005-0,040
фосфор	0,005-0,040
кальций	0,001-0,010
азот	0,005-0,015
мышьяк	0,0001-0,01
олово	0,0001-0,02
свинец	0,0001-0,01
цинк	0,0001-0,005
железо и неизбежные примеси	остальное,

при выполнении следующих соотношений:

(As+Sn+Pb+5×Zn)≤0,055;

Ca/S≥0,055;

C+Mn/6+Cr/5+(Ni+Cu)/15≤0,45,

при этом она имеет 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 2 баллов, неметаллические включения по сульфидам, оксидам точечным, оксидам строчечным, силикатам хрупким, силикатам пластичным, силикатам недеформированным не более 4,0 баллов по каждому виду, механические свойства после нормализации - временное сопротивление разрыву не менее 315 Н/мм², предел текучести не менее 260 Н/мм², относительное удлинение не менее 25%, ударная вязкость KCU+20°C не менее 49 Дж/мм².

2. Трубная заготовка по п.1, отличающаяся тем, что в качестве неизбежных примесей сталь содержит, мас.%: ниобий не более 0,02, ванадий не более 0,02.