Трубная заготовка из среднеуглеродистой низколегированной стали

Изобретение относится к области металлургии, в частности к производству трубной заготовки диаметром от 100 до 180 мм для производства бесшовных труб. Для обеспечения повышенного уровня потребительских свойств при минимальном уровне анизотропии механических свойств заготовка выполнена из стали, содержащей компоненты, мас.%: углерод 0,41-0,48, марганец 0,30-0,60, кремний 0,17-0,37, хром 0,05-0,30, сера 0,005-0,045, азот 0,005-0,010, мышьяк 0,0001-0,03, олово 0,0001-0,02, свинец 0,0001-0,01, цинк 0,0001-0,005, кальций 0,001-0,005, железо и неизбежные примеси - остальное, при выполнении соотношений: (As+Sn+Pb+5×Zn)≤0,07, 0,50≤(C+Mn/6+Cr/5)≤0,69. Примеси, мас%: фосфор не более 0,045; никель не более 0,30; медь не более 0,25. Заготовка подвергнута закалке и низкому отпуску, имеет феррито-перлитную структуру, размер действительного зерна - 5-10 баллов, макроструктуру по центральной пористости, точечной неоднородности, ликвационному квадрату не более 2,0 баллов по каждому виду, подусадочной ликвации и ликвационным полоскам не более 1 балла, неметаллические включения по сульфидам точечным, оксидам точечным, оксидам строчечным, силикатам хрупким, силикатам пластичным, силикатам недеформированным не более 2,5 баллов по каждому виду, временное сопротивление разрыву не менее 639 Н/мм², предел текучести не менее 373 Н/мм², относительное удлинение не менее 16%, относительное сужение не менее 40%. Ударная вязкость KCU (+20°С) не менее 39 Дж/см². 3 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к производству термообработанной трубной заготовки диаметром от 100 до 180 мм, предназначенной для производства бесшовных труб различного назначения.

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 заготовки из среднеуглеродистой низколегированной стали, с одной стороны, является 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, улучшенных характеристик обрабатываемости резанием.

Поставленная задача решена тем, что известная трубная заготовка из среднеуглеродистой низколегированной стали, имеющая заданные параметры металлургического качества по неметаллическим включениям, структуры, механических свойств, выполнена из стали, содержащей следующее соотношение компонентов в мас.%:

углерод [С]	0,41-0,48
марганец [Mn]	0,30-0,60
кремний [Si]	0,17-0,37
хром [Cr]	0,05-0,30
сера [S]	0,005-0,045
азот [N]	0,005-0,010
мышьяк [As]	0,0001-0,03
олово [Sn]	0,0001-0,02
свинец [Pb]	0,0001-0,01
цинк [Zn]	0,0001-0,005
кальций [Са]	0,001-0,005
железо и
неизбежные примеси	остальное,

при выполнении соотношений: сумма (мышьяк + олово + свинец + 5 × цинк)≤0,07; 0,50≤[улерод + (марганец/6 + хром/5)]≤0,69, трубная заготовка имеет феррито-перлитную структуру, размер действительного зерна 5-10 баллов, по макроструктуре: центральная пористость, точечная неоднородность, ликвационный квадрат не более 2,0 баллов среднее по каждому виду, подусадочная ликвация не более 1 балла, ликвационные полоски - не более 1 балла, по неметаллическим включениям: сульфиды точечные, оксиды точечные, оксиды строчечные, силикаты хрупкие, силикаты пластичные, силикаты недеформированные - не более 2,5 баллов по каждому виду включений, механические свойства после закалки и низкого отпуска: временное сопротивление разрыву не менее 639 Н/мм², предел текучести, не менее 373 Н/мм², относительное удлинение не менее 16%, относительное сужение не менее 40%, ударную вязкость KCU (+20°С) не менее 39 Дж/см².

В качестве примесей сталь дополнительно содержит в мас.%: фосфор не более 0,045, никель не более 0,30; медь не более 0,25.

При содержании серы ≤0,025% она имеет механические свойства: временное сопротивление разрыву не менее 639 Н/мм², предел текучести не менее 373 Н/мм², относительное удлинение не менее 18%, относительное сужение - не менее 45%, ударную вязкость KCU (+20°С) не менее 49 Дж/см².

При содержании 0,025% ≤ серы ≤0,045% она имеет механические свойства: временное сопротивление разрыву не менее 650 Н/мм², предел текучести не менее 390 Н/мм², относительное удлинение не менее 16%, относительное сужение не менее 40%, ударную вязкость KCU (+20°С) не менее 39 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 (0,48%) обусловлена необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижняя - соответственно 0,41% - обеспечением требуемого уровня прочности и прокаливаемости данной стали.

Марганец 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 - 0,60%, хрома - 0,30% определяется необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижний - 0,30% и 0,05% соответственно необходимостью обеспечить требуемый уровень прочности и прокаливаемости и теплостойкости данной стали.

Кремний относится к ферритообразующим элементам. Нижний предел по кремнию - 0,17% обусловлен технологией раскисления стали. Содержание кремния выше 0,37% неблагоприятно скажется на характеристиках пластичности стали.

Азот способствует образованию нитридов в стали. Верхний предел содержания азота - 0,010% обусловлен необходимостью получения заданного уровня пластичности и вязкости стали, а нижний предел - 0,005% вопросами технологичности производства.

Сера определяет уровень пластичности и обрабатываемости резанием стали. Верхний предел (0,045%) обусловлен необходимостью получения заданного уровня пластичности и вязкости стали, а нижний предел (0,005%) - вопросами технологичности производства и обрабатываемости резанием.

Кальций - элемент, модифицирующий неметаллические включения. Верхний предел (0,005%), как и в случае серы, обусловлен необходимостью получения заданного уровня пластичности и вязкости стали, а нижний (0,001%) предел 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≤0,05 определяет пониженную склонность стали к проявлению обратимой отпускной хрупкости. Соотношение 0,50≤С+Mn/6+Cr/5≤0,69 определяет параметры вязкости и прокаливаемости стали.

Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что заявляемый состав отличается от известного введением новых компонентов - и соотношениями:

(As+Sn+Pb+5×Zn)≤0,05; 0,50≤(C+Mn/6+Cr/5)≤0,69

Анализ патентной и научно-технической информации не выявил решений, имеющих аналогичную совокупность признаков, которой достигался бы сходный эффект - 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.

Примеры осуществления изобретения. Выплавку исследуемых сталей с химическим составом в мас.%:

пример 1: углерод - 0,45%, марганец - 0,55%, кремний - 0,26%, хром - 0,22%, сера - 0,010%, азот - 0,007%, мышьяк - 0,009%, олово - 0,005%, свинец - 0,003%, цинк - 0,001%, кальций - 0,005%;

пример 2: углерод - 0,43%, марганец - 0,57%, кремний - 0,22%, хром - 0,25%, сера - 0,040%, азот - 0,008%, мышьяк - 0,009%, олово - 0,006%, свинец - 0,002%, цинк - 0,002%, кальций - 0,005% - производится 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 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 производится 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 непрерывно литые 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 900-920°С, масло (температура масла - 50-60°С), отпуск 150-180°С, воздух.

В результате горячей прокатки получаем трубную заготовку ⊘110 мм, длиной - 4800 мм, имеющую:

вариант 1 - пластинчатую феррито-перлитную структуру, балл действительного зерна 7. Макроструктура: центральная пористость - 2 балла, точечная неоднородность - 1 балл, ликвационный квадрат - 1 балл, подусадочная ликвация - 2 балла, ликвационные полоски - 0,5 балла. Неметаллические включения: сульфиды точечные - 1,5 балла, оксиды точечные - 0,5 балла, оксиды строчечные - 1 балл, силикаты хрупкие - 0,5 балла, силикаты пластичные - 0,5 балла, силикаты недеформированные - 1,5 балла.

Механические свойства после закалки и отпуска - временное сопротивление разрыву 660 Н/мм², предел текучести - 380 Н/мм², относительное удлинение - 19%, относительное сужение - 49%. Ударная вязкость KCU (+20°С) - 51 Дж/см².

(As+Sn+Pb+5×Zn)≤0,015; (C+Mn/6+Cr/5)=0,585;

вариант 2 - пластинчатую феррито-перлитную структуру, балл действительного зерна - 8. 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 точечные - 1,0 балл, оксиды точечные - 0,5 балла, оксиды строчечные - 1 балл, силикаты хрупкие - 0,5 балла, силикаты пластичные - 0,5 балла, силикаты недеформированные - 1,5 балла.

Механические свойства после закалки и отпуска - временное сопротивление разрыву 680 Н/мм², предел текучести - 390 Н/мм², относительное удлинение - 18%, относительное сужение - 46%. Ударная вязкость KCU (+20°С) - 48 Дж/см².

As+Sn+Pb+5×Zn≤0,017; C+Mn/6+Cr/5=0,576

Производство трубной заготовки из среднеуглеродистой низколегированной стали, обеспечивает повышенный уровень потребительских свойств проката, при обеспечении благоприятного соотношения прочности, пластичности и вязкости, минимальном уровне анизотропии механических свойств, низкого содержания неметаллических включений, однородной макро- и микроструктуры проката.

1. Трубная непрерывнолитая заготовка из среднеуглеродистой низколегированной стали, горячекатаная с заданными параметрами неметаллических включений, структуры, механических свойств, отличающаяся тем, что она выполнена из стали, содержащей следующее соотношение компонентов, мас.%:

углерод	0,41-0,48
марганец	0,30-0,60
кремний	0,17-0,37
хром	0,05-0,30
сера	0,005-0,045
азот	0,005-0,010
мышьяк	0,0001-0,03
олово	0,0001-0,02
свинец	0,0001-0,01
цинк	0,0001-0,005
кальций	0,001-0,005
железо и неизбежные примеси	остальное,

при выполнении соотношений: (мышьяк + олово + свинец + 5 × цинк)≤0,07; 0,50≤[углерод + марганец/6+(хром/5)]≤0,69,

при этом она подвергнута закалке и низкому отпуску, имеет феррито-перлитную структуру, размер действительного зерна 5-10 баллов, макроструктуру по центральной пористости, точечной неоднородности, ликвационному квадрату со средним баллом не более 2,0 по каждому виду, подусадочной ликвации и ликвационным полоскам не более 1 балла, неметаллические включения по сульфидам точечным, оксидам точечным, оксидам строчечным, силикатам хрупким, силикатам пластичным, силикатам недеформированным не более 2,5 баллов по каждому виду, временное сопротивление разрыву не менее 639 Н/мм², предел текучести не менее 373 Н/мм², относительное удлинение не менее 16%, относительное сужение не менее 40%, ударную вязкость KCU (+20°С) не менее 39 Дж/см².

2. Трубная заготовка по п.1, отличающаяся тем, что в качестве неизбежных примесей сталь содержит, мас.%: фосфор не более 0,045, никель не более 0,30; медь не более 0,25.

3. Трубная заготовка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что при содержании в стали серы ≤0,025 мас.% она имеет временное сопротивление разрыву не менее 639 Н/мм², предел текучести не менее 373 Н/мм², относительное удлинение не менее 18%, относительное сужение не менее 45%, ударную вязкость KCU (+20°С) не менее 49 Дж/см².

4. Трубная заготовка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что при содержании в стали, мас.%: 0,025≤ серы ≤0,045 она имеет временное сопротивление разрыву не менее 650 Н/мм², предел текучести не менее 390 Н/мм², относительное удлинение не менее 16%, относительное сужение не менее 40%, ударную вязкость KCU (+20°С) не менее 39 Дж/см².