Трубная заготовка из среднеуглеродистой низколегированной стали

Изобретение относится к области металлургии, в частности к производству трубной заготовки диаметром от 80 до 180 мм. Для обеспечения повышенного уровня потребительских свойств трубная заготовка выполнена из стали, содержащей, мас.%: углерод 0,41-0,48, марганец 0,90-1,15, кремний 0,17-0,37, азот 0,005-0,015, 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 следующем соотношении: As+Sn+Pb+5×Zn≤0,07; С+Mn/6≤0,65. Примесями являются: хром не более 0,30%, никель не более 0,30%, молибден не более 0,10%, ванадий не более 0,02%, титан не более 0,02%, сера не более 0,030%, кальций не более 0,01%, ниобий не более 0,02%, фосфор не более 0,035%, медь не более 0,30%. Заготовка непрерывнолитая, горячекатаная, нормализованная, имеет феррито-перлитную структуру, размер действительного зерна 6-9 баллов, макроструктуру по центральной пористости, точечной неоднородности, ликвационному квадрату, подусадочной ликвации, ликвационным полоскам не более 3 баллов по каждому виду, неметаллические включения по сульфидам, оксидам точечным, оксидам строчечным, силикатам хрупким, силикатам пластичным, силикатам недеформированным не более 4,5 баллов по каждому виду, временное сопротивление разрыву не менее 638 Н/мм², предел текучести не менее 373 Н/мм², относительное сужение не менее 40%, ударная вязкость KCU+20°C не менее 39 Дж/см². 1 з.п.ф-лы.

 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к производству трубной заготовки диаметром от 80 до 180 мм из среднеуглеродистой низколегированной стали.

Известна трубная заготовка из низколегированной 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 (RU 2180691 C1, 20.03.2002, C21D 9/08).

Известна сталь среднеуглеродистая низколегированная для изготовления трубной заготовки, содержащая углерод, кремний, марганец, ниобий, молибден, серу, фосфор, хром, медь, никель, алюминий, титан и железо - остальное, подвергнутая горячей прокатке (RU 2252972 С1, C21D 9/08, 27.05.2005).

Важнейшим требованием, предъявляемым к трубной заготовке из среднеуглеродистой низколегированной 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 благоприятных соотношениях прочности, пластичности и вязкости, минимальном уровне анизотропии механических свойств, низкого содержания неметаллических включений, однородной микро- и макроструктуры проката.

Для решения поставленной задачи трубная заготовка из среднеуглеродистой низколегированной стали, содержит следующее соотношение компонентов, мас.%:

углерод	0,41-0,48
марганец	0,90-1,15
кремний	0,17-0,37
азот	0,005-0,015
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 следующих соотношений:

сумма: (мышьяк + олово + свинец + 5 × цинк)≤0,07;

сумма: (углерод + марганец / 6)≤0,65.

Заготовка выполнена непрерывнолитой, горячекатаной, имеет 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 3 баллов, неметаллические включения: сульфиды, оксиды точечные, оксиды строчечные, силикаты хрупкие, силикаты пластичные, силикаты недеформированные не более 4,5 баллов по каждому виду включений, механические свойства после нормализации: временное сопротивление разрыву не менее 638 Н/мм², предел текучести не менее 373 Н/мм², относительное сужение не менее 40%, ударная вязкость KCU+20°C не менее 39 Дж/мм².

В качестве примесей сталь дополнительно содержит хром, никель, молибден, ванадий, титан, серу, кальций, ниобий, фосфор и медь в следующих соотношениях, мас.%:

хром	не более 0,30%
никель	не более 0,30%
молибден	не более 0,10%
ванадий	не более 0,02%
титан	не более 0,02%
сера	не более 0,030%
кальций	не более 0,01%
ниобий	не более 0,02%
фосфор	не более 0,035%
медь	не более 0,30%.

Приведенные сочетания легирующих элементов позволяют получить в готовом изделии феррито-перлитную мелкодисперсную структуру с благоприятным сочетанием характеристик прочности и пластичности, свариваемости и пониженной склонности к обратимой отпускной хрупкости.

Углерод вводят в композицию данной стали для обеспечения заданного уровня ее прочности и прокаливаемости. Верхняя граница содержания углерода (0,48%) обусловлена необходимостью получения требуемого уровня пластичности стали, а нижняя - соответственно 0,41% - требуемого уровня прочности и прокаливаемости данной стали.

Марганец используется, с одной стороны, как упрочнитель твердого раствора, с другой стороны, как элемент, повышающий устойчивость переохлажденного аустенита стали. При этом верхний уровень содержания марганца - 1,15% определяется необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижний - 0,90% - необходимостью получить требуемый уровень прочности и прокаливаемости 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 - 0,015% 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 - (0,03%, 0,02%, 0,01% и 0,005% соответственно) определяет повышенную склонность стали к обратимой отпускной хрупкости.

Соотношение С+Mn/6≤0,66 определяет характеристики прочности и вязкости исследуемой стали, в то время как соотношение As+Sn+Pb+5×Zn≤0,07 определяет пониженную склонность стали к проявлению обратимой отпускной хрупкости.

Пример осуществления изобретения. Выплавку исследуемой стали (химический состав в мас.%: углерод - 0,45%, марганец - 1,06%, кремний - 0,25%, 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 раскисляют 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 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 типа 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 типа 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 M₂ - 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 ⊘120 мм, длиной - 11800 мм, структура пластинчатого перлита, балл действительного зерна - 9. Макроструктура: центральная пористость - 1 балл, точечная неоднородность - 1 балл, ликвационный квадрат - 0,5 балла, подусадочная ликвация - 0,5 балла, ликвационные полоски - 0,5 балла. Неметаллические включения: сульфиды - 1 балл, оксиды точечные - 0 баллов, оксиды строчечные - 1 балл, силикаты хрупкие - 1 балл, силикаты пластичные - 1 балл, силикаты недеформирующие - 1 балл. Механические свойства после нормализации при 870°С, 1 час, воздух: временное сопротивление разрыву 651 Н/мм², предел текучести 395 Н/мм², относительное сужение 58%, ударная вязкость KCU+20°C 55 Дж/мм².

As+Sn+Pb+5×Zn=0,022, C+Mn/6=0,627.

Внедрение производства трубной заготовки из среднеуглеродистой низколегированной стали 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, низкого содержания неметаллических включений, однородной макро- и микроструктуры проката.

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

углерод	0,41-0,48
марганец	0,90-1,15
кремний	0,17-0,37
азот	0,005-0,015
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 соблюдении следующих соотношений:

(мышьяк + олово + свинец + 5 · цинк)≤0,07;

(углерод + марганец/6≤0,65,

при этом она выполнена непрерывнолитой, горячекатаной, нормализованной, 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 3 баллов, неметаллические включения по сульфидам, оксидам точечным, оксидам строчечным, силикатам хрупким, силикатам пластичным, силикатам недеформированным не более 4,5 баллов по каждому виду, временное сопротивление разрыву не менее 638 Н/мм², предел текучести не менее 373 Н/мм², относительное сужение не менее 40%, ударная вязкость KCU+20°C не менее 39 Дж/мм².

2. Трубная заготовка по п.1, отличающаяся тем, что в качестве неизбежных примесей сталь содержит компоненты в следующих соотношениях, мас.%:

хром	не более 0,30
никель	не более 0,30
молибден	не более 0,10
ванадий	не более 0,02
титан	не более 0,02
сера	не более 0,030
кальций	не более 0,01
ниобий	не более 0,02
фосфор	не более 0,035
медь	не более 0,30.