Способ производства листов из хладостойкой стали

Изобретение относится к области металлургии. Для повышения хладостойкости и механических свойств сварных конструкций, работающих при температурах от плюс 120°С до минус 60°С в сечениях до 160 мм, заготовку нагревают выше температуры Ас₃, ведут предварительную деформацию ее при температуре 1000-850°С с суммарными обжатиями 65-75%, окончательную деформацию при температуре 750-700°С до требуемой толщины листа с частными обжатиями не менее 12% за проход при суммарном обжатии не менее 60% и охлаждают лист сначала со скоростью более 35°С/мин до температуры 150±10°С, а затем на воздухе и подвергают его отпуску при температуре 650±20°С с выдержкой 1,0-1,5 мин на мм толщины с последующим охлаждением на воздухе. Заготовку получают из стали, содержащей, мас.%: углерод 0,07-0,09, марганец 1,30-1,60, кремний 0,50-0,70, хром 0,05-0,20, никель 0,05-0,10, ванадий 0,02-0,04, алюминий 0,020-0,040, ниобий 0,02-0,04, медь 0,05-0,15, кальций 0,002-0,004, сера 0,002-0,005, фосфор 0,005-0,010, азот 0,006-0,008 и железо - остальное, при выполнении условий: (хром + никель + медь)≤0,40; (сера + фосфор)≤0,013; (марганец + ниобий + ванадий)/(углерод + азот)≤21, а коэффициент трещиностойкости при сварке (Р_cm)≤0,21. 5 з.п. ф-лы, 2 табл.

 

Изобретение относится к области металлургии, конкретнее, к производству листов из экономно легированной стали с повышенным сопротивлением хрупкому разрушению для сварных конструкций, работающих в широком диапазоне температур от плюс 120°С до минус 60°С в сечениях до 160 мм.

Известен способ производства толстолистовой стали из низкоуглеродистой стали (заявка Японии №61-223125, МПК C21D 8/02, С22С 38/54). Листы, изготовленные по этой технологии, обладают пониженной вязкостью при отрицательных температурах и имеют недостаточную свариваемость.

Известен способ производства штрипса из низколегированной стали, включающий нагрев слябов до температуры 1230-1270°С, черновую прокатку до промежуточной толщины, а температуру конца чистовой прокатки и смотки поддерживают в диапазонах 805-855°С и 520-580°С соответственно, при этом штрипсы прокатывают из низколегированной стали следующего химического состава:

углерод	0,05-0,08	никель	не более	0,1
марганец	1,55-1,65	медь	не более	0,1
кремний	0,15-0,25	сера	не более	0,005
ванадий	0,03-0,04	фосфор	не более	0,015
титан	0,01-0,02	бор	не более	0,005
ниобий	0,05-0,06	азот	не более	0,010
алюминий	0,02-0,05	железо -	остальное
хром	не более 0,1

при этом должно удовлетворятся следующее соотношение: Al/N≥2,0, где Al и N - содержание алюминия и азота соответственно (патент РФ №2242525, МПК С21С 08/02, С22С 38/58, публ. 20.12 2004 г.).

Штрипсы, произведенные по этой технологии, обладают недостаточной хладостойкостью за счет невысокой вязкости металла при температуре минус 60°С.

Наиболее близким по технической сущности и принятым нами за прототип является «Способ производства штрипсовой стали для труб подводных морских газопроводов высоких параметров», включающий получение заготовки из стали, нагрев выше температуры Ас₃, деформацию ее в контролируемом режиме с частными обжатиями при суммарном обжатии 50-60% и контролируемое охлаждение. Согласно данному изобретению заготовку получают из стали следующего состава, мас.%:

углерод 0,05-0,09;	алюминий 0,02-0,05;
марганец 1,25-1,60;	ниобий 0,01-0,06;
кремний 0,15-0,30;	медь 0,20-0,40;
хром 0,01-0,10;	кальций 0,001-0,005,
никель 0,30-0,60;	сера 0,0005-0,005
молибден 0,10-0,25;	фосфор 0,005-0,015
ванадий 0,03-0,10;	железо - остальное.

При этом предварительную деформацию ведут при температуре 950-850°С с суммарным обжатием 50-60%, затем охлаждают ее до температуры 820-760°С со скоростью охлаждения 4-15°С/с на установке контролируемого охлаждения (УКО), окончательную деформацию производят при температуре 770-740°С до требуемой толщины штрипса с суммарным обжатием 60-76%, дальнейшее охлаждение ведут на УКО со скоростью 35-55°С/с до температуры 530-350°С, затем штрипс охлаждают в кессоне до 150±20°С и далее на воздухе (патент РФ №2270873, публ. 27.02.2006 г., бюл. №6).

Данный способ обеспечивает высокую хладостойкость стали при температуре минус 60°С в изделиях с толщиной стенки не более 40 мм.

Однако известный способ обеспечивает недостаточную хладостойкость и пониженные механические свойства сварного соединения в толщинах до 160 мм при температуре минус 60°С.

Техническим результатом изобретения является повышение хладостойкости и механических свойств сварного соединения в толщинах до 160 мм при температуре минус 60°С.

Технический результат достигается за счет того, что способ производства листов из хладостойкой стали, включающий получение заготовки из стали, нагрев выше температуры Ас₃, предварительную деформацию ее в контролируемом режиме с обжатиями, окончательную деформацию с регламентированной температурой конца деформации, ускоренное охлаждение, согласно изобретению предварительную деформацию металла ведут при температуре 1000÷850°С с суммарными обжатиями 65÷75%, окончательную деформацию ведут при температуре 750-700°С до требуемой толщины с частными обжатиями не менее 12% за проход при суммарном обжатии не менее 60%, дальнейшее ускоренное охлаждение ведут со скоростью более 35°С/мин до температуры 150±10°С, затем сталь подвергают дополнительно отпуску при температуре 650±20°С с выдержкой 1,0-1,5 мин/мм с последующим охлаждением на воздухе, при этом заготовку получают из стали следующего химического состава, мас.% углерод 0,07-0,09; марганец 1,30-1,60; кремний 0,50-0,70; хром 0,05-0,20; никель 0,05-0,10; молибден 0,10-0,25; ванадий 0,02-0,04; алюминий 0,020-0,040; ниобий 0,020-0,040; медь 0,05-0,15; кальций 0,002-0,004, сера 0,002-0,005; фосфор 0,005-0,010 и железо - остальное, при этом суммарное содержание хрома, никеля и меди не должно превышать 0,40%; суммарное содержание серы и фосфора не должно превышать 0,013%, а карбидообразующий эквивалент должен быть не более 21;

коэффициент трещиностойкости при сварке

P_cm=C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+V/10+ должен быть не более 0,21.

Применение термомеханической обработки обеспечивает увеличение количества зародышей феррита и способствует формированию развитой субструктуры при завершении деформации при температуре, близкой к точке Ar₃, и равномерному выделению супердисперсной карбидной фазы по всей площади ферритных зерен.

Деформация в диапазоне температур 1000÷850°С с суммарными обжатиями 65÷75% на стадии предварительной прокатки необходима для полной проработки литой структуры и формирования предварительной структуры металла. Деформация в диапазоне температур от 1000°С до 950°С обеспечивает возможность проведения более высоких (до 75%) обжатий.

Деформация в диапазоне температур 700÷750°С близкой к точке Ar₃ с суммарными обжатиями не менее 60% приводит к росту количества зародышей феррита и равномерному выделению мелкодисперсной карбидной фазы. Деформация с частными обжатиями за проход не менее 12%, особенно на завершающей стадии деформирования, необходима для сохранения мелкодисперсной структуры, так как обеспечивает возможность гарантированно избежать зоны критических обжатий металла, способствующих росту крупных зерен.

Деформация металла от температуры 700÷750°С приводит к повышению дисперсности структурных составляющих. Деформация в интервале температур ниже 740°С до 700°С приводит увеличению дисперсности структуры и уменьшению ее полосчатости.

С целью экономии легирующих элементов и повышения прочности межзеренных прослоек суммарное содержание хрома, никеля и меди не должно превышать 0,40 мас.%. Суммарное содержание серы и фосфора не более 0,013 мас.% необходимо для уменьшения толщины межзеренных границ и повышения их пластичности.

Для обеспечения хорошей свариваемости необходимо, чтобы коэффициент Р_cm был меньше или равен 0,21

P_cm=C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+V/10≤0,21.

С целью получения мелкодисперсных выделений карбидов в теле зерен для повышения сопротивления хрупкому разрушению необходимо обеспечивать следующие соотношения содержания элементов:

Соотношение ;

Повышение хладостойкости низколегированной стали может быть достигнуто за счет следующих факторов: упрочнения твердого раствора (25-40%), дисперсионного упрочнения (20-25%) и измельчения зерна (30-40%).

Наиболее эффективным механизмом, одновременно улучшающим свариваемость и повышающим хладостойкость, является измельчение зерна (зернограничное упрочнение).

Применение термомеханической обработки обеспечивает увеличение количества зародышей феррита и способствует формированию развитой субструктуры при завершающей стадии деформации при температуре в области γ-α превращений и равномерному выделению супермелкодисперсной карбидной фазы по всей площади ферритных зерен.

Содержание углерода в выбранных пределах в сочетании с мелкодисперсной структурой обеспечивает высокую ударную вязкость в совокупности с улучшенной свариваемостью и хладостойкостью при минус 60°С. Содержание углерода менее 0,07% не позволяет достичь требуемого уровня прочности и значительно усложняет процесс выплавки стали, более 0,09% углерода - ухудшает свариваемость и снижает вязкость стали. Относительно низкое содержание углерода 0,07-0,09% наряду с улучшением свариваемости, повышением низкотемпературной вязкости также благоприятно сказывается и на снижении сегрегации марганца, что позволяет избежать полосчатой феррито-перлитной структуры в слябе, полученном способом непрерывной разливки.

Введение марганца, никеля, меди в заявляемых пределах необходимо для твердорастворного упрочнение металла и способствует повышению хладостойкости. Меньшее содержание этих элементов не позволяет обеспечить требуемую хладостойкость, большее снижает свариваемость и экономически нецелесообразно.

При микролегировании алюминием, ниобием и ванадием обеспечивается измельчение зерна за счет образования мелкодисперсных карбидов и карбонитридов, затрудняющих рост зерна аустенита при нагреве, что способствует повышению свариваемости стали, сопротивления хрупкому разрушению основного металла и металла сварных соединений.

Введение ванадия и ниобия в указанных пределах необходимо для дисперсионного упрочнения и способствуют появлению при охлаждении субзеренной структуры, закрепляемой и стабилизируемой дисперсионными карбидными частицами. Совместное легирование ниобием и ванадием в принятых пределах особенно эффективно для малоуглеродистой стали, так как температура растворения NbC на 50÷70°С выше, чем VC, и в результате дисперсные карбиды VC выделяются при охлаждении, a NbC тормозит рост зерна аустенита при нагреве. Снижение содержания ниобия и ванадия ниже указанных пределов не обеспечивает достаточного дисперсионного и зернограничного упрочнения, превышение заданного уровня приводит к ухудшению свариваемости и снижению хладостойкости.

При соотношении наблюдается образование оптимального количества карбидов и карбонитридов, приводящих к торможению миграции границ зерен аустенита, что позволяет значительно измельчить зерно. Кроме того, при таком соотношении уменьшается блокировка дислокаций в стали и ее склонность к хрупкому разрушению.

Содержание серы в заявляемых пределах гарантирует сопротивляемость слоистым разрушениям. Меньшее содержание трудно достижимо технически и к тому же нецелесообразно с точки зрения влияния серы на сопротивление вязкому разрушению. При большем содержании серы снижается сопротивление слоистым разрушениям.

Испытания полуфабрикатов показали, что разработанная технология ее производства и химический состав стали обеспечивает наряду с требуемой прочностью высокие значения работы удара при минус 60°С основного металла (KV не менее 180 Дж) и металла сварного соединения (KV зоны термического влияния не менее 82 Дж); коэффициент, характеризующий технологичность материала при сварке Р_cm≤0,21 в толщинах до 160 мм.

Пример конкретного выполнения: сталь выплавляли в электродуговой печи. После рафинирования и вакуумирования на установке непрерывной разливки стали УНРС металл разливали на слябы размерами: 300×1500×L.

Химический состав стали приведен в таблице 1.

Заготовки подвергали предварительной деформации при температуре 1000 и 850°С с суммарной деформацией 65% и 75%, затем - окончательной деформации до толщины 160 мм листового проката при температуре 750 и 700°С с суммарной деформацией не менее 60% и частной деформацией не менее 12% за проход, после этого проводили ускоренное охлаждение со скоростью 36°/мин до температуры 150÷10°С, далее - на воздухе. После этого подвергали отпуску при температуре 650±20°С с выдержкой 1,0 и 1,5 мин/мм, затем - охлаждение на воздухе.

Механические свойства определены на поперечных образцах: разрывных типа III №4 по ГОСТ 1497, ударных тип XI по ГОСТ 9454 и представлены в таблице 2.

Определение работы удары проводили на образцах с надрезом тип IX по ГОСТ 6996 на металле зоне термического влияния на расстоянии 1,5-2 мм от линии сплавления. Полученные результаты испытаний приведены в таблице 2.

Техническая эффективность от применения предлагаемого способа производства полуфабрикатов из хладостойкой стали по сравнению с прототипом выразится в повышении надежности и долговечности конструкций, в которых будут использованы детали сечением 160 мм и более за счет повышения хладостойкости стали и улучшения механических свойств сварного соединения.

Таблица 1
Химический состав стали
Сталь	Условный № плавки	Содержание элементов в масс.%
С	Si	Mn	Cr	Ni	Cu	V	Nb	Mo	Al	Са	S	Р	N2	Fe	Cr + Ni + Cu	S+P	Pcm
Предлагаемая	1	0,07	0,5	1,6	0,2	0,05	0,15	0,04	0,02	0	0,04	0,002	0,004	0,005	0,011	Остальное	0,40	0,009	0,19	20,5
	2	0,08	0,6	1,5	0,1	0,1	0,08	0,03	0,03	0	0,03	0,003	0,005	0,008	0,008		0,28	0,013	0,19	17,7
	3	0,09	0,7	13	0,05	0,2	0,05	0,02	0,04	0	0,02	0,004	0,002	0,010	0,006		030	0,012	0,19	14,2
Известная	4	0,09	03	1,4	0,1	0,4	03	0,06	0,45	0,20	0,032	0,003	0,004	0,013	0,009	0,8	0,017	0,22	-

Таблица 2
Параметры способа и свойства металла
Сталь	Условный № плавки	Толщина проката, мм	Параметры способа	Механические свойства
			Предварительная прокатка	Окончательная прокатка	Охлаждение	Отпуск	Основного металла	Сварного соединения
Т-ра, °С	Суммарн. обжатия, %	Температура, °С	Суммарн. обжа тия, %	Частные обжатия, %	Конечная тем-ра °С	Скорость, °С/мин	Тем-ра нагрева, °С	Выдержка, мин/мм	σ02 МПа	δ5 %	Работа удара KV-60, Дж	Работа удара KV120, Дж	Работа удара KV-60, Дж Зоны термического влияния
Предлагаемая	1	165	850	65	750	65	18	145	35	650	1,0	486	29	190	282	83
		160	1000	75	700	72	14	150	45	630	1,5	495	29	195	273	120
	2	168	1000	75	700	70	16	155	50	650	1,5	438	29	187	244	95
		160	850	65	750	62	12	140	38	670	1,0	410	32	175	256	87
	3	170	850	75	750	68	15	160	40	650	1,0	330	32	170	203	82
	160	1000	65	700	58	12	150	38	640	1,5	335	34	185	189	85
Известная	4	160	950	60	770	60	-	770-350	35°С/с, в кессоне	-	-	450	27	27	30	21
350-150
Примечания:
1. В графе «Частные обжатия» приведены минимальные значения обжатий, применявшиеся на последних проходах.
2. В таблице приведены усредненные данные по результатам испытания трех образцов на точку.

1. Способ производства листов из хладостойкой стали, включающий получение заготовки, ее нагрев до температуры выше Ас₃, предварительную деформацию в контролируемом режиме, окончательную деформацию с регламентированной температурой конца деформации и охлаждение, отличающийся тем, что предварительную деформацию заготовки ведут при температуре 1000-850°С с суммарным обжатием 65-75%, а окончательную деформацию - при температуре 750-700°С до требуемой толщины листа с обжатием за проход не менее 12% при суммарном обжатии не менее 60%, при этом охлаждение листа проводят со скоростью более 35°С/мин до температуры 150±10°С, а затем на воздухе и осуществляют отпуск листа при 650±20°С с выдержкой 1,0-1,5 мин на мм толщины листа с последующим охлаждением на воздухе.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что заготовку получают из стали, содержащей следующий химический состав, мас.%:

углерод	0,07-0,09
марганец	1,30-1,60
кремний	0,50-0,70
хром	0,05-0,20
никель	0,05-0,10
ванадий	0,02-0,04
алюминий	0,02-0,04
ниобий	0,02-0,04
медь	0,05-0,15
кальций	0,002-0,004
сера	0,002-0,005
фосфор	0,005-0,010
азот	0,006-0,008
железо	остальное.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что заготовку получают из стали при выполнении соотношения, мас.%:

(хром + никель + медь)≤0,40.

4. Способ по п.2, отличающийся тем, что заготовку получают из стали при выполнении соотношения, мас.%:

(сера + фосфор)≤0,013.

5. Способ по п.2, отличающийся тем, что заготовку получают из стали при выполнении соотношения, мас.%:

.

6. Способ по п.2, отличающийся тем, что заготовку получают из стали с коэффициентом трещиностойкости при сварке, не превышающим 0,21.