Трубная заготовка из низколегированной стали

Изобретение относится к области металлургии, в частности к производству трубной заготовки диаметром от 80 до 180 мм, предназначенной для производства бесшовных труб различного назначения. Для обеспечения благоприятного соотношения прочности, пластичности и вязкости трубная заготовка выполнена из стали, содержащей, мас.%: углерод 0,18-0,23, марганец 0,45-0,65, кремний 0,17-0,37, хром 0,005-0,70, ванадий 0,050-0,090, алюминий 0,020-0,050, кальций 0,001-0,05, ниобий 0,005-0,030, медь не более 0,25, никель не более 0,25, железо и неизбежные примеси - остальное, при выполнении условия: C+Mn/6+(Cr+V)/5+(Ni+Cu)/15≤0,43, при этом она имеет феррито-перлитную структуру, размер действительного зерна 5-8 баллов, макроструктуру по центральной пористости, точечной неоднородности, подусадочной ликвации, ликвационному квадрату не более 2 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. В качестве неизбежных примесей сталь содержит, в мас.%: мышьяк не более 0,03, олово не более 0,02, свинец не более 0,01, цинк не более 0,005, азот не более 0,008, сера не более 0,010, фосфор не более 0,015. Механические свойства после нормализации: временное сопротивление разрыву не менее 500 Н/мм², предел текучести не менее 390 Н/мм², относительное удлинение не менее 16%, относительное сужение не менее 45%, ударная вязкость при комнатной температуре KCU не менее 20 Дж/см². 1 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к производству трубной заготовки диаметром от 80 до 160 мм из низколегированной стали.

Наиболее близкой к предлагаемому изобретению является известная трубная заготовка из низколегированной стали, содержащая (мас.%): углерод 0,05-0,30, марганец 0,35-1,50, кремний 0,15-1,0, хром 0,005-0,5, никель 0,005-0,50, медь 0,005-0,50, сера не более 0,015, фосфор не более 0,020, алюминий 0,01-0,05, ниобий 0,01-0,06, железо и неизбежные примеси - остальное. Трубная заготовка имеет высокий уровень чистоты стали по неметаллическим включениям и определенную микроструктуру (RU 2221875 C2, 20.01.2004, С21С 5/52).

Важнейшими требованиями, предъявляемыми к трубной заготовке из низколегированной стали, являются, с одной стороны, обеспечение однородности микро- и макроструктуры, низкого содержания неметаллических включений, с другой стороны, - обеспечение повышенного комплекса потребительских свойств.

Техническим результатом изобретения является обеспечение повышенного уровня потребительских свойств при обеспечении благоприятного соотношения прочности, пластичности и вязкости, минимального уровня анизотропии механических свойств, низкого содержания неметаллических включений, однородной макро- и микроструктуры проката и хорошей свариваемости.

Для достижения технического результата трубная заготовка из низколегированной стали, непрерывнолитая, горячекатаная, имеющая заданные параметры металлургического качества по неметаллическим включениям и структуре, механическим свойствам, прокаливаемости, содержит следующие соотношения компонентов в мас.%:

углерод	0,18-0,23
марганец	0,45-0,65
кремний	0,17-0,37
хром	0,005-0,70
ванадий	0,050-0,090
алюминий	0,020-0,050
кальций	0,001-0,05
ниобий	0,005-0,030
медь не более	0,25
никель не более	0,25
железо и
неизбежные примеси	остальное,

при выполнении следующих соотношений элементов:

C+Mn/6+(Cr+V)/5+(Ni+Cu)/15≤0,43

имеет феррито-перлитную структуру, размер действительного зерна - 5-8 баллов, по макроструктуре - центральная пористость, точечная неоднородность, подусадочная ликвация, ликвационный квадрат не более 2 балла по каждому виду, ликвационные полоски - не более 1 балла, по неметаллическим включениям: сульфиды, оксиды точечные, оксиды строчечные, силикаты хрупкие, силикаты пластичные, силикаты недеформированные - не более 4.0 баллов по каждому виду включений. В качестве неизбежных примесей сталь дополнительно содержит в мас.%: мышьяк не более 0,03, олово не более 0,02, свинец не более 0,01, цинк не более 0,005, азот не более 0,008, сера не более 0,010, фосфор не более 0,015. Механические свойства после нормализации - временное сопротивление разрыву не менее 500 Н/мм², предел текучести не менее 390 Н/мм², относительное удлинение не менее 16%, относительное сужение не менее 45%, ударная вязкость при комнатной температуре KCU не менее 20 Дж/см².

Приведенные сочетания легирующих элементов позволяют получить в готовом изделии феррито-перлитную мелкодисперсную структуру, низкое содержание неметаллических включений, однородную макроструктуру и благоприятное сочетание характеристик прочности и пластичности.

Углерод вводят в композицию данной стали с целью обеспечения заданного уровня ее прочности и прокаливаемости. Верхняя граница содержания углерода (0,23%) обусловлена необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижняя - соответственно 0,18% - обеспечением требуемого уровня прочности и прокаливаемости 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 - 0,65% и хрома - 0,70% - определяется необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижний - 0,45% и 0,005% 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 сказывается на характеристиках пластичности стали.

Ванадий и ниобий вводят в композицию данной стали с целью обеспечения мелкодисперсной, однородной зеренной структуры. При этом они управляют процессами в нижней части аустенитной области: определяют склонность к росту зерна аустенита, стабилизируют структуру при термомеханической обработке, повышают температуру рекристаллизации и, как следствие, влияют на характер γ-α-превращения. Верхняя граница содержания ванадия - 0,09%, ниобия - 0,03% - обусловлена необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижняя - соответственно 0,05% и 0,005% - обеспечением требуемого уровня прочности данной стали.

Алюминий и титан используют в качестве раскислителей. Так нижний уровень содержания алюминия - 0,02 - определяется требованием обеспечения однородности структуры, а верхний уровень 0,05 - требованием обеспечения заданного уровня пластичности стали.

Кальций - модификатор неметаллических включений. Нижний уровень - 0,001% - определяется необходимостью обеспечить требуемую морфологию неметаллических включений, а верхний - 0,05% - необходимостью обеспечить заданный уровень пластичности стали.

Соотношение C+Mn/6+(Cr+V)/5+(Ni+Cu)/15≤0,43 определяет условия свариваемости заготовки.

Пример получения трубной заготовки.

Выплавку исследуемой стали, химический состав в мас.%: углерод - 0,19, марганец - 0,51, кремний - 0,28, хром - 0,20, ниобий - 0,01, ванадий - 0,06, алюминий - 0,035, кальций - 0,08, азот - 0,007, медь - 0,025, никель - 0,02, при условии C+Mn/6+(Cr+V)/5+(Ni+Cu)/15=0,33 производят в 150-тонных дуговых сталеплавильных печах ДСП 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 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 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; и - дисперсии среднего; - 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 ⊘110 мм, длиной 11800 мм, структура: феррит-перлит, балл действительного зерна - 7. Макроструктура: центральная пористость - 1 балл, точечная неоднородность - 1 балл, светлый контур - 1 балл, подусадочная ликвация - 1 балл, ликвационные полоски - 0,5 балла. Неметаллические включения: сульфиды - 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 нормализации - временное сопротивление разрыву 562 Н/мм², предел текучести 424 Н/мм², относительное удлинение - 17%, относительное сужение - 52%, ударная вязкость при комнатной температуре KCU - 54 Дж/см².

Внедрение предложенной трубной заготовки из низколегированной стали позволило обеспечить 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 низколегированной стали, горячекатаная, имеющая заданные параметры неметаллических включений, структуры, размера действительного зерна и механических свойств, отличающаяся тем, что она выполнена из стали, содержащей следующие соотношения компонентов, мас.%:

углерод	0,18-0,23
марганец	0,45-0,65
кремний	0,17-0,37
хром	0,005-0,70
ванадий	0,050-0,090
алюминий	0,020-0,050
кальций	0,001-0,05
ниобий	0,005-0,030
медь	не более 0,25
никель	не более 0,25
железо и
неизбежные примеси	остальное

при соблюдении соотношения

C+Mn/6+(Cr+V)/5+(Ni+Cu)/15≤0,43,

при этом она имеет феррито-перлитную структуру, размер действительного зерна 5-8 баллов, макроструктуру по центральной пористости, точечной неоднородности, подусадочной ликвации, ликвационному квадрату не более 2 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 включений, временное сопротивление разрыву не менее 500 Н/мм², предел текучести не менее 390 Н/мм², относительное удлинение не менее 16%, относительное сужение не менее 45%, ударную вязкость при комнатной температуре KCU не менее 20 Дж/см².

2. Трубная заготовка по п.1, отличающаяся тем, что в качестве неизбежных примесей сталь содержит, мас.%: мышьяк не более 0,03, олово не более 0,02, свинец не более 0,01, цинк не более 0,005, азот не более 0,008, сера не более 0,010, фосфор не более 0,015.