Способ производства штрипсов

Изобретение относится к области металлургии, конкретнее к прокатному производству, и может быть использовано для получения штрипсов категории прочности Х65-Х70, используемых при строительстве электросварных магистральных нефтепроводов. Техническим результатом является повышение прочности, пластичности и ударной вязкости, а также снижение затрат на производство. Для достижения технического результата осуществляют нагрев слябов до температуры аустенитизации, многопроходную черновую и чистовую прокатку, при этом чистовую прокатку начинают при температуре не выше 970°С, а температуру конца прокатки поддерживают равной 785-835°С и затем охлаждают штрипсы водой до 540-570°С. Кроме того, сталь имеет следующий химический состав, мас.%: 0,09-0,12 С, 0,15-0,35 Si, 1,20-1,50 Mn, 0,20-0,50 Al, 0,01-0,05 V, 0,02-0,06 Nb, 0,01-0,03 Ti, не более 0,20 Cr, не более 0,20 Ni, не более 0,20 Cu, не более 0,015 Р, не более 0,004 S, не более 0,010 N, не более 0,006 Са, остальное Fe при соблюдении соотношения: N+Vb+Ti≤0,12%. 1 з.п. ф-лы, 3 табл.

 

Изобретение относится к области металлургии, конкретнее к прокатному производству, и может быть использовано для получения штрипсов категории прочности Х65-Х70, используемых при строительстве электросварных магистральных нефтепроводов.

Электросварные трубы из штрипсов категорий прочности Х65-Х70, используемые для строительства магистральных нефтепроводов, при одинаковой конструктивной прочности имеют толщину стенки на ~20% меньше, чем трубы из штрипсов категории прочности Х60. За счет этого достигается существенное снижение металлоемкости трубопровода.

В таблице 1 приведены требования к механическим свойствам штрипсов из низколегированной свариваемой стали категории прочности Х65-Х70.

Известен способ производства штрипсов из низколегированной стали, включающий нагрев слябов до температуры 1160-1190°С, черновую прокатку, чистовую прокатку с суммарным относительным обжатием не менее 70% при температуре конца прокатки не выше 820°С. После прокатки штрипсы подвергают закалке водой с температуры 900-950°С и отпуску при температуре 600-730°С. При этом низколегированная сталь имеет следующий химический состав, мас.%:

Углерод	0,07-0,12
Марганец	1,4-1,7
Кремний	0,15-0,50
Ванадий	0,06-0,12
Ниобий	0,03-0,05
Титан	0,01-0,03
Алюминий	0,02-0,05
Хром	не более 0,3
Никель	не более 0,3
Медь	не более 0,3
Сера	не более 0,005
Фосфор	не более 0,015
Азот	не более 0,010
Железо	остальное [1]

Недостатки известного способа состоят в том, что штрипсы имеют низкие и нестабильные механические свойства, не соответствующие категории прочности Х65-Х70. Кроме того, дополнительное термическое улучшение штрипсов удорожает их производство.

Известен также способ производства штрипсов категории прочности Х65 из низколегированной стали следующего состава, мас.%:

Углерод	0,06-0,12
Марганец	1,4-1,7
Кремний	0,20-0,45
Ванадий	0,06-0,10
Ниобий	0,04-0,08
Титан	0,005-0,035
Хром	0,01-0,30
Никель	0,01-0,30
Медь	0,01-0,30
Алюминий	0,02-0,05
Молибден	0,01-0,50
Сера	не более 0,006
Фосфор	не более 0,015
Бор	не более 0,006
Азот	не более 0,010
Железо	остальное

при этом ,

.

Способ включает нагрев слябов до температуры 1170-1420°С, их черновую прокатку до промежуточной толщины и чистовую прокатку в температурном интервале 910-710°С с суммарным относительным обжатием 60-80% [2].

Недостатки известного способа состоят в том, что он не обеспечивает высоких и стабильных прочностных, пластических и вязкостных свойств штрипсов, соответствующих категории прочности Х65-Х70. Кроме того, его реализация требует больших производственных затрат.

Наиболее близким аналогом по совокупности признаков и достигаемым результатам к предлагаемому изобретению является способ производства штрипсов из низколегированной стали следующего химического состава, мас.%:

Углерод	0,12-0,17
Марганец	1,3-1,6
Кремний	0,3-0,6
Алюминий	0,02-0,06
Ванадий и/или ниобий	0,01-0,05
Хром	не более 0,3
Никель	не более 0,3
Медь	не более 0,3
Фосфор	не более 0,015
Сера	не более 0,006
Азот	не более 0,010
Кальций	не более 0,02
Железо	остальное

Способ включает нагрев слябов до температуры аустенитизации 1220-1280°С, многопроходные черновую прокатку до промежуточной толщины, многопроходную чистовую прокатку с температурой конца прокатки 820-880°С и ускоренное охлаждение штрипсов водой до температуры 580-660°С [3].

Недостатки известного способа состоят в том, что он не обеспечивает получения высоких и стабильных прочностных, пластических, вязкостных свойств штрипсов, соответствующих категориям прочности Х65-Х70, а его реализация требует больших затрат на производство

Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в повышении прочностных, пластических, вязкостных свойств штрипсов, их стабильности, а также снижении затрат на производство.

Для решения поставленной технической задачи в известном способе производства штрипсов, включающем нагрев слябов из низколегированной стали до температуры аустенитизации, многопроходную черновую и чистовую прокатку с регламентируемой температурой конца прокатки и охлаждение штрипсов водой, согласно изобретению чистовую прокатку начинают при температуре не выше 970°С, температуру конца прокатки поддерживают равной 785-835°С, а охлаждение штрипсов водой осуществляют до температуры 540-570°С. Кроме того, низколегированная сталь имеет следующий химический состав, мас.%

Углерод	0,09-0,12
Кремний	0,15-0,35
Марганец	1,20-1,50
Алюминий	0,02-0,05
Ванадий	0,01-0,05
Ниобий	0,02-0,06
Титан	0,01-0,03
Хром	не более 0,20
Никель	не более 0,20
Медь	не более 0,20
Фосфор	не более 0,015
Сера	не более 0,004
Азот	не более 0,010
Кальций	не более 0,006
Железо	остальное

причем содержания ниобия, ванадия и титана в стали удовлетворяют следующей зависимости: V+Nb+Ti≤0,12%.

Сущность предлагаемого технического решения состоит в следующем. Комплекс механических свойств штрипсов определяется микроструктурно-фазовым состоянием низколегированной стали, которое, в свою очередь, зависит от химического состава стали и режимов ее многоцикловой деформационно-термической обработки.

Предлагаемые деформационно-термические режимы производства штрипсов и химический состав низколегированной стали обеспечивают формирование после многопроходной прокатки и охлаждения водой равномерной перлитной микроструктуры с зернистой морфологией. Благодаря этому готовые штрипсы приобретают высокие и стабильные прочностные, пластические, вязкостные свойства, соответствующие категориям прочности Х65-Х70. Причем сталь предложенного состава не требует вакуумирования после выплавки, относится к классу экономнолегированных, прокатанные штрипсы имеют повышенный выход годного и не подвергаются дополнительной термической обработке. Этим обеспечивается снижение затрат на производство штрипсов.

Экспериментально установлено, что при температуре начала чистовой прокатки выше 970°С в процессе динамической (в очаге деформации при прокатке) и статической рекристаллизации (в междеформационных паузах) интенсивно и неравномерно растут зерна аустенита. Это приводит к снижению уровня и стабильности механических свойств готовых штрипсов.

При температуре конца прокатки Т_кп ниже 785°С деформация стали предложенного состава происходит в α-γ области. В результате чего возрастает прочность штрипсов при снижении вязкостных и пластических свойств, что недопустимо. При температуре конца прокатки Т_кп выше 835°С вследствие интенсивной динамической рекристаллизации имеет место рост зерен аустенита, не достигается требуемая степень упрочнения штрипса и измельчение его микроструктуры до оптимального уровня. В результате возрастают количество некондиционной продукции и затраты на производство.

При охлаждении штрипсов водой до температуры выше 570°С происходит самоотпуск стали, что ведет к разупрочнению штрипсов ниже допустимого уровня. Охлаждение штрипсов водой до температуры ниже 540°С приводит к снижению пластичности. Улучшения комплекса механических свойств штрипсов при этом не достигается.

Углерод в стали предложенного состава определяет ее прочностные свойства. Снижение содержания углерода менее 0,09% приводит к падению прочности ниже допустимого уровня. Увеличение содержания углерода сверх 0,12% ухудшает свариваемость, пластичность и вязкость стали.

Кремний раскисляет сталь, упрочняет ферритную фазу. При содержании кремния менее 0,15% прочность стали недостаточна. Увеличение содержания кремния более 0,35% приводит к возрастанию количества силикатных неметаллических включений в стали, ухудшает ее пластичность и ударную вязкость.

Марганец введен для раскисления и повышения прочности стали, связывания примесной серы в сульфиды. При содержании марганца менее 1,20% снижаются прочность стали, доля вязкой составляющей в изломе и вязкость при отрицательных температурах. Повышение концентрации марганца сверх 1,50% приводит к снижению пластичности и увеличению отношения σ_т/σ_в.

Алюминий является раскисляющим и модифицирующим элементом. Однако увеличение содержания алюминия более 0,05% приводит к ухудшению свариваемости штрипсов и труб. При концентрации алюминия менее 0,02% его положительное влияние на свойства стали не проявляется.

Ванадий и ниобий образуют с углеродом карбиды V₃С и NbC. Мелкие карбиды ванадия и ниобия располагаются по границам зерен и субзерен, тормозят движение дислокаций и, тем самым, упрочняют сталь. При содержании ванадия менее 0,01% или ниобия менее 0,02% их влияние недостаточно велико, прочностные и вязкостные свойства стали ниже допустимого уровня. Увеличение концентрации ванадия более 0,05% или ниобия более 0,06% вызывает дисперсионное твердение и охрупчивание границ зерен. Это приводит к увеличению отношения σ_г/σ_в, ухудшению свойств стали и расходов на легирующие компоненты.

Титан является сильным карбидообразующим элементом, упрочняющим сталь. Снижение содержания титана менее 0,01% снижает прочность и пластичность стали. Однако при электросварке титан полностью выгорает, поэтому его количество в стали не должно превышать 0,03%.

Примеси хрома, никеля и меди способствуют повышению прочностных свойств, но при содержании каждого из этих элементов более 0,2% имеет место снижение ударной вязкости и свариваемости штрипсов.

Фосфор и сера являются вредными примесями, снижающими пластические и вязкостные свойства. При концентрации фосфора не более 0,015% и серы не более 0,004% их вредное действие проявляется слабо и не приводит к заметному снижению механических свойств штрипсов. В то же время более глубокое удаление серы и фосфора приводит к увеличению затрат на производство.

Азот упрочняет сталь, образуя мелкодисперсные нитриды. Но при его содержании сверх 0,010% увеличиваются размеры нитридов более 2 баллов, вязкостные свойства стали становятся ниже допустимого уровня.

Кальций способствует модификации стали и измельчению зерен микроструктуры при горячей прокатке слябов в температурном интервале от 1200-1280°С до 785-835°С. Кальций вводят в сталь при ее выплавке в виде силикокальция. Однако увеличение содержания кальция более 0,006% приводит к увеличению количества неметаллических включений и ухудшению вязкостных и пластических свойств горячекатаных штрипсов, что недопустимо.

При соотношении V+Nb+Ti>0,12% прочностные свойства горячекатаных штрипсов выше допустимого уровня. Это ведет к увеличению их отбраковки, повышенному расходу легирующих компонентов, увеличению общих затрат на производство.

Углеродный эквивалент С_э, характеризующий свариваемость низколегированных сталей, определяется по соотношению:

Пример реализации способа

В кислородном конвертере осуществляют выплавку низколегированных сталей для производства штрипсов категории Х65-Х70. Выплавку производят из передельного чугуна с добавками отобранного металлического лома. Полученные расплавы раскисляют ферросилицием, ферромарганцем, легируют феррованадием, феррониобием, ферротитаном, вводят металлический алюминий, силикокальций. Производят десульфурацию и дефосфорацию расплава, продувку аргоном. Химический состав низколегированных сталей для штрипсов приведен в таблице 2.

Непрерывно-литые слябы из стали с химическим составом №3 (таблица 2) загружают в методическую печь и нагревают до температуры аустенитизации Т_а=1160°С. После выравнивания температуры слябов по сечению очередной сляб подают к непрерывному широкополосному стану 2000 и подвергают черновой прокатке за 5 проходов в раскат с промежуточной толщиной Н_р=50 мм. На промежуточном рольганге раскат подстуживают до температуры Т_нп=920°С и прокатывают за 7 проходов в непрерывной чистовой группе клетей (чистовая прокатка) в штрипс конечной толщины Н_ш=12,5 мм. Температуру конца прокатки поддерживают равной Т_кп=810°С за счет охлаждения раската водой в межклетевых промежутках чистовой группы клетей.

Прокатанный штрипс подвергают ускоренному охлаждению водой на отводящем рольганге непрерывного широкополосного стана 2000 до температуры смотки Т_см=550°С, после чего сматывают в рулон.

В таблице 3 даны варианты реализации способа производства штрипсов категории прочности Х65-Х70 из низколегированных сталей, а также показатели их механических и эксплуатационных свойств.

Из данных, приведенных в таблицах 2 и 3, следует, что при реализации предложенного способа (варианты №2-6) достигается повышение прочностных, пластических, вязкостных свойств штрипсов, а также их стабильности. В результате они полностью соответствуют требованиям, предъявляемым к штрипсам категории прочности как Х65, так и Х70 при пониженной себестоимости производства S.

В случае запредельных значений заявленных параметров (варианты №1 и №7) комплекс механических свойств штрипсов снижается. Кроме того, имеет место возрастание углеродного эквивалента С_э, что свидетельствует об ухудшении свариваемости.

Также более низкую прочность, пластичность и ударную вязкость имеют штрипсы, произведенные по способу-прототипу (вариант №8). Они не соответствуют категории прочности Х65. Углеродный эквивалент С_э стали-прототипа также превышает допустимое значение.

Технико-экономические преимущества предложенного способа заключаются в том, что нагрев слябов из низколегированной стали предложенного состава до температуры аустенитизации, последующая их многопроходная черновая прокатка и многопроходная чистовая прокатка от температуры, не превышающей 970°С, с температурой конца прокатки 785-835°С и охлаждением штрипсов водой до температуры смотки 540-570°С обеспечивает формирование равномерной мелкодисперсной микроструктуры с морфологией зернистого перлита. Благодаря этому штрипсы имеют повышенные и равномерные прочность, пластичность и ударную вязкость: механические свойства штрипсов соответствуют категории прочности Х65 (по верхней половине диапазона допустимой прочности для данной категории) и категории Х70 (по нижней половине диапазона прочности).

Исключается необходимость вакуумирования расплава низколегированной стали предложенного состава, проведения дополнительной термической обработки штрипсов, повышенных расходов на легирующие компоненты, возрастает доля кондиционной продукции. Это приводит к снижению затрат на производство.

Использование предложенного способа обеспечивает повышение рентабельности производства штрипсов для труб магистральных нефтепроводов на 10-12%.

Литературные источники

1. Патент Российской Федерации №2255123, МПК C21D 8/02, С22С 38/58, 2005 г.

2. Патент Российской Федерации №2241769, МПК C21D 8/02, С22С 38/58, В21В 1/26, 2004 г.

3. Патент Российской Федерации №2262537, МПК C21D 8/02, С22С 38/46, 2005 г. - прототип.

1. Способ производства штрипсов, включающий нагрев слябов из низколегированной стали до температуры аустенитизации, многопроходную черновую и чистовую прокатку с регламентируемой температурой конца прокатки и охлаждение штрипсов водой, отличающийся тем, что чистовую прокатку начинают при температуре не выше 970°С, температуру конца прокатки поддерживают равной 785-835°С, а охлаждение штрипсов водой осуществляют до температуры 540-570°С.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что низколегированная сталь имеет следующий химический состав, мас.%:

углерод	0,09-0,12
кремний	0,15-0,35
марганец	1,20-1,50
алюминий	0,02-0,05
ванадий	0,01-0,05
ниобий	0,02-0,06
титан	0,01-0,03
хром	не более 0,20
никель	не более 0,20
медь	не более 0,20
фосфор	не более 0,015
сера	не более 0,004
азот	не более 0,010
кальций	не более 0,006
железо	остальное

причем содержания ниобия, ванадия и титана в стали удовлетворяют следующей зависимости: V+Nb+Ti≤0,12%.