Способ производства штрипсов из низколегированной стали

Изобретение относится к области металлургии, конкретнее к прокатному производству, и может быть использовано при изготовлении на непрерывных широкополосных станах штрипсов для спиральношовных электросварных труб для магистральных нефтепроводов. Для повышения ударной вязкости при отрицательных температурах и трещиностойкости штрипсов осуществляют нагрев слябов из стали, имеющей следующее соотношение компонентов, мас.%: 0,11-0,14 С; 1,30-1,65 Mn; 0,4-0,6 Si; 0,02-0,05 Al; 0,01-0,04 Nb; 0,01-0,03 Ti; 0,001-0,005 Ca; не более 0,01 V; не более 0,2 Cr; не более 0,2 Ni; не более 0,2 Cu; не более 0,015 Р; не более 0,006 S; не более 0,010 N, остальное Fe, его черновую прокатку до промежуточной толщины, непрерывную чистовую прокатку с температурой начала прокатки не выше 970°С и температурой конца прокатки, равной 800-855°С, и охлаждение водой до температуры 540-580°С. Кроме того, суммарное содержание в стали С, Mn, Cr, Cu, Si, Ni и V удовлетворяет соотношению: С+(Mn+Cr+Cu)/20+Si/30+Ni/60+V/10≤0,24%, а чистовую прокатку штрипсов ведут с суммарным относительным обжатием по толщине не менее 64%. 1 з.п. ф-лы, 3 табл.

 

Изобретение относится к области металлургии, конкретнее к прокатному производству, и может быть использовано при изготовлении на непрерывных широкополосных станах штрипсов для спиральношовных электросварных труб для магистральных нефтепроводов.

Для производства спиральношовных электросварных труб магистральных нефтепроводов, работающих в сейсмических зонах при отрицательных температурах, необходимы горячекатаные штрипсы (полосы) толщиной 12-16 мм, шириной 900-1800 мм из низколегированной стали, обладающие следующим комплексом механических и эксплуатационных свойств (табл.1):

Таблица 1.
Свойства штрипсов для нефтепроводных спиральношовных труб
σв, Н/мм2	σт, Н/мм2	δ5, %	σт/σв	KCV-10, Дж/см2	KV-20, Дж/см2	KCU-40 Дж/см2
510-620	380-490	не менее 23	не более 0,90	не менее 98	не менее 27	не менее 68
Примечание: Штрипсы должны выдерживать холодный изгиб на 180°.

Известен способ производства стальных листов, включающий выплавку и непрерывную разливку в слябы низколегированной стали, содержащей, мас.%:

Углерод	0,04-0,10
Кремний	0,01-0,50
Марганец	0,4-1,5
Хром	0,05-1,0
Молибден	0,05-1,0
Ванадий	0,01-0,1
Бор	0,0005-0,005
Алюминий	0,001-0,1
Железо и примеси	остальное.

Отлитые слябы нагревают до температуры 1250°С и прокатывают с суммарным обжатием не менее 75%. Прокатанные листы подвергают закалке из аустенитной области и высокотемпературному отпуску [1].

Недостатки известного способа состоят в том, что штрипсы из этой стали имеют низкую ударную вязкость и трещиностойкость при отрицательных температурах, неудовлетворительную свариваемость. Это делает невозможным применение штрипсов для изготовления спиральношовных труб северного исполнения, работающих в сейсмически опасных районах. Кроме того, необходимость проведения термического улучшения (закалки и отпуска) штрипсов после прокатки усложняет и удорожает производство.

Известен также способ производства листовой низколегированной стали, включающий отливку слябов следующего химического состава, мас.%:

Углерод	0,02-0,3
Марганец	0,5-2,5
Алюминий	0,005-0,1
Кремний	0,05-1,0
Ниобий	0,003-0,01
Железо	остальное.

Слябы нагревают до температуры 950-1050°С и прокатывают при температуре выше точки А_r3 с суммарным обжатием 50-70%. Прокатанные листы охлаждают на воздухе [2].

При таком способе производства листы имеют недостаточную прочность и пластичность при отношении σ_т/σ_в, превышающем 0,92. Такие листы не удовлетворяют требованиям по ударной вязкости при отрицательных температурах, имеют недостаточную свариваемость и непригодны для изготовления спиральношовных труб северного исполнения для эксплуатации в сейсмически опасных районах.

Наиболее близким по своей технической сущности 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.

Слябы из низколегированной стали нагревают до температуры 1220-1280°С, подвергают черновой прокатке до промежуточной толщины, чистовой непрерывной прокатке с регламентированной температурой конца прокатки 820-880°С, охлаждению водой до температуры смотки 580-660°С [3].

Недостатки известного способа состоят в том, что штрипсы имеют низкие ударную вязкость при отрицательных температурах и трещиностойкость.

Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в повышении ударной вязкости при отрицательных температурах и трещиностойкости штрипсов.

Для решения поставленной технической задачи в известном способе производства штрипсов из низколегированной стали, включающем нагрев слябов, черновую прокатку до промежуточной толщины, непрерывную чистовую прокатку с регламентированной температурой конца прокатки, охлаждение водой, согласно предложению, сталь имеет следующее соотношение компонентов, мас.%:

Углерод	0,11-0,14
Марганец	1,3-1,65
Кремний	0,40-0,60
Алюминий	0,02-0,05
Ниобий	0,01-0,04
Титан	0,01-0,03
Кальций	0,001-0,005
Ванадий	не более 0,01
Хром	не более 0,2
Никель	не более 0,2
Медь	не более 0,2
Фосфор	не более 0,015
Сера	не более 0,006
Азот	не более 0,010
Железо	Остальное,

температуру начала чистовой прокатки поддерживают не выше 970°С, конца прокатки равной 800-855°С, а охлаждение водой ведут до температуры 540-580°С. Кроме того, суммарное содержание в стали углерода С, марганца Mn, хрома Cr, меди Cu, кремния Si, никеля Ni, ванадия V должно удовлетворять соотношению: C+(Mn+Cr+Cu)/20+Si/30+Ni/60+V/10≤0,24%, а чистовую прокатку штрипсов ведут с суммарным относительным обжатием по толщине не менее 64%.

Сущность изобретения состоит в следующем. Использование низколегированной стали предложенного состава при выполнении условия C+(Mn+Cr+Cu)/20+Si/30+Ni/60+V/10≤0,24% обеспечивает после горячей прокатки по предложенным режимам получение заданного комплекса механических свойств штрипсов, повышение вязкостных свойств и трещиностойкости при отрицательных температурах, высокую свариваемость обсадных труб. Повышение комплекса механических и эксплуатационных свойств штрипсов достигается как за счет оптимизации химического состава стали, так и режимов горячей прокатки.

Углерод в низколегированной стали предложенного состава определяет прочностные свойства штрипсов. Снижение содержания углерода менее 0,11% приводит к падению их прочности ниже допустимого уровня. Увеличение содержания углерода более 0,14% ухудшает вязкостные свойства штрипсов и трещиностойкость при отрицательных температурах.

Снижение содержания марганца менее 1,30% увеличивает окисленность стали, ухудшает прочность и вязкостные свойства штрипсов. Повышение содержания марганца более 1,65% увеличивает отношение предела текучести к временному сопротивлению разрыву σ_т/σ_в, сверх 0,9, что недопустимо.

При содержании кремния менее 0,40% ухудшается раскисленность стали, снижаются прочностные свойства штрипсов. Увеличение содержания кремния более 0,60% приводит к возрастанию количества силикатных включений, снижает ударную вязкость штрипсов, ухудшает показатели KV^-20 KCU^-40.

Алюминий раскисляет и модифицирует сталь. Связывая избыточный азот в нитриды, подавляет его негативное воздействие на свойства штрипсов. При содержании алюминия менее 0,02% снижается комплекс механических свойств штрипсов. Увеличение его концентрации более 0,05% приводит к ухудшению вязкостных свойств штрипсов при отрицательных температурах.

Ниобий измельчает зерно микроструктуры, повышает прочность и вязкость штрипсов, прокатанных по предложенным режимам. При содержании ниобия менее 0,01% штрипсы имеют недостаточную вязкость при отрицательных температурах. Увеличение содержания ниобия сверх 0,04% оказалось нецелесообразным, так как не улучшало механических и эксплуатационных свойств штрипсов.

Титан, являясь сильным карбидообразующим элементом, способствует повышению прочностных свойств штрипсов при одновременном повышении ударной вязкости и трещиностойкости при отрицательных температурах. Снижение содержания титана менее 0,01% приводит к снижению прочностных и вязкостных свойств штрипсов, ухудшению трещиностойкости. Увеличение содержания титана боле 0,03% приводит к росту отношения σ_т/σ_в, что нецелесообразно.

Кальций способствует модификации стали и измельчению зерен микроструктуры при горячей прокатке слябов. При снижении содержания кальция менее 0,001% он не оказывает модифицирующего влияния, что приводит к ухудшению комплекса механических свойств штрипсов. При увеличении содержания кальция более 0,005% возрастает количество неметаллических включений, снижаются вязкостные и пластические свойства штрипсов.

Хром, никель и медь являются примесными элементами. При концентрации каждого из них не более 0,2% они не оказывают вредного влияния на ударную вязкость и трещиностойкость при отрицательных температурах. При концентрации каждого из этих элементов более 0,2% ухудшаются ударная вязкость, трещиностойкость и свариваемость штрипсов.

Сталь предложенного состава может содержать в виде примесей не более 0,015% фосфора, не более 0,006% серы и не более 0,010% азота. При указанных предельных концентрациях эти элементы не оказывают заметного негативного воздействия на качество штрипсов, тогда как их удаление из расплава стали существенно повышает затраты на производство и усложняет технологический процесс. Увеличение концентрации этих вредных примесей более предложенных значений ухудшает весь комплекс механических свойств штрипсов.

Экспериментально установлено, что для обеспечения высокой трещиностойкости штрипсов в горячекатаном состоянии необходимо, чтобы C+(Mn+Cr+Cu)/20+Si/30+Ni/60+V/10≤0,24%. В этом случае штрипсы, прокатанные по предлагаемым режимам, имеют максимальную трещиностойкость. Если C+(Mn+Cr+Cu)/20+Si/30+Ni/60+V/10>0,24%, то это ведет к снижению трещиностойкости, а также свариваемости стали.

Нагрев под прокатку слябов из низколегированной стали предложенного состава обеспечивает ее аустенитизацию, растворение в аустенитной матрице сульфидов, фосфидов, нитридов, легирующих и примесных соединений, карбонитридных упрочняющих частиц.

Непрерывная чистовая прокатка штрипсов из стали преложенного химического состава в температурном интервале от температуры начала прокатки Т_нп≤970°С до температуры конца прокатки Т_кп=800-855°С с суммарным относительным обжатием ε_Σ≥64% (режим контролируемой прокатки) обеспечивает за счет реализации деформационно-термического циклирования диспергирование аустенитных зерен микроструктуры и снижение скорости их роста в процессе рекристаллизации. Также при деформационно-термическом циклировании происходит полное выпадение из твердого раствора карбонитридных упрочняющих частиц, деформационное упрочнение металлической матрицы. Последующее охлаждение водой штрипса с диспергированной микроструктурой до температуры смотки Т_см=540-580°С обеспечивает фиксацию мелкозернистой структуры перлита с зернистой морфологией. В результате штрипсы в горячекатаном состоянии приобретают повышенные ударную вязкость и трещиностойкость при отрицательных температурах при высоких прочностных и пластических свойствах.

Если Т_нп будет выше 970°С, то возрастает разнозернистость микроструктуры прокатанных штрипсов, что ведет к снижению прочностных и вязкостных свойств.

При Т_кп выше 855°С ускоряются процессы динамической и статической рекристаллизации деформированной микроструктуры, не достигается требуемая степень упрочнения штрипса и измельчение его микроструктуры до оптимального уровня, что ведет к росту размеров зерен аустенита, снижению вязкостных и прочностных свойств штрипсов, ухудшению трещиностойкости. Снижение Т_кп менее 800°С приводит к формированию разнобалльности микроструктуры, снижению ударной вязкости и трещиностойкости при отрицательных температурах.

При охлаждении штрипсов водой до Т_см выше 580°С имеет место разупрочнение штрипсов, снижение вязкостных свойств при отрицательных температурах. Снижение Т_см менее 540°С не приводит к улучшению свойств штрипсов, а лишь увеличивает расход охлаждающей воды и энергозатраты.

Экспериментально установлено, что при чистовой прокатке с суммарным обжатием менее 64% не обеспечивается необходимая степень измельчения аустенитных зерен микроструктуры низколегированной стали. В результате снижаются вязкостные свойства штрипсов и трещиностойкость при отрицательных температурах.

Примеры реализации способа

В кислородном конвертере производят выплавку низколегированных сталей различного состава (табл.2), которые подвергают непрерывной разливке в слябы толщиной 250 мм.

Слябы загружают в методические печи и нагревают до температуры аустенитизации Т_а=1250°С. Разогретый сляб из стали с составом №3 выдают на печной рольганг непрерывного широкополосного стана 2000 и подвергают прокатке в черновой группе клетей (черновая прокатка) в раскат с промежуточной толщиной Н₀=50 мм. Затем раскат при температуре 950°С задают в непрерывную 7-клетевую чистовую группу клетей, где обжимают в штрипс конечной толщины H₁=14 мм. Таким образом, суммарное относительное обжатие при чистовой прокатке составляет:

Температуру конца прокатки поддерживают равной Т_кп=825°С изменением скорости прокатки и межклетевым охлаждением штрипса.

Прокатанный штрипс во время транспортирования по отводящему рольгангу подвергают охлаждению ламинарными струями воды до температуры Т_см=560°С, после чего сматывают в рулон.

Варианты прокатки штрипсов по различным режимам из сталей различного состава приведены в табл.3.

Из табл.3 следует, что при реализации предложенного способа (варианты №2-5) достигается повышение вязкостных свойств и трещиностойкости штрипсов при отрицательных температурах. В случае запредельных значений заявленных параметров (варианты №1 и №6) вязкостные свойства и трещиностойкость штрипсов ухудшаются. Также более низкие вязкостные свойства и трещиностойкость имеют штрипсы, произведенные согласно способу-прототипу (вариант №7).

Технико-экономические преимущества предложенного способа заключаются в том, что нагрев слябов из низколегированной стали предложенного состава с соотношением содержаний химических элементов стали C+(Mn+Cr+Cu)/20+Si/30+Ni/60+V/10≤0,24%, последующая их черновая горячая прокатка до промежуточной толщины, непрерывная чистовая прокатка от температуры не выше 970° до температуры 800-855°С с суммарным относительным обжатием по толщине не менее 64%, охлаждение водой до температуры 540-580°С обеспечивают реализацию деформационно-термического циклирования и формирование оптимальной мелкозернистой перлитной микроструктуры стали. За счет этого достигается повышение ударной вязкости и трещиностойкости при отрицательных температурах.

Использование предложенного способа обеспечит повышение рентабельности производства штрипсов для сварных спиральношовных труб для магистральных нефтепроводов северного исполнения на 10-15%

Источники информации

1. Заявка Японии №61-163210, МПК C21D 8/00, 1986 г.

2. Заявка Японии №61-223125, МПК C21D 8/02, С22С 38/54, 1986 г.

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

Таблица 2
Химический состав низколегированных сталей
№ состава	Содержание химических элементов, масс.%
С	Mn	Si	Al	Nb	Ti	Ca	V	Cr	Ni	Cu	Р	S	N		Fe
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.	0,100 0,110 0,120 0,113 0,140 0,150 0,160	1,20 1,30 1,48 1,65 1,30 1,70 1,60	0,3 0,4 0,5 0,6 0,4 0,7 0,6	0,01 0,02 0,03 0,05 0,03 0,06 0,04	0,009 0,010 0,025 0,040 0,030 0,050 0,040	0,009 0,010 0,020 0,030 0,020 0,040 -	0,0009 0,0010 0,0030 0,0050 0,0020 0,0060 0,012	0,004 0,005 0,007 0,010 0,008 0,011 0,010	0,12 0,14 0,17 0,20 0,10 0,23 0,25	0,11 0,12 0,14 0,20 0,15 0,25 0,27	0,10 0,13 0,15 0,20 0,10 0,30 0,30	0,011 0,012 0,013 0,015 0,014 0,016 0,014	0,001 0,002 0,004 0,006 0,005 0,007 0,005	0,005 0,006 0,008 0,010 0,007 0,011 0,009	0,183 0,204 0,230 0,240 0,232 0,290 0,293	Остальн. -:- -:- -:- -:- -:- -:-

Таблица 3
Режимы производства штрипсов из низколегированной стали и их эффективность
№ варианта	№ состава	Режимы прокатки	Механические свойства	Трещиностойкость
Тнп °с	εΣ, °С	Ткп °с	Тем,°с	σв, Н/мм2	σт Н/мм2	δ5,%	σв/σт	KCV-10, Дж/см2	KV-20 Дж/см2	KCU-40 Дж/см2
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.	6. 2. 3. 4. 5. 1. 7.	930 940 950 960 970 980 970	62 64 72 75 80 68 80	790 800 825 840 855 860 880	530 540 560 570 580 590 660	650 520 550 600 620 500 510	500 405 413 462 465 455 400	19 32 33 33 32 26 25	0,77 0,78 0,75 0,77 0,75 0,91 0,78	96 108 110 103 109 92 78	24 32 35 30 30 25 22	47 72 78 71 75 49 51	неудовл. удовл. удовл. удовл. удовл. неудовл. неудовл.

1. Способ производства штрипсов из низколегированной стали, включающий нагрев слябов, черновую прокатку до промежуточной толщины, непрерывную чистовую прокатку с регламентированной температурой конца прокатки, охлаждение водой, отличающийся тем, что сталь имеет следующее соотношение компонентов, мас.%:

углерод	0,11-0,14
марганец	1,3-1,65
кремний	0,40-0,60
алюминий	0,02-0,05
ниобий	0,01-0,04
титан	0,01-0,03
кальций	0,001-0,005
ванадий	не более 0,01
хром	не более 0,2
никель	не более 0,2
медь	не более 0,2
фосфор	не более 0,015
сера	не более 0,006
азот	не более 0,010
железо	остальное,

температуру начала чистовой прокатки поддерживают не выше 970°С, конца прокатки равной 800-855°С, а охлаждение водой ведут до температуры 540-580°С.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что суммарное содержание в стали углерода, марганца, хрома, меди, кремния, никеля, ванадия должно удовлетворять соотношению: [C+(Mn+Cr+Cu)/20+Si/30+Ni/60+V/10]≤0,24%, а чистовую прокатку штрипсов ведут с суммарным относительным обжатием по толщине не менее 64%.