СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ШТРИПСОВ ИЗ НИЗКОЛЕГИРОВАННОЙ СТАЛИ Российский патент 2005 года по МПК C21D8/02 C22C38/46 

Изобретение относится к области металлургии, конкретнее к прокатному производству, и может быть использовано при изготовлении на непрерывных широкополосных станах штрипсов для электросварных обсадных труб, предназначенных для обустройства нефтяных и газовых скважин в северных сейсмических зонах.

Для производства обсадных труб, работающих в сейсмических зонах при отрицательных температурах, необходимы горячекатаные штрипсы (полосы) толщиной 6-10 мм, шириной 1200-1800 мм из низколегированной стали, обладающие следующим комплексом механических свойств (табл.1):

Помимо указанных механических свойств штрипсы для обсадных труб должны иметь высокую свариваемость.

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

Углерод0,04-0,10Кремний0,01-0,50Марганец0,4-1,5Хром0,05-1,0Молибден0,05-1,0Ванадий0,01-0,1Бор0,0005-0,005Алюминий0,001-0,1Железо и примесиОстальное

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 низкие вязкостные свойства при отрицательных температурах, неудовлетворительную свариваемость. Это делает невозможным ее применение для изготовления обсадных 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.%:

Углерод0,02-0,3Марганец0,5-2,5Алюминий0,005-0,1Кремний0,05-1,0Ниобий0,003-0,01ЖелезоОстальное

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 вязкости при отрицательных температурах, имеют недостаточную свариваемость и непригодны для изготовления обсадных 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 марки 17Г1С (по ГОСТ 19281) следующего химического состава, мас.%:

Углерод0,15-0,20Марганец1,15-1,6Кремний0,4-0,6Хромне более 0,30Никельне более 0,30Медьне более 0,30Фосфорне более 0,035Серане более 0,040Мышьякне более 0,08Азотне более0,008ЖелезоОстальное

Слябы из низколегированной стали 17Г1С нагревают до температуры 1250°С, подвергают черновой прокатке на непрерывном широкополосном стане до промежуточной толщины 20-40 мм, чистовой прокатке с регламентированной температурой конца прокатки Т_кп=830-880°С, и охлаждают водой до температуры смотки Т_см=620-700°С [3].

Недостатки известного способа состоят в том, что штрипсы имеют низкие механические свойства при отрицательных температурах, что снижает выход годных штрипсов. Кроме того, штрипсы характеризуются недостаточной свариваемостью: при испытаниях образцов на разрыв их разрушение происходит по сварному шву.

Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в повышении механических свойств штрипсов и обеспечении высокой свариваемости.

Для решения поставленной технической задачи в известном способе производства штрипсов из низколегированной стали, включающем нагрев слябов, их черновую прокатку до промежуточной толщины и чистовую прокатку с регламентированной температурой конца прокатки, охлаждение водой до температуры смотки, согласно предложению нагрев слябов производят до температуры 1220-1280°С, а температуры конца прокатки и смотки поддерживают в диапазонах 820-880°С и 580-660°С соответственно.

Кроме того, для производства штрипсов используют низколегированную сталь следующего химического состава, мас.%:

Углерод0,12-0,17Марганец1,3-1,6Кремний0,3-0,6Алюминий0,02-0,06Ванадий и/или ниобий0,01-0,05Хромне более 0,3Никельне более 0,3Медьне более 0,3Фосфорне более 0,015Серане более 0,006Азотне более 0,010Кальцийне более 0,02ЖелезоОстальное

Сущность изобретения состоит в следующем. Нагрев слябов из низколегированной стали предложенного состава до температуры 1220-1280°С обеспечивает ее аустенизацию, полное растворение в аустенитной матрице сульфидов, фосфидов, нитридов, легирующих и примесных соединений, карбонитридных упрочняющих частиц. Благодаря этому повышается технологическая пластичность и деформируемость слябов при прокатке до промежуточной толщины. Кроме того, поскольку в процессе прокатки происходит непрерывное падение температуры металла, при указанной температуре нагрева к моменту окончания черновой прокатки температура раската снижается до оптимального уровня, необходимого для обеспечения заданной температуры конца прокатки.

Последующая чистовая прокатка штрипса с температурой конца прокатки 820-880°С обеспечивает необходимую степень измельчения микроструктуры, полное выпадение из твердого раствора карбонитридных упрочняющих частиц, деформационное упрочнение металлической матрицы. В результате микроструктура штрипса после охлаждения до температуры смотки 580-660°С представляет из себя ферритно-перлитную смесь с равномерными зернами 11-го балла, и механические свойства штрипса в горячекатаном состоянии полностью соответствуют предъявляемым требованиям (табл.1) без дополнительной термической обработки. Обсадные трубы из таких штрипсов хорошо противостоят сейсмическим смещениям участков грунта при отрицательных температурах без разрушения. Помимо этого, благодаря ограничению концентрации в стали углерода и других легирующих, низколегированная сталь, имея заданную прочность и высокую вязкость при отрицательных температурах, характеризуются высокой свариваемостью: при испытании на разрыв разрушение образцов происходит не по сварному шву, а по основному металлу.

Использование низколегированной стали предложенного состава при одновременном выполнении заявленных соотношений в ней легирующих элементов и примесей обеспечивает после горячей прокатки по упомянутым режимам стабильное получение заданных механических свойств штрипсов, повышение вязкостных свойств при отрицательных температурах, высокую свариваемость обсадных труб. Повышение механических свойств штрипсов за счет одновременной оптимизации химического состава стали и режимов горячей прокатки позволяет минимизировать расходы на легирующие материалы. В этом состоит дополнительное преимущество предложенного способа.

Экспериментально установлено, что увеличение температуры нагрева слябов из низколегированной стали выше 1280°С не улучшает комплекс механических свойств штрипсов, а лишь увеличивает время нагрева и требует снижения темпа прокатки, что снижает производительность процесса. Снижение этой температуры ниже 1220°С приводит к неполному растворению в аустените карбонитридных упрочняющих частиц, снижению технологической пластичности, переупрочнению стали (σ_в>610 Н/мм²), снижению вязкостных свойств штрипсов при отрицательных температурах.

При температуре конца прокатки Т_кп выше 880°С не достигается требуемая степень упрочнения штрипса и измельчение его микроструктуры до оптимального уровня. Снижение температуры Т_кп ниже 820°С приводит к чрезмерному измельчению микроструктуры, ухудшению механических свойств штрипсов. Повышение же механических свойств за счет увеличения легированное™ стали удорожает производство и ухудшает свариваемость стали.

Повышение температуры смотки Т_см выше 660°С способствует формированию разнобалльности микроструктуры, снижению прочностных свойств ниже допустимых значений. Снижение Т_см менее 580°С приводит к невыполнению заданного соотношения σ_т/σ_в, что недопустимо.

Углерод в низколегированной стали предложенного состава определяет прочностные свойства штрипсов. Снижение содержания углерода менее 0,12% приводит к падению их прочности ниже допустимого уровня. Увеличение содержания углерода более 0,17% ухудшает вязкостные свойства штрипсов и их свариваемость.

Снижение содержания марганца менее 1,3% увеличивает окисленность стали, ухудшает прочность и свариваемость штрипсов. Повышение содержания марганца более 1,6% увеличивает отношение предела текучести к временному сопротивлению разрыву σ_т/σ_в сверх 0,8, что недопустимо,

При содержании кремния менее 0,3% ухудшается раскисленность стали, снижаются прочностные свойства штрипсов. Увеличение содержания кремния более 0,6% приводит к возрастанию количества силикатных включений, снижает ударную вязкость штрипсов, ухудшает показатель KCU^-40 и свариваемость стали.

Алюминий раскисляет и модифицирует сталь. Связывая 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 0,06% приводит к ухудшению вязкостных свойств штрипсов.

Ванадий и ниобий, как каждый в отдельности, так и совместно, измельчают зерно микроструктуры, повышают прочность и вязкость штрипсов, прокатанных по предложенным режимам. Сталь может содержать или только ванадий или только ниобий, или ванадий и ниобий вместе. При содержании ванадия и/или ниобия (V+Nb) менее 0,01% штрипсы имеют недостаточную вязкость при отрицательных температурах. Увеличение содержания ванадия и/или ниобия (V+Nb) сверх 0,05% оказалось нецелесообразным, так как не улучшало свойств штрипсов.

Хром, никель и медь являются примесными элементами. При концентрации каждого из них не более 0,3% они не оказывают вредного влияния на свариваемость штрипсов при производстве обсадных труб, но расширяют возможности использования металлического лома при выплавке, что удешевляет производство. При концентрации каждого из этих элементов более 0,3% ухудшаются вязкостные, пластические свойства 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 в стали предложенного состава 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.

Кальций способствует модификации стали и измельчению зерен микроструктуры при черновой горячей прокатке слябов в температурном интервале от 1220-1280°С до 820-880°С. Кальций попадает в сталь при ее выплавке из известняка и шлака. Однако увеличение содержания кальция более 0,02% приводит к увеличению количества неметаллических включений и ухудшению вязкостных и пластических свойств штрипсов, что недопустимо.

Примеры реализации способа

В конвертерном производстве производят выплавку и разливку низколегированных сталей различного состава (табл.2).

Слябы толщиной 250 мм загружают в методические печи и нагревают до температуры аустенизации Т_а=1250°С. Разогретые слябы выдают на печной рольганг непрерывного широкополосного стана 2000 и подвергают прокатке в черновой группе клетей (черновая прокатка) до промежуточной толщины 40 мм. Затем раскат при температуре 970°С задают в непрерывную 7-клетевую чистовую группу клетей, где обжимают до конечной толщины 8 мм. Регламентированную температуру конца прокатки Т_кп=850°С поддерживают изменением скорости прокатки и межклетевым охлаждением полосы.

Прокатанный штрипс выдают на отводящий рольганг, где охлаждают водой до температуры смотки Т_см=620°C. Охлажденную полосу 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 №2-4) достигается повышение механических свойств и свариваемости. В случае запредельных значений заявленных параметров (варианты №1 и №5) механические свойства и свариваемость штрипсов ухудшаются. Также более низкие свойства и свариваемость имеют штрипсы, произведенные согласно способу-прототипу (вариант №6).

Технико-экономические преимущества предложенного способа заключаются в том, что нагрев слябов из низколегированной стали предложенного состава до температуры 1220-1280°С, последующая их горячая прокатка в штрипсы заданной толщины с температурой конца прокатки 820-880°С и охлаждение водой до температуры смотки 580-200°С обеспечивает формирование оптимальной мелкозернистой ферритно-перлитной микроструктуры стали. За счет этого достигается повышение механических свойств, свариваемости штрипсов при минимальной легированности. Это способствует снижению затрат на производство.

Использование предложенного способа обеспечит повышение рентабельности производства стали и штрипсов для обсадных труб северного исполнения на 8-10%.

Источники информации:

1. Заявка Японии №61-163210, МПК С 21 D 8/00, 1986 г.

2. Заявка Японии №61-223125, МПК С 21 D 8/02, С 22 С 38/54, 1986 г.

3. Матросов Ю.И. и др. Сталь для магистральных газопроводов. М., Металлургия, 1989 г., с.262-266 - прототип.

 Таблица 2
Химический состав низколегированных сталей№ составаСодержание химических элементов, масс.%СMnSiAlV и/или NbCrNiCuРSNСаFe10,111,200,200,010,0090,100,110,120,0110,0030,0060,005Остальн.20,121,300,300,020,0100,120,140,110,0120,0040,0070,009-:-30,141,450,350,040,0300,250,220,190,0130,0050,0080,012-:-40,171,600,600,060,0500,300,300,300,0150,0060,0100,020-:-50,181,700,700,070,0600,350,320,330,0160,0070,0110,022-:-6 (прототип)0,191,200,50----0,280,250,270,0320,0360,007---:-Примечание: состав 6 дополнительно содержит 0,07% As.

Таблица 3
Режимы производства штрипсов из низколегированной стали и их эффективность№ варианта№ составаТемпературные режимы, °СМеханические свойстваСвариваемостьТ_а, °CТ_кп, °СТ_см, °Сσ_в, Н/мм²σ_т, Н/мм²σ_т/σ_вδ₄, %KCU^-40, Дж/см²KCV^-20, Дж/см²1512108105706505900,90133734неудовл.2212208205806104800,79285453удовл.3312508506205604200,75305857удовл.4412808806605103950,77255152удовл.5112908906704503950,87224443неудовл.6612508706905004450,89174239неудовл.

Изобретение относится к области металлургии, конкретнее к прокатному производству, и может быть использовано при изготовлении на непрерывных широкополосных станах штрипсов для электросварных обсадных труб, предназначенных для обустройства нефтяных и газовых скважин в северных сейсмических зонах. Техническим результатом изобретения является повышение механических свойств штрипсов и обеспечение высокой свариваемости. Способ включает нагрев слябов, их черновую прокатку до промежуточной толщины и чистовую прокатку с регламентированной температурой конца прокатки, охлаждение водой до температуры смотки, при этом нагрев слябов производят до температуры 1220-1280°С, а температуры конца прокатки и смотки поддерживают в диапазонах 820-880°С и 580-660°С соответственно. Прокатку штрипсов осуществляют из низколегированной стали, содержащей, мас.% - 0,12-0,17 С; 1,3-1,6 Mn; 0,3-0,6 Si; 0,02-0,06 Al; 0,01-0,05 V и/или Nb; не более 0,3 Cr; не более 0,3 Ni; не более 0,3 Cu; не более 0,015 Р; не более 0,006 S; не более 0,010 N; не более 0,02 Са; остальное - Fe. 3 табл.

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

Углерод0,12-0,17Марганец1,3-1,6Кремний0,3-0,6Алюминий0,02-0,06Ванадий и/или  ниобий0,01-0,05ХромНе более 0,3НикельНе более 0,3МедьНе более 0,3ФосфорНе более 0,015СераНе более 0,006АзотНе более 0,010КальцийНе более 0,02ЖелезоОстальное

нагрев слябов производят до 1220-1280°С, температуру конца прокатки поддерживают в диапазоне 820-880°С, а температуру смотки - в диапазоне 580-660°С.