СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ШТРИПСОВ ИЗ НИЗКОЛЕГИРОВАННОЙ СТАЛИ Российский патент 2008 года по МПК C21D8/02 C22C38/20 

Изобретение относится к области металлургии, конкретнее к прокатному производству, и может быть использовано при изготовлении на непрерывных широкополосных станах штрипсов для электросварных прямошовных насосно-компрессорных и обсадных труб.

Для производства насосно-компрессорных и обсадных труб необходимы штрипсы (горячекатаные полосы) толщиной 3,5-10,0 мм, шириной 950-1835 мм из низколегированной стали, обладающие следующим комплексом механических свойств (табл.1):

Таблица 1
Механические свойства и свариваемость штрипсов (ТС 105-496)σ_в, Н/мм²σ_т, Н/мм²δ, %Свариваемостьне менее 520320-470не менее 20удовлетвор.

Примечание: ось образцов совпадает с направлением прокатки.

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 полосы после прокатки имеют низкие и неравномерные механические свойства. Это делает невозможным их применение для изготовления насосно-компрессорных и обсадных труб. Кроме того, необходимость проведения термического улучшения (закалки и отпуска) полос 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 и неравномерную прочность и пластичность, недостаточную свариваемость и непригодны для изготовления насосно-компрессорных и обсадных труб.

Наиболее близким аналогом к предлагаемому изобретению является способ производства штрипсов из низколегированной стали, включающий нагрев слябов, прокатку в штрипсы с регламентированной температурой конца прокатки и охлаждение водой до температуры смотки, причем нагрев слябов производят до температуры 1220-1280°С, температуру конца прокатки поддерживают в диапазоне 820-880°С, а температуру смотки устанавливают в зависимости от содержания углерода в стали. Кроме того, низколегированная сталь имеет следующий химический состав, мас.%:

Углерод0,15-0,24Марганец0,20-0,70Кремний0,10-0,40Алюминий0,01-0,07Ниобий0,01-0,08Хромне более 0,4Никельне более 0,4Медьне более 0,4Фосфорне более 0,020Серане более 0,010Азотне более 0,012Железоостальное [3]

Недостатки известного способа состоят в том, что штрипсы имеют нестабильные механические свойства, которые зависят от концентрации углерода в стали и толщины полосы, определяющей скорость их охлаждения водой. Кроме того, полосы характеризуются недостаточной свариваемостью: при испытаниях образцов на разрыв их разрушение происходит по сварному шву. Все это приводит к снижению выхода годного.

Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в повышении стабильности механических свойств и выхода годного.

Для решения поставленной технической задачи в известном способе производства штрипса из низколегированной стали, содержащей углерод, кремний, марганец, алюминий, хром, медь, серу, фосфор, азот и железо, включающем нагрев сляба, черновую и многопроходную чистовую прокатку до заданной толщины с температурой конца прокатки не ниже 820°С, охлаждение водой до температуры смотки, согласно предложению сляб выполнен из стали, содержащей, мас.%:

Углерод0,22-0,28Кремний0,15-0,35Марганец1,0-1,4Алюминий0,02-0,05Кальцийне более 0,02Титанне более 0,03Хромне более 0,40Медьне более 0,40Серане более 0,010Фосфорне более 0,015Азотне более 0,012Железоостальное

при этом многопроходную чистовую прокатку ведут в диапазоне температур от 960÷1050°С до 820-890°С.

Кроме того, при содержании углерода в стали 0,22-0,24% штрипсы толщиной 3,5-5,0 мм охлаждают водой до температуры смотки 600-650°С, а при толщине более 5,0 мм - до температуры смотки 580-640°С, а при содержании углерода в стали более 0,24% штрипсы толщиной 3,5-5,0 мм охлаждают водой до температуры смотки 610-660°С, а при толщине более 5,0 мм - до температуры смотки 600-650°С.

Сущность изобретения состоит в следующем. Химический состав стали совместно с температурными режимами горячей прокатки штрипсов определяют уровень и стабильность их механических свойств и, как следствие, выход годного. При изменении концентрации углерода в стали и толщины штрипсов, определяющей условия их охлаждения водой, изменяются параметры микроструктуры и механические свойства.

Сталь предложенного химического состава наименее чувствительна по микроструктуре к колебаниям температуры в интервале проведения чистовой прокатки (от 960-1050 до температуры не ниже 820°С), что стабилизирует механические свойства штрипсов. Изменение температуры смотки штрипсов в зависимости от конкретной концентрации углерода в стали и толщины штрипсов компенсирует влияние этих параметров на формирование конечной микроструктуры, чем обеспечивается дополнительная стабилизация механических свойств штрипсов (с различным содержанием углерода и с различной толщиной) и повышение выхода годного.

Углерод в низколегированной стали предложенного состава определяет прочностные свойства горячекатаных штрипсов. Снижение содержания углерода менее 0,22% приводит к падению их прочностных свойств ниже допустимого уровня. Увеличение содержания углерода более 0,28% ухудшает пластические свойства штрипсов и их свариваемость.

При содержании кремния менее 0,15% ухудшается раскисленность стали, снижаются прочностные свойства полос. Увеличение содержания кремния более 0,35% приводит к возрастанию количества силикатных включений, снижает равномерность механических свойств штрипсов, пластичность и свариваемость.

Снижение содержания марганца менее 1,0% увеличивает окисленность стали, ухудшает свариваемость полос. Повышение содержания марганца более 1,4% увеличивает предел текучести σ_т, неравномерность механических свойств, что, в свою очередь, ведет к снижению выхода годного.

Алюминий раскисляет и модифицирует сталь. Связывая избыточный примесный 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 неравномерности свойств штрипсов.

Кальций способствует модификации стали и измельчению зерен микроструктуры при чистовой горячей прокатке штрипсов в температурном интервале от 960-1050°С до 820-890°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 пластических свойств и их равномерности штрипсов, что недопустимо.

Титан очищает металлическую матрицу от атомов внедрения. Карбидные и нитридные частицы типа TiC_1,0 и TiN упрочняют сталь, не снижая ее пластических свойств. Однако увеличение содержания титана более 0,03% ухудшает равномерность свойств штрипсов и выход годного.

Хром повышает прочность стали за счет образования карбидов. Но увеличение содержания хрома более 0,40% приводит к снижению пластических свойств, ухудшению качества горячекатаных полос.

Медь является примесным элементом. При концентрации меди не более 0,4% она не оказывает вредного влияния на свариваемость штрипсов при производстве насосно-компрессорных и обсадных труб, но расширяет возможности использования металлического лома при выплавке, что удешевляет производство. При концентрации меди более 0,40% ухудшаются пластические свойства и свариваемость штрипсов.

Сталь предложенного состава может содержать в виде примесей не более 0,010% серы, не более 0,015% фосфора. 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.

Экспериментально установлено, что при температуре начала чистовой прокатки выше 1050°С в стали данного состава интенсивно протекает укрупнение аустенитных зерен за счет их рекристаллизации после каждого прохода. Это, в свою очередь, приводит к формированию крупнозернистой ферритно-перлитной микроструктуры в результате α→γ превращения, что обеспечивает равномерность свойств горячекатаных штрипсов. Снижение температуры начала чистовой прокатки менее 960°С ухудшает технологическую пластичность штрипсов из стали предложенного состава, не позволяет получить стабильную температуру конца прокатки. Это также ухудшает равномерность свойств и выход годного.

Снижение температуры Т_кп менее 820°С приводит к чрезмерному измельчению микроструктуры, ее наклепу, снижению пластических свойств горячекатаных штрипсов.

Уменьшение температуры смотки Т_см ниже 600°С для штрипсов толщиной 3,5-5,0 мм из низколегированной стали предложенного состава с содержанием углерода 0,22-0,24% ухудшает пластические свойства штрипсов и равномерность механических свойств по их длине. Увеличение Т_см выше 650°С приводит к снижению равномерности и уровня прочностных свойств штрипсов толщиной 3,5-5,0 мм и выхода годного.

Уменьшение температуры смотки Т_см ниже 580°С для штрипсов толщиной более 5,0 мм из низколегированной стали предложенного состава с содержанием углерода 0,22-0,24% приводит к упрочнению стали выше допустимого уровня и снижению пластичности. Увеличение Т_см выше 640°С приводит к снижению уровня и равномерности прочностных свойств штрипсов толщиной более 5,0 мм и выхода годного.

Уменьшение температуры смотки Т_см ниже 610°С для штрипсов толщиной 3,5-5,0 мм из низколегированной стали предложенного состава с содержанием углерода более 0,24% ухудшает пластические свойства штрипсов по их длине. Увеличение Т_см выше 660°С приводит к снижению равномерности и уровня прочностных свойств штрипсов толщиной 3,5-5,0 мм и выхода годного.

Уменьшение температуры смотки Т_см ниже 600°С для штрипсов толщиной более 5,0 мм из низколегированной стали предложенного состава с содержанием углерода более 0,24% приводит к упрочнению стали выше допустимого уровня и снижению пластичности. Увеличение Т_см выше 650°С приводит к снижению равномерности прочностных свойств штрипсов толщиной более 5,0 мм и выхода годного.

Примеры реализации способа

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

1. Слябы из стали состава 2 с содержанием углерода [С]=0,22% толщиной 250 мм загружают в методические печи и нагревают до температуры аустенитизации 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 Т_нп=1000°С задают в непрерывную 7-клетевую чистовую группу клетей, где обжимают до конечной толщины Н=4,5 мм. Регламентированную температуру конца прокатки T_кп=855°С поддерживают изменением скорости прокатки и межклетевым охлаждением полосы.

Прокатанную полосу выдают на отводящий рольганг, где охлаждают водой до температуры смотки. Поскольку полоса имеет толщину Н=4,5 мм, попадающую в интервал толщин 3,5-5,0 мм, и содержит 0,22% углерода, температуру смотки поддерживают равной Т_см=625°С. Охлажденную полосу сматывают в рулон.

2. Все те же операции, что и в примере 1, только используют слябы из стали, содержащей 0,24% углерода (состав 3), в чистовой группе клетей производят прокатку штрипсов толщиной Н=8,0 мм, а температуру смотки поддерживают равной Т_см=610°С.

3. Слябы из стали состава 4 с содержанием углерода [С]=0,25% толщиной 250 мм загружают в методические печи и нагревают до температуры аустенитизации Т_а=1200°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 Т_нп=1050°С задают в непрерывную 7-клетевую чистовую группу клетей, где обжимают до конечной толщины Н=4,0 мм. Регламентированную температуру конца прокатки Т_кп=830°С поддерживают изменением скорости прокатки и межклетевым охлаждением полосы.

Прокатанную полосу выдают на отводящий рольганг, где охлаждают водой до температуры смотки. Поскольку полоса имеет толщину Н=4,0 мм, попадающую в интервал толщин 3,5-5,0 мм, и содержит 0,25% углерода, температуру смотки поддерживают равной Т_см=635°С. Охлажденную полосу сматывают в рулон.

4. Все те же операции, что и в примере 3, только в чистовой группе клетей производят прокатку штрипсов толщиной Н=7,0 мм, а температуру смотки поддерживают равной Т_см=625°С.

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, 3, 5-8) достигается повышение стабильности механических свойств и выхода годных горячекатаных штрипсов. Кроме того, штрипсы характеризуются удовлетворительной свариваемостью.

В случае запредельных значений заявленных параметров (варианты №1, 4, 8) уровень и стабильность механических свойств штрипсов ухудшаются, что сопровождается снижением выхода годного. Также более низкие и нестабильные свойства при нулевом выходе годного имеют штрипсы, произведенные согласно способу-прототипу (вариант №9).

Технико-экономические преимущества предложенного способа заключаются в том, что нагрев слябов из низколегированной стали предложенного состава, последующая их горячая черновая и контролируемая чистовая прокатка с температурой конца прокатки не ниже 820°С, охлаждение водой до температуры смотки, определяемой в зависимости от содержания углерода в низколегированной стали толщины штрипса, обеспечивает формирование оптимальной мелкозернистой ферритно-перлитной микроструктуры стали. За счет этого достигается получение заданного уровня и повышение стабильности механических свойств и выхода годного при удовлетворительной свариваемости полос.

Таблица 2Химический состав низколегированных сталей№ составаСодержание химических элементов, мас.%СSiMnAlCaTiCrCuSРNFe1.0,210,140,90,0100,0090,0090,10,10,0070,0100,010остальн.2.0,220,151,00,0200,0090,0100,20,20,0080,0110,0103.0,240,201,20,0350,0100,0200,30,30,0090,0130,011-:-4.0,250,221,30,0400,0150,0250,30,30,0090,0140,012-:-5.0,280,351,40,0500,0210,0300,40,40,0100,0150,012-:-6.0,290,361,50,0600,0300,0320,50,50,0110,0160,013-:-7.0,190,400,70,030----0,30,40,0110,0100,011-:-

Таблица 3Режимы производства штрипсов и показатели их эффективности№ варианта№ составаТ_а, °СТ_нп, °СТ_кп, °С[С], %Н, ммТ_см, °Сσ_в, Н/мм²σ_т, Н/мм²δ, %СвариваемостьВыход годного, %1.1131010609000,213,5670450-500220-31014-20неудовл.-2.2130010808900,223,565053033026удовл.99,53.2125010658850,224,562554039528удовл.99,74.3127010708800,246,0660490-520300-32020-24удовл.56,75.3125010658850,248,061054032028удовл.99,76.4120010508300,254,063553034027удовл.99,67.4120010508300,257,062555047022удовл.99,88.5121010408300,289,060056047023удовл.99,88.611909508100,295,0600520-580470-49017-20неудовл.63,19.71250 8400,197,0630470-500290-31022удовл.--

Использование предложенного способа обеспечит повышение рентабельности производства полос для обсадных труб на 20-35%.

Источники информации

1. Заявка Японии №61-163210, МПК С21D 8/00, 1986.

2. Заявка Японии №61-223125, МПК С21D 8/02, С22С 38/54, 1986.

3. Патент РФ 2264475, МПК С21D 8/02, 20.11.2005 - прототип.

Изобретение относится к области металлургии, конкретнее к прокатному производству, и может быть использовано при изготовлении на непрерывных широкополосных станах штрипсов для электросварных прямошовных насосно-компрессорных и обсадных труб. Для повышения стабильности механических свойств и выхода годного способ включает получение сляба, нагрев слябов до температуры 1200-1300°С, черновую и многопроходную чистовую прокатку до заданной толщины в регламентированном температурном диапазоне, охлаждение водой до температуры смотки, при этом сляб получают из стали, содержащей, мас.%: 0,22-0,28 С; 0,15-0,35 Si; 1,0-1,4 Mn; 0,02-0,05 Al; не более 0,02 Са; не более 0,03 Ti; не более 0,4 Cr; не более 0,4 Cu; не более 0,010 S; не более 0,015 Р; не более 0,012 N, остальное железо, многопроходную чистовую прокатку ведут в диапазоне температур от 960-1050 до 820-890°С, а охлаждение водой ведут до температуры смотки, равной 580-660°С. Причем при содержании углерода в стали 0,22-0,24 мас.% штрипсы толщиной 3,5-5,0 мм охлаждают водой до температуры смотки 600-650°С, а при толщине более 5,0 мм - до температуры смотки 580-640°С. При содержании углерода в стали более 0,24 мас.% штрипсы толщиной 3,5-5,0 мм охлаждают водой до температуры смотки 610-660°С, а при толщине более 5,0 мм - до температуры смотки 600-650°С. 2 з.п. ф-лы, 3 табл.

1. Способ производства штрипсов из низколегированной стали, включающий получение сляба, нагрев сляба, черновую и многопроходную чистовую прокатку до заданной толщины в регламентированном температурном диапазоне, охлаждение водой до температуры смотки, отличающийся тем, что сляб получают из стали, содержащей, мас.%:

углерод0,22-0,28кремний0,15-0,35марганец1,0-1,4алюминий0,02-0,05кальцийне более 0,02титанне более 0,03хромне более 0,40медьне более 0,40серане более 0,010фосфорне более 0,015азотне более 0,012железоостальное,

при этом многопроходную чистовую прокатку ведут в диапазоне температур от 960-1050 до 820-890°С.