СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ШТРИПСОВ Российский патент 2009 года по МПК C21D8/02 C22C38/42 C22C38/46 

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

Для производства обсадных труб необходимы горячекатаные полосы (штрипсы) толщиной 8-10 мм и шириной 1000-1800 мм из низколегированной стали, обладающие следующим комплексом механических свойств (табл.1).

Таблица 1Механические свойства полос (ТС 105-486-2006)σ_в, Н/мм²σ_т, Н/мм²δ₄, %KCU^-40, Дж/см²KCV^-20, Дж/см²520-640352-520не менее 25,0не менее 54не менее 52Примечание: Все испытания проводятся на образцах, ось которых вдоль направления прокатки полосы.

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

После сварки трубы подвергают термической обработке, что повышает их прочностные свойства до требуемого уровня σ_в=900-1000 Н/мм² при сохранении вязкостных и пластических свойств.

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

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 из этой стали имеют низкие вязкостные свойства при отрицательных температурах, неудовлетворительную свариваемость. Это делает невозможным их применение для изготовления обсадных труб.

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, не удовлетворяют требованиям по вязкости при отрицательных температурах, имеют недостаточную свариваемость и не пригодны для изготовления обсадных труб.

Наиболее близким аналогом 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 более 0,008Железоостальное.

Слябы из низколегированной стали 17Г1С нагревают до температуры 1250°С, подвергают черновой прокатке на непрерывном широкополосном стане в полосы промежуточной толщины 20-40 мм, чистовой прокатке до конечной толщины в регламентированном температурном диапазоне от 980-1000°С до 830-880°С, после чего штрипсы охлаждают водой до температуры смотки 620-700°С [3].

Недостатки известного способа состоят в том, что штрипсы имеют низкие механические свойства при отрицательных температурах, что снижает их качество и выход годного. Кроме того, после дополнительной термической обработки труб их прочностные свойства ниже требуемого уровня.

Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в повышении качества штрипсов и выхода годного.

Для решения поставленной технической задачи в известном способе производства штрипсов, включающем нагрев слябов из низколегированной стали, горячую прокатку с регламентированной температурой конца прокатки, охлаждение водой и смотку штрипсов в рулоны, согласно предложению температуру конца прокатки поддерживают равной 880-920°С, а охлаждение штрипсов водой ведут до температуры 630-690°С, причем низколегированная сталь имеет следующий химический состав, мас.%:

Углерод0,18-0,26Кремний0,14-0,36Марганец0,30-0,80Хром0,7-1,1Молибден0,10-0,30Ниобий0,01-0,06Алюминий0,01-0,06Ванадийне более 0,06Титанне более 0,05Никельне более 0,30Медьне более 0,20Серане более 0,005Фосфорне более 0,015Азотне более 0,008Железоостальное,

а суммарное содержание ниобия, ванадия и титана соответствует условию: Nb+V+Ti≤0,15%, при загрязненности структуры стали нитридами не крупнее 2 балла и остальными неметаллическими включениями не крупнее 2,5 балла. Кроме того, перед прокаткой слябы подвергают отжигу путем нагрева до температуры 600-650°С, охлаждения со скоростью не более 25°С/ч до температуры не ниже 250°С, повторного нагрева со скоростью не более 60°С/ч до температуры 630-650°С и последующего охлаждения с печью.

Сущность изобретения состоит в следующем. Нагрев слябов из низколегированной стали предложенного состава перед прокаткой обеспечивает ее аустенитизацию, полное растворение в аустенитной матрице сульфидов, фосфидов, нитридов, легирующих и примесных соединений, карбонитридных упрочняющих частиц. Благодаря этому повышается технологическая пластичность и деформируемость слябов.

Прокатка штрипса с температурой конца прокатки Т_кп=880-920°С обеспечивает необходимую степень измельчения аустенитных зерен за счет торможения их рекристаллизации и интенсификации α→γ превращения. Также благодаря эффекту торможения рекристаллизации в низколегированной стали предложенного состава, содержащей азот, достигается наиболее полное выпадение из твердого раствора карбонитридных упрочняющих частиц. В результате микроструктура штрипса после многоцикловой деформации при горячей прокатке и охлаждения водой до температуры смотки 630-690°С представляет из себя ферритно-перлитную смесь с равномерным размером зерен, и механические свойства полосы в горячекатаном состоянии полностью соответствуют предъявляемым требованиям (табл.1).

Сочетание механических свойств штрипсов из стали предложенного состава обеспечивает качественную формовку и сварку обсадной трубы, а последующая термическая обработка труб существенно повышает их конструктивную прочность и жесткость. Обсадные трубы из таких штрипсов имеют повышенную устойчивость против сейсмических смещений грунта, в том числе при отрицательных температурах.

Экспериментально установлено, что при температуре конца прокатки Т_кп выше 920°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, не достигается требуемая степень упрочнения полосы и измельчение микроструктуры до оптимального уровня, что снижает вязкостные свойства штрипсов. Снижение температуры Т_кп ниже 880°С приводит к чрезмерному измельчению микроструктуры, ее наклепу, снижению пластических свойств штрипсов, ухудшению формуемости штрипсов в трубы.

Повышение температуры смотки Т_см выше 690°С способствует формированию разнобалльности микроструктуры, снижению прочностных свойств ниже допустимых значений, формированию нестабильной микроструктуры и свойств по длине штрипсов. Уменьшение Т_см ниже 630°С ухудшает пластичность штрипсов, вызывает ее нестабильность, что снижает выход годного.

Углерод в низколегированной стали предложенного состава определяет прочностные свойства штрипсов и обсадных труб. Снижение содержания углерода менее 0,18% приводит к падению их прочности ниже допустимого уровня. Увеличение содержания углерода более 0,26% ухудшает вязкостные свойства штрипсов и их свариваемость.

При содержании кремния менее 0,14% ухудшается раскисленность стали, снижаются прочностные свойства полос. Увеличение содержания кремния более 0,36% приводит к возрастанию количества силикатных включений, снижает ударную вязкость штрипсов, ухудшает показатель KCU^-40 и свариваемость стали.

Снижение содержания марганца менее 0,30% увеличивает окисленность стали, ухудшает свариваемость штрипсов. Повышение содержания марганца более 0,80% увеличивает предел текучести σ_т и снижает пластичность, что, в свою очередь, ведет к снижению выхода годного.

Хром повышает прочность стали за счет образования карбидов. При содержании хрома менее 0,7% прочность стали в горячекатаном состоянии недостаточна. Увеличение содержания хрома более 1,1% приводит к снижению пластических и вязкостных свойств, ухудшению качества горячекатаных штрипсов.

Молибден и ниобий, как каждый в отдельности, так и совместно, измельчают зерно микроструктуры, повышают прочность и вязкость штрипсов, прокатанных по предложенным режимам, без ухудшения пластичности. При содержании молибдена менее 0,10% или ниобия менее 0,01% полосы имеют недостаточную вязкость при отрицательных температурах. Увеличение содержания молибдена более 0,30% или ниобия сверх 0,06% оказалось нецелесообразным, так как не улучшало свойств полос, а лишь увеличивало затраты на легирующие.

Алюминий раскисляет и модифицирует сталь. Связывая избыточный примесный азот в нитриды, подавляет его негативное воздействие на свойства штрипсов. При содержании алюминия менее 0,01% снижается комплекс механических свойств штрипсов. Увеличение его концентрации более 0,06% приводит к ухудшению вязкостных свойств штрипсов и труб после термической обработки.

Ванадий образует с углеродом карбиды VC, а с азотом - нитриды VN. Мелкие нитриды и карбонитриды ванадия располагаются по границам зерен и субзерен, тормозят движение дислокаций и тем самым упрочняют сталь. Увеличение концентрации ванадия более 0,06% вызывает дисперсионное твердение штрипсов и приводит к выделению на границах зерен их интерметаллических соединений. Это ухудшает свойства штрипсов и снижает выход годного.

Титан является сильным карбидообразующим элементом, упрочняющим сталь. Однако при сварке труб титан полностью выгорает, поэтому повышение его концентрации в стали выше 0,05% нецелесообразно.

Никель и медь являются примесными элементами. При концентрации никеля не более 0,3% и меди не более 0,2% 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 никеля более 0,3% или меди более 0,2% ухудшаются вязкостные, пластические свойства и свариваемость штрипсов.

Сталь предложенного состава может содержать в виде примесей не более 0,005% 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 более глубокое 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.

Азот упрочняет сталь, образуя мелкодисперсные нитриды. Но при его содержании более 0,008% увеличиваются размеры нитридов более 2 баллов, вязкостные свойства стали становятся ниже допустимого уровня.

Свариваемость горячекатаной полосы из стали предложенного состава токами высокой частоты зависит от степени ее легированности и при Nb+V+Ti≤0,15 остается высокой. В противном случае, т.е. при Nb+V+Ti>0,15, не исключаются непровары в продольном шве обсадной трубы. Это приводит к снижению выхода годного.

Экспериментально установлено, что скопления нитридов крупнее 2 баллов, а также остальных неметаллических включений крупнее 2,5 балла (в виде оксидов, фосфидов, сульфидов, гидридов) приводят к разрушению образцов при коррозионных испытаниях, что недопустимо. Кроме того, неметаллические включения крупнее 2,5 балла снижают хладостойкость стали, снижают выход годных горячекатаных полос.

Двухступенчатый отжиг непрерывнолитых слябов обеспечивает гомогенизацию химического состава, исключает образование флокенов, повышает механические свойства штрипсов и выход годного. При температуре нагрева на первой ступени ниже 600°С не обеспечивается снятие напряжений в непрерывнолитом слябе. Повышение этой температуры более 650°С приводит к ослаблению границ кристаллитов и снижению технологической пластичности слябов. Охлаждение слябов после первой ступени нагрева со скоростью более 25°С/ч может привести к зарождению трещин и флокенов. Снижение температуры окончания замедленного охлаждения ниже температуры 250°С удлиняет цикл отжига без повышения механических свойств и выхода годного.

Повторный нагрев со скоростью более 60°С вызывает рост термических напряжений и не исключает образования трещин.

При температуре отжига на второй ступени ниже 630°С ухудшаются характер микроструктуры и механические свойства штрипсов. Увеличение этой температуры выше 650°С приводит к росту зерен и огрублению микроструктуры слябов. Это ухудшает конечные свойства штрипсов. Замедленное охлаждение с печью отожженных непрерывнолитых слябов исключает образование в них трещин и флокенов, сокращает затраты топлива на отжиг.

Пример реализации способа

В электродуговой печи емкостью 100 т производят выплавку и разливку низколегированных сталей различного состава (табл.2). Выплавленные стали подвергают непрерывной разливке в слябы толщиной 250 мм.

Непрерывнолитые слябы состава 3 подвергают двухступенчатому отжигу при температуре T_отж1=625°С, выдерживают до выравнивания температуры по сечению слябов, охлаждению со скоростью V_охл=20°С/ч до температуры T_охл=255°С, повторному нагреву со скоростью V_н=50°С до температуры Т_отж2=640°С и последующему охлаждению с печью.

Отожженные слябы из стали состава 3 загружают в методическую печь и нагревают до температуры аустенитизации 1250°С. Разогретые слябы выдают на печной рольганг непрерывного широкополосного стана 2000 и подвергают прокатке в черновой группе клетей до промежуточной толщины 40 мм. Затем раскат задают в непрерывную 7-клетевую чистовую группу клетей, где обжимают до конечной толщины 9,0 мм. Регламентированную температуру конца прокатки Т_кп=900°С поддерживают изменением скорости прокатки и межклетевым охлаждением полосы.

Прокатанную полосу выдают на отводящий рольганг, где охлаждают водой до температуры смотки Т_см=660°С. Охлажденную полосу сматывают в рулон.

От прокатанных рулонов отбирают пробы для испытания механических свойств. В дальнейшем штрипсы используют для изготовления сварных обсадных труб. Сваренные обсадные трубы подвергают упрочняющей термической обработке, после которой их прочность возрастает до σ_в=900-1000 Н/мм² при сохранении вязкостных и пластических свойств.

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

Из табл.3 следует, что в случае использования предложенного способа (варианты №2-5) механические свойства штрипсов полностью соответствуют предъявляемым требованиям, благодаря чему достигается повышение качества штрипсов и выхода годного. При запредельных значениях заявленных параметров (варианты №1, 6, 7) или использовании способа-прототипа (вариант №8) качество штрипсов ухудшается, т.к. их механические свойства не соответствуют заданным требованиям. Такие штрипсы не пригодны для изготовления сварных обсадных труб.

Технико-экономические преимущества предложенного способа состоят в том, что одновременная оптимизация химического состава слябов из непрерывнолитой стали, температурных режимов их деформирования и предварительного отжига обеспечивает получение высокого качества штрипсов и выхода годного за счет обеспечения заданного комплекса механических свойств, их высокую свариваемость при производстве обсадных труб. Помимо этого сваренные из штрипсов обсадные трубы после термической обработки повышают свои механические и эксплуатационные свойства.

В качестве базового объекта принят способ-прототип. Использование предложенного способа обеспечит повышение рентабельности производства сварных обсадных труб на 25-30%.

Источники информации

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

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

3. Ю.И.Матросов и др. Сталь для магистральных газопроводов. М., Металлургия, 1989 г., с.250-253 - прототип.

Таблица 2Химический состав низколегированных сталей№ составаСодержание химических элементов, мас.%Nb+V+TiБалл нитридовБалл неметалл. включ.СSiMnCrMoNbAlVTiNiCuSРNFe1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.0,17
0,18
0,22
0,26
0,20
0,27
0,25
0,160,13
0,14
0,25
0,36
0,16
0,37
0,28
0,500,29
0,30
0,55
0,80
0,40
0,90
0,70
1,50,6
0,7
0,9
1,1
0,8
1,2
1,0
0,20,09
0,1
0,2
0,3
0,2
0,4
0,3
-0,009
0,01
0,03
0,06
0,03
0,07
0,05
-0,009
0,01
0,035
0,06
0,04
0,07
0,05
-0,01
0,02
0,03
0,06
0,05
0,07
0,06
-0,01
0,01
0,02
0,03
0,05
0,06
0,05
-0,1
0,2
0,2
0,3
0,3
0,4
0,1
0,20,11
0,12
0,13
0,20
0,17
0,25
0,14
0,20,002
0,002
0,004
0,005
0,003
0,006
0,004
0,0300,011
0,012
0,014
0,015
0,013
0,016
0,011
0,0300,003
0,004
0,006
0,008
0,005
0,009
0,007
0,007ост.
-:-
-:-
-:-
-:-
-:-
-:-
-:-0,029
0,04
0,08
0,15
0,13
0,20
0,16
--0,5
1,0
1,5
2,0
1,5
2,5
1,5
3,01,0
1,5
2,0
2,5
2,0
3,0
1,5
3,5

Таблица 3Режимы производства штрипсов и показатели их эффективности№ варианта№ составаДвухступенчатый отжиг слябовПрокаткаσ_в,
Н/мм²σ_т,
Н/мм²δ₄,
%KCU^-40,
Дж/см²KCV^-20,
Дж/см²T_отж1,
°CV_охл,
°С/чT_охл,
°CV_н,
°С/чT_отж2,
°CТ_кп,
°CТ_см,
°C1.759017240356208706207206102142372.460018260456308806306405202856543.362520255506409006605804303060584.265025250606509206905203522655585.563019270406459106805904602756546.666026230706609307004803602453507.167028220656808756255103701843388.8----------840620490300224846

Изобретение относится к области металлургии, конкретнее к прокатному производству, и может быть использовано при изготовлении на непрерывных широкополосных станах полос для электросварных прямошовных обсадных труб, предназначенных для обустройства нефтяных и газовых скважин. Для повышения качества штрипсов и выхода годного получают сляб из стали, содержащей следующий химический состав, мас.%: 0,18-0,26 С; 0,14-0,36 Si; 0,30-0,80 Mn; 0,7-1,1 Cr; 0,10-0,30 Mo; 0,01-0,06 Nb; 0,01-0,06 Al; не более 0,06 V; не более 0,05 Ti; не более 0,30 Ni; не более 0,20 Cu; не более 0,005 S; не более 0,015 Р; не более 0,008 N; остальное Fe, при выполнении условия: Nb+V+Ti≤0,15% и при загрязненности структуры стали нитридами не крупнее 2 баллов и остальными неметаллическими включениями не крупнее 2,5 балла. Сляб подвергают нагреву, горячей прокатке с регламентированной температурой конца прокатки с получением штрипса, охлаждению водой и сматывают штрипс в рулоны. Температуру конца прокатки поддерживают равной 880-920°С, а охлаждение штрипсов водой ведут до температуры 630-690°С. Причем перед нагревом под прокатку сляб подвергают отжигу путем нагрева до температуры 600-650°С, охлаждения со скоростью не более 25°С/ч до температуры не ниже 250°С, повторного нагрева со скоростью не более 60°С/ч до температуры 630-650°С и последующего охлаждения с печью. 2 з.п. ф-лы, 3 табл.

1. Способ производства штрипсов из низколегированной стали, включающий получение сляба, нагрев сляба, горячую прокатку с регламентированной температурой конца прокатки, охлаждение водой и смотку штрипсов в рулоны, отличающийся тем, что сляб получают из стали, содержащей следующее соотношение компонентов, мас.%:

углерод0,18-0,26кремний0,14-0,36марганец0,30-0,80хром0,7-1,1молибден0,10-0,30ниобий0,01-0,06алюминий0,01-0,06ванадийне более 0,06титанне более 0,05никельне более 0,30медьне более 0,20серане более 0,005фосфорне более 0,015азотне более 0,008железоостальное

при этом температура конца прокатки равна 880-920°С, охлаждение водой ведут до 630-690°С и осуществляют смотку.