СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА РУЛОНОВ ГОРЯЧЕКАТАНОЙ ТРУБНОЙ СТАЛИ Российский патент 2009 года по МПК B21B1/26 

Изобретение относится к прокатному производству и может быть использовано при производстве горячекатаных полос класса прочности Х52 преимущественно из марок стали с пониженным содержанием углерода для последующего изготовления сварных труб.

Известны способы горячей прокатки полос, включающие горячую прокатку полос на широкополосном стане с межклетевым охлаждением и охлаждением полос водой на отводящем рольганге перед последующей смоткой в рулон (см., например, Технология прокатного производства. В 2-х книгах. Кн.2. Справочник: Беняковский М.А., Богоявленский К.Н., Виткин А.И. и др. М.: Металлургия, 1991. - С.542, Пат. РФ №2279937, опубл. 20.07.2006, Бюл. №20, №2277445, опубл. 10.06.2006, Бюл. №16).

Недостатками известных способов является сложность обеспечения требуемого уровня механических свойств горячекатаных полос из низколегированных с пониженным содержанием углерода марок стали, микролегированных только Nb.

Наиболее близким аналогом к заявляемому объекту является способ производства рулонов горячекатаной трубной стали, включающий нагрев сляба под горячую прокатку, прокатку его в черновой и чистовой группах клетей с температурой конца прокатки 780-840°С, охлаждение полосы водой на отводящем рольганге с последующей смоткой в рулон. При этом на отводящем рольганге применяют дифференцированное охлаждение поверхности полосы с задержкой подачи воды на полосу в интервале 14-20 с. Температуру полосы перед смоткой устанавливают в интервале 570-610°С (см. Патент РФ №2268793, опубл. 27.01.2006, Бюл. №3).

Недостаток известного способа заключается в сложности обеспечения в горячекатаной полосе из марки стали трубного сортамента с пониженным до 0,04-0,07% содержанием углерода и незначительно микролегированной Nb требуемого комплекса механических свойств, особенно вязких характеристик. Это, в конечном итоге, не позволяет обеспечивать требуемое качество как при изготовлении сварных труб из горячекатаного проката класса прочности Х52, так и при их монтаже на трубопроводах.

Технической задачей, решаемой заявляемым изобретением, является обеспечение в горячекатаном прокате из стали трубного сортамента, имеющей пониженное содержание углерода и микролегированной ниобием, механических свойств, соответствующих классу прочности Х52.

Поставленная задача решается тем, что в известном способе производства рулонов горячекатаной трубной стали преимущественно с содержанием углерода не более 0,11% и толщиной 4,5-10 мм, включающем нагрев сляба под горячую прокатку, прокатку его в черновой и чистовой непрерывной группах клетей широкополосного стана с температурой конца прокатки 780-840°С, диференцированное охлаждение поверхности полосы водой секциями душирующего устройства на отводящем рольганге с задержкой подачи воды на полосу и последующую смотку в рулон, согласно изобретению при содержании в стали углерода 0,04-0,07%, кремния 0,15-0,25%, марганца 0,45-0,60%, ниобия 0,035-0,055% горячую прокатку в чистовой непрерывной группе клетей широкополосного стана осуществляют с суммарным относительным обжатием не менее 85%, при этом дифференцированное охлаждение поверхности полосы на отводящем рольганге производят с задержкой подачи воды на поверхность полосы не более 2 с, а температуру смотки полосы устанавливают в диапазоне 530-570°С.

Следует подчеркнуть, что низколегированные трубные стали должны хорошо свариваться. При этом не должны образовывать при сварке холодных и горячих трещин, и свойства сварного соединения (а также участков, прилегающих к нему) должны быть близкими к свойствам основного металла. Прокат из указанных марок стали, таким образом, должен обладать высокими значениями прочностных характеристик и одновременно повышенной пластичностью. Кроме того, особенно важными показателями для такого проката являются вязкие характеристики (ударная вязкость - KCV_-50, KCU_-60), а также сопротивление хрупкому разрушению при температурах монтажа труб и их эксплуатации. В связи с этим вся технология получения горячекатаных полос из трубной стали, например, класса прочности Х52 должна обеспечивать получение следующих механических свойств: прочностных (σ_т=300-495 Н/мм², σ_в не менее 460 Н/мм²), пластических (δ₅ не менее 24%) и вязких (KCV_-50 - не менее 180 Дж/см², KCU_-60 - не менее 180 Дж/см²).

Учитывая пониженное содержание углерода в химическом составе стали, для обеспечения в горячекатаном прокате прочностных свойств, соответствующих классу прочности Х52, вводится марганец (Mn) в количестве 0,45-0,60% и ниобий - 0,035-0,055%.

Ограничение содержания по кремнию в пределах 0,15-0,25% связано с необходимостью нанесения на трубы защитного цинкового покрытия. Поэтому содержание кремния в стали выше заявляемого диапазона приводит к значительному ухудшению свойств цинкового покрытия, наносимого на поверхность труб.

При прокатке в чистовой группе клетей в готовой полосе формируется ферритная структура. При этом размер зерна феррита в готовом прокате тем мельче, чем меньше величина аустенитного зерна в полосе на момент окончания горячей прокатки. Форма и величина зерна аустенита зависит от скорости рекристаллизации при прокатке, а также от степени деформации в чистовой группе клетей стана. Так как в процессе горячей прокатки при температурах рекристаллизации формирование микроструктуры идет неравномерно по объему металла, что связано с особенностями охлаждения проката в условиях широкополосного стана, то в микроструктуре проката будут присутствовать зерна различной формы - от вытянутых до сфероидизированных. Как известно, при высоких степенях деформации скорость образования рекристаллизованных зародышей превышает скорость их роста, что предопределяет образование мелкого зерна. Кроме того, при уменьшении исходного зерна аустенита повышается критическая степень деформации, и рекристаллизованное зерно (при данной степени деформации) становится мельче (см. Ю.М.Лахтин. Металловедение и термическая обработка металлов. - М.: Металлургия, 1977. - 407 с.). В связи с этим для обеспечения требуемых повышенных прочностных свойств при одновременно высоких пластических при горячей прокатке в чистовой группе стана необходимы значительные (более 85%) суммарные относительные обжатия. Кроме того, при меньших значениях величины суммарного обжатия не будет осуществляться выкатываемость полос на требуемую толщину.

Осуществление дифференцированного охлаждения проката на отводящем рольганге известно. Известна также задержка подачи воды на полосу на отводящем рольганге (см., например, Патент РФ №2268793, опубл. 27.01.2006, Бюл. №3). Однако монотонное увеличение длительности задержки подачи воды на поверхность проката (более 2-х с) неприемлемо для выбранного химического состава стали, так как приводит к формированию переобогащенных аустенитом зерен феррита. Температура начала душирования определяет размеры, форму, распределение участков перлита, а также характер зерен феррита. Душирование полосы сразу после прокатки стали позволяет сформировать оптимальную мелкозернистую структуру, что приводит к увеличению пластических, особенно вязких характеристик готового проката при высоких прочностных свойствах. Именно этим и определяется время задержки начала душирования поверхности полосы после окончания горячей прокатки не более 2 с.

Температура смотки полос в диапазоне 530-570°С известна (см., например, Патент РФ №2186641, БИ №22, 2002 г.). Однако в известных технических решениях температурный интервал расширен, как правило, диапазоном 500-700°С. Температурный интервал смотки определяется требованиями получения равномерного равноосного зерна феррита. В заявляемом же способе расширение температурного интервала до известного уровня недопустимо, и поэтому интервал смотки сужен. Температура смотки для выбранного химического состава трубных марок стали согласно заявляемому способу должна находиться в диапазоне 530-570°С. При температуре смотки выше указанной образуется крупнозернистая структура с неравномерным зерном, включая крупное. Кроме того, при повышенных температурах (более 570°С) наблюдается дисперсионное упрочнение, так как при данных температурах происходит распад пересыщенного твердого раствора и выделяется карбонитрид ниобия. Это уменьшает вязкие характеристики проката. При меньших температурах (менее 530°С) наблюдается значительный градиент балла зерна феррита по объему рулона, с одной стороны, и значительное увеличение показателя σ_т/σ_в - с другой, что приводит к значительному снижению пластических характеристик проката и повышенному трещинообразованию при последующем изготовлении труб.

Указанная совокупность признаков в известных технических решениях не обнаружена.

На основании вышеприведенного анализа известных источников информации можно сделать вывод, что для специалиста заявляемый способ горячей прокатки полос не следует явным образом из известного уровня техники, а следовательно, соответствует условию патентноспособности "изобретательский уровень".

Пример осуществления способа.

На широкополосном стане 2000 горячей прокатки ОАО «ММК» прокатывают полосу размерами 4,5 - 10×1455 - 1500 мм из стали марки Х42, имеющей следующий химический состав: С 0,04÷0,07%, Mn - 0,45÷0,60%, Si - 0,15÷0,25%, Nb - 0,035÷0,055%.

Сляб, нагретый до требуемой температуры 1200°С, поступает на широкополосный стан горячей прокатки, имеющий в своем составе черновую группу клетей, промежуточный рольганг, чистовую непрерывную группу клетей с устройствами межклетевого охлаждения, а также отводящий рольганг с охлаждающими секциями и моталки. После прокатки в черновой группе клетей широкополосного стана раскат, имеющий температуру 960-1120°С, направляется по промежуточному рольгангу в чистовую непрерывную группу клетей. Чистовая группа клетей стана имеет в своем составе семь рабочих клетей. Скоростной режим прокатки выбирают с таким учетом, чтобы при суммарном относительном обжатии в чистовой группе стана не менее 85% обеспечить температуру конца прокатки полосы в последнем чистовом проходе группы в диапазоне 780-840°С. После этого прокат по отводящему рольгангу направляется к моталкам. На отводящем рольганге осуществляют дифференцированное охлаждение поверхности полосы водой сверху и снизу секциями душирующего устройства. При этом осуществляют задержку подачи воды на полосу не более 2 с, что обеспечивает температуру смотки полосы в диапазоне 530-570°С.

Варианты технологических параметров, по которым по заявляемому способу осуществлялись прокатка, охлаждение и смотка полосы в рулон из стали марки Х42 на широкополосном стане 2000 горячей прокатки ОАО «ММК», а также результаты исследований представлены в таблице.

Таблица

Технологические параметры прокатки, охлаждения и смотки горячекатаной полосы из стали марки Х42 на ШСГП 2000 ОАО «ММК»

Заявляемая технология производства рулонов на примере горячей прокатки стали марки Х42 обеспечивает получение следующих механических свойств:

σ_т=300-495 Н/мм², σ_в - не менее 460 Н/мм², δ₅≈27-36%, ударная вязкость: KCU_-60≥180 Дж/см², KCV_-50≥180 Дж/см², что соответствует требованиям к горячекатаному прокату класса прочности Х52 (например, в соответствии с требованиями API5L).

На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что заявляемый способ работоспособен и устраняет недостатки, имеющие место в прототипе.

Заявляемый способ может найти широкое применение на широкополосных станах горячей прокатки при производстве горячекатаного рулонного проката из трубных марок стали с пониженным до 0,04-0,07% содержанием углерода, микролегированных Nb, с регламентируемыми физико-механическими свойствами.

Следовательно, заявляемый способ соответствует условию патентоспособности «промышленная применимость».

Изобретение предназначено для обеспечения в горячекатаном прокате толщиной 4,5-10 мм из стали трубного сортамента, имеющей пониженное содержание углерода и микролегированной ниобием, механических свойств, соответствующих классу прочности Х52. Способ включает нагрев сляба под горячую прокатку, его прокатку в черновой и чистовой непрерывной группах клетей широкополосного стана с температурой конца прокатки 780-840°С, дифференцированное охлаждение поверхности полосы водой секциями душирующего устройства на отводящем рольганге с задержкой подачи воды на полосу и последующую смотку в рулон. Исключение снижения пластичности и уменьшение трещинообразования при последующем изготовлении труб обеспечивается за счет того, что осуществляют горячую прокатку полосы толщиной 4,5-10 мм из стали, содержащей 0,04-0,07% С; 0,15-0,25% Si; 0,45-0,60% Mn, 0,35-0,055% Nb, с охлаждением ее поверхности водой в межклетевых промежутках и на отводящем рольганге, при этом прокатку в чистовой группе клетей широкополосного стана ведут с суммарным относительным обжатием не менее 85%, охлаждение полосы на отводящем рольганге производят с задержкой подачи воды на поверхность полосы не более 2 с, а температуру смотки полосы устанавливают в диапазоне 530-570°С. 1 табл.

Способ производства рулонов горячекатаной трубной стали толщиной 4,5-10 мм с содержанием углерода 0,04-0,07%, кремния 0,15-0,25%, марганца 0,45-0,60%, ниобия 0,035-0,055%, включающий нагрев сляба под горячую прокатку, его прокатку в черновой и чистовой непрерывной группах клетей широкополосного стана с температурой конца прокатки 780-840°С, дифференцированное охлаждение поверхности полосы водой секциями душирующего устройства на отводящем рольганге с задержкой подачи воды на полосу и последующую смотку в рулон, при этом горячую прокатку в чистовой непрерывной группе клетей широкополосного стана осуществляют с суммарным относительным обжатием не менее 85%, при этом дифференцированное охлаждение поверхности полосы на отводящем рольганге производят с задержкой подачи воды на поверхность полосы не более 2 с, а температуру смотки полосы устанавливают в диапазоне 530-570°С.