СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА РУЛОНОВ ГОРЯЧЕКАТАНОЙ ТРУБНОЙ СТАЛИ Российский патент 2011 года по МПК B21B1/26 

Изобретение относится к прокатному производству и может быть использовано при производстве широких горячекатаных полос, преимущественно из трубных марок стали класса прочности Х65.

Основными требованиями, предъявляемыми к горячекатаному металлопрокату из трубных марок стали, являются высокие прочностные характеристики при повышенных пластических, особенно, вязких свойствах, обеспечивающих технологичность монтажа труб и их эксплуатационные параметры. При этом особенно важным является обеспечение равенства механических параметров проката в широком диапазоне толщин. Традиционно для обеспечения требуемого уровня механических свойств в прокате трубного сортамента активно применяется микролегирование карбонитридообразующими элементами.

Известны способы горячей прокатки полос, включающие горячую прокатку полос в черновой и чистовой группах стана горячей прокатки с межклетевым охлаждением, а также охлаждением полос водой на отводящем рольганге с последующей их 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. - 423 С., Пат. РФ №2037536, Пат. РФ №2277445).

Недостатками известных способов является сложность обеспечения заданного уровня физико-механических свойств горячекатаных полос трубного сортамента при их горячей прокатке на широкополосном стане с максимальной производительностью.

Наиболее близким аналогом к заявляемому объекту является способ производства рулонов горячекатаной трубной стали, преимущественно с содержанием углерода не менее 0,11% и толщиной 8÷13 мм, включающий нагрев сляба под горячую прокатку, прокатку его в черновой и чистовой непрерывной группах клетей широкополосного стана с температурой конца прокатки 780÷840°С, дифференцированное охлаждение полосы водой сверху и снизу секциями душирующего устройства на отводящем рольганге с последующей смоткой в рулон при температуре до 570÷610°С (см. Патент РФ №2268793).

Недостаток известного способа заключается в сложности обеспечения требуемого одинакового комплекса механических свойств в горячекатаной полосе из микролегированных марок стали трубного сортамента в широком диапазоне толщин (6÷16 мм), особенно в условиях широкополосного стана горячей прокатки, имеющего в своем составе чистовую группу клетей с малой обжимной способностью. Это, в свою очередь, не позволяет обеспечить в горячекатаной полосе, предназначенной для последующего изготовления электросварных труб, уровень характеристик, соответствующих, например, классу прочности Х65.

Технической задачей, решаемой заявляемым изобретением, является обеспечение в горячекатаном прокате из экономно микролегированой стали трубного сортамента одинаковых механических свойств, соответствующих классу прочности Х65, в широком диапазоне толщин (6÷16 мм) в условиях высокопроизводительного широкополосного стана горячей прокатки.

Поставленная задача решается тем, что в способе производства рулонов горячекатаной трубной стали толщиной 6÷16 мм, включающем выплавку, разливку стали с получением кристаллизованного сляба, его горячую прокатку в клетях широкополосного стана с охлаждением водой поверхности полосы и ее смотку в рулон, в отличие от ближайшего аналога выплавляют сталь, содержащую, мас.%:

Углерод 0,08÷0,11 Кремний 0,25÷0,40 Марганец 1,45÷1,60 Хром 0,10÷0,20 Никель 0,10÷0,20 Титан 0,010÷0,025 Ниобий 0,015÷0,035 Ванадий 0,07÷0,09 Железо Остальное,

температуру конца горячей прокатки принимают дифференцированно в зависимости от конечной толщины полосы, равной 805±20°С, для полос толщиной от 6,0 мм до 7,99 мм включительно, 795±20°С - для полос толщиной от 8,0 мм до 11,99 мм включительно, 785±20°С - для полос толщиной от 12,0 мм до 14,99 мм включительно, 770±20°С - для полос толщиной от 15 мм до 16,0 мм включительно, кроме того, скорость охлаждения поверхности полосы на отводящем рольганге в зависимости от конечной толщины полосы определяют из выражения:

V_охлажд=-0,649^∗ln(h_ср)+3,75,

где V_охлажд - скорость охлаждения поверхности полосы, град/с;

h_cp - конечная толщина полосы, мм.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в следующем.

Низколегированные трубные стали должны хорошо свариваться, не должны образовываться при сварке холодные и горячие трещины и, кроме того, 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 этого, 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 Х65, должна обеспечивать получение следующих механических свойств: прочностных (σ_т - не менее 475-495 Н/мм², σ_в>575 Н/мм², при этом σ_т/σ_в<0,90), пластических (δ₅ не менее 28%) и вязких (KV⁰ - не менее 54 Дж (для полноразмерного образца), количество вязкой составляющей в изломе ударного образца - не менее 85%, количество вязкой составляющей при испытаниях падающим грузом при температуре испытания 0°С - не менее 85%).

Учитывая пониженное содержание углерода в химическом составе стали (0,08-0,11%), для обеспечения в горячекатаном прокате прочностных свойств, соответствующих классу прочности Х65, вводится кремний в количестве 0,25÷0,40% кремния, который обеспечивает повышение прочности и вязкости при легировании и марганец в количестве 1,45÷1,60%, являющийся основным легирующим компонентом в конструкционных низколегированных сталях, в том числе трубного сортамента (см., например, Матросов Ю.И., Литвиненко Д.А., Голованенко С.А. Сталь для магистральных трубопроводов. М.: Металлургия, 1989. - 288 С.).

Отличительной особенностью химического состава сталей, подвергаемых контролируемой прокатке, является микролегирование карбонитридообразующими элементами (ниобием, ванадием и др.) в сотых, реже в десятых долях процента. Микролегирование осуществляют для того, чтобы избежать экспоненциального роста зерна аустенита при нагреве под прокатку, т.е. заметно задерживается начало рекристаллизации и рост зерен после ее окончания. Добавки ванадия в сталь задерживают аномальный рост зерна до температур 1000÷1100°С, добавки ниобия - до 1150°С. Однако чрезмерное микролегирование указанными химическими элементами не всегда оправдано, в первую очередь, с точки зрения технико-экономических показателей. В связи с этим в настоящем техническом решении применен принцип экономного микролегирования. При этом в сталь вводятся 0,010-0,025% титана, 0,015÷0,035% ниобия и 0,07÷0,09% ванадия, являющиеся упрочняющими микролегирующими элементами. Для усиления упрочняющего эффекта дополнительно вводится 0,10-0,20% хрома, 0,10-0,20% никеля.

Выбор температурно-деформационных параметров горячей прокатки в заявляемом техническом решении выбран из следующего.

Горячекатаные полосы из марок стали заявляемого трубного сортамента имеют феррито-перлитную структуру. Размеры, форма феррита оказывают большое влияние на эти показатели. Конечная величина зерна феррита зависит от величины зерна аустенита на момент окончания горячей прокатки. Для обеспечения требуемого уровня механических свойств (σ_т, σ_в, δ₅, вязкость KCV, KV, количество вязкой составляющей в изломе) в горячекатаных полосах толщиной 6÷16 мм должна быть сформирована мелкозернистая структура феррита (не крупнее 9-го балла). Одним из главных условий получения указанной мелкозернистой структуры феррита является наличие мелкозернистой структуры аустенита, которая, в свою очередь, может быть получена при определенных степенях и скоростях деформаций и температурах прокатываемого металла, так как она зависит от скорости рекристаллизации при прокатке. Особенно важно соблюдение этих условий в конце горячей прокатки полос толщиной менее 16-20 мм (см. Регламентированная горячая прокатка полос на непрерывных станах. Tomczykiewicz Jan, Wegrzyn Aleksander. Regulowane walcowanie blach w garacej walcowni ciaglej. «Prz. now. hutn. zelaza», 1976, 4, №2, 63-67). Следовательно, температуру конца прокатки необходимо принимать такой, чтобы обеспечить формирование микроструктуры в однофазной (аустенитной) области кристаллизации стали. В процессе горячей прокатки необходимо обеспечить получение деформированных («оладьеобразных») зерен аустенита, а также полос деформации в зернах. Это, в свою очередь, повышает удельную эффективную поверхность аустенита и позволяет получить большое число мест зарождения зерен феррита и, следовательно, существенно измельчить зерно феррита в структуре, в связи с чем прочность, вязкость и сопротивление хрупкому разрушению сталей значительно повышаются. Поэтому наиболее оптимальной для заявляемого химического состава стали будет температура конца прокатки, соответствующая диапазону (770÷805)±20°С.

Отличительный признак, характеризующий температуру конца прокатки в чистовой группе клетей в зависимости от конечной толщины полосы, известен (см. Патент РФ №2270064, Патент РФ №2277128, Патент РФ №2277445). Однако в известных технических решениях регламентация конечной температуры прокатки в полосах различной толщины либо рассматривается в широком диапазоне температур без учета химического состава и особенностей микролегирования стали, либо принимается равный диапазон для всего ряда толщин. Такой существующий в известных решениях подход к регламентации температуры конца прокатки не позволяет обеспечить требуемый одинаковый уровень механических свойств в широком диапазоне толщин горячекатаного проката, что связано с особенностями формирования микроструктуры при прокатке полос, например, класса прочности Х65.

Учитывая, что теплоемкость полос толщиной 6÷16 мм существенно отличается между собой, при температурах конца прокатки 770÷825°С без ее регламентации в зависимости от конечной толщины полосы в прокате различных толщин будет происходить формирование различной микроструктуры. Для обеспечения требуемой микроструктуры (с зерном феррита 9÷11 балла), а, следовательно, заданного уровня механических свойств, необходимо регламентировать температуру конца прокатки отдельно для полос толщиной от 6,0 мм до 7,99 мм включительно, равной 805±20°С, для полос толщиной от 8,0 мм до 11,99 мм включительно - 795±20°С, для полос толщиной от 12,0 мм до 14,99 мм включительно - 785±20°С, для полос толщиной от 15, 0 мм до 16,0 мм включительно - 770±20°С. Разбивка на данные диапазоны толщин является наиболее оптимальной с точки зрения практического управления формированием свойств в процессе горячей прокатки, при этом конкретные значения температуры окончания горячей прокатки в заявляемом техническом решении связаны с обеспечением условий для формирования микроструктуры в однофазной (аустенитной) области кристаллизации стали. В этом случае при горячей прокатке металла из трубных марок стали формируется мелкозернистый феррит (не крупнее 9-го балла) с упрочняющей равномерно распределенной мелкодисперсной карбонитридной фазой.

Большое значение для получения оптимального комплекса механических свойств имеет обеспечение заданной температуры смотки. Заявленные параметры интенсивности охлаждения поверхности полосы на отводящем рольганге перед ее смоткой в рулон на моталке стана определены из следующего.

Для обеспечения требуемых одинаковых свойств в горячекатаном металле-прокате разной толщины необходимо регламентировать процесс охлаждения полосы после горячей прокатки перед ее смоткой в рулон. При заявленных температурах конца прокатки полосы трубного марочного сортамента 770-825°С для обеспечения при регламентируемой температуре смотки полосы в рулон 570-610°С необходимо уменьшить температуру полосы на 220-255°С. При этом для завершения процесса рекристаллизации после окончания горячей прокатки требуется незначительное время. Конструктивные особенности современных широкополосных станов горячей прокатки с двумя (несколькими) группами моталок таковы, что обычно моталки находятся на расстоянии 150÷250 м от последней клети стана. Таким образом, из практических соображений установлено, что для окончания формирования требуемой микроструктуры в полосах толщиной 6÷16 мм и выравнивания температуры по объему рулона до значений 570÷610°С оптимальная скорость охлаждения в зависимости от толщины полосы должна находиться в диапазоне 1,8÷2,5°С/с.

Приведенная математическая зависимость, регламентирующая интенсивность охлаждения верхней поверхности горячекатаной полосы на отводящем рольганге стана горячей прокатки в зависимости от ее конечной толщины, - эмпирическая и получена при обработке опытных данных комплекса исследований по прокатке трубного сортамента на широкополосном стане 2000 горячей прокатки ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат».

Пример осуществления способа.

Выплавили кислородно-конвертерным методом 2 плавки стали заявленного состава (см. табл.1).

После проведения внепечной обработки металла и введения требуемых добавок осуществляли непрерывную разливку стали с последующей ее кристаллизацией и порезкой на слябы. Далее производили горячую прокатку слябов на широкополосном стане 2000 горячей прокатки ОАО «ММК». Полосу прокатывали размерами 6,0÷16,0×900÷1700 мм для электросварных труб в соответствии с требованиями стандарта API5L.

Сляб, нагретый до требуемой температуры ~1200°С, поступает на широкополосный стан горячей прокатки, имеющий в своем составе черновую непрерывную группу клетей, промежуточный рольганг, чистовой окалиноломатель, чистовую непрерывную группу клетей с устройствами межклетевого охлаждения, а также отводящий рольганг с охлаждающими секциями и две группы моталок. Сляб обжимается в черновой группе клетей до получения требуемой толщины раската. После прокатки в черновой группе клетей широкополосного стана раскат толщиной 35÷52 мм, направляется по промежуточному рольгангу в чистовую непрерывную группу клетей. Чистовая группа клетей стана имеет в своем составе семь рабочих клетей, в которых раскат обжимается до требуемой конечной толщины. При этом температуру конца прокатки устанавливают дифференцируемо в зависимости от конечной толщины полосы, равной 805±20°С для полос толщиной от 6,0 мм до 7,99 мм включительно, 795±20°С - для полос толщиной от 8,0 мм до 11,99 мм включительно, 785±20°С - для полос толщиной от 12,0 мм до 14,99 мм включительно, 770±20°С - для полос толщиной более 15 мм, обеспечивая ее за счет изменения скорости прокатки и применения межклетевого душирования поверхности полосы водой.

После окончания горячей прокатки полоса по отводящему рольгангу, на котором с помощью душирующих устройств осуществляется охлаждение ее поверхности водой, направляется к группам моталок. Скорость охлаждения поверхности полосы в зависимости от ее конечной толщины определяют из выражения: V_охлажд=-0,649^∗ln(h_ср)+3,75, где V_охлажд - скорость охлаждения поверхности полосы, град/с; h_ср - конечная толщина полосы, мм. При этом достигается температура смотки полосы в рулон на барабан моталки, равная 570÷610°С.

Варианты технологических параметров, по которым по заявляемому способу осуществлялись прокатка полос из экономно легированной стали класса прочности Х65 и охлаждение их поверхности водой на отводящем рольганге широкополосного стана 2000 горячей прокатки ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат», а также результаты исследований представлены в таблице 2.

Заявляемая технология производства рулонов на примере горячей прокатки полос класса прочности Х65 обеспечивает получение следующих механических свойств: временное сопротивление разрыву σ_в=560÷760 МПа, предел текучести σ_т - не менее 475 МПа, σ_т/σ_в - менее 0,90, δ₅ - не менее 28%, ударная вязкость: KV - не менее 54 Дж (для полноразмерного образца).

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

Заявляемый способ может найти широкое применение на широкополосных станах горячей прокатки при производстве полос из трубных марок стали (например, класса прочности Х65) с требуемыми регламентируемыми механическими параметрами.

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

Таблица 1 Способ производства рулонов горячекатаной трубной стали Номер плавки С Si Mn S Р Cr Ni Cu N₂ Al Mo Nb V Ti В 1 0.08 0.36 1.49 0.003 0.013 0.17 0.16 0.05 0.007 0.036 0.004 0.018 0.076 0.011 0.0004 2 0.10 0.28 1.55 0.004 0.009 0.12 0.13 0.03 0.008 0.041 0.002 0.024 0.080 0.019 0.0004 Граничные значения Не более или в диапазоне 0.08-0.11 0.25-0.40 1.45-1.60 0.008 0.018 0.10-0.20 0.10-0.20 0.10 0.008 0.020-0.050 0.010 0.015-0.035 0.070-0.090 0.010-0.025 0.001

Таблица 2 Способ производства рулонов горячекатаной трубной стали № п/п Номер плавки Конечная толщина полосы, мм Температура конца прокатки^∗, Т_кп, ° Скорость охлаждения поверхности полосы на отводящем рольганге, °С/с Механические свойства^∗ Минимальное значение предела текучести, σ_т, МПа Временное сопротивление разрыву, σ_в, МПа σ_т/σ_в Относительное удлинение, δ₅, % Работа удара при температуре испытаний 0°С, Дж 1 1 6 830^∗∗ 6,4 555 610 0,91 19 84 2 6 805 2,64 495 585 0,85 30 112 3 8 820^∗∗ 6,12 550 600 0,92 22,5 88 4 8 795 2,48 480 580 0,83 28 108 5 11 825^∗∗ 5,9 530 590 0,90 23 107 6 11 795 2,14 475 575 0,83 29 152 7 12 820^∗∗ 5,21 525 585 0,90 25 94 8 12 810^∗∗ 4,83 520 580 0,90 24,5 105 9 13 785 2,05 480 575 0,83 28 224 10 16 800^∗∗ 3,92 510 560 0,91 25 164 11 16 770 1,82 475 560 0,85 31 230 12 2 8 827^∗∗ 5,71 525 585 0,90 24 92 13 8 802 2,42 485 580 0,84 28 114 14 11 822^∗∗ 5,09 525 585 0,90 24 110 15 11 798 2,21 480 580 0,83 28 150 16 13 815^∗∗ 4,02 510 575 0,89 26 120 17 13 790 2,11 485 575 0,84 28 220 18 16 804^∗∗ 3,39 485 550 0,88 25 185 19 16 776 1,96 475 570 0,83 31 225 ^∗ - Усредненное значение ^∗∗ - Без регламентации параметров и учета расчетной формулы

Изобретение предназначено для выравнивания механических свойств стали при производстве прокаткой широких горячекатаных полос, преимущественно из трубных марок стали класса прочности Х65. Способ включает выплавку, разливку стали с получением кристаллизованного сляба, его горячую прокатку с получением полосы в клетях широкополосного стана с охлаждением водой поверхности полосы и ее смотку в рулон. Возможность получения одинаковых механических свойств, соответствующих классу прочности Х65, в широком диапазоне толщин в условиях высокопроизводительного широкополосного стана горячей прокатки обеспечивается за счет того, что сляб из экономно легированной стали трубного сортамента при содержании 0,08÷0,11% углерода, 0,25÷0,40% кремния, 1,45÷1,60% марганца, 0,10÷0,20% хрома, 0,10÷0,20% никеля, 0,010÷0,025% титана, 0,015÷0,035% ниобия и 0,07÷0,09% ванадия прокатывают на широкополосном стане горячей прокатки при дифференцируемой температуре конца прокатки 770÷825°С в полосу толщиной 6÷16 мм. Перед смоткой горячекатаной полосы в рулон осуществляют ее дифференцируемое охлаждение водой. При этом скорость охлаждения поверхности полосы на отводящем рольганге в зависимости от конечной толщины полосы регламентирована математическим выражением. 2 табл.

Способ производства рулонов горячекатаных полос трубной стали толщиной 6-16 мм, включающий выплавку, разливку стали с получением кристаллизованного сляба, его горячую прокатку в клетях широкополосного стана, охлаждение водой поверхности полосы и ее смотку в рулон, отличающийся тем, что выплавляют сталь, содержащую, мас.%:
Углерод 0,08-0,11 Кремний 0,25-0,40 Марганец 1,45-1,60 Хром 0,10-0,20 Никель 0,10-0,20 Титан 0,010-0,025 Ниобий 0,015-0,035 Ванадий 0,07-0,09 Железо остальное

температуру конца горячей прокатки устанавливают дифференцированно в зависимости от конечной толщины полосы (805±20)°С для полос толщиной от 6,0 до 7,99 мм включительно, (795±20)°С - для полос толщиной от 8,0 до 11,99 мм включительно, (785±20)°С - для полос толщиной от 12,0 до 14,99 мм включительно, (770±20)°С - для полос толщиной от 15 до 16,0 мм включительно, при этом на отводящем рольганге поверхность полосы охлаждают со скоростью, зависящей от конечной толщины полосы, в соответствии с выражением V_охлажд=-0,649·ln(h_ср)+3,75,
где V_охлажд - скорость охлаждения поверхности полосы, град/с;
h_cp - конечная толщина полосы, мм.