СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ШТРИПСОВ В РУЛОНАХ Российский патент 2011 года по МПК C21D8/02 C22C38/20 

Изобретение относится к области металлургии, конкретнее к прокатному производству, и может быть применено для получения штрипсов с категорией прочности К60 (Х70), используемых при строительстве магистральных нефтегазопроводов.

Горячекатаные полосы из низколегированной стали с категорией прочности Х70 по стандарту APISL-04, предназначенные для строительства магистральных нефте- и газопроводов, должны сочетать заданные показатели прочности, пластичности, ударной вязкости, иметь высокие показатели свариваемости, коррозионную стойкость и стойкость к водородному растрескиванию (таблица 1).

Таблица 1 Механические свойства штрипсов σ_в, МПа σ_т, МПа σ_т/σ_в δ₅, % KCV^-40, Дж/см² ИПГ^-10 Холодный загиб на 180° не менее 620 500-600 не более 0,90 не менее 28 не менее 127,4 не менее 90 выдерж. Примечание: ИПГ - доля вязкой составляющей в изломе образца при испытании падающим грузом при температуре -10°С.

Известен способ производства полос из низколегированной стали, включающий нагрев слябов до температуры 1050÷1220°С, выдержку, многопроходную черновую и чистовую прокатку с температурой окончания 800÷900°С, охлаждение полос водой на отводящем рольганге до температуры 350÷500°С и смотку в рулоны [1].

Недостатки известного способа состоят в том, что горячекатаные полосы имеют низкие и нестабильные механические свойства - прочность и ударную вязкость.

Известен также способ производства высокопрочных полос из низколегированной стали, включающий нагрев слябов до температуры не выше 1100°С, выдержку при температуре нагрева, многопроходную черновую и чистовую прокатку с температурой окончания 680÷850°С, охлаждение полос водой до температуры 300÷500°С и смотку в рулоны [2].

Известный способ также не обеспечивает получения высоких прочностных и вязкостных свойств полос.

Наиболее близким аналогом по своей технической сущности и достигаемым результатам к предлагаемому изобретению является способ производства штрипсов, включающий выплавку стали, непрерывную разливку в слябы, нагрев слябов до температуры 1190-1250°С, горячую прокатку с температурой окончания 820-870°С, охлаждение водой до температуры 500-580°С и смотку штрипсов в рулоны, согласно предложению смотанные рулоны охлаждают со скоростью 5-20°С/ч до температуры не выше 100°С, слябы разливают из стали следующего химического состава: 0,08-0,13% С; 0,50-0,70% Mn; 0,40-0,65% Si; 0,05-0,09% V; 0,015-0,040% Nb; 0,01-0,03% Ti; 0,02-0,05% Al; N≤0,008%; Cr≤0,3%; Ni≤0,3%; Cu≤0,2%; S≤0,005%; P≤0,015%; Fe - остальное. Причем суммарное содержание в стали углерода С, марганца Mn, хрома Cr, ванадия V, ниобия Nb, титана Ti, меди Cu, никеля Ni должно удовлетворять соотношениям: С_э=C+Mn/6+(Cr+V+Ti)/5+(Cu+Ni)/15≤0,39%, а также Р_см=C+(Mn+Cr+Cu)/20+Si/30+Ni/15+V/10≤0,24% [3].

Недостатки известного способа состоят в том, что штрипсы имеют низкие вязкостные и прочностные свойства, не соответствующие требованиям, предъявляемым к штрипсам категории прочности Х70.

Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в повышения вязкостных и прочностных свойств штрипсов за счет формирования ферритно-бейнитной микроструктуры.

Для решения поставленной технической задачи производства штрипсов в рулонах, включающем изготовление слябов, их нагрев до температуры аустенитизации, черновую и чистовую горячую прокатку, ускоренное охлаждение штрипсов водой до температуры смотки 500÷600°С, смотку в рулоны и принудительное охлаждение рулонов со скоростью 5÷20°С/ч, согласно предложению после завершения черновой прокатки раскаты охлаждают до температуры 920÷980°С, чистовую прокатку ведут с суммарным обжатием не менее 65% и температурой конца прокатки A_r3±20°С, а ускоренное охлаждение штрипсов водой производят за два этапа, вначале со скоростью 5÷8°С/с до температуры 580÷620°С, затем со скоростью 0,5÷1,5°С/с до температуры смотки. Помимо этого, слябы изготавливают из стали, содержащей следующий химический состав: 0,015÷0,090% С; 1,2÷1,8% Mn; 0,1÷0,5% Si; 0,01÷0,10% Nb; 0,01÷0,07% Al; Mo≤0,3%; Cr≤0,3%; Ni≤0,3%; Cu≤0,3%; V≤0,12%; S≤0,010%; P≤0,015%; 0,003÷0,012% N; Fe - остальное.

Сущность предлагаемого изобретения состоит в следующем. Заданный комплекс эксплуатационных свойств штрипсов категории прочности Х70 для газонефтепроводных труб и их стабильность обеспечивается при одновременной оптимизации химического состава стали, температурно-деформационных режимов прокатки, а также охлаждения прокатанных штрипсов и рулонов после их смотки. Благодаря этому достигается формирование мелкозернистой феррито-бейнитной микроструктуры, что является обязательным условием при реализации предлагаемой технологии.

Предложенные параметры деформационно-термической обработки, ускоренного охлаждения и смотки штрипсов из стали данного состава выбраны с целью формирования феррито-бейнитной микроструктуры, отличающейся мелким размером элемента матрицы ферритных зерен (с размером не крупнее 10÷11 номера и полосчатостью не более 1÷2 балла). Основной структурной составляющей микроструктуры штрипсов в этом случае является квази-полигональный феррит с повышенной плотностью дислокаций и нерегулярными границами зерен, доля которых составляет 50÷70%. В меньших количествах присутствуют полигональный феррит традиционной морфологии, а также игольчатый (блочный) феррит, имеющий форму удлиненных кристаллов чешуйчатой формы с субграницами в кристаллах.

При оптической микроскопии образцов штрипсов с малыми увеличениями (до ×500) микроструктура имеет вид, похожий на традиционные феррито-перлитные стали, но принципиально отличается от них тем, что основной составляющей микроструктуры является феррит с нерегулярными (криволинейными) границами зерен и повышенной плотностью дислокации, а участки темно-травящейся фазы, состоящие из смеси вырожденного перлита и верхнего бейнита, имеют более светлый цвет по сравнению с перлитными колониями в традиционной феррито-перлитной стали.

Формирование микроструктуры, основным элементом которой является квази-полигональный феррит, с присутствием в меньших количествах полигонального и игольчатого феррита, позволяет достигать выгодного сочетания свойств штрипсов категории прочности Х70. Заданный комплекс прочностных и вязко-пластических свойств обеспечивается за счет сочетания продуктов промежуточного (бейнитного) превращения и традиционного полиморфного ферритного (диффузионного) превращения с малым количеством включений твердой фазы у межзеренных границ, что позволяет иметь как пластичные элементы ферритной матрицы, так и более прочные бейнитные включения. Кроме того, за счет большой доли большеугловых границ в микроструктуре затрудняется образование трещин и тормозится их развитие.

В стали предложенного химического состава в процессе нагрева слябов до температуры аустенитизации Т_а достигается растворение крупных карбидных и карбонитридных включений. Черновая прокатка штрипсов сопровождается механическим разрушением и литой структуры стали.

Подстуживание раскатов после черновой прокатки до температуры Т_п=920÷980°С и их последующая чистовая прокатка в температурном интервале от Т_нп=920÷980°С до температуры конца прокатки Т_кп=A_r3±20°С с суммарным относительным обжатием не менее 65% обеспечивает последовательное эффективное многоцикловое диспергирование аустенитных зерен микроструктуры и присутствующих включений. (Здесь A_r3 - температура начала γ→α превращения аустенита, зависящая от конкретного химического состава стали, т.е. температура критической точки.)

В процессе ускоренного охлаждения штрипсов водой за два этапа: вначале от температуры Т_кп=A_r3±20°С со скоростью V₁=5÷8°C/c до промежуточной температуры Т_п=580÷620°С и затем со скоростью V₂=0,5÷1,5°C/c до температуры смотки штрипсов в рулоны Т_см=500÷600°С, протекает полиморфное превращение диспергированного аустенита в две фазы: мелкозернистый феррит и бейнит. Снижение скорости охлаждения с V₁=5÷8°C/c до V₂=0,5÷1,5°C/c обеспечивает более равномерное охлаждение и формирование микроструктуры по толщине штрипсов, уменьшение фазовых и термических напряжений в стали предложенного состава.

Принудительное охлаждение штрипсов, смотанных в рулоны, с регламентированной скоростью V_ор=5÷20°С/ч дополнительно повышает прочностные и вязкостные свойства штрипсов, полученных с использованием предложенных деформационно-термических режимов производства, гарантированно доводя механические свойства до уровня, соответствующего требованиям, предъявляемым к штрипсам категории прочности Х70, а также способствует выравниванию механических свойств по их длине.

Экспериментально установлено, что охлаждение раскатов после завершения черновой прокатки до температуры выше 980°С не позволяет обеспечить в стали предложенного состава требуемой степени диспергирования аустенита, что приводит к снижению прочностных и пластических свойств. Снижение этой температуры менее 920°С приводит к уменьшению показателей пластичности ниже допустимого уровня.

При чистовой прокатке с суммарным обжатием менее 65% сохраняется крупнозернистая микроструктура аустенита, это снижает прочностные и вязкостные свойства штрипсов.

Если Т_кп выше, чем A_r3+20°С, то не достигается достаточная степень упрочнения штрипса, а при Т_кп ниже чем A_r3-20°С снижаются вязкостные свойства штрипсов при отрицательных температурах.

Ускоренное охлаждение штрипсов водой на первом этапе со скоростью V₁ ниже чем 5°С/с приводит к формированию крупнозернистой разнобалльной микроструктуры, снижению прочностных и вязкостных свойств. Увеличение скорости охлаждения V₁ более 8°С/с сопровождается ухудшением пластичности, снижением доли вязкой составляющей в изломе, что недопустимо.

При температуре окончания первого этапа ускоренного охлаждения штрипсов водой Т_о ниже 580°С снижаются пластические и вязкостные свойства штрипсов. Увеличение температуры Т_о выше 620°С приводит к формированию крупнозернистой микроструктуры, потере прочностных свойств штрипсов.

Ускоренное охлаждение штрипсов водой на втором этапе со скоростью V₂ ниже чем 0,5°С/с приводит к разупрочнению штрипсов. Увеличение скорости охлаждения V₂ более 1,5°С/с сопровождается формированием разнобалльной микроструктуры по толщине штрипса, снижению показателей вязкости и доли вязкой составляющей в изломе образца.

Ускоренное охлаждение штрипсов водой до температуры Т_см выше 600°С приводит к росту размеров зернистого перлита, ухудшению трещиностойкости. При Т_см ниже 500°С ухудшается ударная вязкость штрипсов при отрицательных температурах. Сталь не выдерживает испытания на холодный загиб.

Экспериментально установлено, что при принудительном охлаждении рулонов от температуры Т_см=500÷600°С со скоростью менее 5°С/ч не обеспечивается требуемая степень упрочнения штрипсов. Увеличение скорости охлаждения более 20°С/ч приводит к снижению вязкостных и пластических свойств штрипсов, возрастают неравномерности механических свойств внешних и внутренних витков рулонов.

Углерод в стали предложенного состава определяет ее прочностные свойства. Снижение содержания углерода менее 0,015% приводит к падению прочности ниже допустимого уровня. Увеличение содержания углерода сверх 0,090% ухудшает пластичность и вязкость стали.

Марганец введен для раскисления и повышения прочности стали, связывания примесной серы в сульфиды. При содержании марганца менее 1,2% снижается прочность стали и вязкость при отрицательных температурах. Повышение концентрации марганца сверх 1,8% ухудшает пластические свойства, сталь не выдерживает испытаний на холодный изгиб.

Кремний раскисляет и упрочняет сталь, повышает ее упругие свойства. При содержании кремния менее 0,1% прочность стали недостаточна. Увеличение содержания кремния более 0,5% приводит к возрастанию количества силикатных неметаллических включений, охрупчивает сталь, ухудшает ее ударную вязкость и пластичность.

Ванадий и ниобий образуют с углеродом карбиды VC, NbC, а с азотом - нитриды VN, NbN. Мелкие нитриды и карбонитриды ванадия и ниобия располагаются по границам зерен и субзерен, тормозят движение дислокации и, тем самым, упрочняют сталь. При содержании ниобия менее 0,01% его влияние недостаточно велико, свойства стали ниже допустимого уровня. Увеличение концентрации ниобия более 0,10% и ванадия более 0,12% вызывает дисперсионное твердение штрипсов и приводит к выделению на границах их зерен интерметаллических соединений. Это ухудшает вязкостные свойства штрипсов.

Алюминий является раскисляющим и модифицирующим элементом. При содержании алюминия менее 0,01% его воздействие проявляется слабо, сталь имеет низкие механические свойства. Увеличение содержания алюминия более 0,07% приводит к графитизации стали, потере прочности и ударной вязкости штрипсов.

Молибден является сильным карбидообразующим элементом, упрочняющим сталь. Однако при его концентрации более 0,3% имеет место снижение пластических свойств штрипсов, что недопустимо.

Хром, никель и медь способствуют повышению прочностных свойств и стойкости против питтинговой коррозии, но при содержании хрома более 0,3%, никеля более 0,3% или меди более 0,3% имеет место снижение вязкостных свойств штрипсов.

Сера является вредной примесью, снижающей пластические и вязкостные свойства. При концентрации серы не более 0,010% ее вредное действие проявляется слабо и не приводит к заметному снижению механических свойств штрипсов Х70.

Фосфор в количестве не более 0,015% целиком растворяется в α-железе, что ведет к упрочнению металлической матрицы. Однако увеличение содержания фосфора более 0,015% вызывает охрупчивание стали, снижение вязкостных свойств штрипсов.

Азот является карбонитридообразующим элементом, упрочняющим сталь. При его содержании менее 0,003% снижаются прочностные свойства штрипсов. Повышение концентрации азота сверх 0,012% приводит к снижению вязкостных свойств стали предложенного состава при отрицательных температурах.

Примеры реализации способа

Стали различных составов выплавляли в кислородном конвертере из передельного чугуна с использованием металлического лома. Расплавы раскисляли ферромарганцем, ферросилицием, легировали феррованадием, феррониобием, вводили металлический алюминий и молибден. Проводили десульфурацию и дефосфорацию расплава, продувку аргоном.

Химический состав сталей для штрипсов приведен в таблице 2.

Таблица 2 Химический состав сталей для штрипсов № состава Содержание химических элементов, мас.% С Mn Si Nb Al Mo Cr Ni Cu V S Р N Fe 1. 0,014 1,1 0,09 0,009 0,009 0,08 0,1 0,1 0,4 0,08 0,006 0,009 0,001 Остальн. 2. 0,015 1,2 0,10 0,01 0,01 0,10 0,2 0,2 0,3 0,10 0,007 0,008 0,003 -:- 3. 0,047 1,5 0,30 0,05 0,03 0,20 0,2 0,1 0,1 0,11 0,008 0,012 0,007 -:- 4. 0,090 1,8 0,50 0,10 0,07 0,30 0,3 0,3 0,3 0,12 0,010 0,015 0,012 -:- 5. 0,090 1,9 0,60 0,12 0,08 0,40 0,4 0,4 0,4 0,13 0,011 0,016 0,013 -:- 6. 0,085 0,5 0,40 0,04 0,02 -- 0,1 0,1 0,1 0,06 0,005 0,014 -- -:-

Выплавленную сталь подвергают непрерывной разливке в слябы толщиной 275 мм.

Непрерывнолитые слябы из стали с составом 3, для которой температура критической точки A_r3=810°С (определена по справочным данным), садят в газовую печь с шагающими балками и производят их нагрев до температуры аустенитизации Т_а=1250°С. Нагретые слябы подвергают горячей прокатке в черновой группе клетей в раскаты с промежуточной толщиной Н₀=50 мм. Полученные раскаты охлаждают на промежуточном рольганге до температуры Т_п=950°С, после чего задают в непрерывную чистовую группу, состоящую из 7 клетей кварто.

Чистовую прокатку осуществляют в штрипсы конечной толщины Н₁=12,0 мм с суммарным относительным обжатием ε_Σ=76%.

Заданную температуру конца прокатки Т_кп=A_r3=810°С поддерживают изменением скорости прокатки и межклетевым охлаждением полосы.

Прокатанные штрипсы транспортируют по отводящему рольгангу с одновременным охлаждением со скоростью V₁=6,5°C/c ламинарными струями воды до Т_о=600°С. При достижении штрипсом указанной температуры скорость охлаждения снижают до величины V₂=1,0°C/c, охлаждают штрипс ламинарными струями воды до температуры смотки Т_см=550°С, после чего сматывают в рулоны.

Горячекатаные рулоны подвергают принудительному охлаждению со скоростью V_op=12°C/ч при подаче к их торцам охлаждающей воды и обдуве воздухом.

Варианты реализации предложенного способа и показатели их эффективности приведены в таблице 3.

Из данных, приведенных в таблицах 2 и 3, следует, что при реализации предложенного способа (варианты №2-4, химический состав сталей №2-4) обеспечивается повышение прочностных и вязкостных свойства штрипсов. По комплексу своих механических свойств они полностью отвечают требованиям, предъявляемым к штрипсам категории прочности Х70.

Таблица 3 Режимы производства штрипсов их механические свойства № п/п Режимы производства Механические свойства № состава Т_п, °C ε_Σ, % Т_кп, °С V₁, °C/c Т_о, °С V₂, °C/c Т_см, °С V_ор, °С σ_в, МПа σ_т, МПа σ_т/σ_в δ₅, % KCV^-40, Дж/см² ИПГ^-10 Холодн. загиб на 180° 1. 1. 910 63 770 (A_r3-30) 4 570 0,4 570 4 570 500 0,87 24 129 87 не выдерж. 2. 4. 920 65 800 (A_r3-20) 5 580 0,5 580 5 660 520 0,79 37 137 98 выдерж. 3. 3. 950 76 810 (A_r3) 6,5 600 1,0 550 12 680 530 0,78 38 140 98 выдерж. 4. 2. 980 78 820 (A_r3+20) 8 620 1,5 600 20 670 536 0,80 37 135 97 выдерж. 5. 5. 990 75 835 (A_r3+20) 9 630 1,6 610 22 610 555 0,91 27 117 78 не выдерж. 6. 6. - 70 845 не регл. - - 540 12 610 500 0,82 36 128 67 не выдерж.

В случаях запредельных значений заявленных параметров (варианты №№1 и №5) имеет место снижение прочностных и вязкостных свойств. Также более низкую прочность и вязкость имеют штрипсы, полученные согласно способу-протитипу (вариант №6).

Технико-экономические преимущества предложенного способа производства штрипсов состоят в том, что за счет одновременной оптимизации химического состава стали и температурно-деформационных режимов ее горячей прокатки, регламентированного двухэтапного ускоренного охлаждения полос и принудительного охлаждения рулонов со скоростью 5-20°С/ч обеспечивается повышение прочностных и вязкостных свойств штрипсов, благодаря чему они полностью соответствуют категории прочности Х70.

В качестве базового объекта при оценке технико-экономической эффективности предложенного способа выбран способ-прототип. Использование стали предложенного состава и деформационно-термических режимов горячей прокатки позволит повысить рентабельность производства штрипсов для нефте- и газопроводов на 15-20%.

Источники информации

1. Патент США №4421573, МПК C21D 8/02, C21D 9/46, 1983.

2. Заявка Японии №57-29528, МПК C21D 8/00, С22С 38/12, 1982.

3. Патент РФ №2348703, МПК C21D 8/04, С22С 38/42, С22С 38/46, 2009 - прототип.

Изобретение относится к области металлургии, конкретнее к прокатному производству, и может быть применено для получения штрипса с категорией прочности Х70, используемого при строительстве магистральных нефтегазопроводов. Для повышения вязкостных и прочностных свойств штрипса за счет формирования ферритно-бейнитной микроструктуры получают сляб, нагревают его до температуры аустенитизации, затем осуществляют черновую и чистовую горячую прокатку, ускоренное охлаждение штрипса водой до температуры смотки 500-600°С, смотку в рулон и принудительное охлаждение рулонов со скоростью 5-20°С/ч, при этом после завершения черновой прокатки раскат охлаждают до температуры 920-980°С, чистовую прокатку ведут с суммарным обжатием не менее 65% и температурой конца прокатки выше А_r3, а ускоренное охлаждение штрипса водой производят за два этапа, вначале со скоростью 5-8°С/с до температуры 580-620°С, затем со скоростью 0,5-1,5°С/с до температуры смотки. Слябы получают из стали, содержащей следующий химический состав, мас.%: 0,015÷0,090 С; 1,2÷1,8 Mn; 0,1÷0,5 Si; 0,01÷0,10 Nb; 0,01÷0,07 Al; Mo≤0,3; Cr≤0,3; Ni≤0,3; Cu≤0,3; V≤0,12; S≤0,010; P≤0,015; 0,003÷0,012 N; Fe - остальное. 1 з.п. ф-лы; 3 табл.

1. Способ производства штрипсов в рулонах, включающий изготовление слябов, их нагрев до температуры аустенитизации, черновую и чистовую горячую прокатку, ускоренное охлаждение штрипса водой до температуры смотки 500÷600°С, смотку штрипса в рулоны, охлаждение рулонов со скоростью 5÷20°С/ч, отличающийся тем, что после завершения черновой прокатки раскаты охлаждают до температуры 920÷980°С, чистовую прокатку ведут с суммарным обжатием не менее 65% и температурой конца прокатки выше А_r3, а ускоренное охлаждение штрипсов водой производят за два этапа, причем вначале со скоростью 5÷8°С/с до температуры 580÷620°С, а затем со скоростью 0,5÷1,5°С/с до температуры смотки.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что слябы изготавливают из стали, содержащей следующий химический состав, мас.%:
углерод 0,015÷0,090 марганец 1,2÷1,8 кремний 0,1÷0,5 ниобий 0,01÷0,10 алюминий 0,01÷0,07 молибден не более 0,3 хром не более 0,3 никель не более 0,3 медь не более 0,3 ванадий не более 0,12 сера не более 0,010 фосфор не более 0,015 азот 0,003÷0,012 железо остальное