Изобретение относится к области металлургии, конкретнее к прокатному производству, и может быть применено для получения штрипсов, используемых при строительстве магистральных нефтегазопроводов в районах Крайнего Севера.
Низколегированная сталь для магистральных нефте- и газопроводов, работающих в условиях Крайнего Севера, должна сочетать высокую прочность, свариваемость, коррозионную стойкость и стойкость к водородному растрескиванию (табл.1).
Известен способ производства штрипсов из низколегированной стали, включающий нагрев слябов до температуры 1160-1190°С, черновую прокатку, чистовую прокатку с суммарным относительным обжатием не менее 70% при температуре конца прокатки не выше 820°С. После прокатки штрипсы подвергают закалке водой с температуры 900-950°С и отпуску при температуре 600-730°С. При этом низколегированная сталь имеет следующий химический состав, мас.%:
Недостатки известного способа состоят в том, что штрипсы имеют низкую хладостойкость. Кроме того, дополнительное термическое улучшение штрипсов удорожает их производство.
Известен также способ производства штрипсов категории прочности Х65 из низколегированной стали следующего состава, мас.%:
при этом
и
Способ включает нагрев слябов до температуры 1170-1420°С, их черновую прокатку до промежуточной толщины и чистовую прокатку в температурном интервале 910-710°С с суммарным относительным обжатием 60-80% [2].
Недостатки известного способа состоят в том, что он не обеспечивает требуемой хладостойкости штрипсов.
Наиболее близким аналогом по совокупности признаков и достигаемым результатам к предлагаемому изобретению является способ производства штрипсов из низколегированной стали следующего химического состава, мас.%:
Способ включает нагрев слябов до температуры аустенитизации 1220-1280°С, многопроходные черновую прокатку до промежуточной толщины, многопроходную чистовую прокатку с температурой конца прокатки 820-880°С и ускоренное охлаждение штрипсов водой до температуры 580-660°С [3].
Недостатки известного способа состоят в том, что он не обеспечивает получения высокой хладостойкости штрипсов и стабильных механических свойств, что увеличивает их отбраковку и расходы на производство.
Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в повышении хладостойкости штрипсов и снижения затрат на производство.
Для решения поставленной задачи в известном способе производства штрипсов из низколегированной стали, включающем нагрев слябов до температуры аустенитизации, многопроходную черновую прокатку, многопроходную чистовую прокатку, ускоренное охлаждение штрипсов водой, согласно изобретению слябы нагревают до температуры 1100-1210°С, черновую прокатку ведут с суммарным относительным обжатием не менее 30%, чистовую прокатку завершают при температуре 720-820°С, а охлаждение штрипсов водой ведут до температуры 400-600°С.
Возможен вариант реализации способа, по которому чистовую прокатку осуществляют за два этапа с паузой между ними, при этом первый этап проводят в температурном интервале 780-920°С с суммарным относительным обжатием 35-80%, второй этап начинают при температуре 750-850°С и проводят с суммарным относительным обжатием 20-60%, продолжительность паузы устанавливают равной 20-80 с, а охлаждение штрипсов водой ведут со скоростью не менее 5°С/с.
Низколегированная сталь может иметь следующий химический состав, мас.%:
Сущность предложенного технического решения состоит в следующем. Комплекс механических свойств штрипсов определяется микроструктурно-фазовым состоянием низколегированной стали, которое, в свою очередь, зависит от химического состава стали и режимов ее многоциклововой деформационно-термической обработки.
При известных способах производства штрипсов из низколегированной стали микроструктура штрипса представляет собой перлит с включениями феррита, следствием чего является недостаточная прочность штрипсов. Традиционно для повышения прочностных свойств увеличивают степень легированности стали и снижают температурный интервал горячей прокатки, однако при этом резко снижаются вязкостные свойства стали и показатели хладостойкости. Кроме того, увеличение степени легированности ухудшает свариваемость штрипсов, увеличивает затраты на производство.
Предлагаемые деформационно-термические режимы производства штрипсов и химический состав низколегированной стали обеспечивают формирование после многопроходной прокатки и охлаждения водой ферритной матрицы, упрочненной участками перлита, сорбита, включениями бейнита. Благодаря наличию ферритной матрицы штрипсы приобретают высокие вязкостные, пластические свойства и хладостойкость, а наличие в ней перлита, сорбита и бейнита повышает до заданного уровня прочностные свойства. Этим обеспечивается стабильное получение заданного комплекса механических свойств штрипсов с повышенной хладостойкостью, уменьшение количества некондиционной продукции, снижение степени легированности и затрат на производство.
Экспериментально установлено, что при температуре нагрева слябов под прокатку Та ниже 1100°С не достигается полного растворения карбидных частиц, упрочняющих низколегированную сталь, в аустените. В результате горячекатаные штрипсы имеют недостаточную прочность. Увеличение температуры нагрева Та выше 1210°С нерационально, т.к. помимо роста энергозатрат приводит к необходимости дополнительного подстуживания раскатов в линии прокатного стана для обеспечения заданных температурных интервалов горячей прокатки.
При черновой прокатке с суммарным относительным обжатием ε1 менее 30% не обеспечивается полная проработка структуры слябов и имеет место формирование анизотропных механических свойств штрипсов.
Завершение чистовой прокатки при температуре Ткп2 ниже 720°С приводит к снижению пластических свойств стали, росту соотношения σт/σв выше допустимого уровня. Повышение Ткп2 сверх 820°С ведет к росту размеров ферритных зерен (номер балла уменьшается до 8-9). В результате снижается прочность и хладостойкость штрипсов, возрастает выход некондиционной продукции.
При охлаждении прокатанных штрипсов водой от температуры Ткп2 До температуры конца ускоренного охлаждения Туо выше 600°С снижаются прочностные свойства и хладостойкость штрипсов, возрастает выход некондиционной продукции. Снижение температуры Туо менее 400°С не оказывает положительного влияния на механические свойства штрипсов, а лишь увеличивает расход электроэнергии, воды и затраты на производство.
Чистовая прокатка за два этапа с паузой между ними позволяет сформировать в готовых штрипсах более стабильный микроструктурно-фазовый состав и механические свойства, что дополнительно повышает выход годного и снижает затраты на производство. При этом во время двухэтапной чистовой прокатки и паузы проходит черновая прокатка последующего сляба, благодаря чему сохраняется высокая производительность процесса. Чистовая прокатка на первом этапе с суммарным относительным обжатием ε2=35-80% в температурном интервале 780-920°С протекает с полной рекристаллизацией деформированного аустенита и последовательным диспергированием микроструктуры. Увеличение суммарного относительного обжатия ε2 более 80% или снижение температуры прокатки на первом этапе ниже 780°С ухудшает равномерность микроструктуры, увеличивает нестабильность механических свойств и количество некондиционной продукции. При суммарном относительном обжатии менее 35% или температуре чистовой прокатки выше 920°С имеет место неконтролируемый рост зерен микроструктуры. Это снижает хладостойкость штрипсов.
Если температура начала второго этапа чистовой прокатки Тнп2 превышает 850°С или суммарное относительное обжатие ε3 меньше 20%, то не достигается требуемая степень диспергирования микроструктуры. Это снижает пластичность и хладостойкость штрипсов. При температуре начала второго этапа чистовой прокатки Тнп2 ниже 750°С или суммарном относительном обжатии ε3 более 60% в штрипсе формируется неблагоприятная текстура деформации. Это снижает вязкостные свойства, увеличивает отношение σт/σв выше допустимого уровня.
Пауза τ между двумя этапами чистовой прокатки позволяет завершить процессы рекристаллизации, выровнять температурное поле по сечению раската, стабилизировать характер деформированной зеренной микроструктуры аустенита и затем начать заключительный этап чистовой прокатки при строго заданной температуре в интервале Тнп2=750-850°С. Сокращение продолжительности паузы τ менее 20 с не позволяет гомогенизировать состояние микроструктуры низколегированной стали и температурное поле раската. Это приводит к увеличению количества некондиционной продукции. Увеличение продолжительности паузы τ более 80 с не исключает возможности переохлаждения раската перед вторым этапом чистовой прокатки, что негативно сказывается на хладостойкости штрипсов.
Также экспериментально установлено, что при скорости охлаждения V менее 5°С от температуры Ткп2=720-820°С до Туо=400-600°С количество упрочняющих ферритную матрицу фаз (бейнит, сорбит, перлит) мало, поэтому прочностные свойства штрипсов ниже допустимого уровня.
Углерод в стали предложенного состава определяет ее прочностные свойства. Однако увеличение содержания углерода сверх 0,12% ухудшает свариваемость, пластичность и хладостойкость штрипсов.
Кремний раскисляет сталь, упрочняет ферритную фазу. При содержании кремния менее 0,17% прочность стали недостаточна. Увеличение содержания кремния более 0,37% приводит к возрастанию количества силикатных неметаллических включений, ухудшает ее пластичность и ударную вязкость.
Марганец введен для раскисления и повышения прочности стали, связывания примесной серы в сульфиды. При содержании марганца менее 1,4% снижаются прочность стали, доля вязкой составляющей в изломе и вязкость при отрицательных температурах. Повышение концентрации марганца сверх 2,0% приводит к снижению пластичности и увеличению отношения σт/σв.
Алюминий является раскисляющим и модифицирующим элементом. При концентрации алюминия менее 0,02% его положительное влияние не проявляется. Вместе с тем, увеличение содержания алюминия более 0,05% приводит к ухудшению хладостойкости и свариваемости штрипсов.
Хром, образуя карбиды, повышает прочность стали с ферритной матрицей. При концентрации хрома менее 0,01% его влияние не сказывается на свойствах штрипсов, их прочность при неблагоприятном сочетании концентрации легирующих элементов ниже допустимой. Увеличение содержания хрома более 0,30% приводит к ухудшению пластических и вязкостных свойств штрипсов.
Примесная медь способствует повышению прочностных свойств, но при концентрации более 0,30% имеет место снижение ударной вязкости и свариваемости штрипсов.
Ниобий образуют с углеродом карбиды NbC. Мелкие карбиды ниобия располагаются по границам зерен и субзерен, тормозят движение дислокации, и, тем самым, упрочняют сталь. При содержании ниобия менее 0,04% его влияние недостаточно велико, прочностные свойства стали ниже допустимого уровня. Увеличение концентрации ниобия более 0,09% вызывает дисперсионное твердение и охрупчивание границ зерен. Это приводит к увеличению отношения σт/σв и снижению выхода годного.
Ванадий является сильным раскисляющим и карбидообразующим элементом, благоприятно влияющим на комплекс механических свойств штрипсов. При концентрации ванадия менее 0,04% его положительное влияние на механические свойства не проявляется. Увеличение содержания ванадия более 0,12% нецелесообразно, т.к. ведет к ухудшению свариваемости штрипсов и хладостойкости, росту расходов на производство.
Молибден обеспечивает повышение прочности и вязкости штрипсов. При ускоренном охлаждении после многоциклового деформирования он стимулирует формирование в стали мелкодиспергированного бейнита, обеспечивающего упрочнение ферритной матрицы, и повышение вязкостных свойств. Однако молибден является дефицитным и дорогостоящим металлом, повышающим затраты на производство штрипсов. При строгом выполнении предложенных температурно-деформационных режимов и без введения в сталь молибдена можно получить требуемый комплекс механических свойств, близких к нижней допустимой границе. Увеличение содержания молибдена более 0,40% переупрочняет сталь, ухудшает свариваемость, ведет к увеличению расходов на легирующие материалы.
Сталь может содержать примеси (сера, фосфор, азот), снижающие пластические, вязкостные свойства и хладостойкость. Однако при обычных концентрациях, оговоренной в стандартных требованиях к химическому составу низколегированных сталей - ГОСТ 1050, ГОСТ 192282 (S≤0,040%, Р≤0,035%, N≤0,08%), их вредное действие проявляется слабо и не приводит к заметному снижению механических свойств штрипсов. В то же время более глубокое их удаление удорожает производство штрипсов и делает его нерентабельным.
Примеры реализации способа
Пример 1
Для изготовления штрипсов используют непрерывнолитые слябы толщиной 315 мм из низколегированной стали марки 17Г1С-У следующего химического состава, мас.%:
Слябы загружают в методическую печь полунепрерывного стана 2800/1700 и нагревают до температуры аустенитизации Та=1155°С. Очередной нагретый сляб выталкивают на печной рольганг, после чего прокатывают за 9 проходов в черновой клети дуо 2800 в раскат толщиной 90 мм с суммарным относительным обжатием ε1, равным:
В процессе черновой прокатки раскат охлаждают до температуры Тнп1=910°С.
Полученный после черновой прокатки раскат незамедлительно задают в чистовую реверсивную клеть кварто 2800 и осуществляют 1-й этап чистовой прокатки за 7 проходов в раскат толщиной 25 мм. В процессе 1-го этапа чистовой прокатки раскат охлаждают температуры от Тнп1=910°С до температуры Ткп1=870°С. Суммарное относительное обжатие ε2 при чистовой прокатке на первом этапе составляет:
После завершения 1-го этапа чистовой прокатки раскат толщиной 25 мм выдерживают в течение времени τ=50 с на промежуточном рольганге для завершения процессов рекристаллизации деформированного аустенита и снижения температуры до значения Тнп2=800°С.
По истечении заданного времени выдержки раскат при температуре Тнп2=800°С задают в валки клетей кварто 1700 для осуществления 2-го этапа чистовой прокатки. Чистовую прокатку на 2-м этапе ведут до конечной толщины штрипса 15,0 мм с суммарным относительным обжатием ε3, равным:
В процессе прокатки на 2-м этапе штрипс охлаждают до температуры конца прокатки Ткп2=770°С.
На отводящем рольганге стана 2800/1700 производят ускоренное охлаждение прокатанного штрипса со скоростью V=10°C/c до температуры Туо=500°С ламинарными струями воды. По завершении ускоренного охлаждения штрипс в дальнейшем самопроизвольно охлаждается на воздухе.
В табл.2 приведены различные режимы производства штрипсов из низколегированной стали марки 17Г1С-У, а в табл.3 - механические свойства штрипсов и относительные затраты на производство Q одной тонны штрипсов по сравнению со способом-прототипом.
Из табл.3 следует, что при реализации предложенного способа (режимы №2-4) достигается повышение хладостойкости штрипсов (максимум значений KCV-40 и ИПГ-60), а также снижение затрат Q на производство. При запредельных значениях предложенных режимов (режимы №1 и №5), а также реализации способа-прототипа (режим №6) снижается хладостойкость штрипсов и возрастают относительные затраты на производство.
Пример 2
В кислородном конверторе производят выплавку низколегированных сталей с химическим составом, приведенным в табл.4. Стали всех составов подвергают непрерывной разливке в слябы толщиной 315 мм.
Непрерывнолитые слябы загружают в методическую печь полунепрерывного стана 2800/1700, производят их нагрев и горячую прокатку в штрипсы по температурно-деформационному режиму №3 в табл.2. После охлаждения штрипсов производят отбор проб и испытание их механических свойств, рассчитывают относительные затраты на производство Q с учетом выхода некондиционной продукции и затрат на легирующие материалы.
В табл.5 приведены результаты испытания механических свойств штрипсов из низколегированных сталей различных составов (табл.4), а также относительные затраты Q на производство 1 т штрипсов по сравнению со способом-прототипом.
Из табл.5 следует, что при использовании низколегированной стали предложенного состава (составы №2-4) после горячей прокатки по предложенному деформационно-термическому режиму одновременно достигаются наиболее высокие характеристики хладостойкости штрипсов при минимальных расходах на производство. Использование сталей с запредельным содержанием химических элементов (составы №1 и №5), а также известной стали по способу-прототипу (состав №6) приводит к снижению хладостойкости и увеличению затрат на производство штрипсов.
В качестве базового объекта при определении технико-экономической эффективности использования предложенного способа принят способ-прототип. Использование предложенного технического решения позволит увеличить рентабельность производства штрисов для нефтегазопроводов, работающих в условиях Крайнего Севера, на 20-25%.
Источники информации
1. Патент Российской Федерации №2255123, МПК C21D 8/02, С22С 38/58, 2005 г.
2. Патент Российской Федерации №2241769, МПК C21D8/02, С22С 38/58, В21В 1/26, 2004 г.
3. Патент Российской Федерации №2262537, МПК C21D 8/02, С22С 38/46, 2005 г. - прототип.
название | год | авторы | номер документа |
---|---|---|---|
СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ШТРИПСОВ ИЗ НИЗКОЛЕГИРОВАННОЙ СТАЛИ | 2008 |
|
RU2375469C1 |
СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ШТРИПСОВ ИЗ НИЗКОЛЕГИРОВАННОЙ СТАЛИ | 2007 |
|
RU2358024C1 |
СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ШТРИПСОВ | 2007 |
|
RU2353670C1 |
СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ШТРИПСОВ В РУЛОНАХ | 2010 |
|
RU2436848C1 |
СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ШТРИПСОВ ИЗ НИЗКОЛЕГИРОВАННОЙ СТАЛИ | 2012 |
|
RU2519720C2 |
СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ШТРИПСОВ | 2012 |
|
RU2499843C1 |
СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ТОЛСТОЛИСТОВОГО НИЗКОЛЕГИРОВАННОГО ПРОКАТА | 2009 |
|
RU2414515C1 |
СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ТОЛСТОЛИСТОВОЙ ТРУБНОЙ СТАЛИ | 2015 |
|
RU2583973C1 |
СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ТОЛСТОЛИСТОВОГО НИЗКОЛЕГИРОВАННОГО ШТРИПСА | 2009 |
|
RU2390568C1 |
СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ЛИСТОВОГО ПРОКАТА ИЗ НИЗКОЛЕГИРОВАННОЙ ТРУБНОЙ СТАЛИ | 2017 |
|
RU2696186C2 |
Изобретение относится к области металлургии, преимущественно для получения штрипсов, используемых при строительстве магистральных нефтегазопроводов в районах Крайнего Севера. Для повышения хладостойкости штрипсов и снижения затрат на их производство сляб нагревают до температуры 1100-1210°С, осуществляют многопроходную черновую прокатку с суммарным относительным обжатием не менее 30%, многопроходную чистовую прокатку с ее завершением при температуре 720-820°С, ускоренное охлаждение штрипсов водой до 400-600°С и последующее охлаждение на воздухе, причем чистовую прокатку производят за два этапа с паузой между ними, при этом первый этап проводят при температуре 780-920°С с суммарным относительным обжатием 35-80%, а второй этап начинают при температуре 750-850°С и проводят с суммарным относительным обжатием 20-60%, продолжительность паузы устанавливают равной 20-80 с, а охлаждение штрипсов водой ведут со скоростью не менее 5°С/с. Для получения штрипсов используют сталь, содержащую, мас.%: не более 0,12 С, 0,17-0,37 Si, 1,4-2,0 Mn, 0,02-0,05 Al, 0,01-0,30 Cr, 0,01-0,30 Ni, не более 0,30 Cu, 0,04-0,09 Nb, 0,04-0,12 V, не более 0,40 Мо, остальное - Fe и примеси. 2 з.п. ф-лы, 5 табл., 2 пр.
1. Способ производства штрипсов из низколегированной стали, включающий нагрев слябов до температуры аустенитизации, многопроходную черновую прокатку, многопроходную чистовую прокатку и ускоренное охлаждение штринсов водой, отличающийся тем, что слябы нагревают до температуры 1100-1210°С, черновую прокатку ведут с суммарным относительным обжатием не менее 30%, чистовую прокатку завершают при температуре 720-820°С, а охлаждение штрипсов водой ведут до температуры 400-600°С.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что чистовую прокатку осуществляют за два этана с паузой между ними, при этом первый этан проводят в температурном интервале 780-920°С с суммарным относительным обжатием 35-80%, второй этап начинают при температуре 750-850°С и проводят с суммарным относительным обжатием 20-60%, продолжительность паузы устанавливают равной 20-80 с, а охлаждение штрипсов водой ведут со скоростью не менее 5°С/с.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что низколегированная сталь имеет следующий химический состав, мас.%:
СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ШТРИПСОВ ИЗ НИЗКОЛЕГИРОВАННОЙ СТАЛИ | 2004 |
|
RU2262537C1 |
СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ШТРИПСА ДЛЯ ТРУБ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ | 2009 |
|
RU2397254C1 |
RU 241451601, 20.03.2011 | |||
СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ЛИСТОВ | 2007 |
|
RU2350662C1 |
ЩИТОВОЙ ДЛЯ ВОДОЕМОВ ЗАТВОР | 1922 |
|
SU2000A1 |
Станок для изготовления деревянных ниточных катушек из цилиндрических, снабженных осевым отверстием, заготовок | 1923 |
|
SU2008A1 |
Авторы
Даты
2013-06-10—Публикация
2012-03-11—Подача