СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ТРУБНОЙ СТАЛИ Российский патент 2015 года по МПК C21C5/52 C21C7/00 

Изобретение относится к черной металлургии, а именно к производству углеродистых и низколегированных сталей с повышенными механическими свойствами и стойкостью против различных видов общей и локальной коррозии.

Известны стали для проката труб по техническим условиям ТУ 14-3Р-91-2004 «Трубы стальные бесшовные горячедеформированные нефтегазопроводные повышенной стойкости против локальной коррозии и хладостойкие для месторождений ОАО «СУРГУТНЕФТЕГАЗ», которые содержат требования к химическому составу, механическим свойствам труб, загрязненности металла труб коррозионно-активными неметаллическими включениями (КАНВ) первого и второго типа, но не описывают способ производства данных марок стали (ТУ 14-3Р-91-2004, п.1.4, 1.5, 1.6; изменение №4 стр.2-3). Выплавку, внепечную обработку и разливку непрерывнолитых заготовок данных марок сталей производят в соответствии с технологическими инструкциями предприятий.

Известен способ производства углеродистых и низколегированных трубных сталей с повышенными механическими и коррозионностойкими свойствами, включающий выплавку полупродукта в ДСП, внепечную обработку стали на установке печь-ковш и разливку на МНЛЗ (Технологическая инструкция ОАО «Северский трубный завод» ТИ 162-СТ.М. - 15-2007. «Внепечная обработка стали на установке «печь-ковш» - Полевской: МЛ НИЦ, 2007, 56 стр.). Существенным недостатком данного способа является то, что при выплавке стали по данному технологическому регламенту не удается достичь высокой чистоты металла по неметаллическим включениям, вызывающим активное развитие общей и локальной коррозии при эксплуатации труб.

Технической задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является создание способа производства трубной стали, обеспечивающего требуемую чистоту металла по коррозионно-активным неметаллическим включениям, а также повышение стойкости труб при эксплуатации в агрессивных средах.

Технический результат достигается за счет предлагаемого способа, включающего выплавку полупродукта в ДСП, выпуск полупродукта в сталеразливочный ковш с одновременной присадкой раскислителей, легирующих и части шлакообразующих материалов, доведение состава металла, в том числе по примесным элементам, а также окончательное раскисление и модифицирование на установках внепечной обработки стали и разливку металла на МНЛЗ, в котором модифицирование металла кальцием в количестве 4-8 ppm производится после перегрева металла, содержащего не более 0,003% серы и не более 0,01% алюминия, над температурой ликвидус не менее 120°C, и длительной, не менее 20 минут, продувки металла аргоном в условиях вакуума. При этом разливка металла на МНЛЗ осуществляется в условиях электромагнитного перемешивания металла в кристаллизаторе при значениях силы тока 120-200 А и частотой 2,0-4,0 Гц, в зависимости от диаметра непрерывно-литой заготовки.

Известно, что коррозионную активность проявляют оксисульфидные включения размером более 10 мкм на основе алюминатов кальция - коррозионно-активные неметаллические включения первого типа (КАНВ I типа), а также комплексные включения на основе оксидов и избыточной фазы сульфидов кальция или их растворов с сульфидами марганца - коррозионно-активные неметаллические включения второго типа (КАНВ II типа). Использование традиционных технологий производства стали с раскислением алюминием и модифицированием глинозема кальцием при обычных регламентах десульфурации неизбежно связано с получением неблагоприятных указанных типов включений и повышенному уровню загрязненности металла КАНВ первого и/или второго типа.

Ограничение содержания серы в металле перед вакуумной обработкой (не более 0,003%), минимизация при этом содержания алюминия в стали (не более 0,01%) обусловлены выделением избыточных сульфидных фаз на алюминатных включениях, что в свою очередь приводит к повышенной загрязненности металла КАНВ первого и второго типа.

Перегрев металла над температурой ликвидус более 120°C решает задачу измельчения оксидных включений в жидкой и кристаллизующейся стали. В жидкой стали, по достижении требуемого содержания серы и алюминия на установке печь-ковш, оксидные включения представлены продуктами окисления алюминия по ходу обработки (глиноземом). Известно, что степень окисления алюминием зависит от температуры. Перегрев металла способствует смещению реакции в сторону исходных компонентов, при этом происходит частичное разрушение ранее образовавшихся оксидов (их растворение). При перегреве металла менее 120°C измельчение и растворение образовавшихся оксидов не происходит.

Задачу удаления из металла не растворившихся оксидов решает длительная продувка металла аргоном в условиях вакуума, при этом перегрев металла расширяет возможности продувки в силу ее охлаждающего эффекта. Этим определяется нижний предел величины перегрева - 120°C. Продолжительность продувки металла аргоном менее 20 минут приводит к недостаточной проработке металла с точки зрения удаления не растворившихся включений.

Введение в технологическую схему производства коррозионностойких марок стали в качестве обязательного элемента обработку металла в условиях глубокого вакуума преследует цель изменения морфологии и измельчения включений. Изменение морфологии включений связано с перерождением алюминатов и глинозема в шпинелиды в присутствии растворенного в металле магния. Вакуумная обработка металла в ковшах с периклазоуглеродистой рабочей футеровкой, покрытой шлаковым гарнисажем, решает задачу исключения высоких концентраций магния в металле.

Модифицирование металла кальцием после вакуумной обработки в количестве до 4-8 ppm, решает задачу ограничения образования сульфида кальция на подложке оксидных включений с возможностью их коагуляции и укрупнения в процессе кристаллизации. Получаемые при этом неметаллические включения по размеру значительно меньше традиционных включений. Достигаемое измельчение оксидных включений значительно повышает разливаемость стали на МНЛЗ. Модифицирование металла кальцием после вакуумной обработки менее 4 ppm приводит к затягиванию металлопроводки промежуточного ковша.

Физико-химический анализ процессов формирования коррозионно-активных неметаллических включений, в условиях предлагаемой технологии, позволяет считать, что выделение включений происходит на стадии кристаллизации металла в области двухфазного состояния. Использование электромагнитного перемешивания металла в кристаллизаторе с силой тока 120-200 А и частотой 2,0-4,0 Гц в зависимости от диаметра непрерывно-литой заготовки, при разливке на МНЛЗ, позволяет сократить протяженность зоны двухфазного состояния и обеспечить частичное удаление образующихся неметаллических включений за счет вымывания их генерируемыми потоками металла.

Заявляемый способ был реализован при выплавке коррозионностойкой марки стали 20КТ с регламентируемым ТУ 14-3Р-91-2004 уровнем коррозионно-активных неметаллических включений более чем на 500 плавках.

Выплавка полупродукта производилась в ДСП-135. Окисленность полупродукта перед выпуском плавки из ДСП 500-800 ppm, температура 1640-1660°C. При выпуске полупродукта из ДСП производилось предварительное раскисление металла, путем отдачи гранулированного алюминия, в среднем 1,6 кг/т; наведение рафинировочного шлака путем отдачи в ковш шлаковой смеси, состоящей из алюмосодержащего материала и извести в соотношении (1:3) - 6,2 кг/т; отдача углеродсодержащих материалов и ферросплавов, с целью обеспечения содержания основных элементов на нижнем пределе марочного состава. Количество задаваемого гранулированного алюминия корректировалось в зависимости от окисленности металла, для обеспечения содержания алюминия в первой пробе на установке печь-ковш в пределах 0,010-0,020%. По приходу ковша на установку печь-ковш после усреднительной продувки отбиралась проба металла и шлака на хим. анализ, производился замер температуры и обязательный замер окисленности металла (окисленность металла не более 5 ppm). После получения результатов первой пробы хим. анализа, при необходимости, производилась однократная присадка алюминиевой катанки в количестве, обеспечивающем содержание алюминия перед вакуумной обработкой на нижнем пределе марочного состава. При внепечной обработке, с продувкой металла аргоном, наводился высокоосновный известково-глиноземистый шлак путем присадок извести и алюмосодержащего материала в соотношении 1:3. Количество отдаваемых шлакообразующих материалов обеспечивало наведение жидкоподвижного шлака, содержание Al₂O₃ во второй пробе шлака - 20-22%, основность 3,5-5,0. После наведения рафинировочного шлака производилось его раскисление алюминиевым концентратом, содержание (FeO+MnO) во втором шлаке не более 1%. После формирования шлака допускалось увеличить интенсивность продувки металла аргоном без дугового нагрева с целью увеличения скорости десульфурации металла. Отдача ферросплавов на корректировку химического состава производилась при температуре металла не ниже 1600°C порциями не более 150 кг. Во время дугового нагрева металла обеспечивался перегрев металла над температурой ликвидус более 120°C. Внепечная обработка металла на установке печь-ковш обеспечивала содержание серы в металле перед вакуумной обработкой не более 0,003%, алюминия - не более 0,01%. По окончании обработки металла на установке печь-ковш производилось частичное скачивание шлака, остаточная толщина шлакового слоя перед вакуумной обработкой - не более 50 мм. Время выдержки металла под глубоким вакуумом не менее 10 минут. При достижении разряжения менее 1 мбар, расход аргона максимально увеличивался. По окончании вакуумной обработки металла производилось модифицирование металла кальцийсодержащей проволокой. Количество задаваемой кальцийсодержащей проволоки обеспечивало содержание кальция перед непрерывной разливкой в пределах 4-8 ppm. После модифицирования металла производилась обязательная «мягкая» продувка металла с пониженным расходом аргона в течение 3-5 минут. Разливка металла производилась на 5-ручьевой МНЛЗ криволинейного типа в условиях электромагнитного перемешивания металла в кристаллизаторе с величиной тока 140 А и частотой 3,5 Гц при производстве НЛЗ ⌀ 300-400 мм и 180 А и 2,5 Гц при производстве НЛЗ ⌀ 150-200 мм.

В приложении, в таблицах №1, №2 и №3 представлены результаты разлитого металла стали 20КТ, прошедшего внепечную обработку по различным технологическим вариантам, отличающиеся уровнем загрязненности металла коррозионно-активными неметаллическими включениями.

Из представленных данных видно, что:

1. Производство НЛЗ согласно ТИ 162-СТ.М.-15-2007 сопровождается повышенным уровнем загрязненности металла коррозионно-активными неметаллическими включениями - более 2 шт/мм (таблица 1).

2. Производство НЛЗ по технологии согласно формулы заявляемого изобретения обеспечивает существенно низкий уровень загрязненности металла коррозионно-активными неметаллическими включениями с выходом годного не менее 98% (таблица 2).

3. Производство НЛЗ по технологии, отличающейся от заявляемого в п.1, 2, 3 формулы изобретения, т.е. при содержании серы перед модифицированием более 0,003%, либо кальция более 8 ppm или при перегреве металла над температурой ликвидус менее 120°C, либо продувки металла аргоном менее 20 минут в условиях вакуума, отсутствием электромагнитного перемешивания металла в кристаллизаторе, приводит к загрязненности металла коррозионно-активными неметаллическими включениями с выходом годного не более 68% (таблица 3).

Предлагаемый способ позволяет обеспечить требуемую чистоту металла по коррозионно-активным неметаллическим включениям, а также повысить стойкость труб при эксплуатации в агрессивных средах.

Приложение

Таблица 1 Технологические параметры ст.20КТ, выплавленной по технологии, согласно ТИ 162-СТ.М.-15-2007. № плавки KAHB I, шт/мм² KAHB II, шт/мм² Самар, % Alмар, % S мар, % dTнад liq, °C Наличие VD ЭМП 4325 2,5 0,9 0.0007 0,010 0.003 103 нет - 4326 3,3 0,5 0,0009 0,010 0,002 104 нет - 212 3,3 0,9 0,0005 0,010 0,005 78 нет - 213 2,9 0,6 0,0011 0,010 0,005 94 нет - 214 2,9 0,3 0,0006 0,010 0,006 87 нет - 215 2,9 0,3 0,0006 0,010 0,003 90 нет - 586 4,3 0,2 0,0008 0.010 0,002 104 нет - 587 4,5 0,7 0,0005 0,010 0,003 107 нет - 588 2,5 0,1 0,0005 0,010 0,002 101 нет - 589 2,8 0,3 0,0008 0,010 0,002 98 нет - 880 2,4 0,2 0,0008 0,010 0,003 100 нет - 1281 2,3 0,2 0,0007 0,010 0,003 103 нет -

Таблица 2 Технологические параметры ст.20КТ, выплавленной по технологии, согласно формулы заявляемого изобретения. № плавки КАНВ I, шт/м² КАНВ II, шт/мм² Ca_мар, % Al_мар, % S_мар, % ΔTнад liq, °C Наличие VD Время продувки под вакуумом, мин ЭМП 5945 1 0,1 0,0005 0,01 0,003 130 + 29 + 5946 0,9 0 0,0005 0,01 0,003 126 + 25 + 5947 1,5 0,1 0,0005 0,01 0,003 136 + 22 + 5948 0,9 0,1 0,0005 0,01 0,003 198 + 25 + 5949 0,7 0,2 0,0005 0,01 0,003 129 + 25 + 5950 1,1 0,1 0,0005 0,01 0,003 139 + 26 + 5951 1,1 0,1 0,0005 0,01 0,003 125 + 22 + 5952 0,9 0,2 0,0005 0,01 0,003 130 + 25 + 6003 0,3 0,1 0,0006 0,01 0,003 134 + 25 + 6004 0,5 0,1 0,0006 0,01 0,002 124 + 25 + 6005 0,6 0,1 0,0006 0,01 0,002 125 + 23 + 557 0,8 0,1 0,0005 0,01 0,002 147 + 26 + 558 0,5 0,1 0,0004 0,01 0,002 137 + 23 + 559 0,2 0,1 0,0004 0,01 0,002 129 + 23 + 560 0,4 0,1 0,0003 0,01 0,002 131 + 22 + 561 0,2 0,1 0,0003 0,01 0,003 127 + 24 + 562 0,1 0,2 0.0006 0,01 0,002 126 + 24 + 563 0,3 0,3 0,0006 0,01 0,002 149 + 24 + 564 0,4 0,2 0,0006 0,01 0,003 124 + 23 + 565 0,2 0,2 0,0006 0,01 0,003 128 + 24 + 683 0,4 0,1 0,0005 0,01 0,002 128 + 22 + 684 0,1 0,1 0,0006 0,01 0,002 141 + 24 + 685 0,8 0,1 0,0006 0,01 0,002 121 + 22 + 686 0,8 0,1 0,0006 0,01 0,002 125 + 23 +

Продолжение таблицы 2 № плавки KAHB I, шт/мм² КАНВ II, шт/мм² Самар, % Alмар,% Sмар, % ΔTнад liq, °C Наличие VD Время продувки под вакуумом, мин ЭМП 687 0,9 0,1 0,0005 0,01 0,003 125 + 24 + 688 0,6 0,3 0,0006 0,01 0,003 124 + 22 + 689 0,2 0 0,0005 0,01 0,002 131 + 23 + 690 0,8 0,1 0,0005 0,01 0,002 113 + 24 + 691 1,4 0,3 0,0005 0,01 0,002 141 + 24 + 705 0,8 0,2 0,0006 0,01 0,003 123 + 22 + 706 0,5 0,1 0,0006 0,01 0,003 129 + 23 + 707 1,6 0,1 0,0005 0,01 0,003 121 + 24 + 708 1 0,2 0,0006 0,01 0,003 125 + 23 + 709 0,8 0,2 0,0006 0,01 0,003 127 + 25 + 710 0,5 0,2 0,0005 0,01 0,002 130 + 22 + 711 1,3 0,1 0,0005 0,01 0,003 122 + 23 + 735 0,9 0,2 0,0005 0,01 0,003 125 + 25 + 736 0,6 0,1 0,0006 0,01 0,003 130 + 23 + 737 0,8 0,1 0,0006 0,01 0,002 131 + 22 + 738 0,9 0,1 0,0006 0,01 0,003 125 + 26 + 1829 0,1 0,1 0,0006 0,01 0,001 125 + 26 + 2338 0,9 0,1 0,0002 0,01 0,002 122 + 33 + 2339 0,5 0 0,0002 0,01 0,001 129 + 39 + 2340 0,6 0,1 0,0002 0,01 0,002 129 + 32 + 2341 0,7 0,1 0,0002 0,01 0,002 129 + 31 + 2342 0,3 0,1 0,0002 0,01 0,001 122 + 35 + 2717 0,1 0,1 0,0005 0,01 0,002 133 + 33 + 2718 0,1 0,2 0,0006 0,01 0,001 130 + 32 + 2719 0,2 0,1 0,0006 0,01 0,002 129 + 30 + 2720 0,3 0,1 0,0005 0,01 0,001 129 + 34 + 2721 0,9 0,1 0,0004 0,01 0,002 124 + 31 + 2722 0,7 0,1 0,0005 0,01 0,002 120 + 34 + 2723 0,8 0,1 0,0004 0,01 0,003 142 + 35 + 2724 0,7 0,1 0,0005 0,01 0,002 120 + 33 + 2725 0,9 0 0,0004 0,01 0,002 139 + 30 + 2726 0,6 0 0,0004 0,01 0,003 133 + 32 + 2746 0,2 0,1 0,0005 0,01 0,002 125 + 32 + 2747 0,1 0,1 0,0005 0,01 0,001 130 + 32 + 2748 0,5 0 0,0006 0,01 0,001 149 + 28 +

Таблица 3 Технологические параметры ст.20КТ, выплавленной по технологии, отличающейся от заявляемого в п.1, 2, 3 формулы изобретения № плавки KAHB I, шт/мм² КАНВ II, шт/мм² Ca_мар, % Al_мар, % S_мар, % dTнад liq, °C Наличие VD Время продувки под вакуумом, мин ЭМП 4318 4,0 0,3 0,0009 0,010 0,002 102 да 29 + 208 4,4 0,2 0,0006 0,010 0,003 114 да 26 + 209 2,6 0,2 0,0008 0,010 0,003 114 да 21 + 210 3,5 0,3 0,0005 0,010 0,002 108 да 23 + 327 3,4 0,2 0,0005 0,010 0,003 112 да 18 + 328 4,0 0,3 0,0006 0,010 0,002 94 да 16 + 500 4,2 0,1 0,0005 0,010 0,003 103 да 15 + 1218 3,1 0,2 0,0006 0,010 0,004 109 да 22 + 5942 3,5 0,2 0,0005 0,010 0,002 110 да 26 + 6258 3 0,1 0,0005 0,010 0,002 114 да 14 + 2121 3,6 0,9 0,0010 0,010 0,003 122 да 27 + 2342 3,4 0,2 0,0010 0,010 0,002 120 да 20 + 2343 3,1 0,2 0,0006 0,010 0,001 117 да 20 + 2347 2,5 0,1 0,0009 0,010 0,001 109 да 25 + 2349 3,2 0,1 0,0006 0,010 0,002 103 да 21 + 2681 2,6 0,7 0,0006 0,010 0,002 113 да 24 + 2728 3,2 0,4 0,0011 0,010 0,002 116 да 24 + 2737 2,7 0,2 0,0005 0,010 0,002 115 да 23 + 2738 2,6 0,2 0,0005 0,010 0,002 112 да 22 + 2741 4 0 0,0004 0,010 0,001 112 да 22 + 2743 2,4 0,3 0,0004 0,010 0,002 111 да 22 + 2867 2,6 0,2 0,0009 0,010 0,002 118 да 22 + 4883 2,8 0,1 0,0005 0,010 0,004 112 да 23 + 5033 5,1 0,1 0,0008 0,010 0,003 106 да 20 + 5034 3,1 0 0,0010 0,010 0,003 117 да 26 + 5036 3,4 0,1 0,0009 0,010 0,003 105 да 26 + 5037 2,7 0,1 0,0006 0,010 0,003 106 да 20 +

Изобретение относится к области металлургии, в частности к способу производства трубной стали. Способ включает модифицирование металла кальцием после перегрева металла, содержащего не более 0,003 % серы и не более 0,01 % алюминия, над температурой ликвидус не менее 120°С, и длительной, не менее 20 минут, продувки металла аргоном в условиях вакуума. Разливку осуществляют в условиях электромагнитного перемешивания металла в кристаллизаторе при значениях тока 120-200 А и частотой 2,0-4,0 Гц, в зависимости от диаметра непрерывнолитой заготовки. Использование способа обеспечивает заданную чистоту металла по коррозионно-активным неметаллическим включениям, а также повышение стойкости труб при эксплуатации в агрессивных средах. 1 з.п. ф-лы, 3 табл.

1. Способ производства трубной стали, включающий выплавку полупродукта в дуговой сталеплавильной печи, выпуск полупродукта в сталеразливочный ковш с одновременной присадкой раскислителей, легирующих и части шлакообразующих материалов, доведение состава металла, в том числе по примесным элементам, а также окончательное раскисление и модифицирование металла на установках внепечной обработки стали и разливку металла на машине непрерывной разливки заготовок, отличающийся тем, что модифицирование металла кальцием в количестве 4-8 ppm проводят после перегрева металла, содержащего не более 0,003% серы и не более 0,01% алюминия, над температурой ликвидус не менее 120°C и продувки металла аргоном в условиях вакуума не менее 20 минут.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что разливку осуществляют в условиях электромагнитного перемешивания металла в кристаллизаторе с величиной силы тока 120-200 А и частотой 2,0-4,0 Гц, в зависимости от диаметра непрерывнолитой заготовки.