СВЕРХТОЛСТЫЙ ЛИСТ СТАЛИ ДЛЯ СОСУДА С ХОРОШЕЙ УДАРНОЙ ВЯЗКОСТЬЮ ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ В ЦЕНТРЕ И СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА Российский патент 2023 года по МПК C22C38/14 C22C38/12 C21D8/02 

Область техники

Настоящее изобретение относится к области техники сплавов на основе железа.

Предпосылки создания изобретения

В последние годы в стране и за рубежом один за другим были реализованы различные проекты, связанные с нефтехимией и природным газом, и потребность в больших реакционных сосудах или резервуарах для хранения значительно возросла. Закалка и отпуск листов стали становятся все более и более популярными из-за их хорошего соответствия прочности и вязкости, особенно по мере того, как оборудование продолжает развиваться в сторону большого масштаба и высоких параметров, при этом, чтобы гарантировать одновременно безопасную и стабильную работу оборудования, особенно важными являются хорошая ударная вязкость при низких температурах и свариваемость в центре. Подводя итог, можно сказать, что это имеет широкие рыночные перспективы для разработки листов стали для сосуда с легкой сваркой и хорошей вязкостью при низких температурах в центре, которые можно массово и стабильно производить, чтобы удовлетворять потребностям производства крупномасштабного энергетического оборудования.

В патенте (CN107267857 A) раскрывается лист стали 07MnNiMoDR и его способ производства с закалкой на производственной линии. Прочность на разрыв составляет больше чем 630 МПа, а его ударная вязкость при низких температурах при -50°C является хорошей, но максимальная толщина составляет всего 50 мм.

В патенте (CN106350644 A) раскрывается способ производства стали для резервуара для хранения посредством процесса закалки на производственной линии, реализующий закалку на производственной линии посредством использования двухступенчатого режима охлаждения UFC + ACC. Произведенный лист стали имеет стабильные характеристики и хорошее соответствие прочности и вязкости, но при этом не упоминается ударная вязкость при низких температурах центра листа стали.

В патенте (CN106319376 B) раскрывается новый тип высокопрочного листа стали с низкой склонностью к растрескиванию при сварке. Лист стали с толщиной 15-50 мм, произведенный посредством закалки на производственной линии + процесса отпуска вне производственной линии, обладает характеристиками высокой прочности и хорошей свариваемости, но температура при испытании на удар составляет лишь -20°C. В то же время было добавлено множество сплавов Nb и Cr и стоимость является высокой.

Подводя итог, можно сказать, что большинство существующих закаленных и отпущенных листов стали с высокой прочностью и вязкостью производят посредством традиционного процесса закалки вне производственной линии. Даже если используется процесс закалки на производственной линии, толщина произведенных листов стали составляет менее 60 мм, а ударная вязкость при низких температурах центра является нестабильной, что не может удовлетворять потребностям разработки химико-энергетического оборудования в большом масштабе и с высокими параметрами.

Подробное описание изобретения

Настоящее изобретение предоставляет способ закалки на производственной линии для производства сверхтолстого листа стали толщиной 60-100 мм с хорошей ударной вязкостью при низких температурах в центре. Лист стали имеет характеристики стабильной структуры, высокой прочности, хорошей вязкости при низких температурах в центре, легкой сварки и т. д. Способ производства имеет преимущества кратковременности процесса, относительно низкой стоимости и высокой работоспособности.

Техническая схема, принятая настоящим изобретением для решения вышеуказанных задач, заключается в следующем: сверхтолстый лист стали для сосуда с хорошей ударной вязкостью при низких температурах в центре и производственная толщина листа стали достигает 60-100 мм. В соответствии с процентом по массе химический состав листа стали является следующим: C: 0,13-0,20%, Si: ≤ 0,40%, Mn: 1,00–1,60%, P ≤ 0,015%, S ≤ 0,005%, Als: 0,01-0,05%, Nb + V + Ti ≤ 0,080%, Ni: 0,20-0,50%, Cu ≤ 0,30%, H ≤ 2 ppm, а остаток составляет Fe и неизбежные примесные элементы. В то же время он соответствует следующим требованиям:

CEV=C+Mn/6+(Mo+V+Cr)/5+(Ni+Cu)/15≤0,43%,

3≤w (Nb+V+Als)/w (Ti)≤8.

Микроструктура вблизи поверхности листа стали представляет собой отпущенный сорбит, а микроструктура на 1/4 и 1/2 толщины листа стали представляет собой бейнит. Предел прочности на растяжение листа стали ≥ 400 МПа, прочность на разрыв Rm ≥ 550 МПа, удлинение A ≥ 22%, энергия поперечного удара на 1/4 толщины листа -50°C KV₂ ≥ 150 Дж; энергия поперечного удара на 1/2 толщины листа -50°C KV₂ ≥ 80 Дж.

Ограничительные рассуждения относительно C, Si, Mn, P, s, Nb, Ni, V, Ti, H и других элементов в настоящем изобретении описаны следующим образом:

C является наиболее экономичным элементом для улучшения прочности листа стали, но слишком высокое содержание уменьшит пластичность и ударную вязкость, увеличит склонность к растрескиванию при сварке и в процессе сварки будут легко образовываться трещины. Чтобы гарантировать, что основной металл имеет хорошее соответствие прочности и вязкости и свариваемость, содержание C стали в настоящем изобретении составляет 0,13-0,20%.

Si может улучшить прочность листа стали и сварного стыка. Когда содержание Si больше 0,45%, вязкость листа стали и сварного стыка будет значительно уменьшена. В то же время твердые силикатные включения легко вызывают поверхностные дефекты листа стали, и содержание Si составляет 0,10-0,40%.

Mn является обычным элементом для повышения прочности листа стали. Подходящее количество Mn может заменить c для улучшения прочности и вязкости листа стали и сварного стыка. С увеличением содержания Mn может быть улучшена стабильность аустенита в стали, может быть уменьшена критическая скорость охлаждения, может быть упрочнен феррит и может быть значительно улучшена закаливаемость. В то же время скорость структурного разложения и трансформации в процессе отпуска после закалки может быть замедлена и стабильность структуры отпуска может быть улучшена. Однако слишком высокое содержание приведет к укрупнению зерна стали при высокой температуре и уменьшению вязкости и свариваемости листа стали и сварного стыка, поэтому содержание Mn в стали настоящего изобретения составляет 1,00%-1,60%.

Наличие P и S в качестве примесных элементов в стали неизбежно, но они вредны для обрабатываемости листа стали, особенно ударной вязкости при низких температурах. Чем ниже их содержание, тем лучше. Поэтому содержание P в стали настоящего изобретения составляет ≤ 0,015%, а содержание S составляет ≤ 0,005%.

Ni может значительно уменьшить температуру перехода стали из хрупкого в пластичное состояние, улучшить ударную вязкость при низких температурах и уменьшить склонность к растрескиванию поверхности заготовки, вызванную добавлением Cu. Однако Ni является дорогим и чрезмерное добавление значительно увеличит стоимость производства стали. Поэтому содержание Ni в стали настоящего изобретения составляет 0,20-0,50%.

Nb и V могут ввести большое количество зон дислокации и искривления с высокой плотностью во время прокатки вне зоны рекристаллизации, способствовать образованию большего количества центров трансформации и делать мельче аустенитную структуру. В то же время карбонитрид образуется и выделяется в феррите на границе аустенитных зерен, что может препятствовать рекристаллизации аустенита и предотвращать рост зерен во время прокатки, чтобы делать мельче ферритные зерна и улучшать прочность и вязкость стали. Ti может образовывать высокотемпературные оксиды и действовать в качестве нуклеационных частиц игольчатого феррита в сварных стыках, способствовать образованию игольчатого феррита и существенно улучшать ударную вязкость при низких температурах зоны, подвергнувшейся тепловому воздействию сварки. Если добавить слишком много, то это не только увеличит стоимость, но также увеличит количество и размер выделяемых фаз, что уменьшит вязкость стали, особенно вязкость в центре. Следовательно, Nb+V+Ti стали настоящего изобретения составляют ≤ 0,08%, а дополнительное количество Nb и V не равно нулю.

Nb, V и Ti могут быть объединены с C и N для производства для выделения фазы карбонитрида, чтобы делать мельче зерно. Из-за отделения центра в процессе затвердения заготовки, выделения TiN в основном собираются вблизи центра заготовки, и неправильная форма включений TiN является неблагоприятной для ударной вязкости при низких температурах центра листа стали. С другой стороны, при той же температуре связывающая способность между Ti и N выше, чем у Nb и V. Поэтому в настоящем описании 3 ≤ w (Nb+V+Als)/w (TI) контролируют для уменьшения образования TiN. Между тем, учитывая высокую цену Nb и V, w (Nb+V+Als)/w (TI) ≤ 8.

Атомы водорода H легко диффундируют в заготовке. Под воздействием давления водорода смежные трещины барботирующего водорода на разных слоях соединяются друг с другом, тем самым образуя центральную ступенчатую трещину. Следовательно, чтобы гарантировать вязкость при низких температурах центра листа стали, H стали настоящего изобретения составляет ≤ 2 ppm, а заготовка, изготовленная путем непрерывного литья, подвергается обработке водородным расширением.

Другой целью настоящего изобретения является предоставление способа производства вышеуказанного листа стали для сосуда. Способ включает следующие процессы: предварительная обработка горячего металла → плавка в конвертере → рафинирование в установке «печь-ковш» → вакуумная обработка → непрерывное литье → охлаждение посредством покрытия заготовки → нагрев заготовки → контролируемая прокатка → контролируемое охлаждение → медленное охлаждение в штабеле → отпуск → дефектоскопия → проверка эффективности. Конкретные этапы являются следующими:

После предварительной обработки горячего металла способом KR, десульфурации и плавки в конвертере, его подвергают рафинированию в установке «печь-ковш» и вакуумной обработке. После мягкой продувки в течение более 15 минут его переплавляют в расплавленную сталь высокой чистоты. Во всем процессе технологию защитного литья и мягкого обжатия используют для литья заготовки непрерывного литья в машине для непрерывного литья и заготовку покрывают для медленного охлаждения.

Заготовка непрерывного литья должна быть нагрета до 1150-1200°C, общее время в печи должно составлять не менее 300 мин, а время выдержки должно составлять не менее 90 мин. После выхода из печи окалина должна быть удалена водой под высоким давлением, чтобы удалить окалину оксида железа с поверхности заготовки.

Прошедшую аустенизацию заготовку непрерывного литья прокатывают в два этапа (контролируемая прокатка, температура начальной прокатки и отделочной прокатки должна быть ограничена). В начальной прокатке используют небольшие проходы и большое обжатие. Температуру начальной прокатки необходимо регулировать в пределах 1020-1100°C, а температуру завершающей прокатки необходимо регулировать в пределах 1000-1060°C, чтобы обеспечить степень обжатия последних двух проходов, составляющую ≥ 15%; во время отделочной прокатки температуру начальной прокатки необходимо регулировать в пределах 880-920°C; после прокатки должно быть применено двухступенчатое охлаждение DQ+ACC для достижения цели закалки на производственной линии. Температуру воды листа стали необходимо регулировать в пределах 840-880°C, а скорость охлаждения необходимо регулировать в пределах 5-15°C/с. После ACC температура поверхности листа стали должна составлять 100-200°C, лист стали должен быть медленно охлажден после выхода c производственной линии, а затем отпущен при 600-680°C. Лист стали должен быть доставлен после прохождения дефектоскопии и проверки эффективности.

По сравнению с существующим уровнем техники настоящее изобретение имеет следующие преимущества:

1. Что касается проектного состава, содержание Nb, V, Ti и Als в стали контролируют так, чтобы уменьшать образование TiN, неблагоприятного для ударной вязкости при низких температурах в центре. В то же время нитриды углерода Nb, V и Al играют роль закрепления и уменьшения размера зерен заготовки; 2. При использовании самой толстой заготовки непрерывного литья в Китае значительно увеличивается деформация в процессе прокатки. В сочетании с процессом прокатки при перепаде температур структура в центре листа стали дополнительно рафинируется, чтобы дополнительно создавать основу для ударной вязкости при низких температурах; 3. Закалку на производственной линии применяют для регулирования температуры воды, чтобы избежать аномальной структуры, вызванной слишком низкой или слишком высокой температурой воды.

Система C-Mn-Ni разработана с Nb, V и другими микролегирующими составляющими. После вторичного рафинирования и мягкого обжатия заготовки непрерывного литья расплавленная сталь становится более чистой, что гарантирует однородность свойств последующего листа стали, особенно ударной вязкости при низких температурах центра. Процесс закалки на производственной линии применяют, чтобы гарантировать, что лист стали имеет хорошее соответствие прочности и вязкости, значительно уменьшая стоимость производства, уменьшая время доставки и способствуя высокой эксплуатационной пригодности.

Описание прилагаемых графических материалов

На фиг. 1 представлено схематическое изображение отпущенного сорбита в металлографической структуре поверхностного слоя листа стали толщиной 90 мм в варианте осуществления настоящего изобретения;

На фиг. 2 представлено схематическое изображение бейнита в металлографической структуре листа стали на 1/4 толщины 90 мм в варианте осуществления настоящего изобретения;

На фиг. 3 представлено схематическое изображение бейнита в металлографической структуре листа стали на 1/2 толщины 90 мм в варианте осуществления настоящего изобретения.

Подробное описание вариантов осуществления

Настоящее изобретение более подробно описано ниже в сочетании с вариантами осуществления, представленными на прилагаемых графических материалах. Описанные ниже варианты осуществления являются иллюстративными и предназначены для пояснения настоящего изобретения, и они не могут рассматриваться как ограничения настоящего изобретения. Кроме того, приведены сравнительные примеры, чтобы выделить варианты осуществления.

Химические составы плавки согласно этому варианту осуществления и соответствующее количественное соотношение показаны в Таблице 1 (вес.%), а остальное представляет собой Fe и неизбежные примесные элементы.

Таблица 1

Элемент C Si Mn P S Nb+V+Als Ti Ni H CEV (V+Nb+Als) / [Ti] Вариант осуществления 1 0,13 0,20 1,50 0,005 0,001 0,084 0,015 0,35 0,0001 0,42 5,6 Вариант осуществления 2 0,14 0,21 1,52 0,006 0,002 0,061 0,014 0,32 0,0001 0,42 4,4 Сравнительные примеры 0,16 0,25 1,40 0,012 0,006 0,030 0,018 0,45 0,0003 0,44 1,7

Вышеуказанные вариант осуществления и сравнительные примеры плавят в конвертере, глубоко десульфируют и рафинируют в установке «печь-ковш», дегазируют в вакуумной печи и мягко продувают в течение более 15 минут для полного всплытия и удаления включений крупных частиц, обеспечения равномерного состава и температуры, и затем их отливают в заготовки непрерывного литья посредством легкого обжатия и защиты во всем процессе. Для производства завершенного продукта выбирают два элемента заготовок непрерывного литья.

Заготовку непрерывного литья нагревают до 1150-1200°C, общее время в печи составляет ≥ 300 мин, а время выдержки составляет ≥ 90 мин. После выхода из печи окалину удаляют водой под высоким давлением, чтобы удалить окалину оксида железа с поверхности заготовки; затем выполняют контролируемую прокатку. Температура начальной прокатки составляет 1020-1100°C, температуру завершающей прокатки регулируют в пределах 1000-1060°C, а степень обжатия последних двух проходов составляет ≥ 15%; начальную температуру отделочной прокатки необходимо регулировать в пределах 880-920°C; после прокатки применяют двухступенчатое охлаждение DQ+ACC для достижения цели закалки на производственной линии. Температуру воды листа стали необходимо регулировать в пределах 840-880°C, а скорость охлаждения необходимо регулировать в пределах 5-15°C/с. После ACC температура поверхности листа стали должна составлять 100-200°C, лист стали должен быть медленно охлажден после выхода c производственной линии, а затем отпущен при 600-680°C.

В таблице 2 показаны параметры процесса основной прокатки, контролируемого охлаждения и отпуска каждого варианта осуществления и сравнительных примеров.

Таблица 2

Вариант осуществления Толщина листа стали
(мм) Температура грубой и завершающей прокатки (°C) Начальная температура отделочной прокатки (°C) Температура воды DQ (°C/с) Скорость охлаждения (°C/с) Температура воды на выпуске (°C) Температура отпуска (°C) Время нахождения в печи (мин) Вариант осуществления 1 60 1030 910 860 11 150 660 180 Вариант осуществления 2 90 1050 898 870 8 192 630 270 Сравнительные примеры 1 65 1026 908 826 10 158 650 180 Сравнительные примеры 2 88 1034 896 832 9 182 640 270

Для листа стали после термической обработки берут поперечные образцы на 1/4 и 1/2 толщины листа, обрабатывают их с получением образцов для испытания на разрыв и образцов для испытания на удар и испытывают механические свойства. Результаты испытания см. в Таблице 3.

Таблица 3

Вариант осуществления Толщина листа стали (мм) Предел прочности на растяжение
ReL (МПа) Прочность на разрыв
Rm (МПа) Удлинение
A (%) Удар на 1/4 толщины листа
-50°CKV₂ (Дж) Удар на 1/2 толщины листа
-50°CKV₂ (Дж) Вариант осуществления 1 60 460 608 24,0 236 202 231 154 116 137 Вариант осуществления 2 90 432 586 25,5 176 200 195 100 123 108 Сравнительные примеры 65 425 578 27,5 167 188 202 90 157 36 Сравнительные примеры 88 411 562 26,0 166 217 169 18 100 68

Как можно увидеть из Таблицы 3, предел прочности, удлинения и ударной вязкости испытываемого листа стали является большим в варианте осуществления настоящего изобретения, особенно энергия удара на 1/2 толщины листа составляет более 100 Дж, тогда как энергия удара 1/2 толщины листа в сравнительном примере является нестабильной, а наименьшее единичное значение составляет всего 18 Дж.

Настоящее изобретение не только обеспечивает хорошую прочность и вязкость стали, но также стабильную ударную вязкость при низких температурах центра. Настоящее изобретение может быть реализовано в цехах по производству средних и толстых листов металлургических предприятий, имеет простую схему технологических операций, высокую эксплуатационную пригодность и низкую стоимость, а также может быть применено для строительства больших сосудов под давлением в нефтяной, химической и других отраслях промышленности.

Хотя предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения были подробно описаны выше, следует четко понимать, что настоящее изобретение может иметь различные модификации и изменения, очевидные для специалистов в данной области техники. Любая модификация, эквивалентная замена, улучшение и т.д., выполненные в соответствии с духом и принципами настоящего изобретения, должны быть включены в объем охраны настоящего изобретения.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к стальному листу толщиной 60-100 мм, используемому для изготовления сосудов высокого давления. Лист имеет химический состав, содержащий в мас.%: C: 0,13-0,20, Si: ≤ 0,40, Mn: 1,00-1,60, P: ≤ 0,015, S: ≤ 0,005, Als: 0,01-0,05, Nb + V + Ti: ≤ 0,080, Ni: 0,20-0,50, Cu: ≤ 0,30, H: ≤ 2 ppm, остальное - Fe и неизбежные примеси, при этом для компонентов стали выполняются условия: CEV=C+Mn/6+(V+Cr)/5+(Ni+Cu)/15 ≤ 0,43% и 3≤(Nb+V+Als)/(Ti)≤8. Лист обладает высокой прочностью и ударной вязкостью при низких температурах. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 3 ил., 3 табл.

1. Стальной лист толщиной 60-100 мм для изготовления сосудов под давлением, имеющий энергию поперечного удара на 1/4 толщины листа при -50°C KV₂ ≥ 150 Дж и энергию поперечного удара на 1/2 толщины листа при -50°C KV₂ ≥ 80 Дж, характеризующийся тем, что он имеет химический состав, содержащий в мас.%: C: 0,13-0,20, Si: ≤ 0,40, Mn: 1,00-1,60, P: ≤ 0,015, S: ≤ 0,005, Als: 0,01-0,05, Nb + V + Ti: ≤ 0,080, Ni: 0,20–0,50, Cu: ≤ 0,30, H: ≤ 2 ppm, остальное - Fe и неизбежные примеси, при этом:

CEV=C+Mn/6+(V+Cr)/5+(Ni+Cu)/15 ≤ 0,43%,

3 ≤ (Nb+V+Als) / (Ti) ≤ 8.

2. Стальной лист по п.1, отличающийся тем, что ближняя поверхность листа стали представляет собой отпущенный сорбит, а 1/4 и 1/2 толщины листа стали представляют собой бейнит.

3. Стальной лист по п.1, отличающийся тем, что предел прочности на растяжение листа стали ≥ 400 МПа, прочность на разрыв Rm составляет ≥ 550 МПа, удлинение A составляет ≥ 22%.

4. Способ производства стального листа толщиной 60-100 мм для изготовления сосудов под давлением, имеющий энергию поперечного удара на 1/4 толщины листа при -50°C KV₂ ≥ 150 Дж и энергию поперечного удара на 1/2 толщины листа при -50°C KV₂ ≥ 80 Дж, по любому из пп.1-3, включающий следующие последовательные технологические операции: предварительная обработка горячего металла, плавка в конвертере, рафинирование в установке «печь-ковш», обработка вакуумной дегазацией, непрерывное литье, охлаждение заготовки, аустенизация заготовки, контролируемая прокатка, контролируемое охлаждение, медленное охлаждение в штабеле и отпуск,

при этом после предварительной обработки горячего металла методом KR, десульфурации и плавки в конвертере, его подвергают рафинированию в установке «печь-ковш» и вакуумной обработке, переплавляют в расплавленную сталь высокой чистоты после мягкой продувки в течение более 15 минут; при этом заготовку непрерывного литья отливают в машине для непрерывного литья с использованием технологии защитного литья с инертным газом и мягкого обжатия во всем процессе, и заготовку подвергают медленному охлаждению;

заготовку непрерывного литья подвергают аустенизации путем нагрева в печи до 1150-1200ºC, при этом общее время нахождения в печи составляет не менее 300 мин, а время выдержки при температуре аустенизации составляет не менее 90 мин, после выхода из печи поверхность заготовки обрабатывают водой под высоким давлением, обеспечивающим удаление окалины оксида железа с поверхности заготовки, затем выполняют двухступенчатую контролируемую прокатку, причем температура начальной прокатки составляет 1020-1100°C, температура завершающей прокатки составляет 1000-1060°C, а степень обжатия последних двух проходов начальной прокатки составляет ≥ 15%, начальная температура отделочной прокатки составляет 880-920°C, после прокатки применяют двухступенчатое охлаждение DQ+ACC для достижения цели закалки на производственной линии.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что при охлаждении после прокатки температуру воды для листа стали регулируют в пределах 840-880°C, скорость охлаждения регулируют в пределах 5–15°C/с, температура поверхности воды для листа стали составляет 100-200°C после охлаждения ACC, при этом лист стали медленно охлаждают после выхода с производственной линии, а затем отпускают, при этом температура отпуска составляет 600-680°C, время выдержки отпуска составляет 180-300 мин.