Способ производства горячекатаного рулонного проката из хладостойкой и коррозионно-стойкой стали Российский патент 2024 года по МПК B21B1/26 B21B37/74 B21C47/02 C22C38/40 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к производству горячекатаного рулонного проката повышенной коррозионной стойкости и хладостойкости, предназначенного для изготовления нефтегазопроводных труб для сооружения нефтесборных сетей (транспортирующих коррозионно-активные газ, нефть и пластовую воду) и нефтепроводов, эксплуатируемых как в обычных климатических условиях, так и в регионах Сибири и Крайнего Севера.

Известен способ производства листового проката из низколегированной трубной стали, включающий выплавку стали, разливку на заготовки, нагрев слябов до температуры 1130-1180°С, многопроходную черновую прокатку при температуре 950-1070°С и единичных относительных обжатиях не менее 12%, подстуживание, многопроходную чистовую прокатку при температуре 790-850°С с последующим ускоренным охлаждением водой с температуры не менее 780°С до 530-600°С, причем выплавляют сталь, содержащую, мас. %:

углерод 0,05-0,08 марганец 1,60-1,75 кремний 0,10-0,35 алюминий 0,02-0,05 хром 0,01-0,10 никель 0,15-0,30 медь 0,10-0,20 молибден 0,002-0,27 титан 0,015-0,030 ниобий 0,045-0,065 ванадий 0,003-0,030 азот 0,001-0,008 сера 0,001-0,005 фосфор 0,003-0,013 железо остальное,

(пат. РФ №2696186, C21D 8/02, С22С 38/58, В21В 1/26).

Недостаток известного способа состоит в том, что рассматривается диапазон толщины листов 20-34 мм, что не позволяет использовать данный способ для производства проката толщиной менее 20 мм. Также заявляемый состав содержит дорогостоящие легирующие элементы (марганец, молибден, ванадий), что приводит к увеличению себестоимости продукции.

Наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению является сталь повышенной коррозионной стойкости, содержащая компоненты в следующем соотношении, мас. %:

углерод 0,03-0,08 марганец 0,5-1,1 кремний 0,01-0,5 хром 0,6-1,2 никель 0,05-0,3 медь 0,05-0,3 фосфор не более 0,015 сера не более 0,005 алюминий 0,01-0,05 кальций 0,0001-0,006 ниобий 0,01-0,05 железо и неизбежные примеси остальное

(пат. РФ №2520170, С22С 38/48).

Основным недостатком известного способа являются высокие показатели скорости общей коррозии, что не позволит гарантированно обеспечить длительный срок службы некоторых видов оборудования, например нефтепромысловых трубопроводов, из-за коррозионных повреждений. Также недостатком является отсутствие требований относительно стойкости стали к другим видам коррозионного разрушения, в частности к сульфидному растрескиванию под напряжением и общей коррозии в среде углекислого газа. Еще одним недостатком известного способа являются низкие значения предела текучести, в связи, с чем не обеспечивается заданный комплекс механических свойств.

Техническая проблема, решаемая заявляемым изобретением, заключается в получении качественного рулонного проката, эксплуатируемого в регионах Сибири и Крайнего Севера, устойчивого к коррозии, а также обладающего высоким уровнем механических характеристик и хладостойкостью до минус 60°С.

Технический результат заключается в формировании структурного состояния стали, обеспечивающего ее хладостойкость и высокое сопротивление коррозионно-механическому разрушению.

Поставленная проблема решается тем, что в способе производства горячекатаного рулонного проката из хладостойкой и коррозионностойкой стали, включающем непрерывную разливку стали в слябы, их нагрев, контролируемую прокатку и ускоренное охлаждение до температуры смотки, смотку в рулоны с последующим замедленным охлаждением на воздухе, согласно изменению, осуществляют непрерывную разливку стали, содержащей, мас. %:

углерод 0,04-0,08 кремний 0,20-0,40 марганец 0,80-1,10 хром 0,60-1,00 никель 0,10-0,30 медь 0,10-0,30 алюминий 0,020-0,050 титан 0,010-0,030 ниобий 0,040-0,065 сера не более 0,003 фосфор не более 0,013 кальций не более 0,006 железо остальное,

при этом температуру конца чистовой прокатки устанавливают не менее 870°С, а температуру смотки выбирают в диапазоне 560-660°С.

Комплекс эксплуатационных и механических свойств рулонного проката определяется структурно-фазовым состоянием низколегированной стали, которое, в свою очередь, зависит от химического состава стали и режимов контролируемой прокатки и ускоренного охлаждения.

Основой создания трубных сталей служит снижение содержания углерода до 0,08% с целью повышения вязко-пластических свойств и улучшения свариваемости. Поэтому для обеспечения высокой пластичности, снижения хрупкости и исключения вероятности образования холодных трещин диапазон содержания углерода в стали составляет 0,04-0,08%. При уменьшении содержания углерода ниже 0,04% снижаются прочностные характеристики.

Кремний повышает стойкость стали к точечной и щелевой коррозии, улучшает обрабатываемость стали, повышает ее прочностные характеристики, является раскислителем при выплавке. Содержание кремния в стали составляет 0,20-0,40%. При концентрации кремния менее 0,20% прочность стали ниже допустимой, а при концентрации более 0,40% снижается пластичность.

Марганец раскисляет и упрочняет сталь, связывает серу, образуя сульфиды марганца. При содержании марганца менее 0,80% прочность стали недостаточна, а увеличение содержания марганца более 1,10% приводит к снижению вязкости низкоуглеродистой стали.

Добавление хрома приводит к значительному улучшению стойкости низкоуглеродистой стали к коррозии. При содержании меньше 0,6% хром слабо влияет на стандартные свойства и не изменяет соотношения структурных составляющих. При содержании хрома более 1,0% появляются продукты промежуточного превращения, что сопровождается увеличением прочности, снижением пластичности и вязкости.

Для достижения высоких коррозионных свойств необходимо наряду с хромом одновременное присутствие, по крайней мере, 0,1%>меди в стали. Характер влияния меди на ударную вязкость и хладостойкость зависит от его содержания: при небольших концентрациях она подобна никелю, а при больших - снижает вязкость и хладостойкость низколегированных сталей.

Никель упрочняет феррит, повышая его вязкость и способствуя снижению порога хладноломкости. Введение никеля в сталь в диапазоне 0,10-0,30% обеспечивает дополнительные противокоррозионные свойства горячекатаного проката.

Содержание алюминия в заданном диапазоне обеспечивает связывание всего азота в нитрид титана, который сдерживает рост аустенитного зерна, и, как следствие, способствует повышению хладостойкости. При концентрации алюминия менее 0,02% его положительное влияние не проявляется, а увеличение его содержания более 0,05% приводит к ухудшению пластических и вязкостных свойств проката.

Ниобий является основополагающим элементом химического состава высокопрочных трубных сталей, который помогает создавать дисперсную структуру на всех стадиях контролируемой прокатки. При содержании ниобия менее заданного диапазона не обеспечивается достаточное дисперсионное и зернограничное упрочнение. Увеличение концентрации более 0,065% приводит к дисперсионному твердению и охрупчиванию границ зерен.

Для повышения растворимости ниобия в аустените используется титан, который связывает азот и обеспечивает формирование карбида ниобия взамен нитрида или карбонитрида, имеющий лучшую растворимость в аустените. Нитриды титана стабильны при высоких температурах и сдерживают рост зерна аустенита при нагреве сляба под прокатку. При содержании титана менее 0,010% снижаются прочностные свойства проката. При содержании титана выше 0,030% избыточное количество образующихся карбонитридов значительно снижает вязкость стали.

При обработке стали кальцием в количестве не более 0,006% происходит модифицирование сульфидных включений, что повышает характеристики вязкости и хладостойкости стального проката и труб, повышает стойкость к водородному растрескиванию.

Неметаллические включения могут снижать эксплуатационные характеристики трубопроводов, оказывая негативное влияние на пластичность, ударную вязкость, стойкость против слоистого разрушения и анизотропию свойств. Поэтому содержание серы должно быть не более 0,003%, что позволяет снизить количество сульфидов марганца, снижающих ударную вязкость. Для предотвращения расщеплений в изломе образцов Шарпи, а также межкристаллитного разрушения в зоне термического влияния уровень фосфора ограничивают значением 0,013%.

Таким образом, задача обеспечения коррозионной стойкости сталей требует одновременного комплексного решения следующих вопросов:

- дополнительное рациональное микролегирование;

- повышение чистоты сталей по неметаллическим включениям;

- выбор определенного структурного состояния с высоким сопротивлением коррозионно-механическому разрушению.

После выплавки стали проводят контролируемую прокатку с температурой конца чистовой прокатки не менее 870°С, ниже которой сталь приобретает неблагоприятную (неоднородную) двухфазную структуру, что приводит к снижению коррозионной стойкости.

Охлаждение до температур в интервале 560-660°С способствует формированию структуры, состоящей преимущественно из квазиполигонального феррита и бейнита. С понижением температуры ускоренного охлаждения доля феррита в стали уменьшается. Результаты металлографических исследований образцов показали, что бейнитная составляющая состоит преимущественно из гранулярного бейнита и небольшого количества верхнего бейнита.

Снижение температуры смотки менее 560°С приводит к росту прочностных свойств выше допустимых значений и снижению пластичности. Смотка полос в рулоны при температурах выше 660°С приводит к пониженной хладостойкости.

Требуемый комплекс свойств горячекатаного рулонного проката из хладостойкой и коррозионностойкой стали приведен в таблице 1, характеристики коррозионной стойкости - в таблице 2.

Пример осуществления способа.

С применением вакуумной индукционной печи ZG-0.06L, и совмещенной с ней машины непрерывного литья заготовок (МНЛЗ), была произведена выплавка и разливка стали массой различного химического состава (таблица 3). Полученные слитки нагревали в камерной печи ПКМ 3.6.2/12,5 до температуры 1200°С. Далее осуществляли обжатие слитков с применением гидравлического пресса П6334 (моделирование черновой стадии прокатки) и на одноклетьевом реверсивном стане горячей прокатки 500 «ДУО» (моделирование чистовой стадии прокатки). Заготовки обжимались до толщины 8-10 мм при температуре конца чистовой прокатки не менее 870°С. Полученные раскаты подвергались ускоренному охлаждению до температуры 560- 660°С с последующей смоткой, а затем замедленному охлаждению на воздухе (моделирование охлаждения рулона после смотки).

Механические свойства определяли по стандартным методикам:

- испытания на растяжение проводили на плоских образцах по ГОСТ 1497 при температуре 20°С;

- испытания на ударный изгиб проводили в соответствии с ГОСТ 9454 на образцах с V-образным надрезом при температуре минус 50°С и на образцах с U-образным надрезом при температуре минус 60°С.

Характеристики, определяющие коррозионную стойкость стали определяли по следующим методикам:

- стойкость к сульфидному коррозионному растрескиванию под напряжением по методу А в соответствии со стандартом NACE ТМ 0177 в среде А;

- стойкость к водородному растрескиванию по стандарту NACE ТМ0284 в среде А;

- скорость общей коррозии проката в СО₂ содержащей среде, по методике, указанной в приложении 4 ТТТ-01.02.04-01 (версия 3.0);

- скорость общей коррозии в модельной среде, содержащей H₂S, по методике ЗАО «НИПЦ НефтеГазСервис» №966814-006-593377520-2014.

Режимы производства горячекатаного рулонного проката из хладостойкой и коррозионностойкой стали представлены в таблице 4.

Результаты механических испытаний, представленные в таблице 5, показали, что плавки 2-4, выполненные в соответствии с формулой изобретения, показали высокую коррозионную стойкость и хладостойкость. Применение заявленного способа обеспечивает достижение требуемого результата без дополнительного добавления редкоземельных элементов (лантана и/или церия).

Результаты комплексных коррозионных испытаний представлены в таблице 6.

Таким образом, заявляемое изобретение обеспечивает высокую хладо- и коррозионную стойкость, а также уровень механических характеристик, соответствующих наиболее востребованным классам прочности (до К56), в том числе: предел текучести не менее 350 Н/мм², временное сопротивление разрыву в диапазоне 510-660 Н/мм²; относительное удлинение не менее 23%; ударная вязкость: KCV^-50 не менее 100 Дж/см², KCU^-60 не менее 39 Дж/см².

Изобретение относится к способу производства горячекатаного рулонного проката. Осуществляют непрерывную разливку стали в слябы, их нагрев, контролируемую прокатку и ускоренное охлаждение до температуры смотки, смотку в рулоны с последующим замедленным охлаждением на воздухе. Осуществляют непрерывную разливку стали, содержащей, мас. %: углерод 0,04-0,08, кремний 0,20-0,40, марганец 0,80-1,10, хром 0,60-1,00, никель 0,10-0,30, медь 0,10-0,30, алюминий 0,020-0,050, титан 0,010-0,030, ниобий 0,040-0,065, сера не более 0,003, фосфор не более 0,013, кальций не более 0,006, железо остальное. Температуру конца чистовой прокатки устанавливают не менее 870°С, а температуру смотки выбирают в диапазоне 560-660°С. В результате формируется структурное состояние стали, обеспечивающее ее хладостойкость и высокое сопротивление коррозионно-механическому разрушению. 6 табл., 1 пр.

Способ производства горячекатаного рулонного проката из хладостойкой и коррозионно-стойкой стали, включающий непрерывную разливку стали в слябы, их нагрев, контролируемую прокатку и ускоренное охлаждение до температуры смотки, смотку в рулоны с последующим замедленным охлаждением на воздухе, отличающийся тем, что осуществляют непрерывную разливку стали, содержащей, мас. %:

углерод 0,04-0,08 кремний 0,20-0,40 марганец 0,80-1,10 хром 0,60-1,00 никель 0,10-0,30 медь 0,10-0,30 алюминий 0,020-0,050 титан 0,010-0,030 ниобий 0,040-0,065 сера не более 0,003 фосфор не более 0,013 кальций не более 0,006 железо остальное,

при этом температуру конца чистовой прокатки устанавливают не менее 870°С, а температуру смотки выбирают в диапазоне 560-660°С.