Способ производства низколегированного рулонного проката Российский патент 2025 года по МПК C21D7/13 C21D8/02 C22C38/58 C22C38/54 C22C38/50 C22C38/48 C22C38/46 C22C38/44 C22C38/42 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к способу производства рулонного проката, предназначенного для дальнейшего изготовления спиралешовных труб.

Известен способ производства рулонного проката для обсадных и насосно–компрессорных труб, включающий нагрев слябов, термодеформационную прокатку с регламентированными значениями температуры конца прокатки, ускоренное охлаждение до регламентированных значений температуры смотки и последующую смотку в рулон (патент RU 2728981, МПК C22C38/58, C22C38/50, C21D8/02, 2020).

Недостатком данного способа является, во–первых, низкое значение относительного удлинения, которое в свою очередь может привести к разрушению металла при формовке в трубу. Во–вторых, сталь по указанному патенту имеет высокое значение углеродного эквивалента, что в свою очередь ведет к трудностям при подборе режима сварки.

Известен способ производства трубы согласно которому осуществляют горячую прокатку стальной заготовки с разделением на черновую и чистовую стадии, смотку проката в рулон, валковую формовку трубной заготовки с последующей сваркой ее кромок токами высокой частоты (патент RU 2682984, МПК C22C08/10, C22C38/00, 2019).

Недостатком данного способа является то, что сталь с содержанием углерода более 0,25% имеет высокую прочность и твёрдость, что снижает ее пластичность. Также указанный способ подразумевает производство трубы малого диаметра с достаточно небольшой толщиной стенки 7,7 мм.

Технический результат изобретения – разработка способа получения проката для производства спиралешовных труб толщиной 10–25 мм, характеризующегося следующими механическими свойствами:

Предел текучести от 415 МПа,

Предел прочности от 520 МПа,

Относительное удлинение от 27%,

Предел текучести под углом 35 и 45 градусов от 415 МПа,

Предел прочности под углом 35 и 45 градусов от 520 МПа,

Относительное удлинение под углом 35 и 45 градусов от 27%,

Работа удара KV при минус 10 градусов не менее 40 Дж/см²,

Отношение предела текучести к пределу прочности не более 0,83%,

Твёрдость HV10 не более 250.

Технический результат изобретения достигается тем, что в способе производства низколегированного рулонного проката, включающем выплавку стали, ее внепечную обработку, непрерывную разливку с получением слябов, их аустенизацию, черновую и чистовую прокатки, охлаждение и смотку проката в рулон, согласно изобретению, выплавляют сталь со следующим химическим составом, мас.%:

Углеродот более 0,1 до 0,2 Углеродот более 0,1 до 0,2 Кремний0,1 Кремний0,1–0,4 Марганец1,2 Марганец1,2–1,8 Серане более 0,010 Серане более 0,010 Фосфорне более 0,015 Фосфорне более 0,015 Хромне более 0,04 Хромне более 0,04 Никельне более 0,04 Никельне более 0,04 Медь не более 0,04 Медь не более 0,04 Алюминий0,02 Алюминий0,02–0,08 Молибденне более 0,1 Молибденне более 0,1 Ванадий0,01 Ванадий0,01–0,1 Титан0,005 Титан0,005–0,05 Ниобий0,01 Ниобий0,01–0,1 Борне более 0,0015 Борне более 0,0015 Азотне более 0,01 Азотне более 0,01 Железо и неизбежные примеси остальное,

при этом аустенизацию слябов проводят при температуре 1180–1300°С, черновую прокатку осуществляют на толщину подката, равную 2–4 крат готового проката, и заканчивают ее при температуре 1050–1130°С, чистовую прокатку начинают при температуре от 940 до 1030°С и заканчивают при температуре 820–910°С, после чего прокат сначала охлаждают со скоростью 6–10°С/с в течение 20–70 с, а затем со скоростью не более 7°С/с до температуры смотки 550–620°С.

Прокат характеризуется баллом неметаллических включений не более 3 по среднему.

Сущность изобретения

Согласно предложенному способу изготавливают непрерывнолитую заготовку из стали с заданным химическим составом. Содержание химических элементов в указанных соотношениях обеспечивает необходимые механические свойства листов при реализации предлагаемых технологических режимов.

При содержании углерода менее 0,10% не достигаются требуемые прочностные характеристики после горячей прокатки. При содержании углерода более 0,2% снижается относительное удлинение проката, что впоследствии может привести к хрупкому разрушению труб при их эксплуатации.

Кремний необходим для раскисления стали при выплавке. Для обеспечения необходимого уровня раскисленности его содержание должно быть не менее 0,10%, но не более 0,4%, для ограничения количества силикатных включений, ухудшающих ударную вязкость и трещиностойкость.

Легирование стали марганцем в диапазоне 1,20–1,80% позволяет обеспечить оптимальную микроструктуру и требуемый уровень механических характеристик стали. При содержании марганца менее 1,20% снижается прочность и вязкость стали. Содержание марганца более 1,80% чрезмерно упрочняет сталь, ухудшает ее пластичность.

Сера и фосфор являются вредными примесями, ухудшающими механические свойства горячекатаных листов. При содержании фосфора не более 0,015% и серы не более 0,010% их вредное влияние проявляется не значительно.

Хром, никель и медь упрочняют сталь, но при их концентрации более 0,04% каждого снижается пластичность стали (относительное удлинение).

Содержание алюминия в заявленном диапазоне необходимо для минимизации риска образования большого числа алюминатных включений. Алюминий раскисляет сталь и измельчает зерно. При содержании алюминия менее 0,02% его влияние мало, вязкостные свойства стали ухудшаются. Увеличение содержания алюминия более 0,08% приводит к увеличению количества неметаллических включений в стали и снижению прочностных характеристик. При этом снижается ударная вязкость стали за счет дополнительного выделения на границе зерен нитридов алюминия.

Содержание молибдена должно быть не более 0,1%. При более высоком его содержании, происходит изменение микроструктуры проката и возникает эффект избыточного упрочнения, что ухудшает его пластичность, а также повышается себестоимость производства стали.

Ванадий, ниобий и титан, являются сильными карбонитридообразующими элементами. При этом они способствуют получению ячеистой дислокационной микроструктуры стали, обеспечивающей сочетание высоких прочностных характеристик и высокой ударной вязкости. Микролегирование стали добавками титана в пределах 0,005–0,05%, ванадия 0,01–0,1% и ниобия 0,01–0,1% необходимо для ограничения роста аустенитного зерна при нагреве слябов под прокатку, получении мелкозернистой структуры проката и повышения его прочностных характеристик. Превышение верхних границ заявленных диапазонов приводит к наличию крупных карбонитридных включений в стали и снижению ее механических свойств. При содержании ванадия, ниобия и титана менее заявленных значений не происходит требуемого упрочнения стали.

Бор измельчает микроструктуру стали и повышает ее прокаливаемость. Увеличение содержания бора более 0,0015% приводит к снижению ударной вязкости стали.

Азот оказывает негативное влияние на снижение ударной вязкости и повышение порога хладноломкости. В связи с этим содержание азота в стали указанного состава ограничено на уровне 0,01%.

Для производства проката слябы перед прокаткой нагревают до температуры 1180–1300°C. Превышение верхней границы интервала стимулирует аномальный рост зерен аустенита, приводящий к снижению прочностных и вязкостных свойств. При недостижении нижней границы интервала температуры нагрева карбонитриды плохо растворяются в аустените, это оказывает негативное влияние на протекание процессов рекристаллизации, а также снижает прочностные и вязкие свойства.

Черновую прокатку заканчивают при температуре 1050–1130°С. При температуре превышающей 1130°С, в стали происходит рост аустенитного зерна перед чистовой прокаткой, что препятствует получению структуры готового проката гарантирующей весь комплекс механических свойств. Рост аустенитного зерна объясняется собирательной и динамической рекристаллизацией. Температура конца черновой прокатки менее 1050°С приводит к повышенной неоднородности конечной микроструктуры проката и, как следствие, к неравномерности механических свойств проката.

Черновую прокатку осуществляют на толщину подката, равную 2–4 крат готового проката. Это необходимо для обеспечения удовлетворительной проработки структуры проката по толщине и обеспечения оптимальных условий измельчения зерна аустенита в процессе деформации. При меньшей толщине подката (менее 2 толщин готового проката) прокат получается с крупным зерном аустенита, что негативно сказывается на ударной вязкости проката. При толщине подката больше 3 толщин проката ухудшается поперечная разнотолщинность проката.

Чистовая прокатка начинается при температуре от 940 до 1030°С и заканчивается при температуре 820–910°С. Данные температуры выбраны в целях увеличения плотности дефектов кристаллической структуры металла и упорядоченного их распределения (субструктуры), что приводит к множественному образованию ферритных объемов при полиморфном γ→α–превращении и способствует дальнейшему формированию требуемой микроструктуры проката.

После чистовой прокатки прокат, на первом этапе, сначала охлаждают со скоростью 6–10°С/с в течение 20–70 с, а затем, на втором этапе, со скоростью не более 7°С/с до температуры смотки.

При увеличении скорости охлаждения более 10°С/с образуется бейнитная составляющая в структуре стали, что ведёт к значительному увеличению прочности, снижению относительного удлинения и ударной вязкости проката, что в свою очередь негативно влияет на процесс формовки трубы. Охлаждение со скоростью менее 6°С/с ведет к увеличению размера зерна проката, что ведет к снижению его относительного удлинения.

На втором этапе скорость охлаждения должна быть не более 7°С/с для предотвращения образования в стали бейнитной составляющей.

Смотку проката осуществляют при температуре 550–620°С. Температура выше 620°С приведёт к значительному снижению скорости охлаждения и увеличению зерна феррита, что в свою очередь приведёт к снижению прочностных характеристик и неудовлетворительному качеству проката. Снижение температуры смотки ниже 550°С ведет к увеличению скорости охлаждения полосы, что в свою очередь увеличивает риск получения структур закалочного типа и снижению относительного удлинения стали.

Прокат характеризуется баллом неметаллических включений не более 3 по среднему. Обеспечение балла неметаллических включений в стали не более 3 по среднему позволяет добиться улучшения комплекса механических свойств стали: предела прочности, текучести и удлинения.

Пример

Осуществлялась выплавка стали в кислородном конвертере, после внепечной обработки, производилась непрерывная разливка стали в слябы сечением 250×1570 мм. Далее осуществляли нагрев слябов под прокатку до температур 1180–1300°С, затем осуществляли прокатку полос на конечную толщину на непрерывном широкополосном стане. Черновую прокатку заканчивали при температуре 1050–1130°С. Чистовую прокатку осуществляли в интервале температур 820–1030°С. После чистовой прокатки прокат сначала охлаждают, на первом этапе, со скоростью 6–10°С/с в течение 20–70 с, а затем, на втором этапе, со скоростью не более 7°С/с до температуры смотки. Смотку проката производили при температуре 550–620°С. Полученный прокат имел феррито–перлитную структуру.

Согласно заявленного способа было проведено несколько экспериментов. Результаты некоторых из них представлены. Химический состав приведён в таблице 1, технологические параметры приведены в таблице 2, результаты испытаний приведены в таблице 3.

Как видно из результатов экспериментов, прокат произведенный по предложенной технологии обладает требуемыми для спиралешовных труб заявленными механическими свойствами: пределом текучести, пределом прочности, относительным удлинением, работой удара KV при минус 10 градусов не менее 40 Дж/см², отношением предела текучести к пределу прочности, твёрдостью.

Таблица 1

Химический состав проката, мас.%

№ C Si Mn P S Cr Ni Cu Al N Mo V Nb Ti B 1 0,14 0,18 1,5 0,010 0,003 0,036 0,02 0,01 0,02 0,006 0,015 0,033 0,040 0,016 0,0003 2 0,18 0,25 1,65 0,009 0,004 0,024 0,031 0,02 0,04 0,007 0,002 0,038 0,045 0,02 0,0004

Таблица 2

Контролируемые технологические параметры

№ экспери–мента Толщина подката, мм Толщина проката, мм T аустени–зации,
°С Т конца черновой прокатки, °С Т начала чистовой прокатки, °С Т конца чистовой прокатки, °С Скорость ускоренного охлаждения на первом участке, °С Скорость ускоренного охлаждения на втором участке, °С Т смотки, °С Балл неметал–лических включений 1 43 18 1250 1080 1000 850 8 5 600 2,5 2 50 25 1300 1050 980 820 7 4 560 1,5

Таблица 3

Механические свойства проката

№ экспери–мента Предел прочности, Rm, Н/мм² Предел прочности (35 град.), Rm, Н/мм² Предел прочности
(45 град), Rm, Н/мм² Предел текучести, Rt0,5 Н/мм² Предел текучести (35 град.), Rt0,5 Н/мм² Предел текучести (45 град.), Rt0,5 Н/мм² Относительное удлинение, δ⁵, % Работа удара
KV при
–10 ⁰С, Дж/см² σ_т/σ_в,
% Твёрдость, HV 1 610 580 565 450 430 445 34 137 0,74 194 2 660 610 635 500 480 490 33 120 0,76 190

Изобретение относится к области металлургии, а именно к способу производства рулонного проката, используемого для изготовления спиралешовных труб. Выплавляют сталь со следующим химическим составом, мас.%: углерод от более 0,1 до 0,2, кремний 0,1–0,4, марганец 1,2–1,8, сера не более 0,010, фосфор не более 0,015, хром не более 0,04, никель не более 0,04, медь не более 0,04, алюминий 0,02–0,08, молибден не более 0,1, ванадий 0,01–0,1, титан 0,005–0,05, ниобий 0,01–0,1, бор не более 0,0015, азот не более 0,01, железо и неизбежные примеси – остальное. Проводят внепечную обработку стали, ее непрерывную разливку с получением слябов и их аустенизацию при температуре 1180–1300°С. Осуществляют черновую прокатку на толщину подката, равную 2–4 крат готового проката, и заканчивают ее при температуре 1050–1130°С. Чистовую прокатку начинают при температуре от 940 до 1030°С и заканчивают при температуре 820–910°С. Охлаждают прокат сначала со скоростью 6–10°С/с в течение 20–70 с, а затем со скоростью не более 7°С/с до температуры смотки 550–620°С и проводят смотку в рулон. Прокат обладает требуемым уровнем механических свойств, а именно пределом текучести, в том числе под углом 35 и 45 градусов, не менее 415 МПа, пределом прочности, в том числе под углом 35 и 45 градусов, не менее 520 МПа, относительным удлинением, в том числе под углом 35 и 45 градусов, не менее 27%, работой удара KV при минус 10 градусах не менее 40 Дж/см², отношением предела текучести к пределу прочности не более 0,83% и твёрдостью HV10 не более 250. 1 з.п. ф-лы, 3 табл.

1. Способ производства низколегированного рулонного проката, включающий выплавку стали, ее внепечную обработку, непрерывную разливку с получением слябов, их аустенизацию, черновую и чистовую прокатки, охлаждение и смотку проката в рулон, отличающийся тем, что выплавляют сталь со следующим химическим составом, мас.%:

углерод от более 0,1 до 0,2 кремний 0,1–0,4 марганец 1,2–1,8 сера не более 0,010 фосфор не более 0,015 хром не более 0,04 никель не более 0,04 медь не более 0,04 алюминий 0,02–0,08 молибден не более 0,1 ванадий 0,01–0,1 титан 0,005–0,05 ниобий 0,01–0,1 бор не более 0,0015 азот не более 0,01 железо и неизбежные примеси остальное,

при этом аустенизацию слябов проводят при температуре 1180–1300°С, черновую прокатку осуществляют на толщину подката, равную 2–4 крат готового проката, и заканчивают ее при температуре 1050–1130°С, чистовую прокатку начинают при температуре от 940 до 1030°С и заканчивают при температуре 820–910°С, после чего прокат сначала охлаждают со скоростью 6–10°С/с в течение 20–70 с, а затем со скоростью не более 7°С/с до температуры смотки 550–620°С.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что прокат характеризуется баллом неметаллических включений не более 3 по среднему.