Биметаллический стальной рулонный прокат толщиной 2-30 мм и биметаллическая прямошовная труба среднего или малого диаметра, сделанная из него Российский патент 2025 года по МПК B32B15/01 B32B15/18 C22C38/58 C22C38/54 C22C38/50 C22C38/48 C22C38/46 C22C38/44 C22C38/42 C21D8/02 C21D8/10 B23K20/04 

Изобретение относится к области металлургии, конкретнее к производству двухслойного стального рулонного проката толщиной 2 - 30 мм, состоящего из основного слоя из углеродистой, низколегированной или легированной стали и наплавленного слоя из коррозионно-стойкой стали и предназначенного для изготовления прямошовных труб среднего и малого диаметров (до 426 мм).

Известен способ изготовления двухслойных горячекатаных листов состоящих из основного слоя из углеродистой, низколегированной или легированной стали и наплавленного слоя из коррозионно-стойкой стали, предназначенных для изготовления оборудования нефтеперерабатывающей, химической промышленности, а также других отраслей промышленности [патент RU 2255848, B23K 20/04, C21D 8/02, 2005].

Недостатком данного способа и в последствии получаемых биметаллических листов является то, что они не предназначены для изготовления прямошовных труб среднего и малого диаметров.

Известен двухслойный стальной прокат, в котором сталь основного слоя содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%: углерод 0,09-0,14, кремний 0,20-0,40, марганец 0,30-0,90, хром 0,80-1,10, никель 2,35-3,40, медь 0,30-0,90, молибден 0,16-0,32, ванадий 0,02-0,05, алюминий 0,02-0,06, кальций 0,005-0,040, железо и неизбежные примеси - остальное, а коррозионно-стойкая сталь плакирующего слоя содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%: углерод 0,01-0,05, кремний 0,3-0,5, марганец 10,0-12,0, хром 18,5-20,5, никель 5,5-7,2, азот 0,30-0,50, молибден 1,3-1,8, ванадий 0,10-0,20, ниобий 0,07-0,15, рений 0,01-0,05, железо и неизбежные примеси - остальное [патент RU 2487959, C22C 38/58, C22C 38/46, B32B 15/01, B32B 15/18, 2013].

Недостатком данного двухслойного стального проката является то, что его свойства, также, не позволяют изготавливать из него прямошовные трубы среднего и малого диаметров.

Известен способ изготовления стальных двухслойных горячекатаных листов, состоящих из основного слоя, выполненного из углеродистой, низколегированной или легированной стали, и плакирующего слоя, выполненного из коррозионно-стойкой стали, предназначенных для изготовления труб большого диаметра или других отраслей промышленности [патент RU 2714150, C21D 8/04, B23K 20/04, C21D 9/48, 2020].

Недостатком вышеуказанного технического решения является то, что нет информации о достигаемых механических свойствах листов, а также то, что ударная вязкость регламентируется только для температуры -20°С.

Технической задачей изобретения является получение двухслойного стального рулонного проката толщиной 2 - 30 мм и изделия из него в виде биметаллической прямошовной трубы, обладающей высоким комплексом потребительских свойств.

Указанная техническая задача достигается тем, что биметаллический стальной рулонный прокат толщиной 2 - 30 мм, согласно изобретению состоит из основного и плакирующего слоя, при этом сталь основного слоя содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%:

Углерод 0,04-0,25;

Кремний 0,05-1,0;

Марганец 0,2-2,0;

Сера не более 0,020;

Фосфор не более 0,025;

Хром 0,01-2,5;

Никель 0,001-0,5;

Медь 0,001-0,9;

Алюминий 0,01-0,10;

Молибден 0,001-1,00;

Ванадий не более 0,15;

Титан не более 0,15;

Ниобий не более 0,15;

Азот не более 0,01;

один или несколько элементов из группы:

Кальций не более 0,005;

Бор не более 0,005;

Вольфрам не более 0,015

Железо и неизбежные примеси - остальное,

и характеризуется следующими свойствами:

Ударная вязкость при -60° не менее 39 Дж/см²;

Предел текучести не менее 200 МПа;

Предел прочности не менее 330 МПа;

Относительное удлинение не менее 19%

сталь плакирующего слоя содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%:

Углерод не более 0,15;

Кремний не более 1,0;

Марганец не более 1,0;

Сера не более 0,025;

Фосфор не более 0,025;

Хром 10,0-15,0;

Никель не более 0,6;

Медь не более 0,3;

Алюминий 0,01-0,15;

Молибден не более 0,30;

Ванадий не более 0,2;

Титан не более 0,15;

Ниобий не более 0,15;

Азот не более 0,01;

Кальций не более 0,005;

Бор не более 0,005;

Железо и неизбежные примеси - остальное, и характеризуется твердостью 100 - 400HB, при этом, прочность сцепления основного и плакирующего слоев составляет не менее 350 МПа, а толщина плакирующего слоя составляет 10 - 50 % от общей толщины проката.

Также технический результат достигается тем, что биметаллическая прямошовная труба с толщиной стенки 2 - 30 мм, согласно изобретению состоит из основного и плакирующего слоя, при этом сталь основного слоя содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%:

Углерод 0,04-0,25;

Кремний 0,05-1,0;

Марганец 0,2-2,0;

Сера не более 0,020;

Фосфор не более 0,025;

Хром 0,01-2,5;

Никель 0,001-0,5;

Медь 0,001-0,9;

Алюминий 0,01-0,10;

Молибден 0,001-1,00;

Ванадий не более 0,15;

Титан не более 0,15;

Ниобий не более 0,15;

Азот не более 0,01;

один или несколько элементов из группы:

Кальций не более 0,005;

Бор не более 0,005;

Вольфрам не более 0,015

Железо и неизбежные примеси - остальное,

и характеризуется следующими свойствами:

Ударная вязкость при -60° не менее 39 Дж/см²;

Предел текучести не менее 200 МПа;

Предел прочности не менее 330 МПа;

Относительное удлинение не менее 19%

сталь плакирующего слоя содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%:

Углерод не более 0,15;

Кремний не более 1,0;

Марганец не более 1,0;

Сера не более 0,025;

Фосфор не более 0,025;

Хром 10,0-15,0;

Никель не более 0,6;

Медь не более 0,3;

Алюминий 0,01-0,15;

Молибден не более 0,30;

Ванадий не более 0,2;

Титан не более 0,15;

Ниобий не более 0,15;

Азот не более 0,01;

Кальций не более 0,005;

Бор не более 0,005;

Железо и неизбежные примеси - остальное,

и характеризуется твердостью 100 - 400HB,

при этом, прочность сцепления основного и плакирующего слоев составляет не менее 350 МПа, толщина плакирующего слоя составляет 10 - 50 % от общей толщины проката, а сварной шов характеризуется ударной вязкостью при -60° не менее 39 Дж/см².

Сущность изобретения.

Заданный химический состав основного и плакирующего слоев обеспечивает требуемый комплекс механических свойств проката и изготовленных из них, соответственно, прямошовных труб, характеризующихся повышенной коррозионной стойкостью.

Сталь основного слоя характеризуется следующими свойствами:

Ударная вязкость при -60° не менее 39 Дж/см²;

Предел текучести не менее 200 МПа;

Предел прочности не менее 330 МПа;

Относительное удлинение не менее 19%.

Сталь плакирующего слоя характеризуется твердостью 100 - 400HB, а также повышенной коррозионной стойкостью, обеспечиваемой химическим составом стали и зависящей от транспортируемой среды.

Сталь основного слоя.

Для получения требуемой прочности содержание углерода в стали должно быть не менее 0,04%, при этом его добавка в количестве более 0,25% приводит к ухудшению пластических свойств стали и снижению свариваемости стали.

Добавка кремния необходима для раскисления стали и повышения ее прочности. Для обеспечения необходимого уровня раскисленности его содержание должно быть не менее 0,05%. При содержании кремния в количестве более 1,0% ухудшается ударная вязкость и трещиностойкость стали.

Марганец упрочняет сталь. При содержании марганца менее 0,2% прочностные свойства стали будут ниже требуемого уровня, а увеличение его содержания более 2,0% резко понижает пластичности стали.

Сера и фосфор являются вредными примесями, поэтому обозначенные значения содержания серы не более 0,020% и фосфора не более 0,025% необходимы для получения высоких значений ударной вязкости при низких температурах.

Комплексное легирование хромом, медью и никелем в заявленных диапазонах способствуют повышению прочностных характеристик, коррозионной стойкости и хладостойкости стали.

Хром увеличивает прочность, износостойкость и коррозионную стойкость стали.

Никель увеличивает ударную вязкость и прокаливаемость стали.

Введение меди приводит к образованию по поверхности проката (полос) защитной пленки, которая препятствует проникновению в сталь водорода, за счет чего возрастает стойкость проката к водородному охрупчиванию.

Алюминий раскисляет и модифицирует сталь, связывает азот в нитриды. Для снижения содержания кислорода в расплавленной стали необходимо добавлять не менее 0,01% алюминия. При его содержании более 0,10% снижаются вязкопластические свойства стали.

Введение молибдена, ниобия, ванадия и титана в сталь способствует формированию мелкозернистой структуры, что повышает вязкость и прочность стали.

Содержание молибдена в стали должно быть не менее 0,001%

Увеличение содержания молибдена, ниобия, ванадия и титана более заявляемых диапазонов не приводит к дальнейшему повышению механических свойств стали, а лишь увеличивает затраты на легирующие материалы.

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

Кальций является элементом применяемым для регулирования формы сульфидов. Он способствует трансформации неметаллических включений, превращению твердых алюминатов в легкоплавкие алюминаты кальция глобулярной формы. С другой стороны, для снижения количества оксидов, верхнюю границу содержания кальция устанавливают не более 0,005%.

Бор измельчает микроструктуру стали и повышает ее прокаливаемость. Увеличение содержания бора более 0,005 % приводит к снижению ударной вязкости стали.

Вольфрам является карбонитридообразующим элементом и способствуют получению мелкодисперсной зеренной структуры стали. Содержание вольфрама до 0,015% определяется обеспечением требуемого уровня пластичности и вязкости проката.

Сталь плакирующего слоя.

Углерод в стали предложенного состава определяет ее прочность и твердость. Увеличение содержания углерода сверх 0,15% приводит к возрастанию уровня карбидной неоднородности, что ухудшает механические свойства стали.

Кремний раскисляет и упрочняет сталь. Увеличение содержания кремния более 1,0% приводит к потере пластичности.

Легирование стали марганцем позволяет обеспечить оптимальную микроструктуру и требуемый уровень механических характеристик стали (прочность и вязкость стали при отрицательных температурах). Содержание марганца более 1,0% чрезмерно упрочняет сталь, ухудшает ее пластичность.

Сера и фосфор являются вредными примесями, поэтому обозначенные значения содержания серы не более 0,025% и фосфора не более 0,025% необходимы для получения высоких значений ударной вязкости при низких температурах.

Хром придает стали коррозионную стойкость, прочность и износостойкость. При содержании хрома менее 10,0% требуемый комплекс свойств не будет достигнут, а при содержании хрома более 15,0% значительно повышается себестоимость производства стали без значительного увеличения ее потребительских свойств.

Никель увеличивает коррозионную стойкость, ударную вязкость и прокаливаемость стали, но содержание его в количестве более 0,6% экономически не целесообразно.

Медь повышает коррозионную стойкость стали, но при увеличении ее содержания более 0,60% повышается вероятность образования «холодных» трещин, что отрицательно влияет на свариваемость.

При содержании алюминия менее 0,01 % сталь является недостаточно раскисленной, что приводит к ее охрупчиванию. При содержании алюминия более 0,15 % увеличивается количество неметаллических включений в стали, что ведет к снижению ее пластичности.

Молибден сдерживает рост зерна в процессе кристаллизации и тем самым обеспечивает мелкозернистую однородную структуру. При содержании молибдена до 0,3% обеспечивается требуемый комплекс механических свойств стали. Повышение содержания молибдена выше 0,3% экономически не целесообразно.

Введение ванадия, ниобия и титана в сталь в заявленных диапазонах способствует формированию мелкозернистой структуры, что обеспечивает сочетание высоких прочностных и пластических свойств.

Азот упрочняет сталь, но если его количество превышает 0,010%, сталь становится склонной к разрушению.

Кальций вводят для модификации неметаллических включений на основе оксидов алюминия и магния. Содержание кальция выше 0,005% приведет к образованию большого количества включений - алюминатов кальция, что отрицательно сказывается на хладостойкости.

Бор измельчает микроструктуру стали и повышает ее прокаливаемость. Увеличение содержания бора более 0,005 % приводит к снижению ударной вязкости стали.

Заявленная прочность сцепления основного и плакирующего слоев позволяет осуществлять формирование и дальнейшую эксплуатацию трубы без нарушения сплошности между слоями.

Сварной шов характеризуется ударной вязкостью при -60° не менее 29 Дж/см², что позволяет эксплуатировать трубы в условиях северных районов, например, на нефтегазовых месторождениях.

Пример.

В кислородном конвертере производили выплавку стали. Затем, осуществляли ее внепечную обработку и разливку на непрерывнолитые заготовки (слябы). Непрерывнолитые заготовки подвергали зачистке на зачистных станках для удаления окалины и после этого передавали на участок электрошлаковой наплавки. Наплавка производилась расходуемыми электродами под флюсом. После наплавки и остывания наплавленного сляба осуществляли зачистку его поверхности. Наплавленные слябы подвергали горячей прокатке на непрерывном широкополосном стане «2000» ПАО «Северсталь» в полосы. Горячекатаные полосы подрезали и далее выполняли их формовку и сварку в трубы среднего и малого диаметра. После этого производили термообработку (при необходимости), ультразвуковой контроль сварного соединения и порезку труб в необходимый размер.

Химический состав рулонного проката приведен в таблице 1.

В таблице 2 представлены механические свойства рулонного проката (полос) из которых в последующем были изготовлены прямошовные трубы, а также свойства сварных швов.

Как можно видеть из таблицы 2, прокат по заявленному изобретению обладает повышенным комплексом механических свойств, что позволило изготовить из него прямошовные трубы разной толщины, обладающими высоким комплексом эксплуатационных свойств.

Таблица 1

Химический состав основного слоя

№ примера Толщина слоев, мм Слой Содержание химических элементов, мас. % C Si Mn S P Cr Ni Cu Al Ti Nb V N Mo В Ca W 1 5 основной 0,15 0,25 0,54 0,007 0,011 0,55 0,01 0,01 0,048 0,004 0,001 0,055 0,0037 0,15 - 0,0033 0,001 1 плакир. 0,064 0,13 0,23 0,003 0,01 13,1 0,012 0,002 0,01 0,001 0,002 0,020 0,004 0,003 0,0001 0,0002 - 2 9 основной 0,09 0,54 1,42 0,008 0,011 0,027 0,016 0,014 0,038 0,01 0,003 0,001 0,004 0,001 0,001 0,0027 - 3 плакир. 0,057 0,026 0,31 0,002 0,009 12,5 0,019 0,010 0,017 0,003 0,001 0,001 0,0048 0,004 0,0001 0,0003 - 3 20 основной 0,20 0,19 0,37 0,01 0,01 0,03 0,02 0,01 0,043 0,005 0,001 0,002 0,007 0,011 0,0004 0,003 - 5 плакир. 0,071 0,041 0,27 0,003 0,011 13,8 0,011 0,012 0,015 0,003 0,004 0,004 0,0054 0,011 0,0003 0,001 - 4 9 основной 0,14 0,16 1,68 0,003 0,006 1,8 0,31 0,44 0,05 0,001 0,091 0,005 0,008 0,78 - - 0,009 3 плакир. 0,061 0,73 0,84 0,005 0,009 12,8 0,54 0,18 0,04 0,006 0,012 0,022 0,005 0,19 0,001 0,0005 -

Таблица 2

Контролируемые параметры полос

№ примера Слой Предел прочности, МПа Предел текучести, МПа Относительное удлинение, % Ударная вязкость, Дж/см² Твердость, НВ Прочность сцепления слоев, МПа Ударная вязкость сварного шва при температуре -60°С, Дж/см² 1 основной 590 401 26 227 - 389 59 плакир. - - - - 360 2 основной 497 342 24 201 - 437 56 плакир. - - - - 332 3 основной 520 310 22 203 - 424 64 плакир. - - - - 347 4 основной 601 416 20 234 - 436 69 плакир. - - - - 323

Изобретение относится к области металлургии, а именно к производству двухслойного стального рулонного проката толщиной 2-30 мм, предназначенного для изготовления прямошовных труб среднего и малого диаметров (до 426 мм). Биметаллический прокат состоит из основного слоя из углеродистой, низколегированной или легированной стали и плакирующего слоя из коррозионно-стойкой стали. Сталь основного слоя содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%: углерод 0,04-0,25, кремний 0,05-1,0, марганец 0,2-2,0, сера не более 0,020, фосфор не более 0,025, хром 0,01-2,5, никель 0,001-0,5, медь 0,001-0,9, алюминий 0,01-0,10, молибден 0,001-1,00, ванадий не более 0,15, титан не более 0,15, ниобий не более 0,15, азот не более 0,01, по меньшей мере один элемент из группы: кальций не более 0,005, бор не более 0,005 и вольфрам не более 0,015, остальное - железо и неизбежные примеси. Сталь основного слоя имеет ударную вязкость при -60° не менее 39 Дж/см², предел текучести не менее 200 МПа, предел прочности не менее 330 МПа и относительное удлинение не менее 19%. Сталь плакирующего слоя содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%: углерод не более 0,15, кремний не более 1,0, марганец не более 1,0, сера не более 0,025, фосфор не более 0,025, хром 10,0-15,0, никель не более 0,6, медь не более 0,3, алюминий 0,01-0,15, молибден не более 0,30, ванадий не более 0,2, титан не более 0,15, ниобий не более 0,15, азот не более 0,01, кальций не более 0,005, бор не более 0,005, остальное - железо и неизбежные примеси. Сталь плакирующего слоя имеет твердость 100-400HB. Прочность сцепления основного и плакирующего слоев составляет не менее 350 МПа, а толщина плакирующего слоя составляет 10-30 % от общей толщины проката. Прокат обладает высоким комплексом механических свойств и высокой коррозионной стойкостью. 2 н.п. ф-лы, 2 табл., 1 пр.

1. Биметаллический стальной рулонный прокат толщиной 2-30 мм, характеризующийся тем, что состоит из основного и плакирующего слоев, при этом сталь основного слоя содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%:

Углерод 0,04-0,25 Кремний 0,05-1,0 Марганец 0,2-2,0 Сера не более 0,020 Фосфор не более 0,025 Хром 0,01-2,5 Никель 0,001-0,5 Медь 0,001-0,9 Алюминий 0,01-0,10 Молибден 0,001-1,00 Ванадий не более 0,15 Титан не более 0,15 Ниобий не более 0,15 Азот не более 0,01,

один или несколько элементов из группы:

Кальций не более 0,005 Бор не более 0,005 Вольфрам не более 0,015 Железо и неизбежные примеси остальное,

и характеризуется следующими свойствами:

Ударная вязкость при -60° не менее 39 Дж/см² Предел текучести не менее 200 МПа Предел прочности не менее 330 МПа Относительное удлинение не менее 19%,

сталь плакирующего слоя содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%:

Углерод не более 0,15 Кремний не более 1,0 Марганец не более 1,0 Сера не более 0,025 Фосфор не более 0,025 не более 0,025 Хром 10,0-15,0 Никель не более 0,6 Медь не более 0,3 Алюминий 0,01-0,15 Молибден не более 0,30 Ванадий не более 0,2 Титан не более 0,15 Ниобий не более 0,15 не более 0,15 Азот не более 0,01 Кальций не более 0,005 Бор не более 0,005 Железо и неизбежные примеси остальное,

и характеризуется твердостью 100-400HB,

при этом прочность сцепления основного и плакирующего слоев составляет не менее 350 МПа, а толщина плакирующего слоя составляет 10-30 % от общей толщины проката.

2. Биметаллическая прямошовная труба с толщиной стенки 2-30 мм, характеризующаяся тем, что состоит из основного и плакирующего слоев, при этом сталь основного слоя содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%:

Углерод 0,04-0,25 Кремний 0,05-1,0 Марганец 0,2-2,0 Сера не более 0,020 Фосфор не более 0,025 Хром 0,01-2,5 Никель 0,001-0,5 Медь 0,001-0,9 Алюминий 0,01-0,10 Молибден 0,001-1,00 Ванадий не более 0,15 Титан не более 0,15 Ниобий не более 0,15 Азот не более 0,01,

один или несколько элементов из группы:

Кальций не более 0,005 Бор не более 0,005 Вольфрам не более 0,015 Железо и неизбежные примеси остальное,

и характеризуется следующими свойствами:

Ударная вязкость при -60° не менее 39 Дж/см² Предел текучести не менее 200 МПа Предел прочности не менее 330 МПа Относительное удлинение не менее 19%,

сталь плакирующего слоя содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%:

Углерод не более 0,15 Кремний не более 1,0 Марганец не более 1,0 Сера не более 0,025 Фосфор не более 0,025 Хром 10,0-15,0 Никель не более 0,6 Медь не более 0,3 Алюминий 0,01-0,15 Молибден не более 0,30 Ванадий не более 0,2 Титан не более 0,15 Ниобий не более 0,15 Азот не более 0,01 Кальций не более 0,005 Бор не более 0,005 Железо и неизбежные примеси остальное,

и характеризуется твердостью 100-400HB,

при этом прочность сцепления основного и плакирующего слоев составляет не менее 350 МПа, толщина плакирующего слоя составляет 10-50 % от общей толщины проката, а сварной шов характеризуется ударной вязкостью при -60° не менее 39 Дж/см².