Горячекатаный лист из низколегированной стали для сосудов высокого давления и способ его получения Российский патент 2025 года по МПК C21D8/02 C21D9/46 B21B1/38 C22C38/42 C22C38/44 C22C38/46 C22C38/48 C22C38/50 C22C38/54 

Изобретение относится к металлургии, конкретнее к прокатному производству, и может быть использовано при изготовлении листов на реверсивных станах применяемых для изготовления сосудов, работающих под давлением.

Известна конструкционная сталь используемая для изготовления сосудов работающих под давлением и содержащая компоненты в следующем соотношении, мас.%: углерод - 0,12-0,16; марганец - 0,50-0,80; кремний - 0,20-0,40; хром - 1,50-2,00; никель - 1,50-1,80; молибден - 0,20-0,40; ванадий - 0,07-0,12; медь - не более 0,30; железо - остальное [патент RU 2207396, С22С 38/46, 2003].

Недостатком данной стали является то, что прокат имеет высокую себестоимость производства в связи с большими затратами на легирующие материалы.

Известен способ изготовления листов из конструкционной стали согласно которому изготавливают непрерывную литую заготовку из стали, содержащей компоненты при следующем соотношении, мас.%: C 0,04-0,30, Si 0,10-0,50, Mn 0,20-0,90, Cr 1,50-3,00, Ni не более 0,40, Cu не более 0,30, Al не более 0,05, V не более 0,06, Nb не более 0,06, Mo 0,40-1,0, N не более 0,02, S не более 0,02, P не более 0,02, при необходимости B не более 0,005, остальное - железо и неизбежные примеси. Нагревают непрерывную литую заготовку до температуры аустенизации, составляющей 1150-1300°C, проводят горячую прокатку, при этом черновую прокатку заканчивают при температуре 900-1100°C, чистовую прокатку начинают при температуре 800-1050°C и заканчивают при температуре 730-990°C. Осуществляют охлаждение листов на воздухе до температуры не более 50°C, после чего выполняют их термообработку [патент RU 2807789, C21D 8/02, C22C 38/48, C22C 38/46, C22C 38/44, C22C 38/42, 2023].

Недостатком стали, получаемой по указанному способу является то, что она не обладает достаточной хладостойкостью и обладает, в целом, более низким уровнем прочностных характеристик в исходном состоянии (до термообработки).

Задача изобретения - устранение недостатков аналогов за счет получения экономнолегированных горячекатаных листов для сосудов высокого давления с гарантированными механическими свойствами, повышенной хладостойкостью, а также разработка способа их производства, обеспечивающего заданную плоскостность (не более 10 мм/м).

Указанная задача достигается тем, что горячекатаный лист из низколегированной стали для сосудов высокого давления, характеризуется тем, что выполнен из стали, содержащей компоненты при следующем соотношении, мас.%:

Углерод 0,08-0,13 Кремний от 0,10 до менее 0,50 Марганец 0,9-1,3 Сера не более 0,010 Фосфор не более 0,020 Хром 0,05-0,30 Никель 0,01-0,30 Медь 0,05-0,30 Алюминий 0,01-0,08 Ниобий не более 0,06 Ванадий не более 0,06 Титан 0,005 - 0,050 Молибден не более 0,05 Мышьяк не более 0,10 Азот не более 0,008 Олово не более 0,010 Бор не более 0,008 Кальций не более 0,005 Железо Остальное,

при этом углеродный эквивалент стали С_э ≤ 0,43 %, лист имеет феррито-перлитную структуру, с размером зерна феррита не более 10 балла, баллом неметаллических включений не более 2,5 балла по среднему, предел текучести составляет не менее 220 МПа, предел прочности 410 - 560 МПа, относительное удлинение не менее 21 %, ударная вязкость KCV_-46 не менее 34 Дж/см².

Указанная задача достигается также тем, что согласно способу получения горячекатаного листа из низколегированной стали для сосудов высокого давления, производят выплавку стали, ее внепечную обработку, выполняют разливку стали, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод0,08-0,13

Кремний от 0,10 до менее 0,50 Марганец 0,9 - 1,3 Сера не более 0,010 Фосфор не более 0,020 Хром 0,05 - 0,30 Никель 0,01 - 0,30 Медь 0,05 - 0,30 Алюминий 0,01 - 0,08 Ниобий не более 0,06 Ванадий не более 0,06 Титан 0,005-0,050 Молибден не более 0,05 Мышьяк не более 0,10 Азот не более 0,008 Олово не более 0,010 Бор не более 0,008 Кальций не более 0,005 Железо Остальное,

и углеродном эквиваленте стали С_э≤0,43%, на непрерывнолитые заготовки, осуществляют их аустенизацию в печи, томление, черновую прокатку, чистовую прокатку, которую начинают при температуре 890-970 °С и завершают при температуре 840-900 °С, после чего осуществляют охлаждение листов на воздухе.

Общее время томления слябов в методической печи при температуре 1140-1210 °С составляет не менее 60 минут.

Суммарная степень обжатия непрерывнолитых заготовок при чистовой прокатке составляет не менее 92 %.

Промежуточная толщина подката перед чистовой прокаткой составляет 3,0 - 4,0 толщин готового листа.

Чистовую стадию прокатки осуществляют за 5 - 8 проходов.

Охлаждение листов на воздухе осуществляется до температуры не более 150 °С.

После охлаждения листов на воздухе осуществляют их правку в листоправильной машине за не менее чем два прохода.

Сущность изобретения.

Содержание углерода в пределах 0,08-0,13 % в сочетании с целевой микроструктурой проката обеспечивает необходимый уровень механических свойств. Для получения требуемой прочности содержание углерода должно быть не менее 0,08%, при этом его добавка в количестве более 0,13% приводит к ухудшению пластических и вязкостных свойств стали.

Кремний раскисляет и упрочняет сталь, повышает ее упругие свойства. При содержании кремния менее 0,1% прочность стали недостаточна, возникает необходимость применения более дорогостоящего легирования. Увеличение содержания кремния более 0,5% приводит к возрастанию количества силикатных неметаллических включений, что негативно отражается на механических свойствах стали, в частности хладостойкости.

Легирование стали марганцем в диапазоне 0,9-1,30% позволяет обеспечить оптимальную микроструктуру и требуемый уровень механических свойств стали. При содержании марганца менее 0,9% уровень механических свойств стали не достаточен для применения ее в качестве сосудов работающих под давлением. Содержание марганца более 1,3% чрезмерно упрочняет сталь, ухудшает ее пластичность и снижает хладостойкость.

С увеличением содержания серы в стали повышается склонность ее к красноломкости, а так же снижаются механические свойства. В связи с этим содержание серы в стали не должно превышать 0,010%.

Фосфор увеличивает склонность стали к образованию крупнозернистой структуры при нагреве и повышает её хрупкость. В связи с этим содержание фосфора в металле не должно превышать 0,01%.

Содержание хрома, никеля и меди ограничено не более 0,30% каждого, так как это является допустимым содержанием, которое не приводит к снижению пластичности стали. Содержание указанных элементов менее нижних значений не позволяет обеспечить требуемый уровень механических свойств стали, в частности хладостойкости.

Алюминий раскисляет сталь и измельчает зерно. При содержании алюминия менее 0,01% его влияние мало, вязкостные свойства стали ухудшаются. Увеличение содержания алюминия более 0,08% приводит к увеличению количества неметаллических включений в стали и снижению ее прочностных характеристик. При этом снижается ударная вязкость стали за счет дополнительного выделения на границе зерен нитридов алюминия.

Введение молибдена, ниобия и ванадия в сталь способствует формированию мелкозернистой структуры, что повышает вязкость и прочность стали. Увеличение их содержания более заявляемых диапазонов не приводит к дальнейшему улучшению механических свойств стали, а лишь повышает затраты на легирующие материалы.

Титан измельчает зерно за счет образования упрочняющих частиц, что ведет к повышению прочностных характеристик стали. При содержании титана менее 0,005% снижается прочность стали. Увеличение содержания титана более 0,05% может приводит к снижению пластичности стали.

При содержании мышьяка более 0,1% наблюдается снижение ударной вязкости и пластичности стали, особенно при отрицательных температурах.

Азот упрочняет сталь, но если его количество превышает 0,008%, сталь становится склонной к хрупкому разрушению.

При повышении содержания олова более 0,010%, происходит снижение вязко-пластических характеристик стали, поэтому его количество должно быть ограничено.

Бор влияет на прокаливаемость проката, при его содержании более 0,008% может происходить скачкообразное изменение микроструктуры, что снижает прочностные свойства стали.

Для предложенного химического состава ограничено значение углеродного эквивалента не более 0,43%, которое позволяет гарантировать свариваемость готовых листов.

Углеродный эквивалент рассчитывается по следующей формуле:

С_э = С+Mn/6+Si/24+Cr/5+Ni/40+Cu/13+V/14+P/2

Величина зерна оказывает значительное влияние на вязкость стали. Чем меньше зерно, тем выше значение ударной вязкости. Размер зерна феррита не крупнее 10 балла позволяет обеспечить требуемые свойства стали. Размер зерна феррита определялся на основании ГОСТ 5639-82 СТАЛИ И СПЛАВЫ. Методы выявления и определения величины зерна.

Обеспечение среднего балла неметаллических включений в стали не более 2,5 по среднему позволяет добиться улучшения комплекса механических свойств стали: пределов прочности, текучести, вязкости и удлинения. Балл неметаллических включений определяется на основании ГОСТ 1778-22 Металлопродукция из сталей и сплавов. Металлографические методы определения неметаллических включений.

Во время внепечной обработки осуществляют продувку стали инертным газом в течение не менее 8,0 минут с суммарным расходом не менее 2,0 м³. Продувка металла инертным газом в течение менее 8,0 минут и с суммарным расходом менее 2,0 м³ не обеспечивает его усреднение по химическому составу, температуре и не позволяет провести в достаточной степени удаление из стали неметаллических включений в шлак, что в дальнейшем приводит к снижению механических свойств стали.

Температура томления находится в диапазоне 1140-1210 °С, что обеспечивает эффективное растворение легирующих элементов, при этом необходимое время томления составляет не менее 60 минут. При меньшем времени наблюдается неравномерный нагрев слябов под прокатку.

Начало чистовой прокатки проводят при температуре 890 - 970 °С, а завершают при температуре 840 - 900 °C. Температура начала чистовой прокатки в данном диапазоне необходима для более интенсивного измельчения зерна аустенита. При температуре начала чистовой прокатки более 970°С и конца чистовой прокатки более 900 °С происходит рост аустенитных зерен, что снижает комплекс механических свойств стали (проката). При температурах начала и конца чистовой прокатки ниже 890 °С и 900 °С, соответственно, происходит «подстуживание» раската, что приводит к неравномерной микроструктуре проката и высокой анизотропии свойств.

Для обеспечения удовлетворительной проработки структуры листов по толщине с учетом высокой температуры конца прокатки необходимо обеспечить толщину промежуточного подстуживания не менее 3-4 толщин готового листа.

Суммарная степень обжатия и количество проходов в чистовой стадии прокатки определяют степень проработки структуры. При суммарном обжатии менее 92% и количестве проходов более 8, снижается стабильность получения и уровень ударной вязкости стали. При количестве проходов менее 5 значительно возрастают энергосиловые параметры прокатки.

Охлаждение листов на воздухе осуществляется до температуры не более 150 °С, после чего, при необходимости, могут производить их правку за не менее чем два прохода прохода в листоправильной машине. При температуре охлаждения на воздухе до более 150 °С наблюдается повторное коробление листов после правки.

Пример.

Заявленное изобретение поясняется примерами его реализации в производстве ПАО «Северсталь». В условиях конвертерного производства Череповецкого металлургического комбината ПАО «Северсталь» был произведен ряд опытных плавок с заявленным химическим составом. Химический состав некоторых из них приведен в таблице 1. Прокатку слябов осуществляли в листопрокатном цехе 1. Контролируемые параметры производства приведены в таблице 2. В таблице 3 указаны свойства полученного металлопроката.

Как видно из результатов экспериментов, прокат произведенный по предложенной технологии характеризуется высоким уровнем механических свойств, повышенной хладостойкостью и плоскостностью, что позволяет его применять для производства сосудов работающих под давлением.

Таблица 1

Химический состав проката

№
эксперимента C Mn Si S P Cr Ni Cu Al Nb Са Ti Mo As В N₂ Sn 1 0,09 1,10 0,27 0,005 0,010 0,21 0,19 0,08 0,04 0,011 0,0005 0,012 0,008 0,008 0,0005 0,008 0,008 2 0,11 1,11 0,32 0,006 0,010 0,16 0,21 0,14 0,05 0,009 0,0007 0,021 0,017 0,009 0,001 0,007 0,005 3 0,10 1,24 0,19 0,005 0,009 0,09 0,24 0,19 0,05 0,022 0,002 0,024 0,015 0,008 0,0008 0,007 0,004

Таблица 2

Контролируемые технологические параметры

№
эксперимента Продолжительность продувки инертным газом, мин Суммарный расход инертного газа, м³ Температура томления, °С Время томления, мин Т начала чистовой прокатки, °С Т конца чистовой прокатки, °С Суммарная степень обжатия, % Толщина промежуточного подката / толщина готового листа Количество проходов чистовой стадии Температура конца охлаждения листов на воздухе,
°С Количество проходов для правки Размер (номер) зерна феррита, балл Неметаллические включения, балл 1 10,5 4,5 1190 75 910 845 94 3,1 7 130 3 12 2,0 2 12,0 5,0 1170 65 960 870 95 3,4 6 100 2 11 2,0 3 13,0 6,0 1170 67 940 860 95 3,5 7 110 3 12 1,5

Таблица 3

Свойства получаемого металлопроката

№ эксперимента Предел текучести, σ_т, Н/мм² Предел прочности, σ_в, Н/мм² Относительное удлинение, δ₅, % Ударная вязкость KCV при минус 46°С, Дж/см² Плоскостность,
мм/м 1 380 500 32 150 8 2 420 530 28 202 8 3 445 550 25 270 6

Изобретение относится к металлургии, а именно к изготовлению листов на реверсивных станах, применяемых для изготовления сосудов, работающих под давлением. Горячекатаный лист из низколегированной стали для сосудов высокого давления, который выполнен из стали, содержащей, мас.%: углерод 0,08-0,13, кремний от 0,10 до менее 0,50, марганец 0,9-1,3, сера не более 0,010, фосфор не более 0,020, хром 0,05-0,30, никель 0,01-0,30, медь 0,05-0,30, алюминий 0,01-0,08, ниобий не более 0,06, ванадий не более 0,06, титан 0,005-0,050, молибден не более 0,05, мышьяк не более 0,10, азот не более 0,008, олово не более 0,010, бор не более 0,008, кальций не более 0,005, железо остальное, при этом углеродный эквивалент стали С_э≤0,43%. Способ получения горячекатаного листа из низколегированной стали для сосудов высокого давления включает выплавку стали, ее внепечную обработку, разливку стали в непрерывнолитые заготовки, осуществляют их аустенизацию в печи, томление, черновую прокатку, чистовую прокатку, которую начинают при температуре 890-970°С и завершают при температуре 840-900°С, после чего осуществляют охлаждение листов на воздухе. Лист имеет феррито-перлитную структуру, с размером зерна феррита не более 10 балла, баллом неметаллических включений не более 2,5 балла по среднему, предел текучести составляет не менее 220 МПа, предел прочности 410-560 МПа, относительное удлинение не менее 21%, ударная вязкость KCV_-46 не менее 34 Дж/см². 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 3 табл., 1 пр.

1. Горячекатаный лист из низколегированной стали для сосудов высокого давления, характеризующийся тем, что он выполнен из стали, содержащей компоненты при следующем соотношении, мас.%:

Углерод 0,08-0,13 Кремний от 0,10 до менее 0,50 Марганец 0,9-1,3 Сера не более 0,010 Фосфор не более 0,020 Хром 0,05-0,30 Никель 0,01-0,30 Медь 0,05-0,30 Алюминий 0,01-0,08 Ниобий не более 0,06 Ванадий не более 0,06 Титан 0,005-0,050 Молибден не более 0,05 Мышьяк не более 0,10 Азот не более 0,008 Олово не более 0,010 Бор не более 0,008 Кальций не более 0,005 Железо Остальное,

при этом углеродный эквивалент стали С_э≤0,43%, лист имеет феррито-перлитную структуру, с размером зерна феррита не более 10 балла, баллом неметаллических включений не более 2,5 балла по среднему, предел текучести составляет не менее 220 МПа, предел прочности 410-560 МПа, относительное удлинение не менее 21%, ударная вязкость KCV_-46 не менее 34 Дж/см².

2. Способ получения горячекатаного листа из низколегированной стали для сосудов высокого давления, характеризующийся тем, что производят выплавку стали, ее внепечную обработку, выполняют разливку стали при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод 0,08-0,13 Кремний от 0,10 до менее 0,50 Марганец 0,9-1,3 Сера не более 0,010 Фосфор не более 0,020 Хром 0,05-0,30 Никель 0,01-0,30 Медь 0,05-0,30 Алюминий 0,01-0,08 Ниобий не более 0,06 Ванадий не более 0,06 Титан 0,005-0,050 Молибден не более 0,05 Мышьяк не более 0,10 Азот не более 0,008 Олово не более 0,010 Бор не более 0,008 Кальций не более 0,005 Железо Остальное,

и углеродном эквиваленте стали С_э≤0,43%, на непрерывнолитые заготовки, осуществляют их аустенизацию в печи, томление, черновую прокатку, чистовую прокатку, которую начинают при температуре 890-970°С и завершают при температуре 840-900°С, после чего осуществляют охлаждение листов на воздухе.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что общее время томления непрерывнолитых заготовок в методической печи при температуре 1140-1210°С составляет не менее 60 минут.

4. Способ по п. 2, отличающийся тем, что суммарная степень обжатия непрерывнолитых заготовок при чистовой прокатке составляет не менее 92%.

5. Способ по п. 2, отличающийся тем, что промежуточная толщина подката перед чистовой прокаткой составляет 3,0-4,0 толщин готового листа.

6. Способ по п. 2, отличающийся тем, что чистовую прокатку осуществляют за 5-8 проходов.

7. Способ по п. 2, отличающийся тем, что охлаждение листов на воздухе осуществляют до температуры не более 150°С.

8. Способ по п. 2, отличающийся тем, что после охлаждения листов на воздухе осуществляют их правку в листоправильной машине за не менее чем два прохода.