Трубная заготовка из низкоуглеродистой теплостойкой стали

Изобретение относится к области металлургии, в частности к производству трубной заготовки диаметром от 80 до 180 мм. Для обеспечения благоприятного соотношения прочности, пластичности и вязкости, минимального уровня анизотропии механических свойств, а также повышенных характеристиках свариваемости и пониженной склонности к отпускной хрупкости трубная заготовка получена из стали, содержащей компоненты, мас.%: углерод 0,08-0,15, марганец 0,40-0,70, кремний 0,40-0,70, хром 1,60-1,90, ванадий 0,20-0,35, бор 0,0002-0,005, молибден 0,50-0,70, никель 0,005-0,25, титан 0,001-0,03, алюминий 0,01-0,06, сера 0,005-0,025, фосфор 0,005-0,025, азот 0,005-0,010, мышьяк 0,0001-0,03, олово 0,0001-0,02, свинец 0,0001-0,01, цинк 0,0001-0,005, железо и неизбежные примеси - остальное, при выполнении соотношений: N/(Ti+0,5×A1+10×B)≤0,21, (As+Sn+Pb+5Zn)≤0,07. В качестве примесей сталь содержит (мас.%): ниобий не более 0,02 и медь не более 0,30. Заготовка непрерывнолитая, горячекатаная, имеет пластинчатую феррито-перлитную структуру, размер действительного зерна 6-9 баллов. По макроструктуре - центральная пористость, точечная неоднородность, ликвационный квадрат, подусадочная ликвация не более 3 баллов по каждому виду, ликвационные полоски - не более 2 баллов. По неметаллическим включениям: сульфиды, оксиды точечные, оксиды строчечные, силикаты хрупкие, силикаты пластичные, силикаты недеформированные не более 4,0 баллов по каждому виду включений, временное сопротивление разрыву не менее 490-690 Н/мм², предел текучести не менее 275 Н/мм², относительное удлинение не менее 21%. 1 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к производству трубной заготовки диаметром от 80 до 180 мм из низкоуглеродистой теплостойкой стали.

Известна сталь для изготовления трубной заготовки, содержащая углерод, марганец, кремний, хром, алюминий, фосфор, титан, церий, сурьму, железо - остальное (SU 899705, С22С 38/60, 23.01.1982).

Известна сталь для изготовления трубной заготовки, содержащая углерод, марганец, кремний, молибден, ванадий, хром, алюминий, азот, серу, фосфор, цинк, свинец, олово, висмут, сурьму, железо - остальное (SU 1754790 А1, С22С 38/60, 15.08.1992).

Известна трубная заготовка из низкоуглеродистой теплостойкой стали, содержащей углерод, марганец, кремний, хром, никель, ванадий, ниобий, титан, алюминий, кальций, серу, фосфор, азот, медь, сурьму, олово, мышьяк, молибден, железо - остальное, горячекатаная (RU 2252972 C1, C21D 9/08, 27.05.2005).

Важнейшим требованием, предъявляемым к трубной заготовке, является, с одной стороны, обеспечение однородности микро- и макроструктуры, низкого содержания неметаллических включений, с другой стороны, обеспечение повышенного комплекса потребительских свойств.

Задачей изобретения является обеспечение повышенного уровня потребительских свойств при обеспечении благоприятного соотношения прочности, пластичности и вязкости, минимальном уровне анизотропии механических свойств, низкого содержания неметаллических включений, однородной макро и микроструктуры проката, а также повышенных характеристиках свариваемости и пониженной склонности к отпускной хрупкости.

Поставленная задача решена тем, что в трубной заготовке из низкоуглеродистой теплостойкой стали, горячекатаной, заготовка выполнена из непрерывнолитой стали, содержащей следующее соотношение компонентов в мас.%:

углерод	0,08-0,15
марганец	0,40-0,70
кремний	0,40-0,70
хром	1,60-1,90
ванадий	0,20-0,35
бор	0,0002-0,005
молибден	0,50-0,70
никель	0,005-0,25
титан	0,001-0,03
алюминий	0,01-0,06
сера	0,005-0,025
фосфор	0,005-0,025
азот	0,005-0,010
мышьяк	0,0001-0,03
олово	0,0001-0,02
свинец	0,0001-0,01
цинк	0,0001-0,005
железо и
неизбежные примеси	остальное,

при выполнении следующих соотношений:

азот/(титан + 05 × алюминия + 10 × бора)≤0,21;

сумма (мышьяк + олово + свинец + 5 × цинк)≤0,07.

Горячекатаная трубная заготовка имеет пластинчатую феррито-перлитную структуру, размер действительного зерна 6-9 баллов, макроструктуру - центральная пористость, точечная неоднородность, ликвационный квадрат, подусадочная ликвация не более 3 балла по каждому виду, ликвационные полоски не более 2 баллов, неметаллические включения: сульфиды, оксиды точечные, оксиды строчечные, силикаты хрупкие, силикаты пластичные, силикаты недеформированные не более 4,0 баллов по каждому виду включений, механические свойства после нормализации: временное сопротивление разрыву не менее 490-690 Н/мм², предел текучести не менее 275 Н/мм², относительное удлинение - не менее 21%.

В качестве примесей сталь дополнительно содержит ниобий и медь в следующих соотношениях, мас.%: ниобий не более 0,02, медь не более 0,30.

Приведенные сочетания легирующих элементов позволяют получить в готовом изделии феррито-перлитную мелкодисперсную структуру с благоприятным сочетанием характеристик прочности и пластичности, свариваемости, теплостойкости и пониженной склонностью к отпускной хрупкости.

Углерод вводят в композицию данной стали с целью обеспечения заданного уровня ее прочности и прокаливаемости. Верхняя граница содержания углерода (0,15%) обусловлена необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижняя - соответственно 0,08% - обеспечением требуемого уровня прочности и прокаливаемости данной стали.

Ванадий вводят в композицию данной стали с целью обеспечения мелкодисперсной, однородной зеренной структуры. А также повышения характеристик прочности и теплостойкости. Верхняя граница содержания ванадия - 0,35%, обусловлена необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижняя - соответственно 0,20% - обеспечением требуемого уровня прочности данной стали.

Марганец, молибден и хром используют с одной стороны, как упрочнители твердого раствора, с другой стороны, как элементы, повышающие устойчивость переохлажденного аустенита стали. При этом верхний уровень содержания марганца - 0,70%, молибдена - 0,70% и хрома - 1,90% определяется необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижний, марганца - 0,40%, молибдена - 0,50% и хрома - 1,60% соответственно, необходимостью обеспечить требуемый уровень прочности и теплостойкости данной стали.

Бор способствует резкому увеличению прокаливаемости стали. При этом верхний предел содержания бора определяется соображениями пластичности стали, а нижний - необходимостью обеспечения требуемого уровня прокаливаемости.

Алюминий и титан используются в качестве раскислителей и обеспечивают защиту бора от связывания в нитриды, что способствует резкому повышению прокаливаемости стали. Так нижний уровень содержания данных элементов (0,01 и 0,001 соответственно для алюминия и титана) определяется требованием обеспечения прокаливаемости стали, а верхний уровень (0,06 и 0,03) - требованием обеспечения заданного уровня пластичности стали.

Кремний относится к ферритообразующим элементам. Нижний предел по кремнию - 0,40% обусловлен технологией раскисления стали. Содержание кремния выше 0,70% неблагоприятно сказывается на характеристиках пластичности стали.

Никель в заданных пределах влияет на характеристики прокаливаемости и вязкости стали. При этом нижний уровень содержания никеля - 0,005% обусловлен необходимостью обеспечения заданного уровня вязкости стали, а верхний - 0,25% - необходимостью получения мартенситной структуры при закалке стали (так как никель является аустенитизатором).

Сера определяет уровень пластичности стали. Верхний предел (0,025%) обусловлен необходимостью получения заданного уровня пластичности и вязкости стали, а нижний предел (0,005%) - вопросами технологичности производства, а также обеспечением заданного уровня обрабатываемости резанием данной стали.

Фосфор определяет уровень пластичности стали и ее склонность к обратимой отпускной хрупкости. Верхний предел (0,025%) обусловлен необходимостью получения заданного уровня пластичности и вязкости стали, а нижний предел (0,005%) - вопросами технологичности производства.

Азот способствует образованию нитридов в стали. Верхний предел содержания азота - 0,010% обусловлен необходимостью получения заданного уровня пластичности и вязкости стали, а нижний предел - 0,005% вопросами технологичности производства.

Мышьяк, олово, свинец и цинк - цветные примеси, определяющие общий уровень пластичности стали и ее склонность к проявлению обратимой отпускной хрупкости при последующей термической обработке готовых изделий из рассматриваемой трубной заготовки. Нижний предел по мышьяку, олову, свинцу и цинку (0,0001% по каждому элементу соответственно) обусловлен технологией производства стали, а верхний - (0,03%, 0,02%, 0,01% и 0,005% соответственно) определяет повышенную склонность стали к обратимой отпускной хрупкости.

Соотношение определяет характеристики прокаливаемости исследуемой стали, в то время как соотношение As+Sn+Pb+5×Zn≤0,07 определяет пониженную склонность стали к проявлению обратимой отпускной хрупкости.

Анализ патентной и научно-технической информации не выявил решений, имеющих аналогичную совокупность признаков, которой достигался бы сходный эффект - повышение уровня потребительских свойств при обеспечении благоприятного соотношения прочности, пластичности и вязкости, минимальном уровне анизотропии механических свойств, пониженной склонности к обратимой отпускной хрупкости, удовлетворительной свариваемости и повышенной обрабатываемости резанием, низкого содержания неметаллических включений, однородной макро и микроструктуры проката.

Пример осуществления изобретения.

Выплавку исследуемой стали (химический состав в мас.%: углерод - 0,09%, марганец - 0,57%, кремний - 0,62%, хром - 1,81%, никель - 0,12%, молибден - 0,57%, ванадий - 0,28%, титан - 0,012%, алюминий - 0,031%, бор - 0,003%, сера - 0,012%, фосфор - 0,016%, мышьяк - 0,005%, олово - 0,003%, свинец - 0,001%, цинк - 0,001%, азот - 0,009%) производят в 150-ти тонных дуговых сталеплавильных печах (ДСП) с использованием в шихте 100% металлизованных окатышей, что обеспечивает получение массовой доли азота перед выпуском из ДСП не более 0,003%, а также низкое содержание цветных примесей. Предварительное легирование металла по марганцу и кремнию производят в ковше при выпуске из ДСП. После выпуска производят продувку металла аргоном через донный продувочный блок, во время которой сталь раскисляется алюминием. После этого металл поступает на агрегат комплексной обработки стали (АКОС), на котором имеется возможность нагрева металла до необходимой температуры, продувки его аргоном через донный продувочный блок, дозированной присадки необходимых ферросплавов и обработки стали порошковой проволокой с различными наполнителями. На АКОСе производят наведение рафинировочного шлака присадкой извести и плавикового шпата, раскисление шлака гранулированным алюминием, легирование металла алюминием до содержания 0,050%, доводку металла по содержанию марганца, нагрев до температуры, обеспечивающей дальнейшую обработку. После обработки на АКОС металл подвергают вакуумной обработке на порционном вакууматоре. Во время вакуумирования производят окончательную корректировку по химическому составу. После вакуумирования металл обрабатывают силикокальцием и передают на разливку. Разливку производят на четырехручьевых УНРС радиального типа в слиток размерами 300×360 мм со скоростью вытягивания 0,6÷0,7 м/мин, с защитой металла от окисления путем использования покровных шлаковых смесей в промежуточном ковше и кристаллизаторе, защитных труб, погружных стаканов и подачей аргона. Это также обеспечивает получение низкого содержания азота и кислорода и чистоту металла по неметаллическим включениям. После разливки и пореза на мерную длину полученные непрерывнолитые заготовки охлаждают в печах контролируемого охлаждения. Горячую прокатку сортового проката начинают при температуре 1180-1150°С, и заканчивают при температуре 840-950°С.

Механические характеристики при комнатной температуре определяют на образцах тип I, ГОСТ 1497-84 на испытательной машине "INSTRON-1185" с тензометрической регистрацией деформации. Скорость нагружения образца - 5 мм/мин. Определяют характеристики прочности σ_b и σ_0.2 и пластичности - δ и ϕ.

Средние значения характеристик подсчитывают по результатам испытаний не менее трех образцов на точку. Значимость различий средних значений анализируемых величин оценивают с использованием критерия Стьюдента, вычисляемого следующим образом:

где: M₁ и M₂ - средние значения сравниваемых величин; S₁ ² и S₂ ² - дисперсии среднего; t_kr ^0.05(α) - критическое значение критерия Стьюдента при уровне значимости 0,95 и числе степеней свободы - α.

Макроструктуру контролируют в соответствии с ТУ 14-1-5212-93 и ГОСТ 10243-75.

В результате горячей прокатки получают трубную заготовку ⊘120 мм, длиной 11800 мм. Структура феррито-перлитная, балл действительного зерна 9. Макроструктура: центральная пористость 1 балл, точечная неоднородность 1 балл, ликвационный квадрат 0,5 балла, подусадочная ликвация 0,5 балла, ликвационные полоски 0,5 балла. Неметаллические включения: сульфиды - 1 балл, оксиды точечные 0 баллов, оксиды строчечные 1 балл, силикаты хрупкие 1 балл, силикаты пластичные 1 балл, силикаты недеформированные 1 балл. Механические свойства после нормализации при 900°С, 1 час, воздух: временное сопротивление разрыву 572 Н/мм², предел текучести 341 Н/мм², относительное удлинение - 23%.

As+Sn+Pb+5×Zn=0,014.

Внедрение трубной заготовки из низкоуглеродистой теплостойкой стали обеспечивает повышение уровня потребительских свойств, благоприятное соотношение прочности, пластичности и вязкости, минимальный уровень анизотропии механических свойств, пониженную склонность к обратимой отпускной хрупкости, удовлетворительную свариваемость и повышенную теплостойкость, низкое содержание неметаллических включений, однородную макро и микроструктуру проката.

1. Трубная непрерывнолитая заготовка из низкоуглеродистой теплостойкой стали, горячекатаная, имеющая неметаллические включения и заданный уровень механических свойств, отличающаяся тем, что она выполнена из стали, содержащей следующее соотношение компонентов, мас.%:

углерод	0,08-0,15
марганец	0,40-0,70
кремний	0,40-0,70
хром	1,60-1,90
ванадий	0,20-0,35
бор	0,0002-0,005
молибден	0,50-0,70
никель	0,005-0,25
титан	0,001-0,03
алюминий	0,01-0,06
сера	0,005-0,025
фосфор	0,005-0,025
азот	0,005-0,010
мышьяк	0,0001-0,03
олово	0,0001-0,02
свинец	0,0001-0,01
цинк	0,0001-0,005
железо и неизбежные примеси	остальное,

при соблюдении соотношений:

N/(Ti+0,5×Al+10×В)≤0,21;

(As+Sn+Pb+5×Zn)≤0,07,

при этом она имеет пластинчатую феррито-перлитную структуру, размер действительного зерна 6-9 баллов, макроструктуру по центральной пористости, точечной неоднородности, ликвационному квадрату, подусадочной ликвации не более 3 баллов по каждому виду и ликвационным полоскам не более 2 баллов, неметаллические включения по сульфидам, оксидам точечным, оксидам строчечным, силикатам хрупким, силикатам пластичным, силикатам недеформированным не более 4,0 баллов по каждому виду включений, временное сопротивление разрыву не менее 490-690 Н/мм², предел текучести не менее 275 Н/мм, относительное удлинение - не менее 21%.

2. Трубная заготовка по п.1, отличающаяся тем, что в качестве неизбежных примесей сталь содержит, мас.%: ниобий не более 0,02, медь не более 0,30.