Способ производства штрипсов из низколегированной стали

Изобретение относится к области металлургии, конкретнее к прокатному производству, и может быть использовано при изготовлении на непрерывных широкополосных станах штрипсов для электросварных прямошовных насосно-компрессорных и обсадных труб. Для повышения стабильности механических свойств и выхода годного способ включает получение сляба, нагрев слябов до температуры 1200-1300°С, черновую и многопроходную чистовую прокатку до заданной толщины в регламентированном температурном диапазоне, охлаждение водой до температуры смотки, при этом сляб получают из стали, содержащей, мас.%: 0,22-0,28 С; 0,15-0,35 Si; 1,0-1,4 Mn; 0,02-0,05 Al; не более 0,02 Са; не более 0,03 Ti; не более 0,4 Cr; не более 0,4 Cu; не более 0,010 S; не более 0,015 Р; не более 0,012 N, остальное железо, многопроходную чистовую прокатку ведут в диапазоне температур от 960-1050 до 820-890°С, а охлаждение водой ведут до температуры смотки, равной 580-660°С. Причем при содержании углерода в стали 0,22-0,24 мас.% штрипсы толщиной 3,5-5,0 мм охлаждают водой до температуры смотки 600-650°С, а при толщине более 5,0 мм - до температуры смотки 580-640°С. При содержании углерода в стали более 0,24 мас.% штрипсы толщиной 3,5-5,0 мм охлаждают водой до температуры смотки 610-660°С, а при толщине более 5,0 мм - до температуры смотки 600-650°С. 2 з.п. ф-лы, 3 табл.

 

Изобретение относится к области металлургии, конкретнее к прокатному производству, и может быть использовано при изготовлении на непрерывных широкополосных станах штрипсов для электросварных прямошовных насосно-компрессорных и обсадных труб.

Для производства насосно-компрессорных и обсадных труб необходимы штрипсы (горячекатаные полосы) толщиной 3,5-10,0 мм, шириной 950-1835 мм из низколегированной стали, обладающие следующим комплексом механических свойств (табл.1):

Таблица 1 Механические свойства и свариваемость штрипсов (ТС 105-496)
σв, Н/мм2	σт, Н/мм2	δ, %	Свариваемость
не менее 520	320-470	не менее 20	удовлетвор.

Примечание: ось образцов совпадает с направлением прокатки.

Известен способ производства стальных листов, включающий выплавку и непрерывную разливку в слябы низколегированной стали, содержащей, мас. %:

Углерод	0,04-0,10
Кремний	0,01-0,50
Марганец	0,4-1,5
Хром	0,05-1,0
Молибден	0,05-1,0
Ванадий	0,01-0,1
Бор	0,0005-0,005
Алюминий	0,001-0,1
Железо и примеси	остальное

Отлитые слябы нагревают до температуры 1250°С и прокатывают с суммарным обжатием не менее 75%. Прокатанные листы подвергают закалке из аустенитной области и высокотемпературному отпуску [1].

Недостатки известного способа состоят в том, что полосы после прокатки имеют низкие и неравномерные механические свойства. Это делает невозможным их применение для изготовления насосно-компрессорных и обсадных труб. Кроме того, необходимость проведения термического улучшения (закалки и отпуска) полос после прокатки усложняет и удорожает производство.

Известен также способ производства листовой низколегированной стали, включающий отливку слябов следующего химического состава, мас.%:

Углерод	0,02-0,3
Марганец	0,5-2,5
Алюминий	0,005-0,1
Кремний	0,05-1,0
Ниобий	0,003-0,01
Железо	остальное

Слябы нагревают до температуры 950-1050°С и прокатывают при температуре выше точки А_r3 с суммарным обжатием 50-70%. Прокатанные листы охлаждают на воздухе [2].

При таком способе производства листы имеют недостаточную и неравномерную прочность и пластичность, недостаточную свариваемость и непригодны для изготовления насосно-компрессорных и обсадных труб.

Наиболее близким аналогом к предлагаемому изобретению является способ производства штрипсов из низколегированной стали, включающий нагрев слябов, прокатку в штрипсы с регламентированной температурой конца прокатки и охлаждение водой до температуры смотки, причем нагрев слябов производят до температуры 1220-1280°С, температуру конца прокатки поддерживают в диапазоне 820-880°С, а температуру смотки устанавливают в зависимости от содержания углерода в стали. Кроме того, низколегированная сталь имеет следующий химический состав, мас.%:

Углерод	0,15-0,24
Марганец	0,20-0,70
Кремний	0,10-0,40
Алюминий	0,01-0,07
Ниобий	0,01-0,08
Хром	не более 0,4
Никель	не более 0,4
Медь	не более 0,4
Фосфор	не более 0,020
Сера	не более 0,010
Азот	не более 0,012
Железо	остальное [3]

Недостатки известного способа состоят в том, что штрипсы имеют нестабильные механические свойства, которые зависят от концентрации углерода в стали и толщины полосы, определяющей скорость их охлаждения водой. Кроме того, полосы характеризуются недостаточной свариваемостью: при испытаниях образцов на разрыв их разрушение происходит по сварному шву. Все это приводит к снижению выхода годного.

Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в повышении стабильности механических свойств и выхода годного.

Для решения поставленной технической задачи в известном способе производства штрипса из низколегированной стали, содержащей углерод, кремний, марганец, алюминий, хром, медь, серу, фосфор, азот и железо, включающем нагрев сляба, черновую и многопроходную чистовую прокатку до заданной толщины с температурой конца прокатки не ниже 820°С, охлаждение водой до температуры смотки, согласно предложению сляб выполнен из стали, содержащей, мас.%:

Углерод	0,22-0,28
Кремний	0,15-0,35
Марганец	1,0-1,4
Алюминий	0,02-0,05
Кальций	не более 0,02
Титан	не более 0,03
Хром	не более 0,40
Медь	не более 0,40
Сера	не более 0,010
Фосфор	не более 0,015
Азот	не более 0,012
Железо	остальное

при этом многопроходную чистовую прокатку ведут в диапазоне температур от 960÷1050°С до 820-890°С.

Кроме того, при содержании углерода в стали 0,22-0,24% штрипсы толщиной 3,5-5,0 мм охлаждают водой до температуры смотки 600-650°С, а при толщине более 5,0 мм - до температуры смотки 580-640°С, а при содержании углерода в стали более 0,24% штрипсы толщиной 3,5-5,0 мм охлаждают водой до температуры смотки 610-660°С, а при толщине более 5,0 мм - до температуры смотки 600-650°С.

Сущность изобретения состоит в следующем. Химический состав стали совместно с температурными режимами горячей прокатки штрипсов определяют уровень и стабильность их механических свойств и, как следствие, выход годного. При изменении концентрации углерода в стали и толщины штрипсов, определяющей условия их охлаждения водой, изменяются параметры микроструктуры и механические свойства.

Сталь предложенного химического состава наименее чувствительна по микроструктуре к колебаниям температуры в интервале проведения чистовой прокатки (от 960-1050 до температуры не ниже 820°С), что стабилизирует механические свойства штрипсов. Изменение температуры смотки штрипсов в зависимости от конкретной концентрации углерода в стали и толщины штрипсов компенсирует влияние этих параметров на формирование конечной микроструктуры, чем обеспечивается дополнительная стабилизация механических свойств штрипсов (с различным содержанием углерода и с различной толщиной) и повышение выхода годного.

Углерод в низколегированной стали предложенного состава определяет прочностные свойства горячекатаных штрипсов. Снижение содержания углерода менее 0,22% приводит к падению их прочностных свойств ниже допустимого уровня. Увеличение содержания углерода более 0,28% ухудшает пластические свойства штрипсов и их свариваемость.

При содержании кремния менее 0,15% ухудшается раскисленность стали, снижаются прочностные свойства полос. Увеличение содержания кремния более 0,35% приводит к возрастанию количества силикатных включений, снижает равномерность механических свойств штрипсов, пластичность и свариваемость.

Снижение содержания марганца менее 1,0% увеличивает окисленность стали, ухудшает свариваемость полос. Повышение содержания марганца более 1,4% увеличивает предел текучести σ_т, неравномерность механических свойств, что, в свою очередь, ведет к снижению выхода годного.

Алюминий раскисляет и модифицирует сталь. Связывая избыточный примесный азот в нитриды, подавляет его негативное воздействие на свойства штрипсов. При содержании алюминия менее 0,02% снижается комплекс механических свойств штрипсов. Увеличение его концентрации более 0,05% приводит к неравномерности свойств штрипсов.

Кальций способствует модификации стали и измельчению зерен микроструктуры при чистовой горячей прокатке штрипсов в температурном интервале от 960-1050°С до 820-890°С. Кальций попадает в сталь при ее выплавке из известняка и шлака. Однако увеличение содержания кальция более 0,02% приводит к увеличению количества неметаллических включений и ухудшению пластических свойств и их равномерности штрипсов, что недопустимо.

Титан очищает металлическую матрицу от атомов внедрения. Карбидные и нитридные частицы типа TiC_1,0 и TiN упрочняют сталь, не снижая ее пластических свойств. Однако увеличение содержания титана более 0,03% ухудшает равномерность свойств штрипсов и выход годного.

Хром повышает прочность стали за счет образования карбидов. Но увеличение содержания хрома более 0,40% приводит к снижению пластических свойств, ухудшению качества горячекатаных полос.

Медь является примесным элементом. При концентрации меди не более 0,4% она не оказывает вредного влияния на свариваемость штрипсов при производстве насосно-компрессорных и обсадных труб, но расширяет возможности использования металлического лома при выплавке, что удешевляет производство. При концентрации меди более 0,40% ухудшаются пластические свойства и свариваемость штрипсов.

Сталь предложенного состава может содержать в виде примесей не более 0,010% серы, не более 0,015% фосфора. При указанных предельных концентрациях эти элементы в стали предложенного состава не оказывают заметного негативного воздействия на качество штрипсов, тогда как их удаление из расплава стали существенно повышает затраты на производство и усложняет технологический процесс. Увеличение концентрации этих вредных примесей более предложенных значений ухудшает весь комплекс механических свойств штрипсов.

Экспериментально установлено, что при температуре начала чистовой прокатки выше 1050°С в стали данного состава интенсивно протекает укрупнение аустенитных зерен за счет их рекристаллизации после каждого прохода. Это, в свою очередь, приводит к формированию крупнозернистой ферритно-перлитной микроструктуры в результате α→γ превращения, что обеспечивает равномерность свойств горячекатаных штрипсов. Снижение температуры начала чистовой прокатки менее 960°С ухудшает технологическую пластичность штрипсов из стали предложенного состава, не позволяет получить стабильную температуру конца прокатки. Это также ухудшает равномерность свойств и выход годного.

Снижение температуры Т_кп менее 820°С приводит к чрезмерному измельчению микроструктуры, ее наклепу, снижению пластических свойств горячекатаных штрипсов.

Уменьшение температуры смотки Т_см ниже 600°С для штрипсов толщиной 3,5-5,0 мм из низколегированной стали предложенного состава с содержанием углерода 0,22-0,24% ухудшает пластические свойства штрипсов и равномерность механических свойств по их длине. Увеличение Т_см выше 650°С приводит к снижению равномерности и уровня прочностных свойств штрипсов толщиной 3,5-5,0 мм и выхода годного.

Уменьшение температуры смотки Т_см ниже 580°С для штрипсов толщиной более 5,0 мм из низколегированной стали предложенного состава с содержанием углерода 0,22-0,24% приводит к упрочнению стали выше допустимого уровня и снижению пластичности. Увеличение Т_см выше 640°С приводит к снижению уровня и равномерности прочностных свойств штрипсов толщиной более 5,0 мм и выхода годного.

Уменьшение температуры смотки Т_см ниже 610°С для штрипсов толщиной 3,5-5,0 мм из низколегированной стали предложенного состава с содержанием углерода более 0,24% ухудшает пластические свойства штрипсов по их длине. Увеличение Т_см выше 660°С приводит к снижению равномерности и уровня прочностных свойств штрипсов толщиной 3,5-5,0 мм и выхода годного.

Уменьшение температуры смотки Т_см ниже 600°С для штрипсов толщиной более 5,0 мм из низколегированной стали предложенного состава с содержанием углерода более 0,24% приводит к упрочнению стали выше допустимого уровня и снижению пластичности. Увеличение Т_см выше 650°С приводит к снижению равномерности прочностных свойств штрипсов толщиной более 5,0 мм и выхода годного.

Примеры реализации способа

В конвертерном производстве производят выплавку и разливку низколегированных сталей различного состава (табл.2).

1. Слябы из стали состава 2 с содержанием углерода [С]=0,22% толщиной 250 мм загружают в методические печи и нагревают до температуры аустенитизации Т_а=1250°С. Разогретые слябы выдают на печной рольганг непрерывного широкополосного стана 2000 и подвергают прокатке в черновой группе клетей (черновая прокатка) до промежуточной толщины 40 мм. Затем раскат при температуре Т_нп=1000°С задают в непрерывную 7-клетевую чистовую группу клетей, где обжимают до конечной толщины Н=4,5 мм. Регламентированную температуру конца прокатки T_кп=855°С поддерживают изменением скорости прокатки и межклетевым охлаждением полосы.

Прокатанную полосу выдают на отводящий рольганг, где охлаждают водой до температуры смотки. Поскольку полоса имеет толщину Н=4,5 мм, попадающую в интервал толщин 3,5-5,0 мм, и содержит 0,22% углерода, температуру смотки поддерживают равной Т_см=625°С. Охлажденную полосу сматывают в рулон.

2. Все те же операции, что и в примере 1, только используют слябы из стали, содержащей 0,24% углерода (состав 3), в чистовой группе клетей производят прокатку штрипсов толщиной Н=8,0 мм, а температуру смотки поддерживают равной Т_см=610°С.

3. Слябы из стали состава 4 с содержанием углерода [С]=0,25% толщиной 250 мм загружают в методические печи и нагревают до температуры аустенитизации Т_а=1200°С. Разогретые слябы выдают на печной рольганг непрерывного широкополосного стана 2000 и подвергают прокатке в черновой группе клетей (черновая прокатка) до промежуточной толщины 40 мм. Затем раскат при температуре Т_нп=1050°С задают в непрерывную 7-клетевую чистовую группу клетей, где обжимают до конечной толщины Н=4,0 мм. Регламентированную температуру конца прокатки Т_кп=830°С поддерживают изменением скорости прокатки и межклетевым охлаждением полосы.

Прокатанную полосу выдают на отводящий рольганг, где охлаждают водой до температуры смотки. Поскольку полоса имеет толщину Н=4,0 мм, попадающую в интервал толщин 3,5-5,0 мм, и содержит 0,25% углерода, температуру смотки поддерживают равной Т_см=635°С. Охлажденную полосу сматывают в рулон.

4. Все те же операции, что и в примере 3, только в чистовой группе клетей производят прокатку штрипсов толщиной Н=7,0 мм, а температуру смотки поддерживают равной Т_см=625°С.

Варианты прокатки штрипсов по различным режимам из сталей различного состава приведены в табл.3.

Из табл.3 следует, что при реализации предложенного способа (варианты №2, 3, 5-8) достигается повышение стабильности механических свойств и выхода годных горячекатаных штрипсов. Кроме того, штрипсы характеризуются удовлетворительной свариваемостью.

В случае запредельных значений заявленных параметров (варианты №1, 4, 8) уровень и стабильность механических свойств штрипсов ухудшаются, что сопровождается снижением выхода годного. Также более низкие и нестабильные свойства при нулевом выходе годного имеют штрипсы, произведенные согласно способу-прототипу (вариант №9).

Технико-экономические преимущества предложенного способа заключаются в том, что нагрев слябов из низколегированной стали предложенного состава, последующая их горячая черновая и контролируемая чистовая прокатка с температурой конца прокатки не ниже 820°С, охлаждение водой до температуры смотки, определяемой в зависимости от содержания углерода в низколегированной стали толщины штрипса, обеспечивает формирование оптимальной мелкозернистой ферритно-перлитной микроструктуры стали. За счет этого достигается получение заданного уровня и повышение стабильности механических свойств и выхода годного при удовлетворительной свариваемости полос.

Таблица 2
Химический состав низколегированных сталей
№ состава	Содержание химических элементов, мас.%
С	Si	Mn	Al	Ca	Ti	Cr	Cu	S	Р	N	Fe
1.	0,21	0,14	0,9	0,010	0,009	0,009	0,1	0,1	0,007	0,010	0,010	остальн.
2.	0,22	0,15	1,0	0,020	0,009	0,010	0,2	0,2	0,008	0,011	0,010
3.	0,24	0,20	1,2	0,035	0,010	0,020	0,3	0,3	0,009	0,013	0,011	-:-
4.	0,25	0,22	1,3	0,040	0,015	0,025	0,3	0,3	0,009	0,014	0,012	-:-
5.	0,28	0,35	1,4	0,050	0,021	0,030	0,4	0,4	0,010	0,015	0,012	-:-
6.	0,29	0,36	1,5	0,060	0,030	0,032	0,5	0,5	0,011	0,016	0,013	-:-
7.	0,19	0,40	0,7	0,030	--	--	0,3	0,4	0,011	0,010	0,011	-:-

Таблица 3
Режимы производства штрипсов и показатели их эффективности
№ варианта	№ состава	Та, °С	Тнп, °С	Ткп, °С	[С], %	Н, мм	Тсм, °С	σв, Н/мм2	σт, Н/мм2	δ, %	Свариваемость	Выход годного, %
1.	1	1310	1060	900	0,21	3,5	670	450-500	220-310	14-20	неудовл.	-
2.	2	1300	1080	890	0,22	3,5	650	530	330	26	удовл.	99,5
3.	2	1250	1065	885	0,22	4,5	625	540	395	28	удовл.	99,7
4.	3	1270	1070	880	0,24	6,0	660	490-520	300-320	20-24	удовл.	56,7
5.	3	1250	1065	885	0,24	8,0	610	540	320	28	удовл.	99,7
6.	4	1200	1050	830	0,25	4,0	635	530	340	27	удовл.	99,6
7.	4	1200	1050	830	0,25	7,0	625	550	470	22	удовл.	99,8
8.	5	1210	1040	830	0,28	9,0	600	560	470	23	удовл.	99,8
8.	6	1190	950	810	0,29	5,0	600	520-580	470-490	17-20	неудовл.	63,1
9.	7	1250		840	0,19	7,0	630	470-500	290-310	22	удовл.	--

Использование предложенного способа обеспечит повышение рентабельности производства полос для обсадных труб на 20-35%.

Источники информации

1. Заявка Японии №61-163210, МПК С21D 8/00, 1986.

2. Заявка Японии №61-223125, МПК С21D 8/02, С22С 38/54, 1986.

3. Патент РФ 2264475, МПК С21D 8/02, 20.11.2005 - прототип.

1. Способ производства штрипсов из низколегированной стали, включающий получение сляба, нагрев сляба, черновую и многопроходную чистовую прокатку до заданной толщины в регламентированном температурном диапазоне, охлаждение водой до температуры смотки, отличающийся тем, что сляб получают из стали, содержащей, мас.%:

углерод	0,22-0,28
кремний	0,15-0,35
марганец	1,0-1,4
алюминий	0,02-0,05
кальций	не более 0,02
титан	не более 0,03
хром	не более 0,40
медь	не более 0,40
сера	не более 0,010
фосфор	не более 0,015
азот	не более 0,012
железо	остальное,

при этом многопроходную чистовую прокатку ведут в диапазоне температур от 960-1050 до 820-890°С.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при содержании углерода в стали 0,22-0,24% штрипсы толщиной 3,5-5,0 мм охлаждают водой до температуры смотки 600-650°С, а при толщине более 5,0 мм - до температуры смотки 580-640°С.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что при содержании в стали углерода более 0,24 мас.% штрипсы толщиной 3,5-5,0 мм охлаждают водой до температуры смотки 610-660°С, а при толщине более 5,0 мм - до температуры смотки 600-650°С.