Способ производства штрипсов в рулонах

Изобретение относится к области металлургии, конкретнее к прокатному производству, и может быть применено для получения штрипса с категорией прочности Х70, используемого при строительстве магистральных нефтегазопроводов. Для повышения вязкостных и прочностных свойств штрипса за счет формирования ферритно-бейнитной микроструктуры получают сляб, нагревают его до температуры аустенитизации, затем осуществляют черновую и чистовую горячую прокатку, ускоренное охлаждение штрипса водой до температуры смотки 500-600°С, смотку в рулон и принудительное охлаждение рулонов со скоростью 5-20°С/ч, при этом после завершения черновой прокатки раскат охлаждают до температуры 920-980°С, чистовую прокатку ведут с суммарным обжатием не менее 65% и температурой конца прокатки выше А_r3, а ускоренное охлаждение штрипса водой производят за два этапа, вначале со скоростью 5-8°С/с до температуры 580-620°С, затем со скоростью 0,5-1,5°С/с до температуры смотки. Слябы получают из стали, содержащей следующий химический состав, мас.%: 0,015÷0,090 С; 1,2÷1,8 Mn; 0,1÷0,5 Si; 0,01÷0,10 Nb; 0,01÷0,07 Al; Mo≤0,3; Cr≤0,3; Ni≤0,3; Cu≤0,3; V≤0,12; S≤0,010; P≤0,015; 0,003÷0,012 N; Fe - остальное. 1 з.п. ф-лы; 3 табл.

 

Изобретение относится к области металлургии, конкретнее к прокатному производству, и может быть применено для получения штрипсов с категорией прочности К60 (Х70), используемых при строительстве магистральных нефтегазопроводов.

Горячекатаные полосы из низколегированной стали с категорией прочности Х70 по стандарту APISL-04, предназначенные для строительства магистральных нефте- и газопроводов, должны сочетать заданные показатели прочности, пластичности, ударной вязкости, иметь высокие показатели свариваемости, коррозионную стойкость и стойкость к водородному растрескиванию (таблица 1).

Таблица 1
Механические свойства штрипсов
σв, МПа	σт, МПа	σт/σв	δ5, %	KCV-40, Дж/см2	ИПГ-10	Холодный загиб на 180°
не менее 620	500-600	не более 0,90	не менее 28	не менее 127,4	не менее 90	выдерж.
Примечание: ИПГ - доля вязкой составляющей в изломе образца при испытании падающим грузом при температуре -10°С.

Известен способ производства полос из низколегированной стали, включающий нагрев слябов до температуры 1050÷1220°С, выдержку, многопроходную черновую и чистовую прокатку с температурой окончания 800÷900°С, охлаждение полос водой на отводящем рольганге до температуры 350÷500°С и смотку в рулоны [1].

Недостатки известного способа состоят в том, что горячекатаные полосы имеют низкие и нестабильные механические свойства - прочность и ударную вязкость.

Известен также способ производства высокопрочных полос из низколегированной стали, включающий нагрев слябов до температуры не выше 1100°С, выдержку при температуре нагрева, многопроходную черновую и чистовую прокатку с температурой окончания 680÷850°С, охлаждение полос водой до температуры 300÷500°С и смотку в рулоны [2].

Известный способ также не обеспечивает получения высоких прочностных и вязкостных свойств полос.

Наиболее близким аналогом по своей технической сущности и достигаемым результатам к предлагаемому изобретению является способ производства штрипсов, включающий выплавку стали, непрерывную разливку в слябы, нагрев слябов до температуры 1190-1250°С, горячую прокатку с температурой окончания 820-870°С, охлаждение водой до температуры 500-580°С и смотку штрипсов в рулоны, согласно предложению смотанные рулоны охлаждают со скоростью 5-20°С/ч до температуры не выше 100°С, слябы разливают из стали следующего химического состава: 0,08-0,13% С; 0,50-0,70% Mn; 0,40-0,65% Si; 0,05-0,09% V; 0,015-0,040% Nb; 0,01-0,03% Ti; 0,02-0,05% Al; N≤0,008%; Cr≤0,3%; Ni≤0,3%; Cu≤0,2%; S≤0,005%; P≤0,015%; Fe - остальное. Причем суммарное содержание в стали углерода С, марганца Mn, хрома Cr, ванадия V, ниобия Nb, титана Ti, меди Cu, никеля Ni должно удовлетворять соотношениям: С_э=C+Mn/6+(Cr+V+Ti)/5+(Cu+Ni)/15≤0,39%, а также Р_см=C+(Mn+Cr+Cu)/20+Si/30+Ni/15+V/10≤0,24% [3].

Недостатки известного способа состоят в том, что штрипсы имеют низкие вязкостные и прочностные свойства, не соответствующие требованиям, предъявляемым к штрипсам категории прочности Х70.

Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в повышения вязкостных и прочностных свойств штрипсов за счет формирования ферритно-бейнитной микроструктуры.

Для решения поставленной технической задачи производства штрипсов в рулонах, включающем изготовление слябов, их нагрев до температуры аустенитизации, черновую и чистовую горячую прокатку, ускоренное охлаждение штрипсов водой до температуры смотки 500÷600°С, смотку в рулоны и принудительное охлаждение рулонов со скоростью 5÷20°С/ч, согласно предложению после завершения черновой прокатки раскаты охлаждают до температуры 920÷980°С, чистовую прокатку ведут с суммарным обжатием не менее 65% и температурой конца прокатки A_r3±20°С, а ускоренное охлаждение штрипсов водой производят за два этапа, вначале со скоростью 5÷8°С/с до температуры 580÷620°С, затем со скоростью 0,5÷1,5°С/с до температуры смотки. Помимо этого, слябы изготавливают из стали, содержащей следующий химический состав: 0,015÷0,090% С; 1,2÷1,8% Mn; 0,1÷0,5% Si; 0,01÷0,10% Nb; 0,01÷0,07% Al; Mo≤0,3%; Cr≤0,3%; Ni≤0,3%; Cu≤0,3%; V≤0,12%; S≤0,010%; P≤0,015%; 0,003÷0,012% N; Fe - остальное.

Сущность предлагаемого изобретения состоит в следующем. Заданный комплекс эксплуатационных свойств штрипсов категории прочности Х70 для газонефтепроводных труб и их стабильность обеспечивается при одновременной оптимизации химического состава стали, температурно-деформационных режимов прокатки, а также охлаждения прокатанных штрипсов и рулонов после их смотки. Благодаря этому достигается формирование мелкозернистой феррито-бейнитной микроструктуры, что является обязательным условием при реализации предлагаемой технологии.

Предложенные параметры деформационно-термической обработки, ускоренного охлаждения и смотки штрипсов из стали данного состава выбраны с целью формирования феррито-бейнитной микроструктуры, отличающейся мелким размером элемента матрицы ферритных зерен (с размером не крупнее 10÷11 номера и полосчатостью не более 1÷2 балла). Основной структурной составляющей микроструктуры штрипсов в этом случае является квази-полигональный феррит с повышенной плотностью дислокаций и нерегулярными границами зерен, доля которых составляет 50÷70%. В меньших количествах присутствуют полигональный феррит традиционной морфологии, а также игольчатый (блочный) феррит, имеющий форму удлиненных кристаллов чешуйчатой формы с субграницами в кристаллах.

При оптической микроскопии образцов штрипсов с малыми увеличениями (до ×500) микроструктура имеет вид, похожий на традиционные феррито-перлитные стали, но принципиально отличается от них тем, что основной составляющей микроструктуры является феррит с нерегулярными (криволинейными) границами зерен и повышенной плотностью дислокации, а участки темно-травящейся фазы, состоящие из смеси вырожденного перлита и верхнего бейнита, имеют более светлый цвет по сравнению с перлитными колониями в традиционной феррито-перлитной стали.

Формирование микроструктуры, основным элементом которой является квази-полигональный феррит, с присутствием в меньших количествах полигонального и игольчатого феррита, позволяет достигать выгодного сочетания свойств штрипсов категории прочности Х70. Заданный комплекс прочностных и вязко-пластических свойств обеспечивается за счет сочетания продуктов промежуточного (бейнитного) превращения и традиционного полиморфного ферритного (диффузионного) превращения с малым количеством включений твердой фазы у межзеренных границ, что позволяет иметь как пластичные элементы ферритной матрицы, так и более прочные бейнитные включения. Кроме того, за счет большой доли большеугловых границ в микроструктуре затрудняется образование трещин и тормозится их развитие.

В стали предложенного химического состава в процессе нагрева слябов до температуры аустенитизации Т_а достигается растворение крупных карбидных и карбонитридных включений. Черновая прокатка штрипсов сопровождается механическим разрушением и литой структуры стали.

Подстуживание раскатов после черновой прокатки до температуры Т_п=920÷980°С и их последующая чистовая прокатка в температурном интервале от Т_нп=920÷980°С до температуры конца прокатки Т_кп=A_r3±20°С с суммарным относительным обжатием не менее 65% обеспечивает последовательное эффективное многоцикловое диспергирование аустенитных зерен микроструктуры и присутствующих включений. (Здесь A_r3 - температура начала γ→α превращения аустенита, зависящая от конкретного химического состава стали, т.е. температура критической точки.)

В процессе ускоренного охлаждения штрипсов водой за два этапа: вначале от температуры Т_кп=A_r3±20°С со скоростью V₁=5÷8°C/c до промежуточной температуры Т_п=580÷620°С и затем со скоростью V₂=0,5÷1,5°C/c до температуры смотки штрипсов в рулоны Т_см=500÷600°С, протекает полиморфное превращение диспергированного аустенита в две фазы: мелкозернистый феррит и бейнит. Снижение скорости охлаждения с V₁=5÷8°C/c до V₂=0,5÷1,5°C/c обеспечивает более равномерное охлаждение и формирование микроструктуры по толщине штрипсов, уменьшение фазовых и термических напряжений в стали предложенного состава.

Принудительное охлаждение штрипсов, смотанных в рулоны, с регламентированной скоростью V_ор=5÷20°С/ч дополнительно повышает прочностные и вязкостные свойства штрипсов, полученных с использованием предложенных деформационно-термических режимов производства, гарантированно доводя механические свойства до уровня, соответствующего требованиям, предъявляемым к штрипсам категории прочности Х70, а также способствует выравниванию механических свойств по их длине.

Экспериментально установлено, что охлаждение раскатов после завершения черновой прокатки до температуры выше 980°С не позволяет обеспечить в стали предложенного состава требуемой степени диспергирования аустенита, что приводит к снижению прочностных и пластических свойств. Снижение этой температуры менее 920°С приводит к уменьшению показателей пластичности ниже допустимого уровня.

При чистовой прокатке с суммарным обжатием менее 65% сохраняется крупнозернистая микроструктура аустенита, это снижает прочностные и вязкостные свойства штрипсов.

Если Т_кп выше, чем A_r3+20°С, то не достигается достаточная степень упрочнения штрипса, а при Т_кп ниже чем A_r3-20°С снижаются вязкостные свойства штрипсов при отрицательных температурах.

Ускоренное охлаждение штрипсов водой на первом этапе со скоростью V₁ ниже чем 5°С/с приводит к формированию крупнозернистой разнобалльной микроструктуры, снижению прочностных и вязкостных свойств. Увеличение скорости охлаждения V₁ более 8°С/с сопровождается ухудшением пластичности, снижением доли вязкой составляющей в изломе, что недопустимо.

При температуре окончания первого этапа ускоренного охлаждения штрипсов водой Т_о ниже 580°С снижаются пластические и вязкостные свойства штрипсов. Увеличение температуры Т_о выше 620°С приводит к формированию крупнозернистой микроструктуры, потере прочностных свойств штрипсов.

Ускоренное охлаждение штрипсов водой на втором этапе со скоростью V₂ ниже чем 0,5°С/с приводит к разупрочнению штрипсов. Увеличение скорости охлаждения V₂ более 1,5°С/с сопровождается формированием разнобалльной микроструктуры по толщине штрипса, снижению показателей вязкости и доли вязкой составляющей в изломе образца.

Ускоренное охлаждение штрипсов водой до температуры Т_см выше 600°С приводит к росту размеров зернистого перлита, ухудшению трещиностойкости. При Т_см ниже 500°С ухудшается ударная вязкость штрипсов при отрицательных температурах. Сталь не выдерживает испытания на холодный загиб.

Экспериментально установлено, что при принудительном охлаждении рулонов от температуры Т_см=500÷600°С со скоростью менее 5°С/ч не обеспечивается требуемая степень упрочнения штрипсов. Увеличение скорости охлаждения более 20°С/ч приводит к снижению вязкостных и пластических свойств штрипсов, возрастают неравномерности механических свойств внешних и внутренних витков рулонов.

Углерод в стали предложенного состава определяет ее прочностные свойства. Снижение содержания углерода менее 0,015% приводит к падению прочности ниже допустимого уровня. Увеличение содержания углерода сверх 0,090% ухудшает пластичность и вязкость стали.

Марганец введен для раскисления и повышения прочности стали, связывания примесной серы в сульфиды. При содержании марганца менее 1,2% снижается прочность стали и вязкость при отрицательных температурах. Повышение концентрации марганца сверх 1,8% ухудшает пластические свойства, сталь не выдерживает испытаний на холодный изгиб.

Кремний раскисляет и упрочняет сталь, повышает ее упругие свойства. При содержании кремния менее 0,1% прочность стали недостаточна. Увеличение содержания кремния более 0,5% приводит к возрастанию количества силикатных неметаллических включений, охрупчивает сталь, ухудшает ее ударную вязкость и пластичность.

Ванадий и ниобий образуют с углеродом карбиды VC, NbC, а с азотом - нитриды VN, NbN. Мелкие нитриды и карбонитриды ванадия и ниобия располагаются по границам зерен и субзерен, тормозят движение дислокации и, тем самым, упрочняют сталь. При содержании ниобия менее 0,01% его влияние недостаточно велико, свойства стали ниже допустимого уровня. Увеличение концентрации ниобия более 0,10% и ванадия более 0,12% вызывает дисперсионное твердение штрипсов и приводит к выделению на границах их зерен интерметаллических соединений. Это ухудшает вязкостные свойства штрипсов.

Алюминий является раскисляющим и модифицирующим элементом. При содержании алюминия менее 0,01% его воздействие проявляется слабо, сталь имеет низкие механические свойства. Увеличение содержания алюминия более 0,07% приводит к графитизации стали, потере прочности и ударной вязкости штрипсов.

Молибден является сильным карбидообразующим элементом, упрочняющим сталь. Однако при его концентрации более 0,3% имеет место снижение пластических свойств штрипсов, что недопустимо.

Хром, никель и медь способствуют повышению прочностных свойств и стойкости против питтинговой коррозии, но при содержании хрома более 0,3%, никеля более 0,3% или меди более 0,3% имеет место снижение вязкостных свойств штрипсов.

Сера является вредной примесью, снижающей пластические и вязкостные свойства. При концентрации серы не более 0,010% ее вредное действие проявляется слабо и не приводит к заметному снижению механических свойств штрипсов Х70.

Фосфор в количестве не более 0,015% целиком растворяется в α-железе, что ведет к упрочнению металлической матрицы. Однако увеличение содержания фосфора более 0,015% вызывает охрупчивание стали, снижение вязкостных свойств штрипсов.

Азот является карбонитридообразующим элементом, упрочняющим сталь. При его содержании менее 0,003% снижаются прочностные свойства штрипсов. Повышение концентрации азота сверх 0,012% приводит к снижению вязкостных свойств стали предложенного состава при отрицательных температурах.

Примеры реализации способа

Стали различных составов выплавляли в кислородном конвертере из передельного чугуна с использованием металлического лома. Расплавы раскисляли ферромарганцем, ферросилицием, легировали феррованадием, феррониобием, вводили металлический алюминий и молибден. Проводили десульфурацию и дефосфорацию расплава, продувку аргоном.

Химический состав сталей для штрипсов приведен в таблице 2.

Таблица 2
Химический состав сталей для штрипсов
№ состава	Содержание химических элементов, мас.%
С	Mn	Si	Nb	Al	Mo	Cr	Ni	Cu	V	S	Р	N	Fe
1.	0,014	1,1	0,09	0,009	0,009	0,08	0,1	0,1	0,4	0,08	0,006	0,009	0,001	Остальн.
2.	0,015	1,2	0,10	0,01	0,01	0,10	0,2	0,2	0,3	0,10	0,007	0,008	0,003	-:-
3.	0,047	1,5	0,30	0,05	0,03	0,20	0,2	0,1	0,1	0,11	0,008	0,012	0,007	-:-
4.	0,090	1,8	0,50	0,10	0,07	0,30	0,3	0,3	0,3	0,12	0,010	0,015	0,012	-:-
5.	0,090	1,9	0,60	0,12	0,08	0,40	0,4	0,4	0,4	0,13	0,011	0,016	0,013	-:-
6.	0,085	0,5	0,40	0,04	0,02	--	0,1	0,1	0,1	0,06	0,005	0,014	--	-:-

Выплавленную сталь подвергают непрерывной разливке в слябы толщиной 275 мм.

Непрерывнолитые слябы из стали с составом 3, для которой температура критической точки A_r3=810°С (определена по справочным данным), садят в газовую печь с шагающими балками и производят их нагрев до температуры аустенитизации Т_а=1250°С. Нагретые слябы подвергают горячей прокатке в черновой группе клетей в раскаты с промежуточной толщиной Н₀=50 мм. Полученные раскаты охлаждают на промежуточном рольганге до температуры Т_п=950°С, после чего задают в непрерывную чистовую группу, состоящую из 7 клетей кварто.

Чистовую прокатку осуществляют в штрипсы конечной толщины Н₁=12,0 мм с суммарным относительным обжатием ε_Σ=76%.

Заданную температуру конца прокатки Т_кп=A_r3=810°С поддерживают изменением скорости прокатки и межклетевым охлаждением полосы.

Прокатанные штрипсы транспортируют по отводящему рольгангу с одновременным охлаждением со скоростью V₁=6,5°C/c ламинарными струями воды до Т_о=600°С. При достижении штрипсом указанной температуры скорость охлаждения снижают до величины V₂=1,0°C/c, охлаждают штрипс ламинарными струями воды до температуры смотки Т_см=550°С, после чего сматывают в рулоны.

Горячекатаные рулоны подвергают принудительному охлаждению со скоростью V_op=12°C/ч при подаче к их торцам охлаждающей воды и обдуве воздухом.

Варианты реализации предложенного способа и показатели их эффективности приведены в таблице 3.

Из данных, приведенных в таблицах 2 и 3, следует, что при реализации предложенного способа (варианты №2-4, химический состав сталей №2-4) обеспечивается повышение прочностных и вязкостных свойства штрипсов. По комплексу своих механических свойств они полностью отвечают требованиям, предъявляемым к штрипсам категории прочности Х70.

Таблица 3
Режимы производства штрипсов их механические свойства
№ п/п	Режимы производства	Механические свойства
№ состава	Тп, °C	εΣ, %	Ткп, °С	V1, °C/c	То, °С	V2, °C/c	Тсм, °С	Vор, °С	σв, МПа	σт, МПа	σт/σв	δ5, %	KCV-40, Дж/см2	ИПГ-10	Холодн. загиб на 180°
1.	1.	910	63	770 (Ar3-30)	4	570	0,4	570	4	570	500	0,87	24	129	87	не выдерж.
2.	4.	920	65	800 (Ar3-20)	5	580	0,5	580	5	660	520	0,79	37	137	98	выдерж.
3.	3.	950	76	810 (Ar3)	6,5	600	1,0	550	12	680	530	0,78	38	140	98	выдерж.
4.	2.	980	78	820 (Ar3+20)	8	620	1,5	600	20	670	536	0,80	37	135	97	выдерж.
5.	5.	990	75	835 (Ar3+20)	9	630	1,6	610	22	610	555	0,91	27	117	78	не выдерж.
6.	6.	-	70	845	не регл.	-	-	540	12	610	500	0,82	36	128	67	не выдерж.

В случаях запредельных значений заявленных параметров (варианты №№1 и №5) имеет место снижение прочностных и вязкостных свойств. Также более низкую прочность и вязкость имеют штрипсы, полученные согласно способу-протитипу (вариант №6).

Технико-экономические преимущества предложенного способа производства штрипсов состоят в том, что за счет одновременной оптимизации химического состава стали и температурно-деформационных режимов ее горячей прокатки, регламентированного двухэтапного ускоренного охлаждения полос и принудительного охлаждения рулонов со скоростью 5-20°С/ч обеспечивается повышение прочностных и вязкостных свойств штрипсов, благодаря чему они полностью соответствуют категории прочности Х70.

В качестве базового объекта при оценке технико-экономической эффективности предложенного способа выбран способ-прототип. Использование стали предложенного состава и деформационно-термических режимов горячей прокатки позволит повысить рентабельность производства штрипсов для нефте- и газопроводов на 15-20%.

Источники информации

1. Патент США №4421573, МПК C21D 8/02, C21D 9/46, 1983.

2. Заявка Японии №57-29528, МПК C21D 8/00, С22С 38/12, 1982.

3. Патент РФ №2348703, МПК C21D 8/04, С22С 38/42, С22С 38/46, 2009 - прототип.

1. Способ производства штрипсов в рулонах, включающий изготовление слябов, их нагрев до температуры аустенитизации, черновую и чистовую горячую прокатку, ускоренное охлаждение штрипса водой до температуры смотки 500÷600°С, смотку штрипса в рулоны, охлаждение рулонов со скоростью 5÷20°С/ч, отличающийся тем, что после завершения черновой прокатки раскаты охлаждают до температуры 920÷980°С, чистовую прокатку ведут с суммарным обжатием не менее 65% и температурой конца прокатки выше А_r3, а ускоренное охлаждение штрипсов водой производят за два этапа, причем вначале со скоростью 5÷8°С/с до температуры 580÷620°С, а затем со скоростью 0,5÷1,5°С/с до температуры смотки.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что слябы изготавливают из стали, содержащей следующий химический состав, мас.%:

углерод	0,015÷0,090
марганец	1,2÷1,8
кремний	0,1÷0,5
ниобий	0,01÷0,10
алюминий	0,01÷0,07
молибден	не более 0,3
хром	не более 0,3
никель	не более 0,3
медь	не более 0,3
ванадий	не более 0,12
сера	не более 0,010
фосфор	не более 0,015
азот	0,003÷0,012
железо	остальное