СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА НИЗКОЛЕГИРОВАННЫХ РУЛОННЫХ ПОЛОС С ПОВЫШЕННОЙ КОРРОЗИОННОЙ СТОЙКОСТЬЮ
METHOD OF MANUFACTURE OF LOW-ALLOYABLE ROLL STRIPS WITH ENHANCED CORROSION RESISTANCE

Изобретение относится к области металлургии, конкретнее к прокатному производству, и может быть использовано для изготовления рулонного проката из низколегированных трубных сталей с повышенной коррозионной стойкостью.
Известен способ производства хладостойкого листового проката, включающий получение заготовки из стали, содержащей, мас. %: С=0,04-0,10; Mn=0,60-0,90; Si=0,15-0,35; Ni=0,10-0,40; Al=0,02-0,06; Nb=0,02-0,06; V=0,03-0,05; железо и примеси - остальное. Способ предусматривает аустенизацию заготовки при температуре 1100-1150°C, предварительную деформацию (черновую прокатку) с суммарным обжатием 35-60% при температуре 900-800°C, последующее охлаждение промежуточной заготовки (подстуживание) на 50-70°C, окончательную деформацию (чистовую прокатку) с суммарной степенью обжатия 65-75% при температуре 830-750°C, ускоренное охлаждение листового проката до температуры 500-260°C и замедленное охлаждение до температуры не выше 150°C (Патент РФ №2265067, МПК C21D 8/02, опубл. 27.11.05).
Однако, полосовой прокат, полученный согласно известному способу, характеризуется сравнительно низким уровнем механических свойств, в особенности ударной вязкости при отрицательных температурах. Это связано с низкой скоростью охлаждения в естественных условиях полученного проката до температуры окружающей среды. Кроме того, недостаточно высокая температура аустенизации не позволяет получить равновесную мелкозернистую исходную структуру, необходимую для получения высокой коррозионной стойкости. Используемая легирующая композиция характеризуется слишком высоким содержанием углерода, и отсутствием меди, что также негативно сказывается на коррозионной стойкости.
Наиболее близким по своей технической сущности к предлагаемому изобретению является способ производства полос для изготовления труб. Способ включает нагрев непрерывнолитой заготовки под горячую прокатку до температуры аустенизации 1200-1280°C, черновую прокатку до промежуточной толщины и чистовую прокатку с регламентированной температурой конца прокатки, ламинарное охлаждение водой до температуры смотки в рулон, при этом температуру конца прокатки поддерживают в диапазоне 830-880°C, а температуру смотки - в диапазоне 540-580°C. Для производства рулонных полос используют низколегированную сталь, содержащую, мас. %: С=0,05-0,09; Si=0,15-0,40; Mn=1,0-1,4; Al=0,01-0,06; Ti=0,01-0,04; V=0,01-0,04; Nb=0,02-0,06; Mo не более 0,01; Cr не более 0,10; Ni≤0,10; Cu не более 0,10; Р не более 0,015; S не более 0,006; Са не более 0,005; N не более 0,010; железо - остальное (Патент РФ №2292404, МПК C21D 8/02, С22С 38/44, опубл. 27.01.2007 г.)
т
в
Значения предела прочности, предела текучести и относительного удлинения, заявленные для данного способа, составляют σ=390-480 МПа, σ=540-660 МПа, при относительном удлинении δ=31-32%. Это в целом соответствует нормативным требованиям для рулонных полос категории прочности К52 для формовки прямошовных труб.
К недостаткам данного способа можно отнести то, что получаемые при его использовании рулонные полосы из низколегированной стали обладают недостаточно высокой коррозионной стойкостью. В то же время требования по коррозионной стойкости являются одними из основных для прямошовных промысловых труб, изготавливаемых из рулонных полос рассматриваемого класса прочности. Это обуславливает необходимость разработки способа производства низколегированных рулонных полос с повышенной коррозионной стойкостью.
Технический результат изобретения состоит в получении рулонного полосового проката толщиной 6-12 мм с низкой скоростью коррозии при сохранении уровня прочностных и пластических характеристик, соответствующего категории прочности К52.
Технический результат достигается тем, что в способе производства низколегированных рулонных полос с повышенной коррозионной стойкостью, включающем нагрев непрерывнолитой заготовки под горячую прокатку и ее аустенизацию при температуре 1200-1280°C, черновую прокатку до толщины промежуточного подката, чистовую прокатку с регламентированной температурой конца прокатки и ламинарное охлаждение водой до температуры смотки в рулон, согласно изобретению непрерывнолитую заготовку получают из стали со следующим соотношением химических элементов, мас. %:
Углерод - 0,04-0,07
Марганец - 0,4-0,9
Кремний - 0,1-0,4
Хром - 0,2-0,7
Медь - 0,3-0,6
Никель - 0,15-0,60
Алюминий - не более 0,03
Молибден - не более 0,08
Сера - не более 0,003
Фосфор - не более 0,015
Суммарное содержание ванадия, ниобия и титана - не более 0,15
Железо и неизбежные примеси - остальное,
кп
аустенизацию непрерывнолитой заготовки перед прокаткой осуществляют с выдержкой при заданной температуре не менее 3 часов, последующую черновую прокатку этой заготовки производят при величине единичного относительного обжатия в первом проходе не менее 30% и не менее 20% в последнем проходе, толщину промежуточного подката устанавливают в диапазоне 5,5-7,5 толщин готовой полосы, а чистовую прокатку производят при величине единичного относительного обжатия в первом проходе не менее 30% и не более 10% в последнем проходе, причем температуру конца чистовой прокатки устанавливают из соотношения Т=800*К, °C, где К - эмпирический коэффициент, составляющий К=1,02, …1,15, а смотку полосы в рулон производят в диапазоне температур 585-670°C.
Э
cm
Повышения эффективности рассмотренного способа достигают, если низколегированные рулонные полосы с повышенной коррозионной стойкостью выполняют из стали, без коррозионно-активных неметаллических включений на основе алюмомагниевой шпинели и имеющей углеродный эквивалент С≤0,35, а параметр стойкости против растрескивания Р≤0,24.
Сущность изобретения состоит в том, что полное использование ресурса свойств, имеющегося в низколегированной стали данного химического состава, обеспечивается деформационно-термическим режимом ее производства. Технология прокатки направлена на получение оптимального фазового ферритно-перлитного состава и морфологии фаз, измельчение зерен микроструктуры, упрочнение твердого раствора, дисперсионное твердение, дислокационное и текстурное упрочнение, обеспечивающие высокий уровень коррозионной стойкости.
Сначала выплавляют заготовку из стали с заданным химическим составом. Содержание углерода в низколегированной стали определяет ее прочностные характеристики. Экспериментальные исследования показывают, что содержание углерода менее 0,04% технологически сложно обеспечить на сталеплавильном переделе. В то же время увеличение содержания углерода более 0,07% ухудшает коррозионную стойкость рулонной полосы и приводит к появлению неравномерности свойств по ее толщине в результате зональной ликвации.
В рассматриваемой низколегированной трубной стали добавки марганца и никеля способствуют твердорастворному упрочнению металла, и, соответственно, повышению прочностных характеристик готового рулонного проката. При этом производственный опыт показывает, что в рамках данной легирующей композиции снижение содержания марганца менее 0,4% приводит к снижению прочностных характеристик и низкотемпературной вязкости ниже допустимых пределов. В то же время повышение содержания марганца более 0,9% сопровождается повышением скорости общей коррозии, приводит к образованию бейнитной структуры в осевой зоне полосы, что снижает хладостойкость и ухудшает сопротивление против водородного растрескивания, т.е. негативно сказывается на качестве трубного проката.
Наличие кремния способствует улучшению раскисленности стали и повышению прочностных характеристик рулонной полосы. Опытным путем установлено, что для стали данного химического состава снижение содержания кремния менее 0,1% существенно усложняет сталеплавильный процесс за счет негативного влияния на жидкотекучесть стали и приводит к неоправданному повышению себестоимости проката. В то же время увеличение содержания кремния более 0,4% сопровождается возрастанием количества силикатных включений, снижающих ударную вязкость и коррозионную стойкость металла. Кроме того, это приводит к ухудшению свариваемости полосы.
Легирование хромом и медью повышает прочность и коррозионную стойкость металла за счет формирования на его поверхности защитной пленки, препятствующей контакту с транспортируемым по промысловым трубам коррозионно-активным углеводородным сырьем. Эмпирически установлено, что в рамках данной легирующей композиции минимальное содержание хрома, при котором он оказывает влияние на коррозионную стойкость рулонной полосы, составляет 0,2%. Использование более низкой концентрации не обеспечивает требуемой эффективности. При этом повышение содержания хрома выше 0,7% нецелесообразно, поскольку сопровождается снижением низкотемпературной ударной вязкости и неоправданными затратами на легирование. При содержании меди менее 0,3% не проявляется ее положительное влияние на коррозионные свойства рулонной полосы. В то же время при превышении уровня 0,6% содержания меди имеет место снижение низкотемпературной ударной вязкости. В рамках указанной концентрации они не оказывают вредного влияния на свариваемость полосы при производстве труб.
Добавка никеля способствует повышению качества поверхности полосы при прокатке за счет предотвращения налипания металла на рабочие валки прокатного стана и благоприятно сказывается на повышении коррозионной стойкости рулонной полосы. При этом концентрация никеля ниже 0,15% недостаточна для решения задачи повышения коррозионной стойкости, а увеличение содержания никеля выше 0,6% приводит к неоправданному увеличению затрат на легирование.
Алюминий используется для раскисления и модифицирования стали. Связывая азот в нитриды, он подавляет его негативное воздействие на свойства листов. Однако при этом он склонен к образованию коррозионно-активных неметаллических включений на основе алюмомагниевой шпинели, во многом определяющих уровень коррозионной стойкости трубного проката. Это обуславливает необходимость ограничивать содержание алюминия не более 0,03% для получения требуемого уровня коррозионной стойкости.
Молибден в данном прокате является примесным элементом, он попадает в сталь из металлолома при выплавке. Однако при увеличении его концентрации более 0,08% ухудшается свариваемость полос при изготовлении промысловых труб и возрастает себестоимость легирования.
Титан является сильным карбидообразующим элементом, упрочняющим сталь. Мелкодисперсные карбиды титана, выделившиеся в процессе горячей прокатки и ламинарного охлаждения полос водой, обладают высокой устойчивостью к перегреву. В процессе сварки не происходит их растворения и разупрочнения зоны сварного шва. При ламинарном охлаждении прокатанных полос микролегирование стали ниобием способствует получению дислокационной ячеистой микроструктуры стали, обеспечивающей сочетание требуемых прочностных и пластических свойств металла. Мелкодисперсные карбиды ниобия препятствуют росту зерна аустенита в ходе нагрева, что способствует получению измельчению зерна при прокатке по предложенным технологическим режимам. Ванадий и ниобий, как каждый в отдельности, так и совместно, измельчают зерно микроструктуры, повышают прочность и вязкость горячекатаных полос. Однако при суммарном содержании указанных элементов более 0,15% металл характеризуется снижением низкотемпературной вязкости. Кроме того, это ухудшает свариваемость без дальнейшего повышения механических свойств горячекатаных полос.
Сталь предложенного состава содержит в виде примесей не более 0,015% фосфора и не более 0,003% серы. При указанных предельных концентрациях эти элементы в горячекатаных полосах из стали предложенного состава не оказывают заметного негативного воздействия на механические свойства полос, тогда как их удаление из расплава существенно повышает затраты на производство и усложняет технологический процесс. Увеличение концентрации этих вредных примесей, особенно - серы, выше предложенных значений существенно ухудшает показатели коррозионной стойкости полос и, в особенности, низкотемпературную ударную вязкость.
В целом заявленное содержание элементов обеспечивает необходимый фазовый состав, а также требуемый уровень механических свойств и коррозионной стойкости рулонных полос при реализации предлагаемых технологических режимов.
Способ производства низколегированных рулонных полос с повышенной коррозионной стойкостью реализуют следующим образом. Производят нагрев непрерывнолитой заготовки под горячую прокатку до температуры 1200-1280°C и выдержку не менее 3 часов, которая является необходимым условием аустенизации стали по всему объему. При этом происходит полное растворение в аустенитной матрице сульфидов, фосфидов, нитридов, легирующих и примесных соединений, карбонитридных упрочняющих частиц. Благодаря этому повышается технологическая пластичность и деформируемость заготовки при прокатке. Кроме того, поскольку в процессе прокатки происходит непрерывное снижение температуры металла, нагрев заготовки до указанной температуры позволяет получить заданную температуру конца прокатки и смотки полосы в рулон.
Черновая прокатка является подготовительной ступенью деформации и обеспечивает получение исходной однородной структуры полосы путем измельчения зерна аустенита за счет статической рекристаллизации. В ходе многопроходной черновой прокатки аустенитное зерно интенсивно измельчается до размера 30-70 мкм. При этом использование для черновой прокатки единичных относительных обжатий в первом проходе не менее 30% и не менее 20% в последнем проходе позволяет обеспечить проработку структуры непрерывнолитой заготовки и измельчение зерна по всей ее толщине.
Подстуживание промежуточного подката в паузе между черновой и чистовой прокаткой при толщине, составляющей 5,5-7,5 толщин готовой полосы, позволяет при последующей контролируемой чистовой прокатке в двухфазной области дополнительно к процессам дисперсионного упрочнения и измельчения зерен до 11-12 балла получить развитие текстуры и образование субзерен. Образующиеся субзерна, помимо повышения прочности, увеличивают сопротивление хрупкому разрушению и усталости. При выбранной толщине промежуточного подката субзеренное упрочнение оказывает существенное влияние на формирование механических свойств прокатанной полосы.
Упрочнение рулонной полосы в процессе чистовой многопроходной деформации в двухфазной области с затрудненной рекристаллизацией аустенита характеризуется тем, что в первых проходах наиболее интенсивно упрочняются поверхностные слои заготовки, где деформация максимальна. По мере упрочнения поверхностных слоев при чистовой прокатке деформация начинает проникать вглубь и охватывает всю толщину промежуточного подката при единичных относительных обжатиях не менее 30% в первом проходе и не более 10% в последнем проходе. Поскольку указанная величина единичных обжатий при чистовой прокатке достаточна для полной проработки структуры на всю толщину промежуточного подката, обеспечивается измельчение зерен и повышение коррозионной стойкости и уровня механических свойств готовой полосы.
кп
кп
см
Для повышения коррозионной стойкости рулонной полосы, ее следует достаточно медленно охлаждать на отводящем рольганге от температуры конца прокатки, до температуры смотки, чтобы обеспечить снятие остаточных внутренних напряжений и получение мелкозернистой равновесной структуры металла. Для этого температуру конца чистовой прокатки Т устанавливают из соотношения Т=800*К, где К - эмпирический коэффициент, составляющий К=1,02, …1,15. При такой температуре конца прокатки смотка полосы в рулон в температурном диапазоне Т=585-670°C позволяет получить необходимую скорость ее ламинарного охлаждения после прокатки и обеспечивает формирование фазового состава стали, необходимого для получения высокой коррозионной стойкости.
Э
cm
э
cm
С целью повышения эффективности рассмотренного способа низколегированные рулонные полосы с повышенной коррозионной стойкостью выполняют из стали без коррозионно-активных неметаллических включений на основе алюмомагниевой шпинели и имеющей углеродный эквивалент С≤0,35, а параметр стойкости против растрескивания Р≤0,24. Устранение коррозионно-активных неметаллических включений на основе алюмомагниевой шпинели способствует повышению коррозионной стойкости материала полосы в водородных и сероводородных средах, для которых они являются основными инициаторами локальной коррозии. Использование стали с углеродным эквивалентом, соответствующим заявленным параметрам, обеспечивает стабильный уровень качества сварного шва при производстве труб из рулонных полос, получаемых в соответствии с предлагаемым способом. Параметр стойкости против растрескивания определяет вероятность появления поверхностных дефектов в процессе деформации полосового проката. При соблюдении заявленных значений этого параметра удается избежать возникновения трещин при формовке прямошовной трубы из рулонной полосы на профилегибочном стане. Эти условия могут быть реализованы в рамках предложенной легирующей композиции. Заявленное содержание легирующих компонентов позволяет получить требуемую величину углеродного эквивалента С≤0,35 и параметра стойкости против растрескивания Р≤0,24, а также препятствует образованию коррозионно-активных неметаллических включений на основе алюмомагниевой шпинели.
Применение способа поясняется примером его реализации при производстве на широкополосном стане 2000 полосы размером 8×1400 мм (рулон), категории прочности К52. Производят изготовление заготовок из стали, содержащей, масс. %: С=0,052%; Mn=0,67%; Si=0,23%; Cu=0,35%; Ni=0,179%; Nb=0,034%; Cr=0,433%; Mo=0,073%; Al=0,022%; V=0,044%; Ti=0,021%; S=0,0014%; P=0,0072%, остальное железо и примеси, с содержанием каждого примесного элемента не более 0,002% - остальное. Содержание легирующих компонентов полностью соответствует заявленному химическому составу. При этом содержание ниобия, ванадия и титана составляет Nb+V+Ti=0,099%, т.е. соответствует приведенному соотношению не более 0,15%.
При нагреве непрерывнолитых заготовок размером 250×1450×6900 мм до температуры 1230°C в течении 3 часов производят аустенизацию низколегированной стали с растворением дисперсных карбонитридных упрочняющих частиц. После выдачи из печи осуществляют черновую прокатку заготовки до толщины промежуточного подката 38 мм, составляющей 4,75 от толщины готовой полосы, что соответствует параметрам предлагаемого технического решения. При этом величина единичного относительного обжатия в первом проходе черновой прокатки составляет 32% и в последнем проходе 29%, что соответствует заявленному диапазону.
кп
Затем производят чистовую прокатку промежуточного подката на размер рулонной полосы 8×1390 мм с единичным относительным обжатием 31% в первом проходе и 6% в последнем проходе. При этом температуру конца чистовой прокатки устанавливают Т=898°C. Используемые деформационный и температурный режимы прокатки полностью соответствуют заявленному диапазону.
cм
Прокатанную полосу подвергают водяному ламинарному охлаждению на отводящем рольганге широкополосного стана с последующей смоткой при температуре Т=592°C. Ускоренное охлаждение металла после чистовой прокатки приводит к повышению дисперсности структурных составляющих и получению феррито-бейнитной структуры.
в
т
-50
2
2
2
Механические свойства полученной рулонной полосы определяли на стандартных образцах. Температурно-деформационный режим прокатки обеспечил получение мелкозернистой феррито-бейнитной структуры с заметной продольной анизотропией зерен. Испытания на статическое растяжение осуществляли на плоских образцах по ГОСТ 1497, а на ударный изгиб на образцах с V-образным надрезом по ГОСТ 9454 при температуре -50°C. Получены следующие механические свойства для поперечных образцах: временное сопротивление σ=560-570 Н/мм; предел текучести σ=500-510 Н/мм; относительное удлинение δ=23-23,5%; ударная вязкость KCV=190-235 Дж/см. Указанный уровень свойств полностью соответствует требованиям, предъявляемым к рулонной полосе категории прочности К52. Получение высокого уровня механических свойств полосы обеспечивается проникновением зоны пластической деформации от поверхности заготовки на всю ее глубину при сравнительно низкой температуре чистовой прокатки, способствующей интенсивной проработке структуры с измельчением зерна.
экв
cm
В полученной рулонной полосе не выявлено коррозионно-активных неметаллических включений на основе алюмомагниевой шпинели, негативно влияющих на коррозионную стойкость стали. Углеродный эквивалент составляет С=0,31, а параметр стойкости против растрескивания Р=0,15, т.е. также соответствуют заявленному диапазону.
Таким образом, применение предложенного способа прокатки обеспечивает достижение требуемого результата - получение на широкополосовом стане рулонного проката с повышенной коррозионной стойкостью для изготовления прямошовных труб категории прочности К52.
Оптимальные параметры реализации способа были определены эмпирическим путем. Экспериментально установлено, что при нагреве заготовки до температуры ниже 1200°C не достигается гомогенизация аустенитной структуры, что препятствует получению требуемого уровня свойств готового проката. Увеличение температуры нагрева выше 1280°C приводит к интенсивному росту зерен аустенита и снижению прочностных свойств толстых листов. При продолжительности аустенизации менее 3 часов заготовка не успевает равномерно прогреться, что приводит к существенной неравномерности деформации и появлению поверхностных дефектов на готовом изделии.
Опытным путем определено, что если единичные относительные обжатия в первом проходе черновой прокатки составляют менее 30%, то имеет место недостаточная проработка структуры в осевой зоне заготовки и в ней сохраняется ликвационная полоса, что негативно сказывается на показателях низкотемпературной ударной вязкости готовой полосы. При этом единичные относительные обжатия в последнем проходе черновой прокатки менее 20% не позволяют существенно воздействовать на структурообразование низколегированной стали и не обеспечивают получение необходимого уровня механических свойств.
Из опыта установлено, что при толщине промежуточного подката, составляющей менее 5,5 толщины готовой полосы, в рамках чистовой прокатки невозможно обеспечить низкотемпературную деформацию, достаточную для проработки структуры металла и получения достаточно мелкого зерна на готовом изделии. В то же время, при толщине подката более 7,5 от толщины готовой полосы, слишком большая степень суммарной деформации при чистовой прокатке приводит к снижению вязкостных характеристик металла.
Следует отметить, что если единичные относительные обжатия в первом проходе чистовой прокатки составляют менее 30%, то имеет место недостаточная проработка структуры промежуточного подката по толщине, что негативно сказывается на показателях ударной вязкости готовой полосы. В то же время, если единичные относительные обжатия в последнем проходе чистовой прокатки составляют более 10%, возможно превышение допустимых значений усилия прокатки для последней клети используемого стана. Иначе говоря, возникают предпосылки для аварийной ситуации.
кп
кп
При температуре конца чистовой прокатки Т ниже регламентируемой рассматриваемым техническим решением, скорость ламинарного охлаждения в интервале температур «конец прокатки - смотка» недостаточна для получения требуемого уровня прочностных характеристик. Если температура конца чистовой прокатки Т выше расчетных значений, то низколегированная сталь предложенного химического состава входит в неблагоприятную для деформации температурную область, что может привести к снижению уровня механических свойств готовой продукции.
см
см
Ламинарное охлаждение полученной полосы на отводящем рольганге широкополосового стана до температуры смотки ниже Т=585°C не обеспечивает достаточно высокого уровня коррозионной стойкости и низкотемпературной вязкости ввиду слишком высокого содержания бейнитной составляющей. В то же время при температуре смотки выше Т=670°C может иметь место недостаточный уровень прочностных характеристик проката.
Как следует из приведенного анализа, при реализации предложенного технического решения требуемое качество полосового проката для прямошовных труб достигается за счет выбора наиболее рациональных технологических режимов и химического состава стали, а кроме того, за счет деформационного и температурного режима прокатки рулонной полосы на широкополосовом стане. Однако, в случае выхода варьируемых технологических параметров за установленные для этого способа границы, не всегда удается обеспечить соответствие полученных полос заданным требованиям по коррозионной стойкости и механическим свойствам. Таким образом, полученные данные подтверждают правильность разработанных технических решений в части выбора допустимых значений технологических параметров предложенного способа производства низколегированных рулонных полос с повышенной коррозионной стойкостью для изготовления прямошовных труб.
Технико-экономические преимущества рассматриваемого изобретения состоят в том, что предложенные температурно-деформационные режимы производства позволяют в наибольшей степени использовать все механизмы упрочнения низколегированной стали данного химического состава: измельчение зерен микроструктуры, дислокационное упрочнение, дисперсионное твердение, анизотропия структуры и свойств. Использование предложенного способа для производства рулонного проката категории прочности К52 с повышенной коррозионной стойкостью, толщиной 6-12 мм позволит освоить новый вид продукции на широкополосных станах.