СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ШТРИПСОВ ИЗ НИЗКОЛЕГИРОВАННОЙ СТАЛИ
PRODUCTION METHOD OF CANDIES FROM LOW-ALLOYED STEEL

Изобретение относится к области металлургии, конкретнее к прокатному производству, и может быть использовано при получении штрипсов для производства сероводородостойких газонефтепроводных труб, сваренных с использованием нагрева токами высокой частоты.
Штрипсы для изготовления нефтегазопроводных труб, используемые для транспортирования сероводородсодержащих углеводородов в условиях Крайнего Севера, должны отвечать следующему комплексу свойств (табл.1):
Таблица 1.Свойства штрипсов для сероводородостойких нефтегазопроводных труб
σ<sub>в</sub>, Н/мм<sup>2</sup>
σ<sub>т</sub>, Н/мм<sup>2</sup>
δ<sub>5</sub>, %
KCU<sup>-60</sup>, Дж/см<sup>2</sup>
Q<sup>-20</sup>, %
CLR, %
CTR, %
Свариваемость
не менее 470
295-450
не менее 23
не менее 69
не менее 60
не более 3
не более 0
удовл.
Примечания: CLR и CTR - относительная длина и ширина трещин при испытании на стойкость в сероводродной среде;
Q<sup>-20</sup> - доля волокнистой составляющей в изломе образца.
Известен способ производства штрипсов из низколегированной стали, включающий нагрев слябов до температуры 1160-1190°С, черновую прокатку, чистовую прокатку с суммарным относительным обжатием не менее 70% при температуре конца прокатки не выше 820°С. После прокатки штрипсы подвергают закалке водой с температуры 900-950°С и отпуску при температуре 600-730°С. При этом низколегированная сталь имеет следующий химический состав, мас.%:
Углерод
0,07-0,12
Марганец
1,4-1,7
Кремний
0,15-0,50
Ванадий
0,06-0,12
Ниобий
0,03-0,05
Титан
0,01-0,03
Алюминий
0,02-0,05
Хром
не более 0,3
Никель
не более 0,3
Медь
не более 0,3
Сера
не более 0,005
Фосфор
не более 0,015
Азот
не более 0,010
Железо
Остальное [1].
Недостатки известного способа состоят в том, что штрипсы имеют низкие хладостойкость, свариваемость и стойкость против сероводородного растрескивания. Кроме того, дополнительное термическое улучшение штрипсов удорожает их производство.
Известен также способ производства штрипсов категории прочности Х65 из низколегированной стали следующего состава, мас.%:
Углерод
0,06-0,12
Марганец
1,4-1,7
Кремний
0,20-0,45
Ванадий
0,06-0,10
Ниобий
0,04-0,08
Титан
0,005-0,035
Хром
0,01-0,30
Никель
0,01-0,30
Медь
0,01-0,30
Алюминий
0,02-0,05
Молибден
0,01-0,50
Сера
не более 0,006
Фосфор
не более 0,015
Бор
не более 0,006
Азот
не более 0,010
Железо
Остальное,
при этом ,
и .
Способ включает нагрев слябов до температуры 1170-1420°С, их черновую прокатку до промежуточной толщины и чистовую прокатку в температурном интервале 910-710°С с суммарным относительным обжатием 60-80% [2].
Недостатки известного способа состоят в том, что он не обеспечивает высокой хладостойкости и стойкости против сероводородного растрескивания.
Наиболее близким аналогом по совокупности признаков и достигаемым результатам к предлагаемому изобретению является способ производства штрипсов из низколегированной стали следующего химического состава, мас.%:
Углерод
0,12-0,17
Марганец
1,3-1,6
Кремний
0,3-0,6
Алюминий
0,02-0,06
Ванадий и/или ниобий
0,01-0,05
Хром
не более 0,3
Никель
не более 0,3
Медь
не более 0,3
Фосфор
не более 0,015
Сера
не более 0,006
Азот
не более 0,010
Кальций
не более 0,02
Железо
Остальное.
Способ включает нагрев слябов до температуры 1220-1280°С, многопроходные черновую прокатку до промежуточной толщины, чистовую прокатку с температурой конца прокатки 820-880°С и ускоренное охлаждение штрипсов водой до температуры 580-660°С [3].
Недостатки известного способа состоят в том, что он не обеспечивает одновременного получения высокой хладостойкости и стойкости против сероводородного растрескивания штрипсов.
Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в повышении хладостойкости и стойкости против штрипсов, против сероводородного растрескивания.
Для решения поставленной технической задачи в известном способе производства штрипсов из низколегированной стали, включающем нагрев слябов, многопроходную черновую и чистовую прокатку с регламентируемой температурой конца прокатки и охлаждение штрипсов водой, согласно предложению, чистовую прокатку начинают при температуре не выше 980°С, ведут с суммарным относительным обжатием не менее 70% и завершают при температуре 830-870°С, а охлаждение штрипсов водой ведут до температуры 520-620°С, причем низколегированная сталь имеет следующий химический состав, мас.%:
Углерод
0,04-0,09
Кремний
0,15-0,37
Марганец
0,60-1,30
Хром
0,05-0,50
Ниобий
0,01-0,04
Титан
0,01-0,03
Алюминий
0,01-0,05
Ванадий
не более 0,04
Кальций
не более 0,005
Азот
не более 0,010
Бор
не более 0,005
Никель
не более 0,3
Медь
не более 0,3
Фосфор
не более 0,012
Сера
не более 0,005
Железо
Остальное.
Кроме того, содержание химических элементов в низколегированной стали удовлетворяет соотношениям:
где С, Мn, Сr, Сu, Si, Ni, V, В, Al, N - содержание в стали углерода, марганца, хрома, меди, кремния, никеля, ванадия, алюминия и азота соответственно.
Сущность предлагаемого технического решения состоит в следующем. Комплекс эксплуатационных и механических свойств штрипсов определяется микроструктурно-фазовым состоянием низколегированной стали, которое, в свою очередь, зависит от химического состава стали и режимов ее многоциклововой деформационно-термической обработки.
Известные способы производства штрипсов из низколегированной стали не обеспечивают одновременное сочетание высокой свариваемости и стойкости против сероводородного растрескивания, т.к. повышение стойкости против сероводородного растрескивания за счет увеличения степени легирования стали неизбежно ухудшает ее свариваемость, снижает пластические и вязкостные свойства штрипсов при отрицательных температурах. Предлагаемые деформационно-термические режимы производства штрипсов и химический состав низколегированной стали позволяют сформировать в процессе многопроходной прокатки и охлаждения водой оптимальный фазовый состав, микроструктуру и механические свойства стали, в особенности высокую пластичность и ударную вязкость при отрицательных температурах.
Легирование стали марганцем, хромом, ниобием, титаном, алюминием в заданных количествах и соотношениях и ограничение концентрации примесных элементов обеспечивает повышение стойкости против сероводородного растрескивания. При этом, поскольку легирование осуществлено в минимально достаточной степени, свариваемость штрипсов остается высокой.
нп
кп
Σ
При многопроходной чистовой прокатке в температурном диапазоне от температуры начала прокатки Т≤980°С до температуры конца прокатки Т=830-870°С с суммарным относительным обжатием ε≥70% обеспечивается диспергирование аустенитной микроструктуры низколегированной стали, благодаря чему сталь предложенного состава после ускоренного охлаждения водой приобретает высокие прочностные, пластические и вязкостные свойства при отрицательных температурах.
нп
Экспериментально установлено, что при Т>980°С в процессе многопроходной чистовой прокатки интенсифицируются процессы динамической и статической рекристаллизации деформированного аустенита. В результате не обеспечивается измельчение аустенитных зерен и получение заданного комплекса механических свойств штрипсов.
кп
Σ
кп
-60
-20
При Т>870°С или ε<70% возрастает неравномерность размеров аустенитных зерен. Это снижает вязкостные и прочностные свойства готовых штрипсов, а также их стойкость против сероводородного растрескивания. Снижение Т менее 830°С приводит к формированию анизотропной микроструктуры стали предложенного состава, падению ударной вязкости KCU и доли волокнистой составляющей Q ниже допустимого уровня.
cм
см
При охлаждении прокатанных штрипсов водой до температуры Т>620°С происходит самопроизвольное разупрочнение горячекатаной стали, что ведет к снижению прочностных свойств менее допустимых значений. Снижение Т менее 520°С не ведет к повышению механических и эксплуатационных свойств штрипсов, а лишь увеличивает расход охлаждающей воды и энергозатрат на работу насосов, что нецелесообразно.
Углерод в стали предложенного состава определяет ее прочностные свойства. Снижение содержания углерода менее 0,04% приводит к падению прочности ниже допустимого уровня. Увеличение содержания углерода сверх 0,09% ухудшает свариваемость и стойкости против сероводородного растрескивания.
Кремний раскисляет и упрочняет сталь. При содержании кремния менее 0,15% прочность и раскисленность стали недостаточны. Увеличение содержания кремния более 0,37% приводит к возрастанию количества силикатных неметаллических включений, ухудшает ее пластичность и ударную вязкость.
Марганец введен для раскисления и повышения прочности стали, связывания примесной серы в сульфиды. При содержании марганца менее 0,60% снижается прочность стали, доля вязкой составляющей в изломе и вязкость при отрицательных температурах. Повышение концентрации марганца сверх 1,30% приводит к снижению пластичности, ухудшению свариваемости и стойкости против сероводородного растрескивания.
Хром играет важную роль в обеспечении одновременно высокой прочности, вязкости, пластичности, коррозионной стойкости штрипсов. Благодаря наличию хрома в стали, при охлаждении после многоциклового деформирования, в ней формируется мелкодиспергированная микроструктура, обладающая высокими вязкостными свойствами при отрицательных температурах. Снижение содержания хрома менее 0,05% ухудшает стойкость против сероводородного растрескивания. Увеличение концентрации хрома более 0,50% ухудшает свариваемость штрипсов.
Ниобий образуют с углеродом карбиды NbC. Мелкие карбиды 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, прочностные свойства стали ниже допустимого уровня. Увеличение концентрации ниобия более 0,04% ухудшает свариваемость, вызывает дисперсионное твердение и охрупчивание границ зерен микроструктуры. Это приводит к снижению доли вязкой составляющей в изломе и потере ударной вязкости при отрицательных температурах, а также снижению стойкости против сероводородного растрескивания.
Титан является сильным карбидообразующим элементом, упрочняющим сталь. Снижение содержания титана менее 0,01% ухудшает прочность и пластичность стали. Однако при сварке титан полностью выгорает, поэтому его количество в стали не должно превышать 0,03%.
Алюминий является раскисляющим и модифицирующим элементом. При концентрации алюминия менее 0,01% его положительное влияние не проявляется. Вместе с тем, увеличение содержания алюминия более 0,05% приводит к ухудшению свариваемости штрипсов и труб.
Ванадий является сильным раскисляющим и карбидообразующим примесным элементом. Однако увеличение содержания ванадия более 0,04% нецелесообразно, т.к. ведет к ухудшению свариваемости штрипсов и стойкости против сероводородного растрескивания.
Кальций оказывает модифицирующее действие, что позволяет повысить эксплуатационные свойства штрипсов, повысить ударную вязкость при - 60°С. Тем не менее, увеличение содержания кальция более 0,005% приводит к росту количества и размеров неметаллических включений, снижению пластичности и ударной вязкости горячекатаных штрипсов.
Азот входит в состав карбонитридов и нитридов, упрочняющих сталь. Увеличение содержание азота более 0,010 приводит к резкому снижению пластичности и вязкости стали при отрицательных температурах.
Бор упрочняет твердый раствор по механизму внедрения, повышает прочность и вязкость стали, измельчает микроструктуру. Увеличение влияния бора более 0,005% приводит к появлению по границам зерен избыточных фаз (боридов), что снижает ударную вязкость стали при отрицательных температурах.
Примеси никеля и меди способствуют повышению прочностных свойств, но при содержании более 0,3% никеля и более 0,3% меди имеет место снижение хладостойкости штрипсов, свариваемости и стойкости против сероводородного растрескивания.
Сера и фосфор являются вредными примесями, снижающими пластические и вязкостные свойства. При концентрации фосфора более 0,012% и серы более 0,005% ухудшаются механических свойств штрипсов, особенно ударная вязкость, снижается стойкости против сероводородного растрескивания.
см
Показатель Р характеризует степень легирования стали и ее стойкость против сероводородного растрескивания. Если
то в большинстве случаев показатели CLR или CTR превышают допустимое значение, низколегированную сталь такого состава нельзя назначать на производство штрипсов, стойких против сероводородного растрескивания.
При  низколегированная сталь содержит несвязанный азот, и готовые штрипсы имеют недостаточную хладостойкость.
Примеры реализации способа
В кислородном конвертере осуществляют выплавку низколегированных сталей для производства штрипсов. Выплавку производят из передельного чугуна с добавками отобранного металлического лома. Полученные расплавы раскисляют ферросилицием, ферромарганцем, легируют феррованадием, феррониобием, ферротитаном, ферробором, вводят металлический алюминий и хром, силикокальций. Производят десульфурацию и дефосфорацию расплава, продувку аргоном. Химический состав низколегированных сталей для штрипсов приведен в таблице 2.
а
Слябы с химическим составом №3 (табл.2) загружают в методическую печь непрерывного широкополосного стана 2000 и осуществляют их нагрев до температуры аустенитизации Т=1160°С.
Таблица 2.
Химический состав низколегированных сталей для производства штрипсов
№ состава
Содержание химических элементов, мас.%
С
Si
Mn
Cr
Nb
Ti
Al
V
Ca
N
В
Ni
Сu
Р
S
Fe
P<sub>см</sub>
<img file="00000006.tif" he="10" wi="7" img-content="undefined" img-format="tif" />
1.
0,030
0,14
0,5
0,04
0,009
0,009
0,009
0,01
0,001
0,0045
0,001
0,1
0,1
0,010
0,002
Ост.
0,074
2,00
2.
0,040
0,15
0,6
0,05
0,010
0,010
0,010
0,02
0,003
0,0048
0,003
0,1
0,2
0,010
0,003
-:-
0,106
2,08
3.
0,060
0,21
0,9
0,27
0,025
0,020
0,030
0,03
0,004
0,009
0,004
0,2
0,2
0,011
0,004
-:-
0,162
3,33
4.
0,049
0,37
1,3
0,50
0,040
0,030
0,050
0,04
0,005
0,010
0,005
0,3
0,3
0,012
0,005
-:-
0,200
5,00
5.
0,090
0,16
0,7
0,15
0,030
0,015
0,040
0,03
0,002
0,010
0,002
0,1
0,1
0,010
0,005
-:-
0,157
5,27
6.
0,100
0,38
1,4
0,60
0,050
0,040
0,060
0,05
0,006
0,011
0,006
0,4
0,4
0,013
0,006
-:-
0,274
5,45
7.
0,150
0,50
1,6
0,25
0,02
-
0,040
0,02
0,015
0,010
-
0,3
0,3
0,014
0005
-:-
0,281
4,00
Разогретые слябы прокатывают за 5 проходов в черновой группе клетей в раскаты толщиной Н=40,0 мм.
нп
кп
Σ
Полученные раскаты при температуре Т=°С задают в непрерывную 7-клетевую чистовую группу и прокатывают в штрипсы конечной толщины h=8,0 мм с температурой конца прокатки Т=850°С. Суммарное относительное обжатие при чистовой прокатке ε составляет:
кп
Заданную температуру Т обеспечивают за счет применения межклетевого охлаждения раскатов водой.
см
Прокатанные штрипсы подвергают ускоренному охлаждению до температуры Т=600°С ламинарными струями воды в процессе транспортирования по отводящему рольгангу к моталкам. Охлажденные полосы сматывают в рулоны.
Варианты реализации способа производства штрипсов из низколегированной стали и показатели их эффективности приведены в таблице 3.
Таблица 3.
Режимы производства штрипсов и их эксплуатационные свойства
№ п/п
№ состава
Т<sub>нп</sub>, °С
ε<sub>Σ</sub>,%
Т<sub>кп</sub>, °С
Т<sub>см</sub>, °C
σ<sub>в</sub>,Н/мм<sup>2</sup>
σ<sub>т</sub>,Н/мм<sup>2</sup>
δ<sub>5</sub>,%
KCU<sup>-60</sup>, Дж/см<sup>2</sup>
Q<sup>-20</sup>,%
CLR,%
CTR,%
Сварива-емость
1.
1
990
90
820
630
460
280
23
67
55
4,5
1,1
неудовл.
2.
2
980
85
870
620
470
295
32
72
65
2,5
0
удовл.
3.
3
970
80
850
600
490
370
33
74
80
1,8
0
удовл.
4.
4
960
70
830
520
530
450
32
70
64
2,0
0
удовл.
5.
5
965
75
840
590
500
390
32
72
75
1,9
0
удовл.
6.
6
950
68
820
510
690
570
19
54
55
3,5
2,9
неудовл.
7.
7
970
65
850
620
560
420
30
48
59
4,2
3,5
удовл.
Из данных, приведенных в таблице 3, следует, что в случаях реализации предложенного способа (варианты №2-5) достигается повышение хладостойкости штрипсов, свариваемости и стойкости против сероводородного растрескивания. При запредельных значениях заявленных параметров (варианты №1 и №6) имеет место снижение хладостойкости, свариваемости и стойкости против сероводородного растрескивания штрипсов. Также низкая хладостойкость и стойкость против сероводородного растрескивания присущи штрипсам, произведенным согласно способу-прототипу (вариант №7).
Технико-экономические преимущества предложенного способа заключаются в том, что нагрев слябов из низколегированной стали предложенного состава и соотношением содержаний химических элементов до температуры аустенитизации, последующая их многопроходная черновая
прокатка и многопроходная чистовая прокатка с суммарным относительным обжатием не менее 70%, с температурой конца прокатки 830-870°С и охлаждением штрипсов водой до температуры 520-620°С обеспечивают формирование заданного диспергированного микроструктурно-фазового состава штрипсов. Благодаря этому штрипсы имеют повышенные хладостойкость, свариваемость и стойкость против сероводородного растрескивания.
Использование предложенного способа обеспечит повышение рентабельности производства штрипсов повышенной прочности для труб нефтегазопроводов, сваренных с использованием ТВЧ, на 15-20%.
Источники информации
1. Патент Российской Федерации №2255123, МПК C21D 8/02, С22С 38/58, 2005 г.
2. Патент Российской Федерации №2241769, МПК C21D8/02, С22С 38/58, В21В 1/26, 2004 г.
3. Патент Российской Федерации №2262537, МПК C21D 8/02, С22С 38/46, 2005 г. - прототип.