НИЗКОУГЛЕРОДИСТАЯ ДОПЕРИТЕКТИЧЕСКАЯ СТАЛЬ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА БЕСШОВНЫХ ТРУБ
LOW-CARBON UNDER-PERITECTIC STEEL FOR PRODUCTION OF SEAMLESS PIPES

Изобретение относится к металлургическому производству, в частности к низкоуглеродистым доперитектическим сталям, и может быть использовано для изготовления бесшовных труб с пределом текучести более 290 МПа (группы прочности Х42-Х52 по API 5L) для магистральных нефтегазопроводов из непрерывнолитой заготовки.
Известен патент на стальной сплав для низколегированной стали для производства высокопрочных бесшовных стальных труб (патент РФ №2482211 опубл. 23.01.2009 г.).
Известен патент РФ №2330895 от 30.08.2006 г. «Трубная заготовка из низкоуглеродистой микролегированной стали».
Наиболее близким решением из известных является сталь для бесшовных труб, содержащая (мас., %):
Углерод
0,10-0,15
Марганец
0,8-1,1
Кремний
0,17-0,37
Ванадий
0,06-0,10
Алюминий
0,02-0,06
Азот
0,001-0,020
Железо
остальное
Данная сталь при условии прохождения улучшающей термообработки имеет предел текучести более 290 МПа при удовлетворительном уровне вязкопластичных и коррозионных свойств (ТУ 14-1-3345-2006, ТУ 14-3-1831-92, ТУ 14-3Р-77-2004).
Однако при производстве бесшовных труб способом горячей деформации из непрерывнолитых заготовок из описанной выше марки стали имеет место повышенный уровень отбраковки, связанный с проявлением дефектов сталеплавильного происхождения.
Основным отличием разработанной стали от известной является отсутствие перитектической реакции при кристаллизации (Эфрон Л.И. Металловедение в «большой» металлургии. Трубные стали. - М.: Металлургиздат, 2012. - 696 с.).
Технической задачей, решаемой изобретением, является разработка нового химического состава стали, позволяющего снизить уровень сталеплавильных дефектов при сохранении требуемых прочностных характеристик и эксплуатационных свойств трубной продукции.
Поставленная задача решается за счет того, что подбирается химический состав, позволяющий при кристаллизации перевести сталь в доперитектический класс.
Технический результат достигается тем, что разработан новый химический состав доперитектической марки стали, содержащей углерод, марганец, ванадий, азот, алюминий в следующем соотношении компонентов (мас., %):
Углерод
до менее 0,04
Марганец
0,90-1,65
Ванадий
0,03-0,08
Алюминий
0,005-0,060
Азот
0,005-0,015
Железо и неизбежные примеси - остальное.
При концентрации углерода от 0,10 до 0,16%, в условиях охлаждения из жидкого состояния стали перитектического класса протекает изотермическая перитектическая реакция L+δ→γ с образованием аустенита, концентрация которого соответствует 0,16% (см. рис. 1). Избыточная фаза δ-феррита превращается в фазу γ-железа в интервале температур ниже 1499°С до температур, ограниченных линией перехода полностью в аустенитное состояние. Образование сразу двух твердых растворов углерода в δ и γ-железе, имеющих различные кристаллические решетки (объемно-центрированную и гране-центрированную - соответственно) способствует большей вероятности возникновения дефектной структуры из-за появления несовершенств кристаллической решетки - вакансий, межузельных смещенных атомов, дислокаций (свободных узлов решетки), дефектов упаковки и т.д.
Кроме того, в результате промежуточных перитектических δ→γ превращений происходит изменение объема металла в процессе затвердевания, что также может служить причиной появления поверхностных дефектов непрерывнолитой заготовки. Изменение объема металла (усадка) отрицательно сказывается при прохождении металла через зону первичного охлаждения - медный кристаллизатор. В этом случае возможно образование воздушной прослойки между поверхностью кристаллизатора и наружным корковым слоем заготовки. Это ухудшает отвод тепла, отрицательно сказывается на толщине коркового слоя и на макроструктуре заготовки в целом, ухудшая плотность центральной зоны.
При охлаждении из области жидкого состояния сталей доперитектического класса, содержащих менее 0,10%, первичная кристаллизация происходит путем превращения жидкости в δ-феррит и заканчивается при температурах линии солидуса. В процессе последующего охлаждения δ-феррит претерпевает превращение в фазу γ-железа (аустенит) в интервале температур δ→γ превращения. С уменьшением содержания углерода увеличивается температурный диапазон существования δ-феррита и, соответственно, продолжительность пребывания металла в этой области. Учитывая тот факт, что диффузионная подвижность атомов углерода и других растворенных примесей в δ-феррите на несколько порядков (≈ в 10 раз) превышает скорость диффузии в аустените, увеличение продолжительности пребывания металла в области δ-феррита приводит к большей гомогенизации, перераспределению атомов примесей из междендритных областей по всему объему. В этом случае вероятность возникновения дефектов заготовки минимальна.
Изменение класса стали не сказывается на уровне прочностных, вязкопластичных и коррозионных свойствах, позволяя сохранить высокие эксплуатационные характеристики наряду с повышенными качественными показателями.
Низкоуглеродистая доперитектическая сталь используется для производства бесшовных нефтегазопроводных труб с пределом текучести более 290 МПа на АО «ВТЗ».