СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВЫСОКОПРОЧНОГО ТОЛСТОЛИСТОВОГО СТАЛЬНОГО ПРОКАТА НА РЕВЕРСИВНОМ СТАНЕ
METHOD FOR PRODUCING HIGH-STRENGTH THICK-STEEL STEEL ROLLING ON A REVERSING MILL

Изобретение относится к области металлургии, в частности к технологии производства на реверсивном стане толстолистового проката для магистральных труб большого диаметра, и может быть использовано для получения низколегированных трубных сталей повышенной коррозионной стойкости категорий прочности К52-К60.
Известен способ производства трубного проката из низколегированной стали, включающий отливку слябов, их нагрев, многопроходную реверсивную черновую и чистовую прокатку, причем нагрев слябов осуществляют до температуры 1150-1200°С, перед прокаткой в чистовой клети раскат подстуживают до температуры 920-980°С, а прокатку в чистовой клети завершают при температуре не выше 820°С, и используют низколегированную сталь, содержащую, мас. %: С=0,03…0,14; Mn=0,5…1,65; Si=0,15…0,70; Ni≤0,30; Al=0,02…0,05; Nb=0,015…0,06; V=0,02…0,14; Ti=0,005…0,03;Cr≤0,30; Cu≤0,30; Mo≤0,15; железо и примеси - остальное (Патент РФ №2201972, МПК C21D 8/02, С22С 38/58, В21В 1/26, опубл. 10.02.2003 г.).
Значения предела прочности, предела текучести и относительного удлинения для данного способа соответствуют нормативным требованиям для листового проката категории прочности Х52-Х56 (К56-К60). Однако толстолистовой прокат, полученный согласно известному способу, характеризуется сравнительно низким уровнем хладостойкости (низкотемпературной ударной вязкости). Это связано с низкой скоростью охлаждения в естественных условиях (на воздухе) полученного листа до температуры окружающей среды. Кроме того, получаемый при использовании указанного способа листовой прокат из низколегированной стали не обладает достаточно высокой коррозионной стойкостью. В то же время требования по коррозионной стойкости являются достаточно важными для трубного проката, в случае транспортировки углеводородного сырья, содержащего сероводород. Это обуславливает необходимость разработки способа производства на реверсивном стане трубного проката с повышенной хладостойкостью и коррозионной стойкостью.
Наиболее близким по своей технической сущности к предлагаемому изобретению является способ производства низколегированного трубного проката на реверсивном стане, включающий выплавку непрерывнолитой заготовки, ее нагрев и выдержку при температуре аустенизации, черновую и последующую чистовую прокатку на заданную толщину листа более 30 мм, а также ускоренное охлаждение готового проката и его правку. При этом непрерывнолитую заготовку изготовляют из стали со следующим соотношением элементов, мас. %: С=0,03…0,08, Mn=l,6…2,2, Si=0,12…0,40, Ni=0,28…0,55, Мо=0,20…0,45, Cr=0,01…0,1, Cu=0,1…0,4, Nb=0,03…0,07, Ti=0,01…0,04, V=0,01…0,06, Al=0,01…0,05, остальное - железо и примеси. Также назначают определенный температурный режим прокатки и ускоренного охлаждения в зависимости от толщины проката. Достижение требуемого уровня механических свойств проката обеспечивается за счет сравнительно высокого уровня содержания марганца, а также микролегирования ниобием в условиях применения термомеханической (контролируемой) прокатки. Кроме того, для получения требуемой структуры металла используется подстуживание полученной промежуточного раската после черновой прокатки, осуществляемое во время специальной междеформационной паузы между черновой и чистовой прокаткой (Патент РФ №2463360, МПК C21D 8/02, С22С 38/58, опубл. 10.10.12 г.)
Указанный способ не позволяет обеспечить требуемый уровень коррозионной стойкости и хладостойкости проката.
Очевидно, что необходимость повышении коррозионной стойкости и хладостойкости толстолистового трубного проката из низкоуглеродистых сталей при одновременном сохранении механических свойств высокого уровня, определяет актуальность разработки соответствующих технических решений в рамках прокатной технологии. При этом ключевым параметром коррозионной стойкости принимают скорость общей коррозии, а хладостойкости - низкотемпературную ударную вязкость.
Технический результат изобретения состоит в получении листового проката категорий прочности К52-К60 с повышенной коррозионной стойкостью и хладостойкостью.
3
Указанный технический результат достигается тем, что в способе производства высокопрочного листового проката с повышенной хладостойкостью и коррозионной стойкостью на реверсивном стане, включающем выплавку непрерывнолитой заготовки, ее нагрев и выдержку при температуре аустенизации, черновую прокатку, подстуживание на воздухе и последующую чистовую прокатку на заданную толщину листа и его правку, в соответствии с предложенным техническим решением, непрерывнолитую заготовку изготавливают из стали со следующим соотношением элементов, мас. %: С≤0,08; Mn≤1,0; Si≤0,3; Al≤0,03; (Cu+Cr+Ni)=1,2-2,1; Nb≤0,04; Мо≤0,04; V≤0,04; S≤0,002, Р≤0,01; черновую прокатку производят с температурой конца деформации 930-955°С, при величине частных относительных обжатий 5-18% с обеспечением толщины промежуточного подката в диапазоне 3,0-6,5 толщин готового листа, чистовую прокатку до конечной толщины листа реализуют при величине частных относительных обжатий не менее 9%, кроме последнего прохода, который осуществляют с относительным обжатием, необходимым для получения заданной толщины листа, при температуре конца деформации 820-860°С, причем после остывания прокатанного листа до комнатной температуры производят его нагрев под закалку до температуры 930-960°С с удельным временем нагрева 2,0-2,8 мин/мм толщины листа и последующую закалку в роликовой закалочной машине с ускоренным охлаждением до температуры не выше 100°С при суммарном расходе охлаждающей воды, составляющем 600-1000 м/час.
Кроме того, для повышения эффективности рассматриваемого способа производства высокопрочного листового проката с повышенной хладостойкостью и коррозионной стойкость на реверсивном стане в соответствии с предложенным техническим решением, после закалки прокатанного листа производят его низкотемпературный отпуск при 250-400°С, с удельным временем выдержки при этой температуре 2,0-2,5 мин/мм толщины листа, а также последующее охлаждение на воздухе до комнатной температуры.
Сущность изобретения состоит в том, что полное использование ресурса свойств, имеющегося в низколегированном прокате данного химического состава, обеспечивается соответствующим деформационно-термическим режимом его производства на реверсивном стане и последующей термообработки. Существующие подходы к рафинированию металла не позволяют обеспечить полное отсутствие неметаллических включений, негативно влияющих на коррозионную стойкость проката. Соответственно, не вызывает сомнений необходимость разработки технических решений, компенсирующих это влияние. Разработанная технология прокатки и термообработки направлена на обеспечение высокого уровня механических свойств, а также коррозионной стойкости и хладостойкости листового проката за счет получения оптимальной ферритно-бейнитной структуры и морфологии фаз, а также минимизации коррозионной активности неметаллических включений.
Сначала производят выплавку непрерывнолитой заготовки из стали с заданным химическим составом. Снижение содержания углерода в низколегированной малоуглеродистой стали способствует повышению ее коррозионной стойкости. В то же время увеличение содержания углерода более 0,08% существенно ухудшает коррозионную стойкость листового проката, поскольку приводит к появлению неравномерности свойств по его толщине в результате появления зональной ликвации.
Марганец способствует твердорастворному упрочнению металла, и, соответственно, повышению прочностных характеристик готового проката. Однако увеличение содержания марганца более 1,0% сопровождается повышением скорости общей коррозии, что негативно сказывается на качестве проката. Низкое содержание углерода и марганца обеспечивает минимальную величину углеродного эквивалента и, соответственно, хорошую свариваемость проката.
Наличие кремния положительно влияет на процесс раскисления стали и способствует повышению прочностных характеристик проката. Содержание кремния более 0,3% сопровождается возрастанием количества силикатных включений, снижающих ударную вязкость и коррозионную стойкость металла. Это также приводит к ухудшению свариваемости листового проката при изготовлении труб.
Использование алюминия необходимо для раскисления и модифицирования стали. Связывая азот в нитриды, он подавляет его негативное воздействие на механические свойства листов, поэтому совершенно избежать его использования не представляется возможным. Однако он склонен к образованию коррозионно-активных неметаллических включений на основе алюмомагниевой шпинели, во многом определяющих уровень коррозионной стойкости трубного листового проката. Это обуславливает необходимость снижения содержания алюминия в рассматриваемом составе до уровня менее Al≤0,03%, для получения высокой коррозионной стойкости.
3
Кроме того, комплексное легирование медью, хромом и никелем в заявленном диапазоне (Cu+Cr+Ni)=l,2-2,1% способствует повышению прочностных характеристик, коррозионной стойкости, а также качества поверхности проката за счет предотвращения налипания металла на рабочие валки при прокатке. Введение меди приводит к образованию на поверхности листа защитной пленки, которая препятствует проникновению в сталь водорода, за счет чего возрастает стойкость проката к водородному охрупчиванию. В то же время, при легировании хромом происходит обогащение продуктов коррозии хромом в слоях, прилегающих к поверхности листового проката, причем концентрация хрома в продуктах коррозии значительно выше, чем в матрице металла. Хромсодержащие продукты коррозии обладают меньшей электропроводностью, чем карбонаты железа FeCO, что позволяет минимизировать гальванический эффект пары «металл - продукты коррозии». Иначе говоря, на поверхности листа создается стабильный защитный слой из обогащенных хромом продуктов коррозии, уменьшающий контактное взаимодействие металла с коррозионно-активной средой, что позволяет повысить коррозионную стойкость трубного проката.
В рамках заявленной концентрации хром, медь и никель не оказывают вредного влияния на свариваемость листового проката. В то же время, при их суммарной концентрации ниже заявленного значения, происходит заметное снижение прочностных свойств и коррозионной стойкости листов, т.е. не обеспечивается эффективность использования заявленного способа. При превышении суммарного содержания указанных элементов выше заявленного значения существенно увеличивается себестоимость легирования без улучшения эксплуатационных свойств, т.е. ухудшаются экономические показатели производства.
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 мелкозернистой структуры. Необходимое для этого содержание ниобия в стали устанавливают на уровне Nb≤0,04%, что позволяет измельчить зерно микроструктуры, повысить прочность и вязкость горячекатаных полос. Превышение указанного уровня содержания ниобия приводит к существенному ухудшению структуры осевой зоны проката и, соответственно, к снижению таких показателей коррозионной стойкости, как водородное и сероводородное растрескивание.
Молибден в данном составе проката является примесным элементом, он обычно попадает в сталь из металлолома при выплавке. Поскольку при увеличении его содержания ухудшается свариваемость листов при изготовлении прямошовных труб и возрастает себестоимость легирования, концентрацию молибдена ограничивают минимальной технологически возможной величиной Мо≤0,04%. При превышении данного значения возможно также ухудшение коррозионных свойств проката.
Содержание ванадия ограничивают величиной V≤0,04%, позволяющей сохранить высокий уровень низкотемпературной вязкости и свариваемости без дальнейшего повышения прочностных свойств листового проката.
Сталь предложенного состава содержит в виде примесей не более 0,01% фосфора и не более 0,002% серы. При указанных предельных концентрациях эти элементы в горячекатаном листовом прокате не оказывают заметного негативного воздействия на механические и эксплуатационные свойства продукции, тогда как их удаление из расплава ниже данного уровня 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, хладостойкость, т.е. ударную вязкость при отрицательных температурах.
В целом приведенное содержание легирующих и микролегирующих элементов обеспечивает получение необходимого структурно-фазового состава и механических свойств проката при реализации предлагаемых технологических режимов.
Реверсивная черновая прокатка в высокотемпературном интервале, которую заканчивают при температуре 930-955°С, является подготовительным деформационным этапом и обеспечивает получение требуемой толщины промежуточного раската и его однородной структуры путем измельчения зерна аустенита за счет статической рекристаллизации. При температуре конца черновой прокатки непрерывнолитой заготовки ниже 930°С сталь с данным химсоставом входит в неблагоприятную для деформации температурную область и резко возрастают усилия прокатки, обусловленные высокими значениями сопротивления деформации при пониженных температурах. В результате значения энергосиловых параметров прокатки могут превысить допустимые границы. При температуре выше 955°С не удается достигнуть степени проработки литой структуры заготовки в осевой зоне, достаточной для получения оптимальных размеров зерна микроструктуры проката, обеспечивающих требуемый комплекс механических свойств на готовом изделии.
При черновой прокатке с величиной частных относительных обжатий менее 5%, проработка структуры осевых слоев заготовки недостаточна для получения требуемого уровня механических свойств. В то же время при превышении ими величины 18% возрастает вероятность образования поверхностных дефектов типа боковых закатов в прикромочной зоне проката в результате двойного бочкообразования на боковых кромках при неравномерном обжатии по толщине.
При толщине промежуточного подката, составляющей менее 3 толщин готового листа, невозможно обеспечить степень деформации при чистовой прокатке, достаточную для низкотемпературной проработки структуры металла и получения достаточно мелкого зерна на готовом изделии. В тоже время, при его толщине более 6,5 толщин готового листа, раскат слишком массивен и промежуточное подстуживание не приносит ожидаемого эффекта. Иначе говоря, не происходит выравнивания температуры по толщине раската, что приводит к неравномерности деформации и снижению качества проката
Получение высокого уровня механических свойств проката достигается за счет проникновения зоны пластической деформации от поверхности на всю толщину заготовки при сравнительно высоких частных обжатиях, которые сопровождаются интенсивной проработкой осевой зоны. При величине частных относительных обжатий в каждом проходе чистовой прокатки менее 9% для данной легирующей композиции не всегда удается обеспечить получение мелкозернистой структуры проката, необходимой для получения высокой коррозионной стойкости и прочностных характеристик. Однако, поскольку в последнем проходе чистовой прокатки величину обжатия необходимо определять из необходимости получения заданной толщины готового листа, здесь допустима меньшая величина относительного обжатия.
Температура конца чистовой прокатки ниже 820°С также сопровождается повышением значений сопротивления деформации и не позволяет обеспечить пластичность и деформируемость раската, достаточные для реализации процесса прокатки без превышения допустимых значений энергосиловых параметров для данного реверсивного стана. При температуре выше 860°С перегрев заготовки приводит к интенсификации процессов рекристаллизации и не позволяет обеспечить необходимую дисперсность структурных составляющих, т.е. приводит к нарушению процессов структурообразования металла и препятствует достижению цели технического решения.
3
3
Нагрев под закалку до температуры ниже 930°С не позволяет получить элементы мартенситной структуры в прокате. В то же время закалка с температуры выше 960°С приводит к перегреву металла и нежелательному укрупнению зерна проката, которое может сопровождаться снижением уровня механических свойств. При этом удельное время нагрева менее 2,0 мин/мм не обеспечивает прогрев по всей толщине листа ввиду ограниченной теплопроводности стали, а удельное время нагрева более 2,8 мин/мм может привести к перегреву листа и неоправданному росту его зерна. Суммарный расход охлаждающей воды на ускоренное охлаждение менее 600 м/час в процессе закалки проката не может обеспечить требуемую для получения мартенситной структуры скорость охлаждения, ввиду недостаточной величины суммарного теплоотвода. При расходе воды при закалке более 1000 м/час дальнейшего повышения скорости охлаждения не происходит, т.к. температура лицевых поверхностей полосы, ограниченная скоростью теплопередачи в ее материале, не увеличивается, и теплоотвод остается прежним независимо от расхода охлаждающей воды. Иначе говоря, в этом случае имеет место неоправданный расход воды, приводящий к снижению экономических показателей стана. Ускоренное охлаждение до температуры, превышающей 100°С, не позволяет полностью снять внутренние напряжения в листе, что приводит к увеличению вероятности его коробления. При этом использование роликовой закалочной машины для закалки позволяет минимизировать коробление листа, обусловленное перепадом температур по его ширине и длине.
Известно, что одним из параметров проката, определяющих его коррозионную стойкость, является количество и состав коррозионно-активных неметаллических включений. Экспериментально установлено, что эти включения могут снижать свою коррозионную активность после отпуска закаленного листа, что обусловлено выравниванием напряженно-деформированного состояния металлической матрицы в зоне вокруг включений. Исходя из этого, для повышения эффективности рассматриваемого способа производства листового проката за счет увеличения его хладостойкости и коррозионной стойкости в соответствии с предложенным техническим решением, после закалки прокатанного листа производят его низкотемпературный отпуск при 250-400°С. Однако снижение температуры отпуска до уровня менее 250°С приводит к неэффективности его использования для повышения коррозионной стойкости проката. В то же время применение отпуска с температурой выше 400°С сопровождается заметным снижением прочностных характеристик проката, что не всегда допустимо.
Применение способа поясняется примером его реализации при производстве на реверсивном стане 2800 листового проката категории прочности К60 толщиной 20 мм. В конвертерном цехе производили выплавку заготовок из стали, содержащей, масс. %: C=0,06; Mn=0,75; Si=0,25; Al=0,01; Cr+Ni+Cu=1,51%, Nb=0,022%; Мо=0,007%; V=0,002%; Р=0,009%; S=0,001%; железо и неизбежные примеси - остальное. Состав полученной легирующей композиции полностью соответствовал заявленному содержанию элементов. Приведенная концентрация легирующих элементов позволила в рамках рассматриваемого технического решения получить прочностные характеристики проката на уровне К60 в толщинах 10-20 мм при обеспечении высокой коррозионной стойкости. После производили нагрев непрерывнолитой заготовки. После выдачи заготовки из печи осуществляли ее черновую прокатку на реверсивном стане 2800 до промежуточной толщины раската Н=65 мм, определяемой из соотношения Н=k1×h=3,25*20=65 мм. При этом величина частных относительных обжатий за 11 проходов черновой прокатки составляла 12-12,4-5,3-10-13-14,2-14,9-12,6-11-18,0-18,0%, а температура конца черновой прокатки составляла 950°С, что также соответствовало заявленным значениям для данных параметров.
Чистовую прокатку раската на толщину готового листа h=20 мм производили с величиной частных относительных обжатий 13,6-13-11-16-14-11-13-11%, соответствующей заявленному диапазону. Последний проход на заданную толщину полосы производили при температуре конца чистовой прокатки 840°С, соответствующей заявленному диапазону. Полученный после завершения прокатки лист охлаждали на воздухе до комнатной температуры.
3
При закалке производили нагрев полученного листа в роликовой закалочной машине стана 2800 до температуры 940°С, причем время нагрева при толщине листа 20 мм составляло τз=20×2,5=50 мин, т.е. этот режим соответствовал заявленным значениям для данных параметров. Ускоренное охлаждение при закалке производили до температуры 80°С, при суммарном расходе охлаждающей воды 700 м/час, т.е. при параметрах процесса, соответствующих заявленному диапазону.
2
2
2
Механические свойства полученного после закалки листового проката определяли на поперечных образцах. Температурно-деформационный режим прокатки и закалки обеспечил получение мелкозернистой феррито-бейнитной структуры с элементами мартенсита с высоким уровнем прочностных и пластических характеристик. В то же время, в исследованных образцах после закалки несколько уменьшился размер зерна по сравнению с горячекатаным состоянием. Испытания на статическое растяжение осуществляли на полномасштабных плоских образцах по ГОСТ 1497, а на ударный изгиб на образцах с V-образным надрезом по ГОСТ 9454 при температуре -50°С. Получены следующие механические свойства для поперечных образцов, соответствующие категории прочности К60: временное сопротивление σв=620-640 Н/мм; предел текучести σт=440-455 Н/мм; относительное удлинение δ=21-22,5%; низкотемпературная ударная вязкость КСV-50=210-245 Дж/см.
Указанный уровень механических свойств полностью соответствует требованиям, предъявляемым к листовому прокату категории прочности К60, включая хладостойкость. Проведенные испытания коррозионных свойств проката после закалки показали скорость общей коррозии, составляющую 0,15-0,20 мм/год, соответствующую достаточно высокой коррозионной стойкости. В целом полученные данные подтверждают перспективность использования рассмотренного технического решения для производства на реверсивном стане с последующей закалкой высокопрочного листового проката с повышенной коррозионной стойкостью и хладостойкостью.
Для повышения эффективности рассматриваемого способа производства листового проката за счет повышения его коррозионной стойкости, после закалки прокатанного листа производили его низкотемпературный отпуск при 300°С, причем время выдержки при этой температуре составляло τо=20×2,0=40 мин, т.е. реализованный режим соответствовал заявленным значениям для данных параметров. Анализ результатов металлографического исследования на электронном микроскопе свидетельствует, что отпуск при 300°С не только определенным образом изменяет характеристики наноразмерных выделений избыточных фаз, но и приводит к некоторой сфероидизации цементитных составляющих в перлитных областях, а также к снижению плотности дислокаций. Последние два фактора также способствуют повышению коррозионной стойкости стали.
2
2
2
Механические свойства листового проката, полученного после закалки с последующим отпуском, также определяли на поперечных образцах. Температурный режим закалки и отпуска обеспечил появление в структуре элементов отпущенного мартенсита с более высоким уровнем коррозионной стойкости и пластических характеристик, при некоторым снижении прочностных показателей. Испытания на статическое растяжение осуществляли на полномасштабных плоских образцах по ГОСТ 1497, а на ударный изгиб на образцах с V-образным надрезом по ГОСТ 9454 при температуре -50°С. Получены следующие механические свойства для поперечных образцов, соответствующие категории прочности К60: временное сопротивление σв=590-610 Н/мм; предел текучести σт=420-435 Н/мм; относительное удлинение δ=24-25%; низкотемпературная ударная вязкость КСV-50=250-270 Дж/см.
Проведенные испытания коррозионных свойств проката после отпуска показали более высокую коррозионную стойкость при скорости общей коррозии, составляющей 0,07-0,09 мм/год. Указанный уровень механических свойств полностью соответствует требованиям, предъявляемым к толстолистовому прокату категории прочности К60, включая хладостойкость. Кроме того, низкотемпературный отпуск способствует снятию внутренних напряжений в металле, характерных для процесса закалки.
Таким образом, использование дополнительной операции отпуска позволяет за счет некоторого снижения прочностных свойств повысить пластические характеристики закаленного проката и его коррозионную стойкость. Это связано с тем, что после термообработки уменьшилась степень загрязненности проката коррозионно-активными неметаллическими включениями, поскольку большая часть неметаллических включений, выявленных в горячекатаном прокате, после отпуска потеряли свою коррозионную активность из-за релаксации напряжений и/или выравнивания химического состава металла в матрице вокруг включений.
Таким образом, полученный прокат характеризуется высокой коррозионной стойкостью в условиях промышленной эксплуатации, наряду с высоким уровнем механических свойств. Это позволяет считать, что применение предложенного способа прокатки обеспечивает достижение требуемого результата - получение на толстолистовом реверсивном стане листового проката с высоким уровнем механических свойств, коррозионной стойкости и хладостойкости.
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 листового проката категории прочности К52-К60 из низколегированной стали на реверсивном стане позволит обеспечить повышение прочностных и пластических характеристик, а также хладостойкость и коррозионную стойкости металлопродукции.