СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ШТРИПСОВ ИЗ НИЗКОЛЕГИРОВАННОЙ СТАЛИ
METHOD OF LOW-ALLOY STEEL STRIP PRODUCTION

Изобретение относится к области обработки металлов давлением, в частности к технологии и оборудованию листовой прокатки на реверсивном толстолистовом стане.
Известен способ производства штрипса для магистральных труб из низкоуглеродистой стали, включающий нагрев непрерывнолитой заготовки, черновое обжатие этой заготовки по толщине, подстуживание полученной промежуточной заготовки на воздухе, чистовое обжатие путем контролируемой прокатки на реверсивном толстолистовом стане со степенью относительной деформации 3-12% в каждом проходе до получения заданной толщины готового штрипса, а также регламентированное ускоренное охлаждение полученного штрипса за счет подачи воды на лицевые поверхности с последующим естественным охлаждением [1].
Недостатки известного способа состоят в том, что качество готовой продукции во многом определяется условиями ускоренного охлаждения штрипса после прокатки. Однако не все станы снабжены установкой ускоренного охлаждения, и, соответственно, в ряде случаев способ не может быть реализован без существенной реконструкции оборудования. Это значительно сужает возможности производственной реализации процесса. Кроме того, ускоренное охлаждение само по себе является крайне нестабильным элементом технологии, поскольку зависит от таких параметров, как температура охлаждающей воды, скорость движения штрипса через установку охлаждения, толщина и ширина штрипса, высота и напор струи охлаждающей воды. Соответственно, оптимальные параметры работы установки могут быть определены только эмпирическим путем, т.е. методом проб и ошибок, что предусматривает большой расход металла на отладку технологии. Таким образом, представляется целесообразной разработка технологии производства штрипса для магистральных труб из низкоуглеродистой стали, позволяющей избежать использования ускоренного охлаждения штрипса.
Наиболее близким по своей технической сущности и достигаемым результатам к предлагаемому изобретению является способ производства штрипсов из низколегированной стали [2]. В соответствии с этим способом для получения трубного штрипса категории прочности К52(Х56)-К60(Х65) из низколегированной стали предусмотрено изготовление непрерывнолитых заготовок толщиной 240-315 мм, их нагрев и многопроходная реверсивная контролируемая прокатка в клети толстолистового стана с получением штрипса и охлаждением его на воздухе. Использование непрерывнолитой заготовки с толщиной 240-315 мм позволяет обеспечить при прокатке в заданном температурном диапазоне степень деформации металла, достаточную для формирования в готовом изделии мелкозернистой феррито-бейнитной структуры с требуемым уровнем механических свойств.
При этом нагрев непрерывнолитых заготовок осуществляют до температуры 1150-1200°С, прокатку ведут в два этапа (в черновой и чистовой клетях) с промежуточным подстуживанием до температуры 920-980°С и с обжатием за проход во время черновой прокатки не менее 8%. Чистовую прокатку осуществляют с суммарным обжатием по толщине не менее 70% и завершают при температуре не выше 820°С. Способ реализуется с использованием стали, для которой характерен следующий химический состав, мас.%: углерод 0,003-0,14; марганец 0,50-1,65; кремний 0,15-0,7; ниобий 0,015-0,06; титан 0,005-0,03; алюминий 0,02-0,05; ванадий 0,02-0,14%; молибден 0,15; хром 0,3; никель 0,3; медь <0,3; остальное - железо и примеси. Достижение требуемого уровня механических свойств штрипса обеспечивается за счет низкого уровня содержания углерода, а также микролегирования ниобием в условиях применения термомеханической (контролируемой) прокатки. Кроме того, для получения требуемой структуры металла используется подстуживание полученной промежуточной заготовки (подката) после черновой прокатки, осуществляемое во время специальной междеформационной паузы между черновой и чистовой прокаткой. При этом подкат выдерживают на рольганге стана до достижения им заданной температуры 920-980°С (подстуживание на воздухе), чтобы избежать деформации в неблагоприятном температурном диапазоне. В это время на стане прокатывают другие заготовки.
Однако на практике рассмотренная технология не всегда обеспечивает получение высоких прочностных и пластических свойств готового штрипса, соответствующих современным требованиям к материалу труб большого диаметра для магистральных трубопроводов. Это во многом связано со сложностью соблюдения стабильности температурно-скоростного режима двухстадийной прокатки. Кроме того, пауза, используемая для подстуживания, может достигать 10-20 мин, что усложняет работу оператора стана (необходимо контролировать сразу несколько заготовок на рольганге) и приводит к существенному снижению производительности оборудования (много дополнительных операций по реверсивной транспортировке подкатов по рольгангу).
Очевидно, что необходимость освоения производства новых видов высокопрочного штрипса для магистральных труб из низкоуглеродистых сталей обуславливает целесообразность разработки технических решений, обеспечивающих получение требуемого уровня механических свойств готовой продукции при повышении производительности процесса прокатки. Это обуславливает актуальность разработки более технологичного, но достаточно эффективного по качеству и производительности способа производства штрипса класса прочности К52-К60 для магистральных труб на реверсивном толстолистовом стане.
Техническая задача, решаемая предлагаемым изобретением, состоит в повышении производительности процесса прокатки штрипса для труб большого диаметра на толстолистовом реверсивном стане за счет сокращения технологического цикла обработки непрерывнолитой заготовки (времени прокатки) при обеспечении стабильного уровня механических свойств, соответствующих классам прочности К52-К60, приведенным в таблице 1 [3].
Таблица 1
Нормативные механические характеристики магистральных труб [3]
Класс прочности
Временное сопротивление разрыву, МПа (кгс/мм<sup>2</sup>), не менее
Предел текучести, МПа (кгс/мм<sup>2</sup>), не менее
Относительное удлинение, %, не менее
Ударная вязкость KCU<sub>-40</sub> Дж/см<sup>2</sup> (кгс/см<sup>2</sup>), не менее
К52
510 (52)
355 (36)
20
49,0 (5,0)
К54
530 (54)
380 (39)
20
49,0 (5,0)
К55
540 (55)
390 (40)
20
49,0(5,0)
К56
550 (56)
410(42)
20
49,0 (5,0)
К60
590 (60)
460 (47)
20
49,0 (5,0)
Поставленная техническая задача решается тем, что в известном способе производства штрипса для магистральных труб из низкоуглеродистой стали категории прочности К52(Х56)-К60(Х65), включающем получение непрерывнолитых заготовок толщиной 240-315 мм, их нагрев и многопроходную реверсивную контролируемую прокатку в клети толстолистового стана с получением штрипса и охлаждением его на воздухе, согласно предложенному техническому решению нагрев заготовок осуществляют до температуры 1180-1230°С, реверсивную прокатку в клети толстолистового стана ведут за 17-23 последовательных прохода с суммарным относительным обжатием по высоте во всех проходах 93-98%, при этом в каждом из четырех первых и трех последних проходов единичные относительные обжатия заготовки по высоте не превышают 13%, и завершают прокатку при температуре штрипса 750-810°С, причем в ходе прокатки производят включение гидросбива окалины на стане не менее трех раз, а охлаждение штрипса на воздухе осуществляют после штабелирования полученных штрипсов в стопу, состоящую не менее, чем из пяти штрипсов.
Кроме того, непрерывнолитые заготовки получают из стали, при следующем соотношении компонентов в ней: 0,08-0,11% углерод, 0,16-03% кремний; 1,30-1,45% марганец, 0,005-0,02% титан, 0,04-0,06% ванадий, 0,03-0,05% ниобий, хром <0,10%, никель <0,20%, медь <0,20%, 0,02-0,05% алюминий, железо и примеси - остальное.
Способ производства штрипса для магистральных труб из низколегированной стали реализуют следующим образом. При нагреве непрерывнолитых заготовок толщиной 240-315 мм до температуры 1180-1230°С происходит аустенизация низколегированной стали используемого химического состава, растворение дисперсных карбонитридных упрочняющих частиц. Реверсивная прокатка в клети толстолистового стана за 17-23 последовательных прохода с ограничением обжатий в каждом из первых и последних проходов, при суммарном относительном обжатии по высоте во всех проходах 93-98%, с завершением прокатки при температуре штрипса 750-810°С, позволяет проработать микроструктуру металла на всю толщину, устранить осевую ликвацию, присутствующую в непрерывнолитой заготовке, сформировать равномерную мелкозернистую перлитно-ферритную микроструктуру, обладающую повышенными вязкостными и прочностными свойствами. Естественное охлаждение прокатанных штрипсов на воздухе после их штабелирования в стопу, состоящую не менее чем из пяти штук, обеспечивает снятие внутренних напряжений в металле и отсутствие коробления.
Применение предложенного способа прокатки обеспечивает получение требуемого технического эффекта - повышение производительности прокатки штрипса для труб большого диаметра на толстолистовом реверсивном стане за счет сокращения времени прокатки при обеспечении стабильного уровня механических свойств, соответствующих классам прочности К52-К60. Это обусловлено переходом от двухстадийной прокатки с подстуживанием к одностадийной прокатке, на которую затрачивается существенно меньше машинного времени стана. Кроме того, удается избежать ускоренного охлаждения штрипса после прокатки.
Экспериментально установлено, что повышение температуры нагрева непрерывнолитой заготовки более 1230°С приводит к чрезмерному росту зерен аустенита, а также не позволяет обеспечить требуемую температуру конца прокатки. Это ухудшает равномерность микроструктуры и свойства штрипсов. В то же время снижение температуры нагрева менее 1180°С препятствует полному растворению упрочняющих дисперсных карбонитридных частиц, что ухудшает гомогенность микроструктуры и механические свойства стали.
При суммарном относительном обжатии менее 93% по высоте в условиях одностадийной деформации не удается обеспечить деформацию в осевой зоне достаточную для того, чтобы устранить осевую ликвационную полоску, характерную для непрерывнолитых заготовок. Это ведет к появлению дефектов макроструктуры и снижению качества готовой продукции. В тоже время увеличение обжатия заготовки свыше 98% сопровождается существенным повышением усилия прокатки, которое может достигать критических значений и приводить к появлению угрозы выхода стана из строя. Таким образом, исходя из соображений технической возможности реализации процесса и необходимости устранения дефектов микроструктуры на готовом штрипсе, суммарное относительное обжатие должно составлять 93-98%.
Установлено, что если для обжатия заготовки толщиной 240-315 мм использовать менее 17 проходов, то значения обжатий в отдельных проходах могут превышать величину, определяемую из условий максимально допустимых усилий прокатки. Это может привести к возникновению аварийной ситуации. В тоже время, при использовании более 23 проходов имеет место неоправданное увеличение цикла прокатки и, соответственно, снижение производительности. Таким образом, для обжатия заготовки на реверсивном толстолистовом стане необходимо использовать 17-23 прохода из соображений технической возможности реализации процесса и обеспечения достаточной производительности.
В каждом из четырех первых проходов единичные относительные обжатия заготовки по высоте не должны превышать 13%, в отличие от более высоких обжатий во время основной деформации. Это обусловлено необходимостью обеспечения наиболее благоприятных условий захвата исходной непрерывнолитой заготовки толщиной 240-315 мм валками стана на начальной стадии прокатки. В каждом из трех последних проходов относительные обжатия также не должны превышать 13%, поскольку в противном случае резко возрастают усилия прокатки, связанные с высокими значениями сопротивления деформации при низких температурах (810-840°С). При определенных условиях это может привести к выходу стана из строя. Иначе говоря, для первых и последних проходов единичные обжатия не должны превышать 13%, чтобы избежать возникновения аварийной ситуации на стане и обеспечить возможность технической реализации предлагаемого способа.
В случае завершения прокатки при температуре штрипса выше 810°С не удается достигнуть степени проработки литой структуры заготовки, достаточной для получения оптимальных размеров зерна микроструктуры штрипса, обеспечивающих требуемый комплекс механических свойств на готовом изделии. Завершение прокатки при температуре ниже 750°С может привести к снижению количества зародышей феррита и нарушению равномерности мелкодисперсной карбидной фазы, т.е. возможно снижение уровня механических свойств.
В ходе прокатки производят включение гидросбива окалины на стане не менее трех раз для каждой заготовки. Это не только позволяет обеспечить хорошее качество поверхности готового штрипса, но и способствует снижению температуры конца прокатки до требуемого уровня (менее 810°С) за счет более интенсивного охлаждения при гидросбиве. Иначе говоря, если в производственном цикле прокатки гидросбив окалины будут включать менее трех раз, то заготовка в процессе деформации не успеет остыть до нужной температуры, что приведет к нарушению процессов структурообразования металла и будет препятствовать достижению цели технического решения. Таким образом, число включений гидросбива окалины фактически является условием регулировки температуры конца прокатки, обеспечивающим работоспособность предложенного технического решения.
Замедленное охлаждение штрипсов после штабелирования способствует снятию внутренних термических напряжений. При штабелировании прокатанных штрипсов в стопу менее чем из пяти штук, ввиду малой суммарной толщины стопы не может обеспечиваться достаточно низкая скорость их естественного охлаждения на воздухе. Это приводит к выделению мелкодисперсной карбидной фазы по границам зерен и, соответственно, к преобладанию в металле процессов упрочнения, которые сопровождаются снижением пластических характеристик штрипса ниже значений, допустимых для категории прочности К52-К60, т.е. ухудшением качества готовой продукции.
Углерод в низколегированной стали предложенного состава определяет ее прочность. Снижение содержания углерода менее 0,08% приводит к падению ее прочностных свойств ниже допустимого уровня. Увеличение содержания углерода более 0,11% ухудшает пластические свойства металла и приводит к их неравномерному распределению по сечению.
При содержании кремния менее 0,16% ухудшается раскисленность стали, снижаются прочностные свойства. Увеличение содержания кремния более 0,3% приводит к возрастанию количества силикатных включений и сопровождается снижением ударной вязкости штрипса.
Добавка марганца в заявляемых пределах обеспечивает твердорастворное упрочнение металла. Снижение содержания марганца менее 1,3% увеличивает окисленность стали, сопровождается снижением прочностных свойств. Повышение содержания марганца выше 1,45% может приводить к росту отношения предела текучести к временному сопротивлению разрыву выше допустимого предела.
Никель, медь и хром также способствуют твердорастворному упрочнению металла, а также повышению хладостойкости и коррозионной стойкости штрипсов. Являясь в данном случае примесными элементами, при концентрации выше 0,2%, 0,2% и 0,1% соответственно, они оказывают вредное влияние на свариваемость стали при производстве труб. В то же время, оставаясь в предложенных границах, они расширяют возможности использования металлолома при выплавке, что сопровождается снижением себестоимости готовой продукции.
Алюминий раскисляет и модифицирует сталь. Он обеспечивает измельчение зерна за счет образования мелкодисперсных карбидов, затрудняющих рост зерна аустенита при нагреве, что увеличивает предел текучести и хладостойкость штрипсовой стали. При концентрации менее 0,02% его воздействие проявляется слабо и обычно ухудшает механические свойства штрипсов. Увеличение его содержания более 0,05% приводит к графитизации углерода, что также негативно сказывается на качестве готовой продукции.
Ванадий измельчает зерно микроструктуры, повышает прочность и вязкость штрипсов, прокатанных по предложенным режимам. При содержании ванадия менее 0,04% штрипсы имеют недостаточную вязкость при минусовых температурах. Увеличение содержания ванадия сверх 0,06% экономически невыгодно, так как не сопровождается улучшением механических свойств, однако приводит к удорожанию проката.
Ниобий в стали при температуре прокатки выше 810°С и суммарном обжатии более 93% способствует получению ячеистой дислокационной микроструктуры стали, обеспечивающей сочетание прочностных и пластических свойств штрипсов без дополнительного ускоренного охлаждения. При концентрации ниобия менее 0,03% механические свойства штрипсов в горячекатаном состоянии недостаточно высоки. Повышение концентрации ниобия более 0,05% не приводит к дальнейшему повышению уровня механических свойств металла, однако приводит к увеличению расхода дорогостоящей лигатуры и потому представляется нецелесообразным.
Титан присутствует в рассматриваемой стали в очень незначительном количестве и фактически выступает в роли примеси с нормированным содержанием. Следует также отметить, что сталь предложенного состава может включать в виде примесей не более 0,018% фосфора, не более 0,007% серы и не более 0,010% азота. При указанных предельных концентрациях эти элементы в стали предложенного состава не оказывают заметного негативного воздействия на качество штрипсов, тогда как их полное удаление из расплава стали на нынешнем уровне развития сталеплавильной технологии практически невозможно. В целом предлагаемая сталь является более экономнолегированной по сравнению с прототипом, что обеспечивает ее более низкую себестоимость.
н
кп
кп
Применение способа поясняется примером его реализации. В электродуговой печи емкостью 100 т производили выплавку низколегированной стали категории прочности К56 различного состава (таблица 2). Выплавленную сталь каждого из шести химических составов разливали на МНЛЗ в заготовки сечением 315×1750 мм. Готовые непрерывнолитые заготовки нагревали в методической печи до температуры Т и прокатывали на толстолистовом реверсивном стане 5000 за 19 последовательных проходов на толщину 15,75 мм, с суммарным относительным обжатием по высоте во всех проходах 95%. При этом в четырех первых и трех последних проходах единичные относительные обжатия заготовки по высоте составляли 5-12%. Завершали прокатку при температуре штрипса Т. Для получения заданной температуры конца прокатки Т в ходе деформации производили включение гидросбива окалины на стане 4 раза. Охлаждение прокатанного штрипса осуществляли в естественных условиях на воздухе после штабелирования полученных штрипсов в стопу, состоящую из N листов.
Варианты прокатки штрипсов по различным режимам (для параметров, оказывающих влияние на уровень механических свойств) из сталей различного состава, а также полученные значения механических свойств приведены в таблице 3. Следует отметить, что в таблице 3 не рассматриваются технологические параметры, определяющие техническую возможность реализации предлагаемого способа.
Как следует из таблиц 2 и 3, при реализации предложенного способа (варианты 2-4) достигается требуемое качество штрипсов, соответствующее категории прочности К56. В случае выхода варьируемых технологических параметров за установленные для этого способа границы (варианты 1 и 5) и при реализации параметров способа-прототипа (вариант 6) штрипсы по своим механическим характеристикам не всегда соответствуют требованиям указанной категории прочности. Варьирование параметров химического состава и технологии в установленных для данного технического решения границах позволяет обеспечивать получение механических свойств, соответствующих классам прочности от К52 до К60.
Технико-экономические преимущества предложенного способа заключаются в том, что горячая прокатка штрипсов из стали заданного состава по установленным режимам обеспечивает существенное повышение производительности процесса производства за счет отсутствия паузы в прокатке на подстуживание подката и формирование требуемого комплекса механических свойств, соответствующего категории прочности К52-К60.
В качестве базового объекта при определении технико-экономических преимуществ предложенного способа принят способ-прототип [2]. Использование предложенного способа производства штрипсов категории прочности К52-К60 из низколегированной стали позволит повысить рентабельность их получения на 5-10%.
Таким образом, полученные данные подтверждают правильность рекомендаций по выбору величины технологических параметров предложенного способа производства штрипса из низколегированной стали. Использование данного способа позволяет повысить производительность процесса прокатки штрипса для труб большого диаметра на толстолистовом реверсивном стане за счет сокращения технологического цикла обработки заготовки (времени прокатки) при обеспечении стабильного уровня механических свойств, соответствующих категории прочности К52-К60.
Источники информации
1. Технология прокатного производства. Справочник, т.2 /Под ред. В.И.Зюзина, А.В.Третьякова. - М.: Металлургия, 1991, стр.544-561.
2. Патент РФ №2201972, МПК C21D 8/02, С22С 38/58, В21В 1/26, 10.04.2003 г.
3. Нестеров Г.В. и др. Трубы для строительства нефтепровода «БТС-2». Технические требования. Территория НЕФТЕГАЗ, 2007, №10, стр.62-64, табл.3, 5.
Таблица 2
Химический состав низколегированных сталей
№ состава
Содержание химических элементов, мас.%
С
Si
Mn
Ti
V
Nb
Cr
Ni
Си
Al
Мо
1
0,06
0,1
1,1
0,002
0,03
0,02
-
-
-
0,01
-
2
0,08
0,16
1,3
0,005
0,04
0,03
-
-
-
0,02
-
3
0,09
0,22
1,35
0,01
0,05
0,04
0,005
0,015
0,015
0,03
-
4
0,11
0,3
1,45
0,02
0,06
0,05
0,01
0,02
0,02
0,05
-
5
0,13
0,35
1,5
0,025
0,07
0,060
0,012
0,022
0,022
0,055
-
6 прототип
0,07
0,43
1,13
0,018
0,08
0,038
0,2
0,2
0,2
0,04
0,1
Примечание: В состав сталей 1-6 в виде примесей входят: 0,015% Р; 0,004% S; 0,008% Nz
Таблица 3
Режимы горячей прокатки штрипсов категории прочности К56 и показатели их качества
№ п/п
№ состава стали
Т<sub>н</sub>, °C
Т<sub>кп</sub>, °С
N листов в штабеле
σ<sub>в</sub>, МПа
σ<sub>т</sub>, МПа
δ,%
KCU<sub>-40</sub> Дж/см<sup>2</sup>
Доля вязкой составляющей при ИПГ, %
1
1
1160
750
2
540
400
20
45
85
2
2
1180
760
5
580
420
22
50
90
3
3
1200
790
6
580
440
25
80
90
4
4
1230
810
9
550
435
24
75
90
5
5
1250
830
12
530
405
18
65
90
6
6
1175
800
-
570
399
38
70
82
прототип