СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ПРОКАТА С ПОВЫШЕННЫМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ ВОДОРОДНОМУ И СЕРОВОДОРОДНОМУ РАСТРЕСКИВАНИЮ
MANUFACTURING METHOD OF ROLLED METAL WITH INCREASED RESISTANCE TO HYDROGEN AND HYDROSULPHURIC CRACKING

Изобретение относится к области металлургии, конкретнее к прокатному производству, и может быть использовано при получении проката для производства сероводородостойких газонефтепроводных труб.
Известен способ производства проката из низколегированной стали, включающий нагрев слябов до температуры 1160-1190°C, черновую прокатку, чистовую прокатку с суммарным относительным обжатием не менее 70% при температуре конца прокатки не выше 820°C. После прокатки листы подвергают закалке водой с температуры 900-950°C и отпуску при температуре 600-730°C. 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 0,10
Железо
остальное [1]
Недостатки известного способа состоят в том, что прокат имеет низкие хладостойкость, свариваемость и стойкость против сероводородного растрескивания. Кроме того, дополнительное термическое улучшение проката удорожает его производство.
Известен также способ производства проката 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
Алюминий
0,02-0,05
Молибден
0,01-0,50
Хром
0,01-0,30
Никель
0,01-0,30
Медь
0,01-0,30
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°C, их черновую прокатку до промежуточной толщины и чистовую прокатку в температурном интервале 910-710°C 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 проката из низколегированной стали следующего химического состава, мас.%:
Углерод
0,12-0,17
Марганец
1,3-1,6
Кремний
0,3-0,6
Ванадий и/или ниобий
0,01-0,05
Алюминий
0,02-0,06
Хром
не более 0,3
Никель
не более 0,3
Медь
не более 0,3
Сера
не более 0,006
Фосфор
не более 0,015
Кальций
не более 0,02
Азот
не более 0,010
Железо
остальное
Способ включает нагрев слябов до температуры 1220-1280°C, многопроходные черновую прокатку до промежуточной толщины, чистовую прокатку с температуры конца прокатки 820-880°C и ускоренное охлаждение водой до температуры 580-660°C [3].
Основными недостатками известных способов производства являются недостаточная прочность, неудовлетворительные показатели ударной вязкости, хладостойкости получаемого проката и низкое сопротивление водородному и сероводородному растрескиванию.
Листовой прокат для изготовления высокопрочных хладостойких газонефтепроводных труб, используемый для транспортирования сероводородсодержащих углеводородов, должен отвечать следующему комплексу свойств (табл.1):
Таблица 1
Свойства листового проката для сероводородостойких газонефтепроводных труб
σ<sub>в</sub>, Н/мм<sup>2</sup>
σ<sub>т</sub>, Н/мм<sup>2</sup>
δ<sub>5</sub>, %
KCV<sup>-20</sup>, Дж/см<sup>2</sup>
CLR, %
σ<sub>пор</sub>, %
не менее 550
не менее 450
не менее 22
не менее 150
не более 5
не менее 70%
Известные способы производства проката из низколегированной стали не обеспечивают одновременное сочетание высокой прочности, хладостойкости и стойкости против сероводородного растрескивания, т.к. повышение прочности за счет увеличения степени легирования стали неизбежно ухудшает ее свариваемость и стойкость против сероводородного растрескивания, снижает пластические и вязкостные свойства проката при отрицательных температурах.
Техническим результатом данного изобретения является получение листового проката для газонефтепроводных труб с повышенными показателями прочности, при одновременном повышении хладостойкости, низкотемпературной вязкости и высоким сопротивлением водородному и сероводородному растрескиванию без ухудшения свариваемости.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе производства толстолистового проката из высокопрочной и хладостойкой стали, включающем выплавку стали, непрерывную разливку на заготовки, нагрев слябов, предварительную и окончательную прокатку и ускоренное охлаждение, согласно изобретению прокат производят из стали следующего химического состава, мас.%:,
C 0,02-0,10
Mn 0,5-1,5
Si 0,10-0,50
Nb 0,010-0,10
Al 0,01-0,05
Ti 0,005-0,05
N 0,003-0,012
S 0,002 и менее
P 0,001-0,015
Ca 0,0002-0,005
Fe - остальное
при соотношении 0,03≤[C]×[Mn]≤0,12,
где [C]×[Mn] - произведение содержания в стали углерода и марганца.
3
После нагрева до температур 1100-1300°C слябы предварительно прокатывают с общей степенью деформацией 50-70% в направлении, перпендикулярном оси сляба, а затем в области температур 900-750°C в направлении, продольном оси сляба, с суммарной деформацией 65-80%, после чего прокат ускоренно охлаждают в области температур (Ar±30°C)-(600-400°C), причем вначале до температур 600-500°C со скоростью 15-30 град/с, а затем со скоростью 10-15 град/с; после чего с температуры 400°C до комнатной температуры охлаждают замедленно со скоростью 0,05-0,15 град/с.
В состав стали могут вводить один или несколько элементов из ряда Mo, V, Ni, Cu, Cr, B в следующем количестве, мас.%:
Mo 0,05-0,35
V 0,01-0,15
Ni 0,01-0,50
Cu 0,01-0,50
Cr 0,01-0,50
B 0,0005-0,005
при этом при одновременном содержании Mo, Ni, Cu и Cr их сумма не должна превышать 1,0%.
Выбранные пределы содержания углерода в сочетании с марганцем и ниобием обеспечивают в прокате, произведенном по предложенным режимам, получение дисперсной феррито-бейнитной структуры и достижение высоких значений временного сопротивления, предела текучести, относительного удлинения, высокого сопротивления водородному и сероводородному растрескиванию при сохранении хорошей свариваемости. Заявленные содержания кремния и алюминия обеспечивают необходимую чистоту стали по неметаллическим включениям и кислороду. Содержание титана в заявленных пределах обеспечивает связывание азота в стойкие нитриды, а очень низкое содержание серы - получение высоких значений ударной вязкости при отрицательных температурах и высокое сопротивление водородному и сероводородному растрескиванию.
Кальций оказывает модифицирующее (сфероидизирующее) действие на неметаллические включения, что позволяет повысить ударную вязкость при отрицательных температурах и препятствует инициированию водородного растрескивания на границе сульфид - матрица.
Ниобий в заявленных пределах содержания сдерживает рост зерна аустенита при нагреве, тормозит рекристаллизацию в области температур, соответствующей временной паузе между предварительной и окончательной прокаткой, что способствует созданию дополнительных центров образования новой фазы (феррита) при γ→α превращении и, следовательно, измельчению зерна феррита. Кроме того, выделение дисперсных карбонитридов ниобия способствует повышению прочностных характеристик стали благодаря дисперсионному упрочнению.
пор.
т
Заявленные режимы предварительной прокатки, окончательной прокатки и ступенчатого ускоренного охлаждения до температур бейнитного превращения при 600-400°C способствуют формированию однородной, дисперсной, бесполосчатой феррито-бейнитной структуры с повышенными показателями прочности, хладостойкости, свариваемости и высоким сопротивлением водородному (CLR→0) и сероводородному растрескиванию (σ не ниже 0,7σ).
Пример осуществления способа.
Сталь выплавляли в кислородном конвертере. После выпуска металла производили его обработку в ковше и разливали на МНЛЗ. При внепечной обработке металла в ковше проводили окончательное раскисление, рафинирование, продувку нейтральным газом и модифицирующую обработку кальцием. В результате выплавки и внепечной обработки получали сталь следующего химического состава (мас.%): C - 0,05; Mn - 1,26; Si - 0,18; Nb - 0,43; Ti - 0,011; Cu - 0,15; Ni - 0,21; Al - 0,02; N - 0,005; S - 0,001; P - 0,012; Fe - остальное.
Прокатку слябов размером 246×1550 мм на лист толщиной 18,7 мм производили на одноклетьевом реверсивном стане "5000". Нагрев слябов под прокатку производили до температуры 1170±10°C. Предварительную деформацию в направлении, перпендикулярном оси сляба, осуществляли за 5 проходов и завершали при температуре 980°C, при этом суммарная деформация перпендикулярно оси сляба составляла 63%. Толщина подката составляла 90 мм. Окончательную деформацию в направлении, продольном оси сляба, осуществляли за 12 проходов при температуре 900-780°C, с общей степенью деформации 79%. После завершения окончательной прокатки производили ускоренное охлаждение проката от температуры 790°C со скоростью 23,0 град/сек до температуры 550°C, затем со скоростью 12,0 град/сек до температуры 400°C. Последующее охлаждение раската до комнатной температуры осуществляли замедленно со скоростью 0,10 град/с.
Состав стали, технологические режимы прокатки и комплекс полученных свойств указаны в таблицах 2, 3, 4.
Таблица 2
Химический состав экспериментальных плавок
№ плавки
Массовая доля элементов, %
C
Si
Mn
Cr
Ni
Cu
Nb
Mo
Ti
V
Al
B
P
S
1
0,05
0,18
1,26
0,027
0,21
0,15
0,043
-
0,011
-
0,021
-
0,014
0,001
2
0,056
0,21
1,50
0,024
0,22
0,16
0,074
0,245
0,016
-
0,015
-
0,013
0,002
3
0,039
0,18
1,12
0,016
0,21
0,15
-
-
0,013
0,072
0,009
-
0,014
0,003
4
0,034
0,22
1,32
0,026
0,030
0,014
0,042
-
0,016
0,042
0,013
0,003
0,013
0,002
5
0,093
0,21
1,20
0,63
0,21
0,20
0,076
0,02
0,013
0,092
0,026
-
0,007
0,002
Таблица 4
Механические свойства экспериментальных сталей
№ плавки
σ<sub>в</sub>, Н/мм<sup>2</sup>
σ<sub>т</sub>, Н/мм<sup>2</sup>
δ<sub>5</sub>, %
KCV<sup>-20</sup>, Дж/см<sup>2</sup>
CLR, %
σ<sub>пор</sub>, %
1
645
506
29,2
240
0
80
2
692
580
22,5
170
0
70
3
527
403
25,4
215
6,5
70
4
718
564
32,1
94
0
Менее 60
5
728
543
24,0
147
18,5
Менее 70
Прототип
510
395
22
Менее 150
21,8
Менее 70
Примечание: CLR, % - относительная длина трещин при испытании на стойкость водородному растрескиванию
Из данных, приведенных в таблице 4, следует, что в случаях реализации предложенного способа (варианты №1-2) достигается повышение прочности листов, хладостойкости и стойкости против водородного и сероводородного растрескивания. При запредельных значениях заявленных параметров (варианты №3-5) имеет место снижение низкотемпературной вязкости (№4), или прочности (№3) и стойкости против сероводородного растрескивания листового проката (№3-5).
Предложенный способ позволяет получить прокат с повышенными показателями прочности, при одновременном повышении хладостойкости, низкотемпературной вязкости и высоким сопротивлением водородному и сероводородному растрескиванию без ухудшения свариваемости.
Источники информации
1. Патент Российской Федерации №2255123, МПК C21D 8/02, C22C 38/58, 2005 г.
2. Патент Российской Федерации №2241769, МПК C21D 8/02, C22C 38/58, B21B 1/26, 2004 г.
3. Патент Российской Федерации №2262537, МПК C21D 8/02, C22C 38/46, 2005 г. - прототип.