ТРУБНАЯ ЗАГОТОВКА ИЗ ЛЕГИРОВАННОЙ СТАЛИ
TUBE WORKPIECE FROM ALLOYED STEEL

Изобретение относится к металлургии, в частности к производству трубной заготовки.
Наиболее близкой к предлагаемой по качественному и количественному составу стали, а также по содержанию в ней неметаллических включений, является трубная заготовка из легированной стали, горячекатаная с заданными параметрами структуры и механических свойств, которая выполнена из стали, содержащей в мас.%: углерод 0,35-0,41, марганец 0,50-0,80, кремний 0,17-0,37, хром 0,50-0,80, молибден 0,08-0,14, ниобий 0,005-0,06, ванадий 0,005-0,12, медь 0,005-0,25, азот 0,005-0,015, мышьяк 0,0001-0,03, олово 0,0001-0,02, свинец 0,0001-0,01, цинк 0,0001-0,005, железо и неизбежные примеси - остальное при соотношении: (As+Sn+Pb+5×Zn)≤0,07; [C+Mn/6+(Cr+Mo+V+Nb)/5]≤0,71. Примеси (мас.%): фосфор не более 0,045, сера не более 0,045, никель не более 0,25.
Заготовка выполнена непрерывнолитой, горячекатаной, термоулучшенной и имеет пластинчатую феррито-перлитную структуру, размер действительного зерна 6-9 баллов.
По макроструктуре - центральная пористость, точечная неоднородность, ликвационный квадрат, подусадочная ликвация не более 3 баллов по каждому виду, ликвационные полоски не более 1 балла.
По неметаллическим включениям: сульфиды, оксиды точечные, оксиды строчечные, силикаты хрупкие, силикаты пластичные, силикаты недеформированные не более 4,0 баллов по каждому виду включений (РФ, патент №2333967, C21D 8/10, C22C 38/60, 20.09.2008).
Одним из важнейших требований, предъявляемых к трубной заготовке из легированной стали, является обеспечение однородности макроструктуры и снижение содержания неметаллических включений. Изготовление трубной заготовки из известной стали не позволяет снизить у проката максимальные показатели по макроструктуре и количеству неметаллических включений, а именно: в известном изобретении центральная пористость, точечная неоднородность, ликвационный квадрат, подусадочная ликвация составляют не более 3 баллов по каждому виду; максимальный балл по загрязненности стали неметаллическими включениями составляет 4 балла по каждому виду. Кроме того, состав стали, используемый для производства трубной зоготовки, позволяет получить трубные заготовки с заявленными в патенте параметрами, только с диаметрми от 80 до 180 мм. Все это сужает комплекс потребительских свойств известной трубной заготовки.
Предлагаемое изобретение решает задачу создания трубной заготовки из легированной стали, осуществление которой позволяет достичь технического результат, заключающегося в повышении комплекса потребительских свойств проката путем повышения однородности макроструктуры проката в результате снижения максимальных значений показателей по макроструктуре не более 2 баллов по каждому виду, и в результате снижения содержания неметаллических включений не более 3,5 баллов для каждого вида, а также заключающегося в возможности изготовления труб диаметром свыше 180 мм при сохранении указанных выше характеристик однородности макроструктуры и содержания неметаллических включений.
Сущность заявленного изобретения заключается в том, что в заявленной трубной заготовке из легированной стали с заданными параметрами структуры и чистоты по неметаллическим включениям новым является то, что она выполнена из стали, содержащей углерод, марганец, кремний, хром, никель, алюминий, медь, ниобий, молибден, ванадий, серу, фосфор, железо и неизбежные примеси, при следующих соотношениях компонентов, мас.%:
углерод
0,29-0,34
марганец
0,55-0,85
кремний
0,17-0,37
хром
0,90-1,10
никель
0,05-0,20
алюминий
0,020-0,050
медь
0,05-0,20
ниобий
0,005-0,06
ванадий
0,005-0,12
молибден
0,01-0,10
сера
0,001-0,025
фосфор
0,001-0,025
железо и неизбежные примеси
остальное,
при соотношении [C+Mn/6+(Cr+Mo+V+Nb)/5]≤0,71, максимальные значения показателей по макроструктуре до 2 баллов по каждому виду (центральная пористость, точечная неоднородность, ликвационный квадрат, подкорковые пузыри на глубину не более 2 мм); содержание неметаллических включений: сульфиды, оксиды строчные, силикаты недеформируемые, оксиды точечные, силикаты хрупкие, силикаты пластичные - по максимальному - не более 3,5 балла для каждого вида включений.
Заявленный технический результат достигается следующим образом.
Количественные и качественные сочетания легирующих элементов, заявленные в составе стали, позволяют снизить верхнюю границу количественной характеристики неметаллических включений и повысить однородность макроструктуры проката, а следовательно, повысить комплекс потребительских свойств, в частности получить в готовом изделии феррито-перлитную мелкодисперсную структуру с благоприятным сочетанием характеристик прочности и пластичности, свариваемости и обрабатываемости резанием. При этом количественное содержание элементов в составе стали выбрано таким образом, что каждый элемент выполняет свое основное назначение, а в совокупности заявляемый качественный и количественный состав стали для трубной заготовки обеспечивает достижение заявленного технического результата, заключающегося в повышении комплекса потребительских свойств проката путем повышения однородности макроструктуры проката в результате снижения максимальных значений показателей по макроструктуре не более 2 баллов по каждому виду, и в результате снижения содержания неметаллических включений не более 3,5 баллов для каждого вида, а также заключающегося в возможности изготовления труб диаметром свыше 180 мм при сохранении указанных выше характеристик однородности макроструктуры и содержания неметаллических включений.
Качественный и количественный состав стали в заявленной трубной заготовке обусловлен следующим.
Железо является основным компонентом стали.
Углерод участвует в протекании двух процессов. Первый процесс - это образование графитовых включений в структуре стали, второй - образование частиц карбидной фазы в металлической матрице. При содержании углерода менее 0,29% образуется недостаточное количество как свободного углерода, так и карбидов, что приводит к повышенному износу изделий в процессе эксплуатации и снижению прочностных свойств материала. При содержании углерода более 0,34% происходит выделение избыточного количества частиц карбидной фазы неблагоприятной формы, что приводит к снижению пластических свойств стали. При этом в обоих случаях это сказывается отрицательно на однородности проката. Содержание углерода в пределах 0,29-0,34% является оптимальным и обеспечивает достижение заявленного технического результата.
Марганец, молибден и хром используют, с одной стороны, как упрочнители твердого раствора, с другой стороны, как элементы, повышающие устойчивость переохлажденного аустенита стали. Марганец, растворяясь в металлической основе, стабилизирует перлит, способствуя, тем самым, формированию однородной макроструктуры стали. При содержании марганца менее 0,55% в структуре стали наблюдается присутствие включений феррита. При содержании марганца более 0,85% наблюдается локальное пересыщение ферритной составляющей перлита марганцем.
3
Хром представляет собой эффективный легирующий элемент, повышающий коррозионную стойкость к газообразному диоксиду углерода, наиболее дешевый элемент, повышает твердость и прочность, незначительно уменьшает пластичность. Хром при заявленном содержании в стали в количестве 0,90-1,10% полностью растворяется в цементите, образуя сложные карбиды типа (Fe, Cr)С, способствует получению высокой и равномерной твердости, износостойкой поверхности в результате повышения однородности макроструктуры.
23
6
Молибден эффективен в отношении повышения прочности и в состав стали, с этой целью вводится по мере необходимости. Молибден в присутствии хрома образует карбид (Mo, Fe)C. Наличие молибдена в заявленных пределах позволяет получать равномерную и мелкозернистую структуру, увеличивает сопротивление стали ползучести, тормозит процесс роста и коагуляции карбидов. При содержании молибдена в стали менее 0,01% снижается количество образующихся соединений, структура стали отличается неоднородностью. При содержании более 0,10% образуется избыточное количество соединений молибдена.
Медь (0,05-0,20%) и ниобий (0,005-0,06%) в заданных пределах положительно влияют на однородность структуры и обеспечивают повышение механических свойств и износостойкости в условиях высоких температур и теплосмен. Кроме того, ниобий является карбонитридообразующим элементом. При заданном содержании его в стали образуется оптимальное количество соединений ниобия, что положительно сказывается на количественном содержании неметаллических включений.
Ванадий вводят в композицию данной стали с целью обеспечения мелкодисперсной, однородной зёренной структуры. Ванадий измельчает зерно микроструктуры. Одновременно ванадий управляет процессами в нижней части аустенитной области: определяет склонность к росту зерна аустенита, стабилизирует структуру при термомеханической обработке, повышает температуру рекристаллизации и, как следствие, влияет на характер γ-α-превращения.
Ванадий характеризуется отсутствием р-электронов и наличием незаполненных d-орбиталей ядра атома, следствием чего является понижение термодинамической активности углерода при вводе ванадия в расплав. Это приводит к процессу образования высокодисперсных соединений ванадия (карбидов, нитридов, карбонитридов), имеющих округлую форму, которые, равномерно распределяясь по границам зерен, измельчают и упрочняют их.
При содержании ванадия менее 0,005% снижается количество образующихся соединений, процесс измельчения зерна не происходит в полном объеме. При содержании ванадия более 0,12% образуется избыточное количество соединений ванадия, что способствует хрупкому разрушению. Ванадий в пределах 0,005-0,12% способствует уменьшению величины зерна. Он задерживает рост зерна в период рекристаллизации при высоких температурах.
Кремний относится к ферритообразующим элементам. Нижний предел по кремнию 0,17% обусловлен технологией раскисления стали. Верхнее количественное значение содержания кремния 0,37% является оптимальным.
Кремний способствует выделению углерода в свободном виде в соответствии со стабильной системой железо-углерод, что значительно повышает показатели износостойкости сплава. Количественное содержание кремния в заявленном составе стали соответствует количественному содержанию углерода и, кроме того, обеспечивает требования к однородности макроструктуры и количеству неметалических включений. Для заявленного количественного содержания углерода в заявленной стали кремний в количестве менее 0,17% не оказывает значительного влияния на процесс графитизации, вследствие чего углерод находится в связанном состоянии, что приводит к значительному износу изделий при эксплуатации в условиях интенсивного трения. При содержании кремния более 0,37% в структуре стали наблюдается повышенное количество крупных включений графита неблагоприятной формы.
Никель в заявленном количестве (0,05-0,20%)) нейтрализует вредные влияния со стороны меди, которая также входит в состав заявленной стали, которые заключаются в возможности образования трещин на поверхности во время горячей прокатки. Также способствует поглощению газов металлом в процессе плавки, в особенности водорода, который вызывает образование в слитках газовых пузырей, а в случае крупнозернистой первичной структуры - трещин по границам зерен.
Сера глобулизирует сульфидные включения и участвует в формировании уровня пластичности стали. Нижний предел (0,001%) обусловлен вопросами технологичности производства.
Ограничение по верхнему уровню содержания серы (0,025%) обусловлено тем, что при высокой концентрации серы плохо завариваются во время обработки давлением усадочные пустоты слитка, которые обычно являются местом скопления неметаллических включений, особенно сульфидов.
Фосфор определяет уровень пластичности стали и ее склонность к обратимой отпускной хрупкости. Содержание фосфора в заявленном составе примесей стали в количестве 0,001-0,025% является оптимальным и оказывает положительное влияния на получение заданного уровня однородности структуры.
Выполнение соотношения между элементами состава [C+Mn/6+(Cr+Mo+V+Nb)/5]≤0,71 обеспечивает достижение заявленного технического результата, а также определяет характеристики теплостойкости и вязкости исследуемой стали.
В результате контрольных плавок были получены трубные заготовки, которые имели максимальные значения показателей по макроструктуре до 2 баллов по каждому виду (центральная пористость, точечная неоднородность, ликвационный квадрат, подкорковые пузыри на глубину не более 2 мм); содержание неметаллических включений: сульфиды, оксиды строчные, силикаты недеформируемые, оксиды точечные, силикаты хрупкие, силикаты пластичные - по максимальному - не более 3,5 балла для каждого вида включений.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления заявленного изобретения с получением заявленного технического результата, приведены в примере.
Пример осуществления изобретения
Пример 1
Выплавку исследуемой стали с химическим составом в мас.%: C=0,31; Mn=0.59; Si=0,23; Cr=0,96; Ni=0,09; Cu=0,19; Al=0,028, S=0,020, P=0,012, Nb=0,039, Mo=0,08, V=0.073 производят в 80-тонной дуговой сталеплавильной печи (ДСП) с использованием в шихте до 40% жидкого чугуна.
Во время выпуска полупродукта из ДСП-80 осуществляется раскисление металла чушковым алюминием и предварительное легирование марганцем, хромом, кремнием на нижний предел требуемого содержания с учетом остаточного содержания элементов. После присадки легирующих элементов осуществляется продувка металла аргоном через донный продувочный блок.
Дальнейшая обработка металла производится на установке внепечной обработки стали (УВОС), где осуществляется наведение рафинировочного шлака присадкой извести и плавикового шпата для снижения неметаллических включений в стали; продувка металла аргоном через донный продувочный блок, десульфурация, нагрев металла до необходимой температуры, корректировка химического состава металла присадкой кусковых ферросплавов и порошковой проволоки с наполнителями.
Соотношение между элементами состава: [C+Mn/6+(Cr+Mo+V+Nb)/5]=0,638
Разливка осуществляется в изложницы с защитой струи аргоном.
В результате горячей прокатки получают трубную заготовку диаметром 170 мм, длиной не менее 3600 мм, не более 4200 мм.
Макроструктура по ГОСТ 10243-75: центральная пористость - 1 балл, точечная неоднородность - 1 балл, ликвационный квадрат - 0 баллов, подкорковые пузыри на глубину не более 2-х мм - 0 баллов. Металл нерадиоактивный. При проверке по излому флокенов не обнаружено.
Неметаллические включения, контролируемые по ГОСТ 1778-70 метод Ш, вариант Ш6:
Вид включения
Средний балл
Максимальный балл
C (сульфиды)
2,83
3,5 (4)
СН (силикаты недеформированные)
0
0 (4)
ОТ (оксиды точечные)
2,17
2,5 (4)
ОС (оксиды строчные)
2,17
2,5 (4)
СП (силикаты пластичные)
2,17
2,5 (4)
СХ (силикаты хрупкие)
2,17
2,5 (4)
Определение величины зерна проводят по ГОСТ 5639-82. Испытание на величину зерна проводят методом окисления. Величина аустенитного зерна номер 7.
Из результатов плавки первого примера видно, что используемый для трубной заготовки заявленный состав стали позволяет получить трубную заготовку 170 мм, т.е. в диапазоне диаметров заготовок по прототипу от 80 до 180 мм, но с улучшенными характеристиками макроструктуры проката и неметаллических включений.
Пример 2
Выплавку исследуемой стали с химическим составом в мас.%: C=0,32; Mn=0.62; Si=0,24; Cr=1,00; Ni=0,09; Cu=0,19; Al=0,026, S=0,004, P=0,017, Nb=0,025, Mo=0,06, V=0,089 производят в 80-тонной дуговой сталеплавильной печи (ДСП) с использованием в шихте до 40% жидкого чугуна.
Во время выпуска полупродукта из ДСП-80 осуществляется раскисление металла чушковым алюминием и предварительное легирование марганцем, хромом, кремнием на нижний предел требуемого содержания с учетом остаточного содержания элементов. После присадки легирующих элементов осуществляется продувка металла аргоном через донный продувочный блок.
Дальнейшая обработка металла производится на установке внепечной обработки стали (УВОС), где осуществляется наведение рафинировочного шлака присадкой извести и плавикового шпата для снижения неметаллических включений в стали; продувка металла аргоном через донный продувочный блок, десульфурация, нагрев металла до необходимой температуры, корректировка химического состава металла присадкой кусковых ферросплавов и порошковой проволоки с наполнителями.
[C+Mn/6+(Cr+Mo+V+Nb)/5]=0,658
Разливка осуществляется в изложницы с защитой струи аргоном. В результате горячей прокатки получают трубную заготовку диаметром 190 мм, длиной 3800 мм, и диаметром 210 мм, длиной 3300 мм.
Макроструктура по ГОСТ 10243-75: центральная пористость - 1 балл, точечная неоднородность - 1 баллов, ликвационный квадрат - 0 балл, подкорковые пузыри на глубину не более 2-х мм - 0 баллов. Металл нерадиоактивный. При проверке по излому флокенов не обнаружено. Неметаллические включения, контролируемые по ГОСТ 1778-70 метод Ш, вариант Ш6:
Вид включения
Средний балл
Максимальный балл
С (сульфиды)
2,00
2,00 (4)
СН (силикаты недеформированные)
0
0 (4)
ОТ (оксиды точечные)
2,00
2,00 (4)
ОС (оксиды строчные)
2,00
2,00 (4)
СП (силикаты пластичные)
2,00
2,00 (4)
СХ (силикаты хрупкие)
2,00
2,00 (4)
Определение величины зерна проводят по ГОСТ 5639-82. Испытание на величину зерна проводят методом окисления. Величина аустенитного зерна номер 7.
Из результатов плавки первого примера видно, что используемый для трубной заготовки заявленный состав стали позволяет получить трубную заготовку 170 мм, т.е. в диапазоне диаметров заготовок по прототипу от 80 до 180 мм, но с улучшенными характеристиками макроструктуры проката и неметаллических включений.
Из результатов плавки второго примера видно, что используемый для трубной заготовки заявленный состав стали позволяет получить трубную заготовку с диаметром, превышающим максимальный диаметр трубной заготовки по прототипу (180 мм), а именно 190 мм и 210 мм, с улучшенными по сравнению с прототипом характеристиками макроструктуры проката и неметаллических включений.
При этом в трубных заготовках обоих примеров снижены верхняя граница количественной характеристики макроструктуры проката и количественной характеристики неметаллических включений, причем из неметаллических включений исключены силикаты недеформированные.
Таким образом, из вышеизложенного следует, что предлагаемое изобретение при осуществлении обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в возможности повышения однородности макроструктуры проката путем снижения максимальных значений показателей по макроструктуре и снижения максимальных значений по чистоте неметаллических включений. Кроме того, предлагаемое изобретение позволяет изготавливать трубы не только диаметром от 80 до 110 мм, но свыше 140 мм с улучшенными по сравнению с прототипом параметрами структуры и чистоты по неметаллическим включениям. В результате повышается комплекс потребительских свойств заявленной трубной заготовки.