СТОЙКАЯ К КИСЛОТАМ И КОРРОЗИИ СТАЛЬ ДЛЯ ТРУБОПРОВОДА СО СТЕНКОЙ БОЛЬШОЙ ТОЛЩИНЫ И СПОСОБ ЕЕ ПОЛУЧЕНИЯ
ACID- AND CORROSION-RESISTANT STEEL FOR PIPELINE WITH LARGE WALL THICKNESS AND METHOD OF PRODUCTION THEREOF

Область техники
Настоящее изобретение относится к области металлургии, в частности, к стойкой к кислотам и коррозии стали для трубопровода со стенкой большой толщины и способу ее получения.
Уровень техники
2
2
Стойкая к кислотам и коррозии сталь для трубопровода в основном является стойкой к водород-индуцированному растрескиванию (HIC) и сульфидному коррозионному растрескиванию под напряжением (SSC). Сульфид водорода представляет собой слабокислый электролит и в основном находится в молекулярной форме в водном растворе с pH от 1 до 5. Сульфид водорода вступает в реакцию с металлами: HS+Fe→FeS+2H с получением атомарного водорода. HS используется в качестве отравляющего вещества для того, чтобы водород образован соединение с молекулами водорода, способствуя попаданию атомарного водорода в стальную матрицу. Атомы водорода, попадающие в сталь, приводят к дефектам через диффузию и выпадение в осадок в молекулы водорода, вырабатывая высокое давление. При наличии напряжения под действием напряжения при растяжении (дополнительного и/или остаточного), водород обогащается в трехсторонней площади напряжения при растяжении, обеспечиваемой металлургическими дефектами (вкраплениями, границами зерен, границами фаз, сдвигами, трещинами и т.д.). Когда концентрация сегрегированного водорода достигает критического значения, высокопрочная сталь и компоненты с высоким внутренним напряжением и т.д. будут растрескиваться в результате объединенного действия водорода и поля напряжения. Таким образом, в части проектирования изделий основной проблемой стало то, каким образом следует предотвратить попадание атомарного водорода в стальную матрицу, чтобы стальная матрица соответствовала требованиям в отношении стойкости к кислотам и коррозии.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Будучи нацеленным на указанные выше технические задачи и преодоление недостатков уровня техники, в настоящем изобретении представлена стойкая к кислотам и коррозии сталь для трубопровода со стенкой большой толщины и способ ее получения, которая не поддается коррозии в результате атомов водорода и улучшает стойкость матрицы к кислотам и коррозии.
Для решения указанных выше технических задач, в настоящем изобретении представлена стойкая к кислотам и коррозии сталь для трубопровода со стенкой большой толщины со следующими компонентами и их весовыми процентами: С: 0,01%-0,02%, Si: 0,10%-0,35%, Mn: 0,9%-1,40%, P≤0,012%, S≤0,0010%, Nb: 0,020%-0,070%, Ti: 0,006%-0,020%, Ni≤0,30%, Mo: 0,10%-0,30%, Cr: 0,10%-0,30%, Cu: 0,10%-0,30%, Al: 0,015%-0,050%, при этом остатком является Fe и примеси.
Технические результаты: В настоящем изобретении используется сверхнизкий углеродный состав менее чем 0,020%, что эффективным образом предотвращает образование перлитовой структуры в прокатной плите трубопровода с толстой стенкой. Надлежащее применение Mo может эффективным образом повысить упрочняемость прокатной плиты с толстой стенкой, что способствует однородности сердцевинной структуры поверхности и оказывает действие по измельчению зерен. Применение Ni способствует измельчению размера зерен структуры, формируя плотную многогранную ферритовую структуру и предотвращая коррозию границы зерна атомами водорода. Процесс аустенитизации при сверхнизкой температуре эффективным образом уменьшает размер зерна структуры в направлении толщины прокатной плиты для получения сверхмелкой структуры зерна с размером зерна сердцевины менее чем 30 мкм. Плотная структура предотвращает попадание атомарного водорода в стальную матрицу.
Другая задача настоящего изобретения заключается в представлении способа получения стойкой к кислотам и коррозии стали для трубопровода со стенкой большой толщины, применяемого к указанному выше решению и включающего следующие этапы:
S1: выполнение десульфуризации с помощью порошка извести и магния на станции по десульфуризации, и очистка шлака после десульфуризации, причем содержание S в расплавленном железе в печи составляет ≤0,002%;
S2: выполнение высокотемпературной дефосфоризации в конвертере двухшлаковым способом, причем при достижении 85% продувки выполняют измерение и выборку температуры вспомогательной фурмы; и в это время выполняют заливку шлака посредством кислородной фурмы; после завершения заливки шлака выполняют вторую продувку в соответствии с выборкой вспомогательной фурмы для обеспечения того, чтобы температура выпуска в конвертере была выше чем 1680°С и чтобы конечный продукт P составлял ≤0,012%;
S3: применение способа слабой дезоксидации для выпуска из конвертера, добавление 500 кг низкоуглеродистого ферромарганца при выпуске металла и добавление алюминиевых блоков в соответствии с определенным кислородом вспомогательной фурмы для обеспечения того, чтобы содержание кислорода в расплавленной стали составляло от 50 частей на миллион до 80 частей на миллион после выпуска;
S4: после попадания расплавленной стали в RH-печь, измерение и выборка температуры, выполнение обезуглероживающей обработки после того, как температура стала выше 1580°С, а степень вакуумирования - ≤3,0 мбар, последующее выполнение обработки сплавлением после образования вакуума и C ≤0,0050 %, и поддержание вакуума после завершения сплавления;
S5: после достижения сталью LF, добавление известняка с получением шлака, перемешивание с аргоном на дне, контроль содержания серы в пределах 0,0010% и выполнение кальциевой обработки после завершения десульфуризации;
S6: выполнение заливки с полной защитой во время непрерывного литья, контроль степени перегрева на значении 10-20°С, при этом применяется технология двухвалкового электромагнитного перемешивания, а низкая расчетная мощность составляет в пределах C1.0;
S7: нагревание литьевой заготовки в нагревательной печи посредством системы поэтапного нагревания, причем целевая температура аустенизации составляет 1110°С-1120°С, время нагревания составляет 10 мин-13 мин/см, а время выдержки составляет более чем 60 мин; и
S8: выполнение прокатывания процессом термо-механического контроля, причем конечный процент обжатия за один проход через валки с грубой поверхностью составляет более чем 22%, а исходная температура двухстадийного прокатывания составляет 800°С-830°С, температура воды на впуске составляет 780°С-800°С, а также охлаждение путем сверхбыстрого охлаждения до 280°С-300°С с получением сверхмелкой структуры зерна с размером зерна сердцевины менее чем 30 мкм и многогранной ферритовой/бейнитовой структуры, а именно (PF+B).
Техническое решение в настоящем изобретении дополнительно ограничивается следующим образом:
Далее после этапа S3 массу алюминия увеличивают до 20 кг для увеличения до 600 частей на миллион кислорода, а затем содержание алюминия увеличивают до 10 кг для получения увеличения на каждые 100 частей на миллион кислорода.
В отношении указанной выше стойкой к кислотам и коррозии стали для трубопровода со стенкой большой толщины и способу ее получения, на этапе S5 используют бесшовную порошковую проволоку из чистого кальция длиной 150 м-200 м.
В отношении указанной выше стойкой к кислотам и коррозии стали для трубопровода со стенкой большой толщины и способу ее получения, на этапе S5 выполняют статическое перемешивание в течение от 15 до 20 минут после кальциевой обработки.
Полезными эффектами настоящего изобретения являются следующие:
(1) Сверхнизкая температура аустенизации в настоящем изобретении эффективным образом измельчает размер зерна структуры, обеспечивает сверхмелкую структуру зерна 30 мкм в сердцевине прокатного листа с большой толщиной, а также повышает стойкость матрицы к кислотам и коррозии;
(2) В настоящем изобретении, после достижения расплавленной сталью RH-печи, температура поддерживается выше 1580°C, что обеспечивает текучесть вакуумного цикла после сплавления расплавленной стали;
(3) В настоящем изобретении обезуглероживание выполняют после того, как степень вакуума стала ниже чем 3,0 мбар, и углерод удаляют путем использования кислорода в расплавленной стали;
(4) В настоящем изобретении поддержание вакуума выполняют после завершения сплавления, а в течение процесса вакуумной обработки не выполняют операцию сплавления, что эффективным образом снижает содержание газа в расплавленной стали;
(5) В настоящем изобретении после достижения расплавленной сталью LF, она перемешивается с аргоном на дне с целью десульфуризации;
(6) В настоящем изобретении статическое перемешивание выполняется после кальциевой обработки для повышения чистоты расплавленной стали;
(7) В настоящем изобретении технология двухвалкового электромагнитного перемешивания применяется в течение непрерывного литья для того, чтобы улучшить внутреннюю структуру и контролировать осевую ликвацию;
(8) В настоящем изобретении, в части проектирования изделия, применяется матрица, которая предотвращает попадание атомарного водорода в сталь. Низкоуглеродистая, низкофосфористая, низкосернистая и мелкозернистая структура является компактной, так что стальная матрица удовлетворяет идее стойкости к кислотам и коррозии. За счет состава композиции был получен сверхбыстрый процесс охлаждения с низкой температурой аустенизации, сверхмелкая многогранная ферритовая и бейнитовая структура с сердцевиной 30 мкм, тем самым получая стальной лист, обладающий превосходной стойкостью к кислотам и коррозии.
Краткое описание прилагаемых чертежей
На Фиг. 1 представлена типичная микроструктура прокатного стального листа в Варианте реализации 1 под металлмикроскопом;
На Фиг. 2 представлена типичная микроструктура прокатного стального листа в Варианте реализации 2 под металлмикроскопом.
Варианты реализации
Вариант реализации 1
Способ получения стойкой к кислотам и коррозии стали для трубопровода со стенкой большой толщины в настоящем варианте реализации включает следующие этапы:
S1: выполнение десульфуризации с помощью порошка извести и магния на станции по десульфуризации, и очистка шлака после десульфуризации, причем содержание S в расплавленном железе в печи составляет ≤0,002%;
S2: выполнение высокотемпературной дефосфоризации в конвертере двухшлаковым способом, причем при достижении 85% продувки выполняют измерение и выборку температуры вспомогательной фурмы; и в это время выполняют заливку шлака посредством кислородной фурмы; после завершения заливки шлака выполняют вторую продувку в соответствии с выборкой вспомогательной фурмы для обеспечения того, чтобы температура выпуска металла в конвертере была выше чем 1680°С и чтобы конечный продукт P составлял ≤0,012%;
S3: применение способа слабой дезоксидации для выпуска из конвертера, добавление 500 кг низкоуглеродистого ферромарганца при выпуске металла и добавление алюминиевых блоков в соответствии с определенным кислородом вспомогательной фурмы, причем массу алюминия увеличивают до 20 кг для увеличения до 600 частей на миллион кислорода, а затем содержание алюминия увеличивают до 10 кг для получения увеличения на каждые 100 частей на миллион кислорода, для обеспечения того, чтобы содержание кислорода в расплавленной стали составляло от 50 частей на миллион до 80 частей на миллион после выпуска;
S4: после попадания расплавленной стали в RH-печь, измерение и выборка температуры, выполнение обезуглероживающей обработки после того, как температура стала выше 1580°С, а степень вакуумирования - ≤3,0 мбар, последующее выполнение обработки сплавлением после образования вакуума и C ≤0,0050%, и поддержание вакуума после завершения сплавления;
S5: после достижения сталью LF, добавление известняка с получением шлака, перемешивание с аргоном на дне, контроль содержания серы в пределах 0,0010% и выполнение кальциевой обработки с помощью бесшовной порошковой проволоки из чистого кальция длиной 150 м-200 м после завершения десульфуризации, и статическое перемешивание в течение от 15 до 20 минут после кальциевой обработки;
S6: выполнение заливки с полной защитой во время непрерывного литья, контроль степени перегрева на значении 10-20°С, при этом применяется технология двухвалкового электромагнитного перемешивания, а низкая расчетная мощность составляет в пределах C1.0;
S7: нагревание литьевой заготовки в нагревательной печи посредством системы поэтапного нагревания, причем целевая температура аустенизации составляет 1110°С-1120°С, время нагревания составляет 10 мин-13 мин/см, а время выдержки составляет более чем 60 мин; и
S8: выполнение прокатывания процессом термо-механического контроля, причем конечный процент обжатия за один проход через валки с грубой поверхностью составляет более чем 22%, а исходная температура двухстадийного прокатывания составляет 800°С-830°С, температура воды на впуске составляет 780°С-800°С, а также охлаждение путем сверхбыстрого охлаждения до 280°С-300°С с получением сверхмелкой структуры зерна с размером зерна сердцевины менее чем 30 мкм и многогранной ферритовой/бейнитовой структуры, а именно (PF+B).
Вариант реализации 2
Стойкая к кислотам и коррозии сталь для трубопровода со стенкой большой толщины, согласно настоящему варианту реализации, получена способом получения, описанным в Варианте реализации 1, и ее компоненты в весовых процентах показаны в Таблице 1.
Вариант реализации 3
Стойкая к кислотам и коррозии сталь для трубопровода со стенкой большой толщины, согласно настоящему варианту реализации, получена способом получения, описанным в Варианте реализации 1, и ее компоненты в весовых процентах показаны в Таблице 1.
Таблица 1
C%
Mn%
P%
S%
Si%
Ni%
Cr%
Cu%
Alt%
Nb%
Mo%
V%
Ti%
Ca%
Вариант реализации 1
0,012
1,32
0,008
0,0006
0,22
0,012
0,18
0,21
0,030
0,063
0,16
0,002
0,013
0,016
Вариант реализации 2
0,011
1,31
0,006
0,0007
0,21
0,011
0,16
0,22
0,031
0,061
0,18
0,002
0,013
0,017
Путем наблюдения за микроструктурой стали для трубопровода, полученной в Варианте реализации 1 и Варианте реализации 2, как показано на Фиг. 1 и Фиг. 2, было обнаружено, что на матрице отсутствует какая-либо явная перлитовая структура, а сердцевинная структура в прокатном листе со стенкой большой толщины составляет менее чем 30 мкм, при этом зерна являются мелкими и плотными, а также обладают превосходной стойкостью к кислотам и коррозии.
Рабочие характеристики при HIC показаны в Таблице 2:
Таблица 2
Раствор для выдержки
CLR%
CTR%
CSR%
Вариант реализации 1
А
0
0
0
Вариант реализации 2
А
0
0
0
Рабочие характеристики при SSC показаны в Таблице 3:
Таблица 3
Напряжение от нагрузки
Время испытания
Растрескивание EC
Оценка
Вариант реализации 1
0,8*Y.S (фактическое)
720 ч
Нет
Пройдена
Вариант реализации 2
0,8*Y.S (фактическое)
720 ч
Нет
Пройдена
Из Таблиц 2 и 3 можно увидеть, что оба Варианта реализации 1 и 2 обладают превосходной стойкостью к растрескиванию, вызванному водородом, без каких-либо трещин, а также полностью соответствуют показателям в стандарте NACE0177-2005: CLR≤10%, CTR≤3%, CSR≤ 2%, рабочие характеристики изделия при HIC и SSC соответствуют требованиям.
В настоящем изобретении используется сверхнизкий углеродный состав не более чем 0,02%, что эффективным образом предотвращает образование перлитовой структуры в трубопроводах с толстой стенкой. Соответствующее увеличение сплавов Cr и Mo улучшает упрочняемость стального листа с толстой стенкой, что является преимуществом для измельчения сердцевинной структуры. Сверхнизкая температура аустенизации создает условия для измельчения исходных аустенитовых зерен и обеспечивает размер зерна структуры прокатного листа. Сверхбыстрый процесс охлаждения создает условия для трансформации бейнита в карбидной структуре, содействует измельчению зерен, а также укрепляет компактность граничной структуры зерна. Мелкая структура зерна эффективным образом предотвращает диффузию атомов водорода по границам зерна, следовательно, обеспечивается получение сверхмелкой структуры зерна с сердцевиной менее чем 30 мкм. Структура является многогранной ферритовой/бейнитовой структурой (PF+B). Многогранный феррит и бейнит неоднородной формы распределяются поочередно, что обеспечивает прочность и жесткость стали, а также стойкость стального листа с толстой стенкой к кислотам и коррозии.
Помимо описанных выше вариантов реализации настоящее изобретение может включать в себя другие варианты реализации. Любое техническое решение, образованное путем эквивалентной замены или эквивалентного преобразования, подпадает под объем защиты настоящего изобретения.