СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ЛИСТОВ ИЗ НИЗКОЛЕГИРОВАННОЙ ТРУБНОЙ СТАЛИ КЛАССА ПРОЧНОСТИ К60
MANUFACTURING METHOD OF PLATES FROM LOW-ALLOY PIPE STEEL WITH STRENGTH CLASS K60

Изобретение относится к прокатному производству и может быть использовано при производстве широких горячекатаных листов из марок стали трубного сортамента, в основном класса прочности К60, предназначенного для изготовления электросварных труб для магистральных газонефтепроводов.
3
Известны способы производства горячекатаных листов, включающие производство слябовой заготовки, ее нагрев до температуры выше Ас, горячую деформацию с регламентированными обжатиями, промежуточное подстуживание проката, чистовую прокатку с последующим охлаждением листа со скоростью не менее 30°C/мин до температуры 400°C и далее - на воздухе (Патенты РФ №2394108, №2397255).
Недостатком известных способов является значительная дифференциация свойств по сечению и длине листа при одновременно пониженном уровне механических свойств (прочностных, пластических и вязких), не отвечающих в сталях трубного сортамента современным нормам для класса прочности К60.
3
Наиболее близким аналогом к заявляемому объекту является способ производства листов из низколегированной стали, включающий нагрев слябовой заготовки до температуры выше Ас, черновую прокатку в раскат промежуточной толщины при температуре 950÷890°C, подстуживание до температуры 840±10°C, последующую чистовую прокатку до температуры 780±10°C. После чего осуществляется ускоренное охлаждение поверхности листа водой от температуры конца прокатки до температуры 300÷200°С со скоростью не менее 60°C/мин с последующим охлаждением листов на воздухе до температуры 100°C при однорядном их расположении на стеллаже (Патент РФ №2311465).
Недостатком известного способа является сложность формирования в марках стали трубного сортамента требуемого высокого уровня механических свойств, соответствующих классу прочности К60, равномерно распределенных по сечению листа толщиной более 23 мм. С другой стороны, проведение процесса чистовой горячей прокатки при пониженных температурах существенно снижает производительность толстолистового стана, что вызвано необходимостью дополнительного подстуживания раската перед чистовой прокаткой. Эти факторы в совокупности существенно снижают эффективность процесса изготовления горячекатаной трубной заготовки и, кроме того, не позволяют обеспечить последующую успешную технологическую переработку горячекатаного штрипса в трубу большого диаметра (ТБД), предназначенную для эксплуатации в магистральных газонефтепроводах.
Технической задачей, решаемой заявляемым изобретением, является повышение производительности толстолистового стана при обеспечении в горячекатаном прокате из микролегированой стали трубного сортамента толщиной 24-28 мм одинаковых равномерно распределенных по сечению листа повышенных механических свойств, соответствующих классу прочности К60.
3
Поставленная задача решается тем, что в известном способе производства листов из низколегированной трубной стали класса прочности К60 толщиной толщиной 24-28 мм, включающем нагрев слябовой заготовки до температуры выше Ас, черновую прокатку в раскат промежуточной толщины, подстуживание, чистовую прокатку с регламентированными обжатиями и температурами конца прокатки, а также последующее ускоренное охлаждение листа, согласно изобретению, в заготовке из стали со следующим соотношением элементов, мас.%:
Углерод
0,05-0,07
Марганец
1,45-1,55
Кремний
0,20-0,35
Сера
не более 0,003
Фосфор
не более 0,013
Никель
0,17-0,27
Хром
не более 0,08
Медь
0,10-0,20
Алюминий
0,025-0,045
Ниобий
0,045-0,055
Ванадий
не более 0,015
Титан
0,015-0,025
Железо
остальное,
температуру начала чистовой стадии прокатки принимают равной 830±20°C, а температуру конца чистовой прокатки устанавливают равной 820±15°C, причем температуру начала ускоренного охлаждения листа принимают более 780°C, а конечную температуру ускоренного охлаждения листа устанавливают 625±15°C.
Сущность изобретения заключается в следующем.
Прокат из низколегированных марок стали трубного сортамента (класса прочности К60) в соответствии с нормами российских и зарубежных стандартов должен обеспечивать одновременное сочетание высоких прочностных и пластических свойств, а также повышенные вязкие характеристики (KCU, KCV, долю вязкой составляющей в изломе при ИПГ), которые позволяют обеспечивать достаточную хладостойкость, хорошую свариваемость трубной заготовки, а также значительное сопротивление хрупкому разрушению при температурах монтажа трубопроводов и их эксплуатации.
т
в
т
в
5
-40
-20
2
2
Для обеспечения нормируемого комплекса свойств в трубной заготовке на стадии горячей прокатки должна быть сформирована максимально возможная мелкозернистая ферритно-бейнитная микроструктура, равномерно распределенная по всему сечению листа. В связи с этим технология изготовления горячекатаных листов из стали трубного сортамента класса прочности К60 в заявленных толщинах должна обеспечивать получение следующего уровня механических свойств: прочностных - предел текучести σ=515-615 МПа; временное сопротивление разрыву σ=590-700 МПа; отношение σ/σ - не более 0,90; пластических - относительное удлинение δ - не менее 22,5%; и вязких - ударная вязкость KCV - не менее 100 Дж/см, KCV - не менее 200 Дж/см, количество вязкой составляющей в изломе образцов ИПГ при температуре -20°C - не менее 90% (например, в соответствии с нормами международного стандарта API 5L).
В стали с заявленным, согласно изобретению, химическим составом за основу принят узкий диапазон содержания основного свойствообразующего элемента углерода в стали до 0,05÷0,07%. Для обеспечения в горячекатаном листе требуемого уровня механических свойств, соответствующих классу прочности К60, вводится при легировании кремний в количестве 0,20÷0,35%, обеспечивающий требуемый высокий уровень прочности и вязкости и марганец в количестве 1,45÷1,55%, принятый традиционно в качестве одного из основных легирующих компонентов в низколегированных сталях, включая и трубный марочный сортамент (см., например. Матросов Ю.И., Литвиненко Д.А., Голованенко С.А. Сталь для магистральных трубопроводов. М.: Металлургия, 1989. - 288 С.). Более высокое содержание марганца может способствовать чрезмерному повышению прочности, что не обеспечит требуемое соотношение в горячекатаной заготовке заданного требуемого уровня ресурса пластичности. Содержание алюминия 0,025÷0,045% обеспечивает необходимую чистоту стали по неметаллическим включениям. Заявленный диапазон содержаний серы (не более 0,003%) и фосфора (не более 0,013%) позволяет получить высокие значения ударной вязкости при отрицательных температурах, а также минимизирует образование сульфидов.
Также для получения требуемой мелкозернистой микроструктуры за счет подавления роста зерен при рекристаллизации и после ее окончания традиционно применяется микролегирование карбонитридообразующимися элементами (Nb, Ti, V) в сотых долях процента. В заявляемом техническом решении в сталь вводятся 0,015÷0,025% титана, 0,045÷0,055% ниобия, не более 0,015% ванадия, являющиеся упрочняющими микролегирующими элементами.
Для подавления упрочняющего эффекта дополнительно ограничивается содержание хрома - не более 0,08%. Введение никеля в количестве 0,17÷0,27% обеспечивает усиленную противокоррозионную защиту горячекатаного проката.
Такой принцип легирования и микролегирования обеспечивает при достаточно высоких значениях прочности приемлемый повышенный уровень пластичности и вязкости, соответствующий классу прочности К60 в горячекатаном прокате толщиной 24÷28 мм.
Одним из главных условий получения в готовом горячекатаном прокате конечных размеров требуемой мелкозернистой ферритно-бейнитной структуры является наличие мелкозернистой структуры аустенита, которая, в свою очередь, может быть получена при определенных степенях и скоростях деформаций и температурах прокатываемого металла, так как она зависит от скорости рекристаллизации при прокатке. При этом размер зерна в процессе рекристаллизации, а также после фазовых превращений в значительной степени будет определяться степенью измельчения зерен аустенита при черновой стадии контролируемой прокатки, уровня проработки микроструктуры аустенита в области отсутствия рекристаллизации при чистовой стадии прокатки, а также условий охлаждения листа после чистовой прокатки. Кроме того, для подавления роста аустенита в процессе охлаждения листа после окончания стадии горячей прокатки существенную роль будут играть температурные и скоростные условия ускоренного охлаждения листа, включающие, соответственно, скорость и температуру активной фазы охлаждения.
Для обеспечения высокой производительности толстолистового стана необходимо повышение темпа прокатки слябовой заготовки. В то же время при осуществлении горячей прокатки раската в лист обязательной операцией является подстуживание раската перед началом чистовой прокатки. Данная операция проводится с целью обеспечения стабилизации температуры по сечению и обеспечения оладьеобразной формы зерна, которая способствует лучшей выкатываемости в процессе последующей деформационной обработки стали. При этом температурный диапазон, в котором может осуществляться чистовая стадия горячей прокатки, как свидетельствует практика производства трубной листовой заготовки, составляет 40÷60°C. В известных технических решениях (например, в прототипе) обычно принимают нижние границы температур чистовой стадии прокатки листа. В то же время для уменьшения временных затрат на подстуживание раската без существенного изменения (ухудшения) его механических свойств целесообразно проводить чистовую стадию горячей прокатки в верхнем диапазоне, что соответствует для заявленного трубного химического состава стали в соответствии с диаграммой состояния «железо - углерод» температурам 850÷805°C. Это позволяет повысить производительность толстолистового стана (5-7%) при обеспечении требуемого уровня механических свойств в готовом листе. Таким образом, для выбранного химического состава микролегированной стали наиболее приемлемым для заявленных толщин готового листа будет являться температура начала чистовой стадии горячей прокатки 850÷810°C. Для обеспечения однородности фазового состава стали за счет окончания пластической деформации всех участков листа в пределах аустенитной области необходимо чистовую стадию горячей прокатки листа заканчивать при температурах 835÷805°C. Отклонение от регламентируемых температурных диапазонов приведет либо к крупнозернистой (более 7÷8 баллов) микроструктуре, либо к значительной ее разнобалльности по площади и сечению листа из-за существенной его толщины. Таким образом, в выбранном температурном диапазоне чистовой прокатки практически отсутствует необходимость операции подстуживания, что существенно увеличивает темп прокатки, а, следовательно, возрастает производительность толстолистового стана.
Регламентация начала активной фазы ускоренного охлаждения поверхности листа с температур более 780±10°C обусловлен необходимостью обеспечения полного протекания бейнитного превращения в листе большой толщины (24÷28 мм). В данном случае температура 780±10°C связана с нижней температурной границей аустенитной области протекания рекристаллизационных процессов для заявленного химического состава трубной стали.
Температурный диапазон окончания ускоренного охлаждения поверхности проката 625±15°C обеспечивает требуемый уровень пластических и вязких свойств проката, соответствующих классу прочности К60. Отклонения в верхнюю сторону от выбранного диапазона приводят к скачкообразному росту балла зерна, соответственно, снижая требуемую механическую прочность проката. Снижение нижнего диапазона формирует повышенную разнобалльность зерна (более 3-х смежных баллов, что не соответствует отечественным и зарубежным стандартам на трубную заготовку), а также возрастает вероятность критичного искажения геометрической формы листа, связного в этом случае со значительным градиентом температуры по сечению достаточно толстого проката, что обусловлено повышенной интенсивностью охлаждения поверхности листа.
Пример осуществления конкретного способа
Выплавили кислородно-конвертерным методом сталь заявленного химического состава (см. табл.1). После проведения внепечной обработки металла и введения требуемых добавок осуществляли непрерывную разливку стали с последующей ее кристаллизацией и порезкой на слябы.
Слябовую заготовку толщиной 250 мм и 300 мм из стали марки с соответствующим химическим составом нагревают в методической печи до требуемой температуры. После этого на толстолистовом стане 5000 ОАО «ММК» при температурах (990÷1110)°C производят черновую стадию прокатки в раскат промежуточной толщины 120-160 мм с регламентированными единичными относительными обжатиями. Далее осуществляют подстуживание раската на воздухе до соответствующей температуры 830±20°C, при которой начинают чистовую стадию горячей прокатки с получением листа конечной толщиной 24-28 мм. При этом температуру конца чистовой прокатки (Ткп) поддерживают в диапазоне 820±15°C. Далее горячекатаный лист конечной толщиной 24-28 мм подвергается ускоренному со скоростью 10÷16°C/сек охлаждению водой в установке контролируемого спрейерного охлаждения с температур более 780°C до температуры 625±15°C. После окончания активной фазы охлаждения горячекатаный лист направляется на участок противофлокеновой обработки (ПФО), где укладывается в стеллажи и подвергается замедленному охлаждению до температуры менее 100°C в течение не менее 48 часов. Далее охлажденный горячекатаный лист направляется на участок листоотделки.
Варианты технологических параметров, по которым по заявляемому способу осуществлялось изготовление горячекатаных листов класса прочности К60 трубного сортамента на стане 5000 ОАО «ММК», а также результаты исследований представлены в таблице 2.
т
в
т
в
5
-20
-40
2
2
2
2
Заявляемая технология производства металлопроката на примере изготовления горячекатаных листов класса прочности К60 обеспечивает повышение производительности толстолистового стана при обеспечении в горячекатаном листовом прокате толщиной 24÷28 мм следующих механических свойств (усредненные значения по выборке): предел текучести σ=520÷580 Н/мм, временное сопротивление разрыву σ=600÷640 Н/мм, отношение σ/σ - 0,84-0,88, относительное удлинение δ в пределах 23÷28%, ударная вязкость KCV=260÷380 Дж/см, KCV=220÷340 Дж/см, доля вязкой составляющей в изломе при ИПГ>90%.
Выбранная совокупность признаков позволяет сделать вывод, что заявляемый способ работоспособен и устраняет недостатки, имеющие место в прототипе.
Заявляемый способ может найти широкое применение при производстве горячекатаных листов толщиной 24-28 мм, используемых в качестве горячекатаной заготовки для производства электросварных прямошовных труб, применяемых в магистральных газо-, нефтепроводах, обладающей повышенными прочностными, пластическими и вязкими свойствами класса прочности К60, равномерно распределенными как по сечению, так и по длине листа.