Способ производства штрипсового проката толщиной 10-40 мм для изготовления прямошовных труб большого диаметра, эксплуатируемых в условиях экстремально низких температур
METHOD FOR PRODUCING STRIP ROLLED PRODUCTS WITH A THICKNESS OF 10 TO 40 mm FOR MANUFACTURING LARGE-DIAMETER LONGITUDINALLY WELDED PIPES OPERATED UNDER EXTREMELY LOW TEMPERATURES

Изобретение относится к производству штрипсового проката из низколегированной стали для изготовления сварных прямошовных труб большого диаметра и может быть использовано при производстве толстых листов на реверсивных станах путем применения контролируемой прокатки с ускоренным охлаждением.
Известен способ изготовления стального листа толщиной 15-40 мм для труб с повышенной деформационной способностью, включающий получение сляба, нагрев сляба до температуры 1100÷1200°C, черновую и чистовую стадии прокатки сляба в контролируемом режиме с получением листа и контролируемое охлаждение листа. Сляб получают из стали, содержащей 0,04-0,08% углерода, 0,10-0,30% кремния, 1,60-1,85% марганца, фосфор не более 0,013%, сера не более 0,003%, 0,10-0,25% молибдена, 0,03-0,06% ниобия, 0,010-0,020% титана, алюминий не более 0,05%, 0,20-0,40% никеля, ванадий не более 0,01%, медь не более 0,30%, хром не более 0,30%, железо и неизбежные примеси остальное, при этом черновую стадию прокатки сляба проводят при температуре 950÷1050°C с суммарным обжатием 40÷50% с последующим охлаждением на воздухе до температуры 720÷800°C, прокатку на чистовой стадии прокатки проводят при температуре 700÷820°C до требуемой толщины листа с суммарным обжатием 75÷85% и последующим ускоренным охлаждением со скоростью 20÷35°C/с до температуры 300÷500°C, а затем на воздухе до температуры не более 150°C с получением микроструктуры стального листа, состоящей из бейнита, полигонального феррита и «вторых фаз» в виде мартенсит-аустенитной составляющей и вырожденного перлита (RU 2640685, МПК C21D 8/02, C22C 38/00, C22C 38/58, 11.01.2018 г.).
2
Недостатки известного способа заключаются в том, что при производстве листового проката с указанным химическим составом является высокая стоимость ввиду легирования стали молибденом и никелем до 0,25% и 0,40% соответственно и микролегирования ниобием до 0,06%, что формирует высокую стоимость конечного продукта. Вместе с тем химический состав вкупе с технологическими режимами производства не позволяют гарантированно обеспечить ударную вязкость на образцах с V-образным надрезом при температуре испытания минус 62°С не менее 100 Дж/см и долю вязкой составляющей в изломе образцов ИПГ при температуре испытания минус 62°С не менее 85%.
r3
Наиболее близким по своей технической сущности и достигаемым результатам является способ производства горячекатаных листов из низколегированной стали класса прочности К60 толщиной до 40 мм, включающий нагрев непрерывнолитых заготовок, черновую прокатку в раскат промежуточной толщины, его подстуживание, чистовую прокатку, ускоренное охлаждение водой. Согласно изобретению сталь содержит 0,03-0,07% углерода, 0,10-0,25% кремния, 1,30-1,65% марганца, никель не более 0,30%, медь не более 0,30%, 0,010-0,030% титана, ванадий не более 0,05%, 0,030-0,080% ниобия, молибден не более 0,30%, азот не более 0,007%, 0,020-0,060% алюминия, сера не более 0,002%, фосфор не более 0,012%, железо и неизбежные примеси остальное, при этом углеродный эквивалентом (CEIIW) не более 0,40%, коэффициент охрупчивания вследствие структурного превращения (PCM) не более 0,18% соответственно. Перед прокаткой непрерывнолитые заготовки нагревают до температуры не ниже температуры Ts(Nb(C,N)) растворения карбонитридов ниобия, которая регламентируется математической зависимостью, затем проводят их черновую прокатку с суммарной степенью деформации не менее 40%, чистовую прокатку начинают при температуре  а завершают в температурном интервале ±30°C от температуры A, после чего осуществляют ускоренное охлаждение водой с прерыванием охлаждения при температуре ниже 200°C и последующим охлаждением на воздухе (RU 2675891, МПК C21D 8/02, 25.12.2018 г.).
2
Недостатком способа также является получение не оптимальной микроструктуры проката ввиду концепции легирования и технологии производства, что не позволяет гарантированно обеспечить ударную вязкость на образцах с V-образным надрезом при температуре испытания минус 62°С не менее 100 Дж/см и долю вязкой составляющей в изломе образцов ИПГ при температуре испытания минус 62°С не менее 85%.
Технический результат – получение штрипсового проката толщиной от 10 до 40 мм, класса прочности К60 (категории прочности Х70) с гарантией ударной вязкости на образцах с острым надрезом и испытании падающим грузом при температуре до минус 62°С включительно, трещиностойкости CTOD до минус 20°С.
экв
экв
о
Технический результат достигается тем, что в способе производства штрипсового проката толщиной 10-40 мм для изготовления прямошовных труб большого диаметра, включающем аустенизацию непрерывнолитых заготовок, черновую прокатку с регламентированным обжатием за проход, подстуживание раскатов, чистовую прокатку, охлаждение на спокойном воздухе с последующим ускоренным охлаждением в установке контролируемого охлаждения, согласно изобретению непрерывнолитые заготовки получают из стали со следующим соотношением элементов: углерод 0,04-0,07%, кремний 0,10-0,30%, марганец 1,40-1,80%, алюминий 0,020-0,050%, хром не более 0,10%, никель 0,10-0,50%, медь не более 0,15%, титан 0,010-0,030%, ванадий не более 0,01%, ниобий 0,02-0,06%, молибден 0,01-0,35%, азот не более 0,008%, сера не более 0,005%, фосфор не более 0,015%, железо и примеси – остальное, при этом углеродный эквивалент С не должен превышать 0,43%, при этом углеродный эквивалент С не должен превышать 0,43%, аустенизацию непрерывнолитых заготовок производят до температуры 1180-1210°С, черновую прокатку начинают при температуре не ниже 950°С при проведении аустенизации в нагревательных печах камерного типа и не менее 960°С при проведении аустенизации непрерывнолитых заготовок в нагревательных печах методического типа, чистовую прокатку для штрипсового проката конечной толщины до 20 мм включительно начинают при температуре 810-880°С и завершают при температуре 760-830°С, а для штрипсового проката конечной толщины более 20 мм начинают при температуре 740-810С и завершают при температуре 740-820°С, после чего штрипсовой прокат охлаждают на спокойном воздухе до температуры начала ускоренного охлаждения 670-750°С, а затем подвергают ускоренному охлаждению в установке контролируемого охлаждения до температуры 20-250°С.
Технический результат достигается также тем, что черновую прокатку осуществляют до толщины раската, составляющей не менее 3 толщин готового штрипсового проката.
Технический результат достигается также тем, что черновую прокатку осуществляют с относительными обжатиями за проход не менее 10%.
Сущность изобретения состоит в следующем.
С целью обеспечения требуемых значений предела прочности и предела текучести содержание углерода должно быть не менее 0,04% и не более 0,07% для обеспечения вязкости стали при экстремально низких температурах.
Раскисление стали на сталеплавильном переделе осуществляется путем введения кремния и алюминия в заявленных диапазонах от 0,10 до 0,30% и 0,020 до 0,050% соответственно, что позволяет достичь высокой чистоты стали по неметаллическим включениям.
Легирование стали молибденом и марганцем в заявленных пределах улучшают прокаливаемость стали в процессе ускоренного охлаждения. Увеличение доли молибдена и марганца в стали сверх 0,35% и 1,80% соответственно являются чрезмерными с точки зрения повышения себестоимости продукции. При снижении содержания молибдена менее 0,01% и марганца менее 1,40%, возникает риск недостижения целевых прочностных характеристик проката.
Способ производства не подразумевает преднамеренного легирования стали медью и хромом, а также микролегирования ванадием ввиду выбранной концепции легирования и технологии производства, которые позволяют достичь заданного комплекса механических свойств.
Легирование никелем в диапазоне от 0,10 до 0,50% способствует повышению вязкости и хладостойкости стали. Добавка в большем количестве экономически нецелесообразна.
Микролегирование стали ниобием и титаном в указанных диапазонах способствует достижению целевой мелкодисперсной структуры проката. Титан препятствует чрезмерному росту зерна аустенита в процессе нагрева стали и на стадии черновой прокатки, а ниобий в процессе контролируемой прокатки благодаря выделению дисперсных частиц. Добавка в большем количестве экономически нецелесообразна.
Азот активизирует процесс образования карбидов титана и тем самым способствует измельчению первичного зерна аустенита. Содержание азота в стали свыше 0,008% является чрезмерным и отрицательным образом сказывается на ударной вязкости стали.
Сера и фосфор являются примесными элементами и отрицательным образом влияют на вязкие свойства стали. С целью обеспечения хладостойкости концентрация серы не должна превышать 0,005%, фосфора – 0,015%. Дальнейшее повышение чистоты стали по примесным элементам является экономически нецелесообразным.
экв
С целью соответствия требованиям заказчиков, а также с целью гарантии хорошей свариваемости стали в трассовых условиях углеродный эквивалент С не должен превышать 0,43%.
о
Перед прокаткой непрерывнолитые заготовки нагревают до температуры 1180-1210С, что способствует равномерному прогреву заготовки по сечению. Превышение верхней границы приводит к аномальному росту зерна аустенита, что впоследствии сказывается на неудовлетворительных результатах при испытаниях падающим грузом и низкотемпературной ударной вязкости. При недостижении нижней границы интервала температур нагрева карбонитриды не успевают полностью раствориться в аустените, это оказывает негативное влияние на протекание процессов рекристаллизации, а также снижает прочностные и вязкие свойства проката.
С целью обеспечения качественной проработки литой структуры непрерывнолитой заготовки и обеспечения заданной температуры конца прокатки черновую прокатку начинают при температуре не ниже 950°С при проведении аустенизации в нагревательных печах камерного типа и не менее 960°С при проведении аустенизации непрерывнолитых заготовок в нагревательных печах методического типа. При температурах ниже целевых значений оборудование прокатной клети будет испытывать перегрузки по энергосиловым параметрам, что повлечет увеличение числа проходов в черновой стадии прокатки и снижение единичного обжатия за проход, тем самым не позволит проработать средние слои заготовки по толщине.
Для обеспечения целевых значений при испытании падающим грузом толщина раската после черновой стадии прокатки должна быть не менее 3-х толщин готового штрипсового проката, а относительные обжатия за проход должны быть не менее 10%, за исключением проходов добивки толщины. Увеличение толщины раската, равно как и снижение процента относительного обжатия, снижает суммарную степень деформации в черновой стадии прокатки, препятствует проработке структуры и достаточному измельчению зерна аустенита.
Чистовую прокатку для штрипсового проката конечной толщины до 20 мм включительно начинают при температуре 810-880°С и завершают при температуре 760-830°С, чистовую прокатку для листов конечной толщины более 20 мм начинают при температуре 740-810°С и завершают при температуре 740-820°С, после чего штрипсовой прокат охлаждают на спокойном воздухе до температуры начала ускоренного охлаждения 670-750°С, после чего листы подвергают ускоренному охлаждению в установке контролируемого охлаждения до температуры 20-250°С. Указанные интервалы чистовой стадии прокатки и диапазон температур ускоренного охлаждения вкупе с достигаемой скоростью охлаждения водовоздушной смесью позволяют сформировать целевую мелкодисперсную феррито-бейнито-мартенситную структуру с участками остаточного аустенита, которая обеспечивает заданный комплекс прочностных и вязко-пластических свойств. Выход за пределы указанных температурных параметров чистовой стадии прокатки и охлаждения приводит к получению толстолистового проката с нарушением баланса вязко-пластических свойств.
Применение способа поясняется примером его реализации при производстве листов 27,3 мм на толстолистовом стане 5000 ПАО «Северсталь».
Выплавку стали осуществляли в кислородном конвертере с получением следующего химического состава (Таблица 1).
Непрерывнолитые заготовки толщиной 313 мм перед прокаткой нагревали до температуры 1190°С и последовательно деформировали до достижения раскатом толщины 166 мм, после этого раскат охлаждали на воздухе до температуры начала чистовой прокатки 762°С, деформировали на чистовой стадии до конечной толщины с окончанием при 783°С, далее лист ускоренно охлаждали до температуры 66°С.
Механические испытания проводили на образцах, изготовленных из проб, отобранных в поперечном направлении относительно направления прокатки. Испытания на статическое растяжение проводили на плоских пятикратных образцах по ГОСТ 1497, ударный изгиб - на образцах с V-образным надрезом по ГОСТ 9454 при температуре минус 62°С, испытания падающим грузом - на полнотолщинных образцах по требованиям API 5L3 при температуре минус 62°С.
Варианты реализации предложенного способа и результаты испытаний приведены в Таблицах 2 и 3 соответственно.
Результаты испытаний показали, что предлагаемый способ производства стали выбранного химического состава обеспечивает удовлетворительный уровень механических свойств, определяемых при статических испытаниях образцов на растяжение, а также при динамических испытаниях на маятниковом копре и копре с падающим грузом
Таким образом, применение описанного способа прокатки штрипсового проката приведенного состава обеспечивает достижение высокого уровня вязких характеристик стали – KCV при минус 62°С, ИПГ при минус 62°С и трещиностойкости CTOD до минус 20°С, что позволяет применить его для изготовления труб большого диаметра, эксплуатирующихся в условиях экстремально низких температур, в том числе Арктике и районах Крайнего Севера.
Таблица 1
Химический состав стали
Химостав
Содержание химических элементов, мас.%
С<sub>экв</sub>, %
С
Si
Mn
P
S
Cr
Ni
Cu
Al
N
Mo
V
Nb
Ti
1
0,049
0,15
1,44
0,007
0,0014
0,05
0,25
0,07
0,035
0,006
0,18
0,002
0,056
0,013
0,36
2
0,051
0,21
1,52
0,008
0,0013
0,04
0,45
0,05
0,028
0,007
0,22
0,005
0,049
0,015
0,39
3
0,053
0,18
1,49
0,012
0,0019
0,04
0,34
0,06
0,027
0,006
0,21
0,004
0,055
0,012
0,38
4
0,047
0,16
1,48
0,007
0,0014
0,05
0,25
0,07
0,035
0,006
0,18
0,002
0,056
0,013
0,36
5
0,055
0,23
1,57
0,009
0,0019
0,09
0,39
0,05
0,029
0,007
0,23
0,003
0,059
0,015
0,41
Таблица 2
Технологические параметры производства
Вариант производства
Химостав
Температура аустенизации, °С
Тип нагревательной печи
Температура начала черновой прокатки, °С
Относительные обжатия за проход при черновой прокатке (за исключением проходов «добивки» ширины), %
Толщина подстуживания, мм
Температура начала чистовой прокатки, °С
Температура конца чистовой прокатки, °С
Температура конца ускоренного охлаждения, °С
Толщина штрипса, мм
1
1
1190
Методическая
1011
12
166
762
783
66
19,3
2
2
1195
Камерная
1000
13
155
758
785
82
27,3
3
3
1195
Методическая
997
12
158
756
779
84
27,3
4
4
1180
Камерная
1019
14
169
777
798
85
27,3
5
5
1185
Методическая
1012
11
157
765
788
86
27,3
6
1
1200
Методическая
1005
11
167
764
789
72
19,3
7
2
1205
Методическая
995
12
154
766
787
73
19,3
Таблица 3
Результаты механических испытаний
Вариант производства
Химсостав
Предел текучести, МПа
Временное сопротивление разрыву, МПа
Относительное удлинение, %
Отношение предела текучести к временному сопротивлению
Ударная вязкость KCV при температуре минус 62°С
ИПГ при температуре минус 62°С
CTOD при температуре минус 20°С
1
1
475
580
27
0,82
375/394/413
100/100
0,57
2
2
480
590
24
0,81
356/375/346
100/100
0,48
3
3
485
595
25
0,82
410/335/378
95/95
0,55
4
4
475
575
23
0,83
366/412/345
100/95
0,62
5
5
490
580
26
0,84
387/403/409
95/100
0,58
6
1
480
585
23
0,82
394/401/349
100/100
0,69
7
2
485
590
24
0,82
376/354/407
100/95
0,47