трубная заготовка из легированной теплостойкой стали

Формула изобретения

1. Трубная непрерывнолитая заготовка из легированной теплостойкой стали, горячекатаная с заданными параметрами структуры и механических свойств, отличающаяся тем, что она выполнена из стали, содержащей следующее соотношение компонентов, мас.%:

углерод	0,22-0,28
марганец	0,50-0,70
кремний	0,17-0,37
хром	0,80-1,10
никель	0,005-0,25
молибден	0,15-0,25
ванадий	0,06-0,11
ниобий	0,03-0,06
титан	0,01-0,03
алюминий	0,020-0,05
медь	0,005-0,25
сера	0,005-0,013
азот	0,005-0,008
кальций	0,001-0,005
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 соблюдении следующих соотношений:

(As+Sn+Pb+5×Zn) 0,05;

[C+Mn/6+(Cr+Mo+V+Nb)/5+(Ni+Cu)/15] 0,70;

Ca/S>0,1,

при этом она имеет феррито-перлитную структуру, размер действительного зерна 6-9 баллов, макроструктуру по центральной пористости, точечной неоднородности, ликвационному квадрату, подусадочной ликвации не более 3 баллов по каждому виду, ликвационным полоскам не более 2 баллов, неметаллические включения по сульфидам, оксидам точечным, оксидам строчечным, силикатам хрупким, силикатам пластичным, силикатам недеформированным не более 4,0 баллов по каждому виду, временное сопротивление разрыву не менее 685 Н/мм², предел текучести не менее 490 Н/мм², относительное удлинение не менее 12%, относительное сужение не менее 35%.

2. Трубная заготовка по п.1, отличающаяся тем, что в качестве неизбежных примесей сталь содержит, мас.%: фосфор не более 0,025 и водород не более 2×10^-6 (2ррm).

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области металлургии, в частности к производству трубной заготовки диаметром от 80 до 180 мм из легированной, теплостойкой стали повышенной прокаливаемости.

Известна трубная заготовка из легированной стали, содержащей углерод, марганец, кремний, хром, никель, ванадий, ниобий, титан, алюминий, кальций, серу, фосфор, азот, медь, сурьму, олово, мышьяк, железо остальное, изготовленная из горячекатаного листа, имеющая заданные параметры механических свойств и определенную структуру (RU 2180691 C1, 20.03.2002, C21D 9/08).

Известна трубная заготовка из легированной теплостойкой стали, содержащей углерод, марганец, кремний, хром, молибден, ванадий, азот, алюминий, серу, фосфор, цинк, свинец, олово, висмут, сурьму, имеющая заданные параметры механических свойств и заданную структуру (SU 1754790 А1, C22C 38/60, 15.08.1992).

Важнейшим требованием, предъявляемым к трубной заготовке из легированной стали, является, с одной стороны, обеспечение однородности микро- и макроструктуры, низкого содержания неметаллических включений, с другой стороны, - обеспечение повышенного комплекса потребительских свойств.

Задачей изобретения является обеспечение повышенного уровня потребительских свойств при обеспечении благоприятного соотношения прочности, пластичности и вязкости, минимальном уровне анизотропии механических свойств, пониженной склонности к обратимой отпускной хрупкости, повышенной прокаливаемости, низкого содержания неметаллических включений, однородной макро- и микроструктуры проката.

Для достижения технического результата трубная заготовка из легированной теплостойкой стали, содержащая заданные параметры структуры, механических свойств, изготовлена из стали при следующем соотношении компонентов в мас.%:

углерод	0,22-0,28
марганец	0,50-0,70
кремний	0,17-0,37
хром	0,80-1,10
никель	0,005-0,25
молибден	0,15-0,25
ванадий	0,06-0,11
ниобий	0,03-0,06
титан	0,01-0,03
алюминий	0,020-0,05
медь	0,005-0,25
сера	0,005-0,013
азот	0,005-0,008
кальций	0,001-0,005
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 выполнении следующих соотношений:

сумма: (As+Sn+Pb+5×Zn) 0,05;

[C+Mn/6+(Cr+Mo+V+Nb)/5+(Ni+Cu)/15] 0,70;

Ca/S 0,1,

непрерывнолитой, горячекатаной и имеет пластинчатую феррито-перлитную структуру, размер действительного зерна 6-9 баллов, макроструктуру - центральная пористость, точечная неоднородность, ликвационный квадрат, подусадочная ликвация не более 3 баллов по каждому виду, ликвационные полоски не более 2 баллов, неметаллические включения: сульфиды, оксиды точечные, оксиды строчечные, силикаты хрупкие, силикаты пластичные, силикаты недеформированные не более 4,0 баллов по каждому виду включений, механические свойства после нормализации - временное сопротивление разрыву не менее 685 Н/мм ², предел текучести не менее 490 Н/мм² относительное удлинение не менее 12%, относительное сужение не менее 35%.

В качестве примесей сталь дополнительно содержит в мас.%: фосфор не более 0,025 и водород не более 2×10 ^-6 (2ррm).

Приведенные сочетания легирующих элементов позволяют получить в готовом изделии феррито-перлитную мелкодисперсную структуру с благоприятным сочетанием характеристик прочности и пластичности, повышенной прокаливаемостью, пониженной склонностью к отпускной хрупкости.

Углерод вводят в композицию данной стали с целью обеспечения заданного уровня ее прочности и прокаливаемости. Верхняя граница содержания углерода (0,28%) обусловлена необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижняя - соответственно 0,22% - обеспечением требуемого уровня прочности и прокаливаемости данной стали.

Ванадий и ниобий вводят в композицию данной стали с целью обеспечения мелкодисперсной, однородной зеренной структуры, а также повышения прочностных и пластических свойств при термообработке. При этом 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 - -превращения) и ниобий - в верхней. Верхняя граница содержания ванадия - 0,11% и ниобия - 0,06% обусловлена необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижняя - соответственно 0,06% и 0,03% - обеспечением требуемого уровня прочности данной стали.

Марганец, молибден и хром используются, с одной стороны, как упрочнители твердого раствора, с другой стороны, как элементы, повышающие устойчивость переохлажденного аустенита стали. При этом верхний уровень содержания марганца - 0,70%, молибдена - 0,25% и хрома - 1,10% определяется необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижний, марганца - 0,50%, молибдена - 0,15% и хрома - 0,80% соответственно, необходимостью обеспечить требуемый уровень прочности и прокаливаемости данной стали.

Кремний относится к ферритообразующим элементам. Нижний предел по кремнию - 0,17% обусловлен технологией раскисления стали. Содержание кремния выше 0,37% неблагоприятно скажется на пластичности стали.

Медь определяет характеристики горячей пластичности стали. При этом нижний уровень ее содержания (0,005%) определяется требованиями обеспечения заданного уровня пластичности стали. Верхний уровень (0,25%) обусловлен необходимостью обеспечить заданный уровень вязкости и прочности стали.

Никель в заданных пределах влияет на характеристики прокаливаемости и вязкости стали. При этом нижний уровень содержания никеля - 0,005% обусловлен необходимостью обеспечения заданного уровня вязкости стали, а верхний - 0,25% необходимостью получения мартенситной структуры при закалке стали (так как никель является аустенитизатором).

Титан и алюминий - сильные нитридообразователи и раскислители стали. Верхний предел содержания алюминия - 0,05% и титана - 0,03% обусловлен необходимостью получения заданного уровня пластичности и вязкости стали, а нижний - 0,02% и 0,01% соответственно, вопросами технологичности производства.

Сера определяет уровень пластичности стали. Верхний предел (0,013%) обусловлен необходимостью получения заданного уровня пластичности и вязкости стали, а нижний предел (0,005%) - вопросами технологичности производства.

Азот способствует образованию нитридов в стали. Верхний предел содержания азота - 0,008% обусловлен необходимостью получения заданного уровня пластичности и вязкости стали, а нижний предел - 0,005% вопросами технологичности производства.

Мышьяк, олово, свинец и цинк - определяют общий уровень пластичности стали и ее склонность к проявлению обратимой отпускной хрупкости при последующей термической обработке готовых изделий из рассматриваемой трубной заготовки. Нижний предел по мышьяку, олову, свинцу и цинку (0,0001% по каждому элементу соответственно) обусловлен технологией производства стали, а верхний - (0,03%, 0,02%, 0,01% и 0,005% соответственно) определяет повышенную склонность стали к обратимой отпускной хрупкости.

Соотношение C+Mn/6+(Cr+Mo+V+Nb)/5+(Ni+Cu)/15 0,70 определяет характеристики прочности и вязкости, а также теплостойкости исследуемой стали, в то время как соотношение As+Sn+Pb+5×Zn 0,05 определяет пониженную склонность стали к проявлению обратимой отпускной хрупкости.

Соотношение кальций/сера 0,1 определяет параметры вязкости и анизотропии стали.

Анализ патентной и научно-технической информации не выявил решений, имеющих аналогичную совокупность признаков, которой достигался бы сходный эффект - повышение уровня потребительских свойств при обеспечении благоприятного соотношения прочности, пластичности и вязкости, минимальном уровне анизотропии механических свойств, пониженной склонности к обратимой отпускной хрупкости, прокаливаемости, низкого содержания неметаллических включений, однородной макро- и микроструктуры проката.

Пример осуществления изобретения.

Выплавку исследуемой стали с химическим составом в мас.%: углерод 0,26, марганец 0,67, кремний 0,22, сера 0,008, хром 0,98, никель 0,11, молибден 0,19, ванадий 0,09, ниобий 0,04, титан 0,019, алюминий 0,032, медь 0,08, кальций 0,006, мышьяк 0,009, олово 0,005, свинец 0,003, цинк 0,001, азот 0,007 производят в 150-ти тонных дуговых сталеплавильных печах (ДСП) с использованием в шихте 100% металлизованных окатышей, что обеспечивает получение массовой доли азота перед выпуском из ДСП не более 0,003%, а также низкое содержание цветных примесей. Предварительное легирование металла по марганцу и кремнию производят в ковше при выпуске из ДСП. После выпуска производят продувку металла аргоном через донный продувочный блок, во время которой сталь раскисляется алюминием. После этого металл поступает на агрегат комплексной обработки стали (АКОС), на котором имеется возможность нагрева металла до необходимой температуры, продувки его аргоном через донный продувочный блок, дозированной присадки необходимых ферросплавов и обработки стали порошковой проволокой с различными наполнителями. На АКОСе производят наведение рафинировочного шлака присадкой извести и плавикового шпата, раскисление шлака гранулированным алюминием, легирование металла алюминием до содержания 0,050%, доводку металла по содержанию марганца, нагрев до температуры, обеспечивающей дальнейшую обработку. После обработки на АКОС металл подвергают вакуумной обработке на порционном вакууматоре. Во время вакуумирования производят окончательную корректировку по химическому составу. После вакуумирования металл обрабатывают силикокальцием и передают на установку непрерывной разливки стали (УНРС). Разливку производят на четырехручьевых УНРС радиального типа в слиток размерами 300×360 мм со скоростью вытягивания 0,6÷0,7 м/мин, с защитой металла от окисления путем использования покровных шлаковых смесей в промежуточном ковше и кристаллизаторе, защитных труб, погружных стаканов и подачей аргона. Это также обеспечивает получение низкого содержания азота и кислорода и чистоту металла по неметаллическим включениям. После разливки и пореза на мерную длину полученные непрерывнолитые заготовки охлаждают в печах контролируемого охлаждения. Горячую прокатку сортового проката начинают при температуре 1180-1150°С и заканчивают при температуре 840-950°С, при деформации в последних проходах не менее 20%.

Механические характеристики при комнатной температуре определяют на образцах тип I, ГОСТ 1497-84, на испытательной машине "INSTRON-1185" с тензометрической регистрацией деформации. Скорость нагружения образца - 5 мм/мин. Определяют характеристики прочности _b и _0.2 и пластичности - и .

Средние значения характеристик подсчитывают по результатам испытаний не менее трех образцов на точку. Значимость различий средних значений анализируемых величин оценивали с использованием критерия Стьюдента, вычисляемого следующим образом:

где M₁ и M ₂ - средние значения сравниваемых величин; S ₁ ² и S₂ ² - дисперсии среднего; t_kr ^0.05( ) - критическое значение критерия Стьюдента при уровне значимости 0.95 и числе степеней свободы - .

Макроструктуру контролируют в соответствии с ТУ 14-1-5212-93 и ГОСТ 10243-75.

В результате горячей прокатки получают трубную заготовку 100 мм, длиной - 11800 мм. Структура феррито-перлитная, балл действительного зерна - 8. Макроструктура: центральная пористость - 0,5 балла, точечная неоднородность - 0,5 балла, ликвационный квадрат - 1 балл, подусадочная ликвация - 1 балл, ликвационные полоски - 1 балл. Неметаллические включения: сульфиды - 0,5 балла, оксиды точечные - 0 балла, оксиды строчечные - 0,5 балла, силикаты хрупкие - 0,5 балла, силикаты пластичные - 1 балл, силикаты недеформирующие - 1 балл. Механические свойства после закалки от 900°С, 1 час, масло и отпуска 580°С: временное сопротивление разрыву 720 Н/мм², предел текучести 560 Н/мм ², относительное удлинение - 16%, относительное сужение - 45%.

As+Sn+Pb+5×Zn=0,022

кальций/сера=0,75

C+Mn/6+(Cr+Mo+V+Nb)/5+(Ni+Cu)/15=0,64.

Внедрение в производство трубной заготовки из легированной стали обеспечивает повышение уровня потребительских свойств при обеспечении благоприятного соотношения прочности, пластичности и вязкости, минимальном уровне анизотропии механических свойств, пониженной склонности к обратимой отпускной хрупкости, повышенной прокаливаемости, низкого содержания неметаллических включений, однородной макро- и микроструктуры проката.