способ производства штрипсов из низколегированной стали

Формула изобретения

1. Способ производства штрипсов из низколегированной стали, включающий нагрев слябов до температуры аустенитизации, многопроходную черновую прокатку, многопроходную чистовую прокатку и ускоренное охлаждение штринсов водой, отличающийся тем, что слябы нагревают до температуры 1100-1210°С, черновую прокатку ведут с суммарным относительным обжатием не менее 30%, чистовую прокатку завершают при температуре 720-820°С, а охлаждение штрипсов водой ведут до температуры 400-600°С.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что чистовую прокатку осуществляют за два этана с паузой между ними, при этом первый этан проводят в температурном интервале 780-920°С с суммарным относительным обжатием 35-80%, второй этап начинают при температуре 750-850°С и проводят с суммарным относительным обжатием 20-60%, продолжительность паузы устанавливают равной 20-80 с, а охлаждение штрипсов водой ведут со скоростью не менее 5°С/с.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что низколегированная сталь имеет следующий химический состав, мас.%:

углерод	не более 0,12
кремний	0,17-0,37
марганец	1,4-2,0
алюминий	0,02-0,05
хром	0,01-0,3
никель	0,01-0,3
медь	не более 0,3
ниобий	0,04-0,09
ванадий	0,04-0,12
молибден	не более 0,4
железо и примеси	остальное

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области металлургии, конкретнее к прокатному производству, и может быть применено для получения штрипсов, используемых при строительстве магистральных нефтегазопроводов в районах Крайнего Севера.

Низколегированная сталь для магистральных нефте- и газопроводов, работающих в условиях Крайнего Севера, должна сочетать высокую прочность, свариваемость, коррозионную стойкость и стойкость к водородному растрескиванию (табл.1).

Таблица 1
Механические свойства штрипсов
в, МПа	т, МПа	т/ в	5, %	KCV-40, Дж/см2	ИПГ-60, %
не менее 590	не менее 500	не более 0,90	не менее 22	не менее 127,4	не менее 90
Примечание:	ИПГ - доля вязкой составляющей в изломе образца при испытании падающим грузом при температуре -60°С.

Известен способ производства штрипсов из низколегированной стали, включающий нагрев слябов до температуры 1160-1190°С, черновую прокатку, чистовую прокатку с суммарным относительным обжатием не менее 70% при температуре конца прокатки не выше 820°С. После прокатки штрипсы подвергают закалке водой с температуры 900-950°С и отпуску при температуре 600-730°С. При этом низколегированная сталь имеет следующий химический состав, мас.%:

Углерод	0,07-0,12
Марганец	1,4-1,7
Кремний	0,15-0,50
Ванадий	0,06-0,12
Ниобий	0,03-0,05
Титан	0,01-0,03
Алюминий	0,02-0,05
Хром	не более 0,3
Никель	не более 0,3
Медь	не более 0,3
Сера	не более 0,005
Фосфор	не более 0,015
Азот	не более 0,010
Железо	Остальное [1].

Недостатки известного способа состоят в том, что штрипсы имеют низкую хладостойкость. Кроме того, дополнительное термическое улучшение штрипсов удорожает их производство.

Известен также способ производства штрипсов категории прочности Х65 из низколегированной стали следующего состава, мас.%:

Углерод	0,06-0,12
Марганец	1,4-1,7
Кремний	0,20-0,45
Ванадий	0,06-0,10
Ниобий	0,04-0,08
Титан	0,005-0,035
Хром	0,01-0,30
Никель	0,01-0,30
Медь	0,01-0,30
Алюминий	0,02-0,05
Молибден	0,01-0,50
Сера	не более 0,006
Фосфор	не более 0,015
Бор	не более 0,006
Азот	не более 0,010
Железо	Остальное,

при этом

и .

Способ включает нагрев слябов до температуры 1170-1420°С, их черновую прокатку до промежуточной толщины и чистовую прокатку в температурном интервале 910-710°С с суммарным относительным обжатием 60-80% [2].

Недостатки известного способа состоят в том, что он не обеспечивает требуемой хладостойкости штрипсов.

Наиболее близким аналогом по совокупности признаков и достигаемым результатам к предлагаемому изобретению является способ производства штрипсов из низколегированной стали следующего химического состава, мас.%:

Углерод	0,12-0,17
Марганец	1,3-1,6
Кремний	0,3-0,6
Алюминий	0,02-0,06
Ванадий и/или ниобий	0,01-0,05
Хром	не более 0,3
Никель	не более 0,3
Медь	не более 0,3
Фосфор	не более 0,015
Сера	не более 0,006
Азот	не более 0,010
Кальций	не более 0,02
Железо	Остальное.

Способ включает нагрев слябов до температуры аустенитизации 1220-1280°С, многопроходные черновую прокатку до промежуточной толщины, многопроходную чистовую прокатку с температурой конца прокатки 820-880°С и ускоренное охлаждение штрипсов водой до температуры 580-660°С [3].

Недостатки известного способа состоят в том, что он не обеспечивает получения высокой хладостойкости штрипсов и стабильных механических свойств, что увеличивает их отбраковку и расходы на производство.

Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в повышении хладостойкости штрипсов и снижения затрат на производство.

Для решения поставленной задачи в известном способе производства штрипсов из низколегированной стали, включающем нагрев слябов до температуры аустенитизации, многопроходную черновую прокатку, многопроходную чистовую прокатку, ускоренное охлаждение штрипсов водой, согласно изобретению слябы нагревают до температуры 1100-1210°С, черновую прокатку ведут с суммарным относительным обжатием не менее 30%, чистовую прокатку завершают при температуре 720-820°С, а охлаждение штрипсов водой ведут до температуры 400-600°С.

Возможен вариант реализации способа, по которому чистовую прокатку осуществляют за два этапа с паузой между ними, при этом первый этап проводят в температурном интервале 780-920°С с суммарным относительным обжатием 35-80%, второй этап начинают при температуре 750-850°С и проводят с суммарным относительным обжатием 20-60%, продолжительность паузы устанавливают равной 20-80 с, а охлаждение штрипсов водой ведут со скоростью не менее 5°С/с.

Низколегированная сталь может иметь следующий химический состав, мас.%:

Углерод	не более 0,12
Кремний	0,17-0,37
Марганец	1,4-2,0
Алюминий	0,02-0,05
Хром	0,01-0,3
Никель	0,01-0,3
Медь	не более 0,3
Ниобий	0,04-0,09
Ванадий	0,04-0,12
Молибден	не более 0,4
Железо и примеси	Остальное.

Сущность предложенного технического решения состоит в следующем. Комплекс механических свойств штрипсов определяется микроструктурно-фазовым состоянием низколегированной стали, которое, в свою очередь, зависит от химического состава стали и режимов ее многоциклововой деформационно-термической обработки.

При известных способах производства штрипсов из низколегированной стали микроструктура штрипса представляет собой перлит с включениями феррита, следствием чего является недостаточная прочность штрипсов. Традиционно для повышения прочностных свойств увеличивают степень легированности стали и снижают температурный интервал горячей прокатки, однако при этом резко снижаются вязкостные свойства стали и показатели хладостойкости. Кроме того, увеличение степени легированности ухудшает свариваемость штрипсов, увеличивает затраты на производство.

Предлагаемые деформационно-термические режимы производства штрипсов и химический состав низколегированной стали обеспечивают формирование после многопроходной прокатки и охлаждения водой ферритной матрицы, упрочненной участками перлита, сорбита, включениями бейнита. Благодаря наличию ферритной матрицы штрипсы приобретают высокие вязкостные, пластические свойства и хладостойкость, а наличие в ней перлита, сорбита и бейнита повышает до заданного уровня прочностные свойства. Этим обеспечивается стабильное получение заданного комплекса механических свойств штрипсов с повышенной хладостойкостью, уменьшение количества некондиционной продукции, снижение степени легированности и затрат на производство.

Экспериментально установлено, что при температуре нагрева слябов под прокатку Т_а ниже 1100°С не достигается полного растворения карбидных частиц, упрочняющих низколегированную сталь, в аустените. В результате горячекатаные штрипсы имеют недостаточную прочность. Увеличение температуры нагрева Т_а выше 1210°С нерационально, т.к. помимо роста энергозатрат приводит к необходимости дополнительного подстуживания раскатов в линии прокатного стана для обеспечения заданных температурных интервалов горячей прокатки.

При черновой прокатке с суммарным относительным обжатием ₁ менее 30% не обеспечивается полная проработка структуры слябов и имеет место формирование анизотропных механических свойств штрипсов.

Завершение чистовой прокатки при температуре Т_кп2 ниже 720°С приводит к снижению пластических свойств стали, росту соотношения _т/ _в выше допустимого уровня. Повышение Т_кп2 сверх 820°С ведет к росту размеров ферритных зерен (номер балла уменьшается до 8-9). В результате снижается прочность и хладостойкость штрипсов, возрастает выход некондиционной продукции.

При охлаждении прокатанных штрипсов водой от температуры Т_кп2 До температуры конца ускоренного охлаждения Т _уо выше 600°С снижаются прочностные свойства и хладостойкость штрипсов, возрастает выход некондиционной продукции. Снижение температуры Т_уо менее 400°С не оказывает положительного влияния на механические свойства штрипсов, а лишь увеличивает расход электроэнергии, воды и затраты на производство.

Чистовая прокатка за два этапа с паузой между ними позволяет сформировать в готовых штрипсах более стабильный микроструктурно-фазовый состав и механические свойства, что дополнительно повышает выход годного и снижает затраты на производство. При этом во время двухэтапной чистовой прокатки и паузы проходит черновая прокатка последующего сляба, благодаря чему сохраняется высокая производительность процесса. Чистовая прокатка на первом этапе с суммарным относительным обжатием ₂=35-80% в температурном интервале 780-920°С протекает с полной рекристаллизацией деформированного аустенита и последовательным диспергированием микроструктуры. Увеличение суммарного относительного обжатия ₂ более 80% или снижение температуры прокатки на первом этапе ниже 780°С ухудшает равномерность микроструктуры, увеличивает нестабильность механических свойств и количество некондиционной продукции. При суммарном относительном обжатии менее 35% или температуре чистовой прокатки выше 920°С имеет место неконтролируемый рост зерен микроструктуры. Это снижает хладостойкость штрипсов.

Если температура начала второго этапа чистовой прокатки Т_нп2 превышает 850°С или суммарное относительное обжатие ₃ меньше 20%, то не достигается требуемая степень диспергирования микроструктуры. Это снижает пластичность и хладостойкость штрипсов. При температуре начала второго этапа чистовой прокатки Т_нп2 ниже 750°С или суммарном относительном обжатии ₃ более 60% в штрипсе формируется неблагоприятная текстура деформации. Это снижает вязкостные свойства, увеличивает отношение _т/ _в выше допустимого уровня.

Пауза между двумя этапами чистовой прокатки позволяет завершить процессы рекристаллизации, выровнять температурное поле по сечению раската, стабилизировать характер деформированной зеренной микроструктуры аустенита и затем начать заключительный этап чистовой прокатки при строго заданной температуре в интервале Т_нп2=750-850°С. Сокращение продолжительности паузы менее 20 с не позволяет гомогенизировать состояние микроструктуры низколегированной стали и температурное поле раската. Это приводит к увеличению количества некондиционной продукции. Увеличение продолжительности паузы более 80 с не исключает возможности переохлаждения раската перед вторым этапом чистовой прокатки, что негативно сказывается на хладостойкости штрипсов.

Также экспериментально установлено, что при скорости охлаждения V менее 5°С от температуры Т_кп2=720-820°С до Т_уо=400-600°С количество упрочняющих ферритную матрицу фаз (бейнит, сорбит, перлит) мало, поэтому прочностные свойства штрипсов ниже допустимого уровня.

Углерод в стали предложенного состава определяет ее прочностные свойства. Однако увеличение содержания углерода сверх 0,12% ухудшает свариваемость, пластичность и хладостойкость штрипсов.

Кремний раскисляет сталь, упрочняет ферритную фазу. При содержании кремния менее 0,17% прочность стали недостаточна. Увеличение содержания кремния более 0,37% приводит к возрастанию количества силикатных неметаллических включений, ухудшает ее пластичность и ударную вязкость.

Марганец введен для раскисления и повышения прочности стали, связывания примесной серы в сульфиды. При содержании марганца менее 1,4% снижаются прочность стали, доля вязкой составляющей в изломе и вязкость при отрицательных температурах. Повышение концентрации марганца сверх 2,0% приводит к снижению пластичности и увеличению отношения _т/ _в.

Алюминий является раскисляющим и модифицирующим элементом. При концентрации алюминия менее 0,02% его положительное влияние не проявляется. Вместе с тем, увеличение содержания алюминия более 0,05% приводит к ухудшению хладостойкости и свариваемости штрипсов.

Хром, образуя карбиды, повышает прочность стали с ферритной матрицей. При концентрации хрома менее 0,01% его влияние не сказывается на свойствах штрипсов, их прочность при неблагоприятном сочетании концентрации легирующих элементов ниже допустимой. Увеличение содержания хрома более 0,30% приводит к ухудшению пластических и вязкостных свойств штрипсов.

Примесная медь способствует повышению прочностных свойств, но при концентрации более 0,30% имеет место снижение ударной вязкости и свариваемости штрипсов.

Ниобий образуют с углеродом карбиды NbC. Мелкие карбиды ниобия располагаются по границам зерен и субзерен, тормозят движение дислокации, и, тем самым, упрочняют сталь. При содержании ниобия менее 0,04% его влияние недостаточно велико, прочностные свойства стали ниже допустимого уровня. Увеличение концентрации ниобия более 0,09% вызывает дисперсионное твердение и охрупчивание границ зерен. Это приводит к увеличению отношения _т/ _в и снижению выхода годного.

Ванадий является сильным раскисляющим и карбидообразующим элементом, благоприятно влияющим на комплекс механических свойств штрипсов. При концентрации ванадия менее 0,04% его положительное влияние на механические свойства не проявляется. Увеличение содержания ванадия более 0,12% нецелесообразно, т.к. ведет к ухудшению свариваемости штрипсов и хладостойкости, росту расходов на производство.

Молибден обеспечивает повышение прочности и вязкости штрипсов. При ускоренном охлаждении после многоциклового деформирования он стимулирует формирование в стали мелкодиспергированного бейнита, обеспечивающего упрочнение ферритной матрицы, и повышение вязкостных свойств. Однако молибден является дефицитным и дорогостоящим металлом, повышающим затраты на производство штрипсов. При строгом выполнении предложенных температурно-деформационных режимов и без введения в сталь молибдена можно получить требуемый комплекс механических свойств, близких к нижней допустимой границе. Увеличение содержания молибдена более 0,40% переупрочняет сталь, ухудшает свариваемость, ведет к увеличению расходов на легирующие материалы.

Сталь может содержать примеси (сера, фосфор, азот), снижающие пластические, вязкостные свойства и хладостойкость. Однако при обычных концентрациях, оговоренной в стандартных требованиях к химическому составу низколегированных сталей - ГОСТ 1050, ГОСТ 192282 (S 0,040%, Р 0,035%, N 0,08%), их вредное действие проявляется слабо и не приводит к заметному снижению механических свойств штрипсов. В то же время более глубокое их удаление удорожает производство штрипсов и делает его нерентабельным.

Примеры реализации способа

Пример 1

Для изготовления штрипсов используют непрерывнолитые слябы толщиной 315 мм из низколегированной стали марки 17Г1С-У следующего химического состава, мас.%:

C	Si	Mn	Al	Nb	Ti	V	Cr	Ni	Cu	Fe + примеси
0,11	0,5	1,4	0,03	0,025	0,02	0,007	0,17	0,14	0,15	Остальное

Слябы загружают в методическую печь полунепрерывного стана 2800/1700 и нагревают до температуры аустенитизации Т_а=1155°С. Очередной нагретый сляб выталкивают на печной рольганг, после чего прокатывают за 9 проходов в черновой клети дуо 2800 в раскат толщиной 90 мм с суммарным относительным обжатием ₁, равным:

.

В процессе черновой прокатки раскат охлаждают до температуры Т_нп1=910°С.

Полученный после черновой прокатки раскат незамедлительно задают в чистовую реверсивную клеть кварто 2800 и осуществляют 1-й этап чистовой прокатки за 7 проходов в раскат толщиной 25 мм. В процессе 1-го этапа чистовой прокатки раскат охлаждают температуры от Т _нп1=910°С до температуры Т_кп1=870°С. Суммарное относительное обжатие ₂ при чистовой прокатке на первом этапе составляет:

.

После завершения 1-го этапа чистовой прокатки раскат толщиной 25 мм выдерживают в течение времени =50 с на промежуточном рольганге для завершения процессов рекристаллизации деформированного аустенита и снижения температуры до значения Т_нп2=800°С.

По истечении заданного времени выдержки раскат при температуре Т_нп2 =800°С задают в валки клетей кварто 1700 для осуществления 2-го этапа чистовой прокатки. Чистовую прокатку на 2-м этапе ведут до конечной толщины штрипса 15,0 мм с суммарным относительным обжатием ₃, равным:

.

В процессе прокатки на 2-м этапе штрипс охлаждают до температуры конца прокатки Т_кп2=770°С.

На отводящем рольганге стана 2800/1700 производят ускоренное охлаждение прокатанного штрипса со скоростью V=10°C/c до температуры Т_уо=500°С ламинарными струями воды. По завершении ускоренного охлаждения штрипс в дальнейшем самопроизвольно охлаждается на воздухе.

В табл.2 приведены различные режимы производства штрипсов из низколегированной стали марки 17Г1С-У, а в табл.3 - механические свойства штрипсов и относительные затраты на производство Q одной тонны штрипсов по сравнению со способом-прототипом.

Таблица 2
Режимы производства штрипсов из стали марки 17Г1С-У
№ режима	Т а, °С	1, %	Тнп1, °С	2, %	Ткп1, °С	, с	Т нп2, °С	3, %	Ткп2, °С	V, °С/с	Т уо, °С
1	1090	29,0	930	34,0	770	19	740	19	710	4	390
2	1100	30,0	920	35,0	800	20	750	20	720	5	400
3	1155	71,4	910	72,2	870	50	800	50	770	10	500
4	1210	83,3	800	80,0	780	80	850	60	820	12	600
5	1220	68,5	770	81,2	930	85	860	62	830	7,9	610
6	1270	не регл.	-	-	-	-	-	-	830	не регл.	620

Таблица 3
Показатели эффективности режимов производства, приведенных в табл.2
№ режима	в, МПа	т, МПа	т/ в	5, %	KCV-40, Дж/см2	ИПГ-60, %	Q, %
1	530	440	0,83	24	105,1	76	98,6
2	590	501	0,85	23	129,3	91	88,4
3	600	520	0,87	25	130,5	92	86,9
4	620	530	0,85	23	128,9	91	88,2
5	640	544	0,85	19	110,2	68	112,0
6	560	493	0,88	26	95,4	72	100,0

Из табл.3 следует, что при реализации предложенного способа (режимы № 2-4) достигается повышение хладостойкости штрипсов (максимум значений KCV^-40 и ИПГ^-60), а также снижение затрат Q на производство. При запредельных значениях предложенных режимов (режимы № 1 и № 5), а также реализации способа-прототипа (режим № 6) снижается хладостойкость штрипсов и возрастают относительные затраты на производство.

Пример 2

В кислородном конверторе производят выплавку низколегированных сталей с химическим составом, приведенным в табл.4. Стали всех составов подвергают непрерывной разливке в слябы толщиной 315 мм.

Непрерывнолитые слябы загружают в методическую печь полунепрерывного стана 2800/1700, производят их нагрев и горячую прокатку в штрипсы по температурно-деформационному режиму № 3 в табл.2. После охлаждения штрипсов производят отбор проб и испытание их механических свойств, рассчитывают относительные затраты на производство Q с учетом выхода некондиционной продукции и затрат на легирующие материалы.

Таблица 4
Химический состав низколегированных сталей
№ состава	Содержание химических элементов, мас.%
С	Si	Mn	Al	Cr	Ni	Cu	Nb	V	Mo	Fe + примеси
1	0,08	0,16	1,3	0,01	0,009	0,009	0,10	0,03	0,03	0,05	остальн.
2	0,09	0,17	1,4	0,02	0,010	0,010	0,11	0,04	0,04	-	-: -
3	0,10	0,27	1,7	0,03	0,200	0,200	0,20	0,06	0,08	0,20	-: -
4	0,12	0,37	2,0	0,05	0,300	0,300	0,30	0,09	0,12	0,40	-: -
5	0,13	0,38	2,1	0,06	0,400	0,400	0,40	0,10	0,13	0,50	-: -
6	0,15	0,50	1,6	0,06	0,30	0,20	0,30	0,03	0,01	-	-: -

В табл.5 приведены результаты испытания механических свойств штрипсов из низколегированных сталей различных составов (табл.4), а также относительные затраты Q на производство 1 т штрипсов по сравнению со способом-прототипом.

Таблица 5
Свойства штрипсов из низколегированных сталей различного химического состава
№ состава	в, МПа	т, МПа	т/ в	5, %	KCV-40, Дж/см2	ИПГ-60, %	Q, %
1	540	490	0,91	25	124,6	79	92,7
2	640	510	0,80	26	136,3	98	84,6
3	650	520	0,80	26	138,8	100	85,1
4	654	530	0,81	26	137,9	99	86,1
5	660	607	0,92	21	121,3	81	86,4
6	680	645	0,95	19	112,6	74	100,0

Из табл.5 следует, что при использовании низколегированной стали предложенного состава (составы № 2-4) после горячей прокатки по предложенному деформационно-термическому режиму одновременно достигаются наиболее высокие характеристики хладостойкости штрипсов при минимальных расходах на производство. Использование сталей с запредельным содержанием химических элементов (составы № 1 и № 5), а также известной стали по способу-прототипу (состав № 6) приводит к снижению хладостойкости и увеличению затрат на производство штрипсов.

В качестве базового объекта при определении технико-экономической эффективности использования предложенного способа принят способ-прототип. Использование предложенного технического решения позволит увеличить рентабельность производства штрисов для нефтегазопроводов, работающих в условиях Крайнего Севера, на 20-25%.

Источники информации

1. Патент Российской Федерации № 2255123, МПК C21D 8/02, С22С 38/58, 2005 г.

2. Патент Российской Федерации № 2241769, МПК C21D8/02, С22С 38/58, В21В 1/26, 2004 г.

3. Патент Российской Федерации № 2262537, МПК C21D 8/02, С22С 38/46, 2005 г. - прототип.