способ производства листов из низколегированной трубной стали класса прочности к56

Формула изобретения

Способ производства листов из низколегированной трубной стали класса прочности К56 толщиной 14-17 мм, включающий нагрев до температуры выше Ас₃ заготовки из стали со следующим соотношением элементов, мас.%:

углерод	0,05-0,08
марганец	1,40-1,60
кремний	0,22-0,32
сера	не более 0,003
фосфор	не более 0,010
никель	0,10-0,30
хром	не более 0,05
медь	0,10-0,25
алюминий	0,025-0,045
ниобий	0,035-0,050
титан	0,015-0,025
железо	остальное,

черновую прокатку заготовки в раскат промежуточной толщины, подстуживание, чистовую прокатку с регламентированными обжатиями и температурами конца прокатки, а также последующее ускоренное охлаждение листа, при этом температуру черновой стадии горячей прокатки устанавливают в диапазоне 970÷1080°C при единичных относительных обжатиях на черновой стадии не менее 12%, температуру конца чистовой прокатки устанавливают равной 830±10°C, температуру начала ускоренного охлаждения листа принимают не менее 770°C, а скорость ускоренного охлаждения поверхности листа устанавливают в диапазоне 14÷25°C/с, причем для листа конечной толщиной 14,0-15,0 мм включительно температуру начала чистовой стадии прокатки принимают равной 850±20°C, а температуру конца ускоренного охлаждения листа 530±20°C, а для листа конечной толщиной 15,1-17,0 мм включительно температуру начала чистовой стадии прокатки принимают равной 840±20°C, а температуру конца ускоренного охлаждения 520±20°C.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к прокатному производству и может быть использовано при производстве широких горячекатаных листов из марок стали трубного сортамента, в основном класса прочности К56, предназначенного для изготовления электросварных прямошовных труб сейсмостойкого исполнения С2 для магистральных нефтепроводов.

Известны способы производства горячекатаных листов, включающие производство слябовой заготовки, ее нагрев до температуры выше Ас₃, горячую деформацию с регламентированными обжатиями, промежуточное подстуживание проката, чистовую прокатку с последующим охлаждением листа со скоростью не менее 30°C/мин до температуры 4000°C и далее - на воздухе (Патенты РФ № 2394108, № 2397255).

Недостатками известных способов является значительная дифференциация свойств по сечению и длине листа при одновременно пониженном уровне механических свойствах (прочностных, пластических и вязких), не отвечающих в сталях трубного сортамента современным нормам для класса прочности К56.

Наиболее близким аналогом к заявляемому объекту является способ производства листов из низколегированной стали, включающий нагрев слябовой заготовки до температуры выше Ас₃, черновую прокатку в раскат промежуточной толщины при температуре 890÷950°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°C 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).

Недостатками известного способа являются сложность формирования в марках стали трубного сортамента, требуемого высокого уровня механических свойств, соответствующих классу прочности К56, равномерно распределенных по сечению листа толщиной 14-17 мм, что не позволяет обеспечить успешную технологическую переработку горячекатаного штрипса в трубу, предназначенную для эксплуатации в магистральных газонефтепроводах. Наряду с этим существенно увеличивается вероятность появления в изготовленной из горячекатаной листовой заготовки электросварной трубе многочисленных дефектов в виде трещин, разрывов в процессе ее эксплуатации ввиду незначительных показателей вязкости и хладостойкости.

Технической задачей, решаемой заявляемым изобретением, является обеспечение в горячекатаном прокате из микролегированной стали трубного сортамента толщиной 14-17 мм одинаковых по сечению и длине листа повышенных механических свойств, соответствующих классу прочности К56.

Поставленная задача решается тем, что в известном способе производства листов из низколегированной трубной стали класса прочности К56 толщиной 14-17 мм, включающем нагрев слябовой заготовки до температуры выше Ас₃, 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	0,05-0,08
Марганец	1,40-1,60
Кремний	0,22-0,32
Сера	не более 0,003
Фосфор	не более 0,010
Никель	0,10-0,30
Хром	не более 0,05
Медь	0,10-0,25
Алюминий	0,025-0,045
Ниобий	0,035-0,050
Титан	0,015-0,025
Железо	остальное,

температуру черновой стадии горячей прокатки устанавливают в диапазоне 970÷1080°C при единичных относительных обжатиях на черновой стадии прокатки не менее 12%, при этом для листа конечной толщиной 14,0÷15,0 мм включительно температуру начала чистовой стадии прокатки принимают равной 850±20°C, температуру конца чистовой прокатки устанавливают равной 830±10°C, температуру начала ускоренного охлаждения листа принимают не менее 770°C, при температуре конца ускоренного охлаждения листа 530±20°C, а для листа конечной толщиной 15,1÷17,0 мм включительно температуру начала чистовой стадии прокатки принимают равной 840±20°C, температуру конца чистовой прокатки устанавливают равной 830±10°C, температуру начала ускоренного охлаждения листа принимают не менее 770°C, при температуре конца ускоренного охлаждения листа 520±20°C, кроме того, скорость ускоренного охлаждения поверхности листа устанавливают в диапазоне 14÷25°C/сек.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Прокат из низколегированных марок стали трубного сортамента (класса прочности К56) в соответствии с требованиями отечественных и зарубежных стандартов должен обеспечивать сочетание высоких прочностных и пластических свойств, а также повышенные вязкие характеристики (KCU, KCV, долю вязкой составляющей в изломе при ИПГ), обеспечивающие достаточную хладостойкость, хорошую свариваемость трубной заготовки, а также достаточно высокое сопротивление хрупкому разрушению при температурах монтажа труб и их эксплуатации.

Для обеспечения нормируемого комплекса свойств в процессе горячей прокатки в металле должна быть сформирована мелкозернистая ферритно-бейнитная микроструктура, распределенная равномерно по сечению и длине горячекатаного листа. Поэтому технология изготовления горячекатаных листов из стали трубного сортамента класса прочности К56 должна обеспечивать получение следующего уровня механических свойств: прочностных - предел текучести _т 430 МПа; временное сопротивление разрыву _в=550-660 МПа; отношение _т/ _в - не более 0,90; пластических - относительное удлинение ₅ - не менее 22% и вязких - ударная вязкость KCV_-20 - не менее 108 Дж/см², KCV_-60 - не менее 69 Дж/см², количество вязкой составляющей в изломе образцов ИНГ при температуре -20°C - не менее 90% (например, в соответствии с нормами международного стандарта API 5L).

В заявляемом химическом составе стали за основу принят узкий диапазон количества углерода в стали при пониженном до 0,05÷0,08% его содержания. Для обеспечения в горячекатаном листе требуемого уровня мезанических свойств, соответствующих классу прочности К56, вводится при легировании кремний в количестве 0,22÷0,32%, обеспечивающий требуемый высокий уровень прочности и вязкости, и марганец в количестве 1,45÷1,60%, 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.). 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 0,010%) позволяет получить высокие значения ударной вязкости при отрицательных температурах, а также минимизирует образование сульфидов.

Также для получения мелкозернистой микроструктуры за счет подавления роста зерен при рекристаллизации и после ее окончания традиционно применяется микролегирование карбонитридообразующимися элементами (Nb, Ti) в сотых долях процента. В заявляемом техническом решении в сталь вводятся 0,015÷0,025% титана, 0,035÷0,050% ниобия, являющиеся упрочняющими микролегирующими элементами.

Для подавления упрочняющего эффекта дополнительно ограничивается содержание хрома - не более 0,05%. Введение 0,10÷0,30% никеля обеспечивает дополнительные противокоррозионные свойства горячекатаного проката.

Такой принцип легирования и микролегирования обеспечивает при достаточно высоких значениях прочности приемлемый повышенный уровень пластичности и вязкости, соответствующие классу прочности К56.

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. Учитывая конечную толщину горячекатаного листа (14-17 мм), для минимизации разброса свойств по его сечению определяющими параметрами горячей прокатки листовой стали будут являться температуры черновой стадии прокатки и последующей 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.

Температурные условия черновой прокатки (970÷1080°C) объясняются следующим. В раскате с заявленным химическим составом стали, имеющем температуру выше заявленной, при прокатке в первых черновых проходах стана могут успеть пройти процессы рекристаллизации, т.е. сформируется крупное аустенитное зерно (6-8 баллов вместо требуемых 9-11 баллов). В результате в прокате толщиной 14-17 мм не будет обеспечен требуемый уровень механических свойств, соответствующих классу прочности К56. При температуре ниже заявленного диапазона не будет обеспечена выкатываемость сляба в лист конечной толщины.

Наряду с этим для получения мелкозернистой структуры аустенита на черновой стадии прокатки в процессе интенсивной рекристаллизации необходимо поддерживать регламентированный режим частных относительных обжатий. Особенно это актуально для микролегированных сталей трубного сортамента, содержащих карбонитридообразующие элементы (см. Ниобийсодержащие низколегированные стали. Хайстеркамп Ф., Хулка К., Матросов Ю.И. и др. М.: «СП Интернет инженеринг, 1999. 90 с.). При этом для обеспечения комплекса физико-механических свойств и геометрических размеров из практики горячей листовой прокатки было установлено, что наиболее оптимальные единичные относительные обжатия должны составлять не менее 12%.

Температурные условия начала чистовой прокатки объясняются необходимостью проведения определенного подстуживания раската после черновой прокатки для стабилизации температуры по сечению и обеспечения оладьеобразной формы зерна, которая обеспечивает лучшую выкатываемость в процессе последующей деформационной обработки. Для выбранного химического состава стали наиболее приемлемым для заявленных толщин готового листа будет являться температура начала чистовой стадии горячей прокатки 820÷870°C. Причем, как показала практика прокатки листов в условиях толстолистового стана 5000 ОАО «ММК» для конечных толщин листа 14,0-15,0 мм включительно, наиболее приемлемой является температура начала чистовой прокатки 850±20°C, а для толщин 15,1-17,0 мм включительно - 840±20°C. Для обеспечения однородности фазового состава стали за счет окончания пластической деформации всех участков листа в нижней части аустенитной области, необходимо чистовую стадию горячей прокатки листа заканчивать при температурах 830±10°C. Отклонение от регламентируемых температурных и деформационных режимов диапазонов приведет либо к крупнозернистой (более 6-7 баллов) микроструктуре, либо к значительной ее разнобальности по площади и сечению листа из-за существенной его толщины.

Температурный диапазон ускоренного охлаждения листа (начала стадии охлаждения - не менее 770°C, конца охлаждения - 500-550°C) обусловлен необходимостью обеспечения полного протекания бейнитного превращения в листе толщиной 14-17 мм. Причем для более толстого (более 15 мм) листа необходима пониженная температура конца охлаждения, что объясняется повышенной теплоемкостью листа при прочих равных условиях. Отклонения в верхнюю сторону от выбранного диапазона приводят к росту балла зерна, соответственно, снижая прочностные параметры проката. Снижение нижнего диапазона формирует повышенную разнобальность зерна (более 3-х смежных баллов), а также возрастает вероятность критичного искажения геометрической формы листа, связного в этом случае со значительным градиентом температуры по сечению достаточно тонкого листового проката.

Выбранная скорость ускоренного охлаждения горячекатаного листа после окончания чистовой стадии горячей прокатки в диапазоне 14÷25°C/сек определяется необходимостью обеспечения равномерного дисперсионного упрочнения по сечению горячекатаного листа из стали, микролегированной карбонитридообразующими элементами с температур конца горячей прокатки до температуры конца активной фазы ускоренного охлаждения. Кроме того, при снижении скорости охлаждения полосы в структуре могут наблюдаться грубые выделения избыточных фаз. При этом по границам зерен феррита сформируются участки перлита, а в ферритной матрице образуются глобули цементита. Из практических соображений установлено, что для окончания формирования требуемой равномерной по сечению и длине листа микроструктуры, благодаря формированию субструктуры в игольчатом феррите и сдерживанию роста мелкодисперсных карбонитридов, оптимальная скорость охлаждения поверхности листа после окончания горячей прокатки для заявляемых толщин должна находиться в диапазоне 14÷25°C/сек. Кроме того, при заявляемой скорости ускоренного охлаждения цементит будет образовываться в виде мелких включений только по границам зерен, что также позволит обеспечить получение листа с повышенной пластичностью и высокими вязкими свойствами.

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 с химическим составом нагревают в методической печи до требуемой температуры. После этого на толстолистовом стане 5000 ОАО «ММК» при температурах (970÷1080)°C производят черновую стадию прокатки в раскат промежуточной толщины с единичными относительными обжатиями - не менее 12%. Далее осуществляют подстуживание раската на воздухе до соответствующей температуры начала чистовой стадии прокатки. После чего в зависимости от конечной толщины листа производят чистовую прокатку при соответствующих температурных режимах. Для листа конечной толщиной 14,0-15,0 мм включительно температуру начала прокатки устанавливают равной 850±20°C, а для листа конечной толщиной 15,1-17,0 мм включительно - 840±20°C. При этом температуру конца чистовой прокатки (Tкп) поддерживают в диапазоне 830±10°C. Далее горячекатаный лист, имеющий температуру не менее 770°C, подвергается ускоренному со скоростью 14÷25°C/сек охлаждению водой в установке контролируемого спрейерного охлаждения до требуемой температуры: для листов конечной толщиной 14,0-15,0 мм включительно - 530±20°C, для листов конечной толщиной 15,1-17,0 мм включительно - 520±20°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 К56 трубного сортамента на стане 5000 ОАО «ММК», а также результаты исследований представлены в таблице 2.

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 14-17 мм, используемых в качестве горячекатаной заготовки для производства электросварных прямошовных труб сейсмостойкого исполнения С2 (в том числе применяемых в магистральных нефтепроводах), обладающей повышенными прочностными, пластическими и вязкими свойствами класса прочности К56, равномерно распределенными как по сечению, так и по длине листа.

Таблица 1
Химический состав стали класса прочности К56
Номер плавки	С	Si	Mn	S	P	Cr	Ni	Cu	N2	Al	Nb	Ti
1	0.06	0.28	1.60	0.002	0.010	0.01	0.16	0.16	0.007	0.025	0.040	0.025
2	0.07	0.26	1.45	0.003	0.010	0.05	0.25	0.20	0.008	0.040	0.045	0.020