автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Формирование комплекса повышенной прочности и хладостойкости низкоуглеродистых микролегированных трубных сталей при термомеханической прокатке

На правах рукописи

ИЛЬИНСКИЙ ВЯЧЕСЛАВ ИГОРЕВИЧ

«ФОРМИРОВАНИЕ КОМПЛЕКСА ПОВЫШЕННОЙ ПРОЧНОСТИ И ХЛАДОСТОЙКОСТИ НИЗКОУГЛЕРОДИСТЫХ МИКРОЛЕГИРОВАННЫХ ТРУБНЫХ СТАЛЕЙ ПРИ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОЙ ПРОКАТКЕ»

Специальность 05. 16. 01 - «Металловедение и термическая

обработка металлов»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Работа выполнена в Федеральном государственном унитарном предприятии Российской Федерации «Центральный научно-исследовательский институт черной металлургии имени И.П. Бардина» и Открытом акционерном обществе «Северсталь».

Научный руководитель - доктор технических наук

ЭФРОН Леонид Иосифович

Официальные оппоненты:

- доктор технических наук ДОБАТКИН Сергей Владимирович

- кандидат технических наук СТОЛЯРОВ Владимир Иванович

Ведущее предприятие - ОАО «Урал Сталь», г. Новотроицк.

Защита состоится « 7» июня 2006 г. в 12 часов на заседании диссертационного совета Д 217.035.01 при Центральном научно-исследовательском институте черной металлургии им. И.П. Бардина

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просьба направлять по адресу: 107005, Москва, ул. 2-я Бауманская, д. 9/23, ФГУП «ЦНИИчермет им. И.П. Бардина».

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГУП «ЦНИИчермет им. И.П. Бардина».

Автореферат разослан « 4 » мая 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат технических наук, --

старший научный сотрудник Н. М. Александрова

хооь А

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Металлургия России переживает новый этап в решении вопросов по обеспечению строительства газовых и нефтяных магистралей отечественными трубами большого диаметра. Проблема их производства актуальна с позиций экономической, стратегической и финансовой безопасности и независимости России.

Важным моментом является постоянное повышение технических требованийктрубамилистовомупрокату для их производства, обусловленное ужесточением условий эксплуатации трубопроводов и требованиями по безопасности. В связи с этим важной задачей является создание и освоение промышленного производства современных трубных сталей с повышенным комплексом прочностных свойств, ударной вязкости, хладостойкости, трещиностойкости, специальных и технологических свойств, а также расширение размерного сортамента производимого проката.

В связи с большими потребностями рынка в трубах большого диаметра на первый план выдвигается задача экономии энергоносителей и сырьевых ресурсов при производстве стали и проката. ОАО «Северсталь» является крупнейшим отечественным производителем проката для электросварных труб большого диаметра. Однако к моменту постановки настоящей работы марочный и размерный сортамент производимого проката не удовлетворял требованиям трубной промышленности: производилось значительное количество устаревших марок стали (типа 17Г1С-У) в прокате ограниченных толщин, для обеспечения требуемого комплекса свойств широко применялась термическая обработка, повышавшая себестоимость продукции, прокат обладал невысоким уровнем потребительских свойств.

Исходя из изложенного актуальной задачей является разработка технологических схем производства, обеспечивающих изготовление металлопродукции с использованием термомеханической обработки без применения дополнительной термической обработки. Другим важным направлением работ является поиск новых композиций легирования сталей, позволяющих в комплексе с современными технологиями формировать оптимальную дисперсную структуру листового проката с наилучшим сочетанием механических и технологических свойств и экономить легирующие элементы. С практической точки зрения также важно адаптировать новые разработки к реальным условиям производства на действующем прокатном оборудовании ОАО «Северсталь».

Целью работы являлось установление закономерностей формирования структуры и свойств низколегированных трубных сталей в зависимости от содержания углерода, легирующих и микролегирующих элементов, технологических параметров прокатки и последующего охлаждения. Оптимизация на основе найденных закономерностей хими* ДШмФ УШОМАЛ Ь Н \я

БИБЛИОТЕКА С.-Петербург

сталей и технологии термомеханической прокатки для повышения их прочностных свойств и хладостойкосги, а также расширения размерного сортамента проката для газонефтепроводных труб большого диаметра.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

- исследовать влияние содержания углерода и ниобия на формирование структуры и механических свойств трубных сталей при различных схемах термомеханической (контролируемой) прокатки;

—изучить влияние легирующих элементов на структуру и фазовый состав сталей в зависимости от условий деформации и последеформационного охлаждения, установить условия формирования заданных структур, в том числе феррито-бейнитной и преимущественно бейнитной;

- разработать системы легирования сталей повышенной прочности и хладостойкости, технологические схемы их производства в зависимости от уровня прочности, размерного сортамента и технологического оборудования;

- провести промышленное опробование и освоение производства разраббтанных сталей, в том числе класса прочности до К65 (Х80) и в прокате толщиной до 40 мм.

- провести сопоставительные исследования структуры, механических свойств, хладостойкости, трещиностойкости и свариваемости и выявить преимущества разработанных сталей.

Научная новизна

1. Показано, что для условий прокатки с ограниченными обжатиями в у-области и охлаждения проката на воздухе дисперсная структура и благоприятный комплекс свойств стали могут быть достигнуты приведением в соответствие температур остановки рекристаллизации аустенита и начала чистовой стадии прокатки за счет введения в сталь необходимого количества ниобия и снижения содержания углерода до 0,03-0,06%.

Получены количественные соотношения между содержанием углерода, ниобия, толщиной проката и порогом хладноломкости.

2. Показано, что при содержании углерода 0,03-0,06% замена полиэдрического феррита и перлита на дисперсный бейнит в отличие от сталей с более высоким содержанием углерода не приводит к ухудшению хладостойкости стали.

Определен коэффициент легирования стали, обеспечивающий формирование феррито-бейнитной структуры при охлаждении проката со скоростью 1-2 град/с.

3. Показано, что создание однородной (без полосчатости и выделений фаз по границам), мелкозернистой структуры в низкоуглеродистой стали класса прочности до Х80 включительно увеличивает сопротивление металла

зарождению и распространению трещины в сравнении с традиционными трубными сталями.

4. Установлено, что комплекс свойств трубной стали класса прочности Х80 (К65) может быть достигнут при различном структурном состоянии (деформированный феррит и 10-15% верхнего бейнита, феррит и -50% верхнего бейнита, преимущественно низкоуглеродистый бейнит (игольчатый феррит) за счет применения ряда систем легирования и схем термомеханической прокатки (ТМП). Оптимальным вариантом с точки зрения вязкости, хладостойкости, трещиностойкости и свариваемости является низкоуглеродистая сталь системы 0,05% С-Мп-Мо-№-Си-ЫЬ со структурой игольчатого феррита.

Практическая значимость и реализация работы в промышленности

В промышленных условиях показана возможность производства хладостойкого проката толщиной до 16 мм для электросварных труб большого диаметра классов прочности К52-К60 на маломощном листопрокатном стане 2800 ОАО «Северсталь» без применения термической обработки.

На стане 5000 впервые в России с положительным результатом опробовано производство хладостойкого листового проката толщиной до 40 мм (порог хладноломкости -60°С) для электросварных труб класса прочности К65 (Х80).

Оптимизирован химический состав традиционных трубных сталей (17ПС-У, 12ГСБ и др.), разработана сталь типа Ь450МС (в соответствии с требованиями стандартов АР1-5Ь и 1БО-3183) и технология производства проката для труб большого диаметра и освоено их производство на стане 2800 с применением контролируемой прокатки.

На толстолистовом стане 5000 освоено производство листового проката из сталей классов прочности Х65 и Х70 в толщинах до 31,9 мм, впервые в отечественной практике изготовлена промышленная партия проката толщиной до 24 мм для труб класса прочности К65 (Х80).

Изготовлено и отгружено потребителю более 80000 т проката. Изготовленные в ОАО «ВМЗ» трубы применены в таком уникальном проекте как «Сахалин-1».

Апробация работы. Основные положения работы доложены и обсуждены на ряде конференций, конгрессов, семинаров и совещаний, в том числе: на международной конференции ИНФОТЕХ-99, четвертом, пятом и шестом конгрессах прокатчиков (Магнитогорск, 2001 г., Череповец, 2003 г., Липецк, 2005 г.), совещании «Проблемы освоения технологии прокатки сталей для производства труб большого диаметра» (Череповец, 2003 г.), международном семинаре по высокотемпературному контролируемому процессу (Араша, Бразилия, 2003 г.), международной научно-технической

конференции «Теория и технология процессов пластической деформации - 2004», (Москва).

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в семи печатных работах, включая патент на изобретение.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, обших выводов, библиографического списка из 252 наименований и приложений; изложена на 151 страницах машинописного текста, содержит 66 рисунков и 25 таблиц. Акт об освоении производства новых видов проката в ОАО "Северсталь" приведен в Приложении.

Автор выражает благодарность К.Хулке (NPC Gmbh) за содействие в выполнении работы и ценные замечания по содержанию диссертации.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении раскрыта актуальность работы, обоснована цель, сформулированы задачи, научная новизна и практическое значение работы.

В первой главе анализируется современное состояние вопроса разработки сталей для труб большого диаметра и обосновывается выбор направления исследования.

Во второй главе обосновываются и описываются выбранные материалы и методы исследования. В качестве объектов исследования использовали промышленные плавки трубных сталей марок 10Г2ФБ, 13Г1С-У, 17Г1С-У и др. текущего производства ОАО «Северсталь» (сравнительные), опытно-промышленные плавки современных трубных сталей, изготовленные в соответствии с поставленной в работе задачей и развиваемым подходом, а также модельные стали лабораторной выплавки, используемые для изучения влияния химических элементов (С, Nb) и параметров структуры (размер зерна, объемная доля структурных составляющих). Химический состав основных объектов исследования представлен в таблице 1.

Определение прочностных и пластических свойств проводили в соответствии с ГОСТ 1497 и ASTM А370, ударной вязкости - проводили на образцах типа 1 и 11 по ГОСТ 9454 с оценкой переходной температуры хрупкого разрушения Т50, соответствующей 50% вязкой составляющей в изломе образцов. Определение доли вязкой составляющей в изломе образцов для ИПГ проводили в соответствии с ГОСТ 30456.

Металлографические исследования проводили с использованием микроскопа «Neofot-21» и на структурном анализаторе «Эпиквант». Электронномикроскопические исследования тонких фольг проводили на электронном микроскопе "JEM-7".

Исследованиефазовыхпревращенийгорячедеформированногоаустенита проводили с помощью дилатометра типа 805 фирмы "БЭР-ГЕРЕТЕБАУ".

Сталь С в! Ми Р 8 Сг № Си Мо А1 11 \ь V

Лабораторные плавки

(03-18)Г2НМДБ отзоле 0.24 1,74 0,012 0,005 - 0,15 0,14 0,18 0.035 0,011 0,042 - 0,008

(03-17)Г1Б 0,030.17 0.34 1,3 0,016 0,006 - - - - 0,041 0,018 0,020 - 0,009

0ЧГ2, 09Г2Б 0,09 0,28 1.55 0,017 0,005 - - - - 0,036 0,016 0 и 0,033 - 0,009

09ХГ2НМК 0,09 0,21 1.70 0,015 0,004 0,360,48 0,250,53 0-0,18 0,35 0,027 0,012 0,028 - 0,009

Опытно-нромышлснные плавки

05Г2НДМБ 0,05 0,12 1,81 0,009 0,004 0,02 0,20 0,26 0,25 0,030 0,011 0,09 - 0,008

06ХГ2НДФБ 0,05 0,33 1,86 0,009 0,002 0,12 0.20 0,18 - 0,033 0,013 0,07 0.079 0,005

07Г2МНДБ 0,06 0,19 1,84 0,006 0,003 0,05 0,14 0.27 0,18 0,037 0,020 0,065 - 0,006

03ХГ2НДБ 0,03 0,16 1,49 0,013 0,001 0,27 0,16 0,25 - 0,024 0.0)1 0,086 - 0.005

06ХГ2МНДФБ 0,06 0.24 1,70 0,007 0,003 0.14 0,20 0,19 0,10 0,035 0.018 0,073 0,064 0,008

Промышленные плавки

12ГСБ (скорректированного состава) 0,070 09 0,290,43 1,431,59 0,0050,013 0,0020,006 0,060,19 0,080,15 0,130,21 - 0,0260,05 0 0050,020 0,0320,05 0,040,06 0,0060,010

17ПС-У (скорректированного состава) 0,080,11 0,260,40 1,361.48 0,0060,011 0,0020,007 0,040,16 0,060,21 0,010.22 - 0,030,05 - 0,0230,029 - 0.0050,010

10ПФБ 0,12 0,32 1.68 0,014 0,004 0,03 0,01 0,02 - 0,03 0,02 0,038 0,10 0,005

Ь450МС 0.070,10 0,340,44 1,521,64 0,0060,015 0,0010,005 0,020,05 0,010,06 0,010,04 - 0,020,05 0,0110,021 0,050,060 0,0570,070 0,0040,008

Х70 0,070,09 0,320,37 1,521,63 0,0060,010 0,0020.005 0,020,030 0,010,02 0,020,04 - 0,0220,041 0,0110,022 0,0500,057 0,0680,073 0,0050,009

Х65 (5000) 0,070,10 0,180,49 1,471,61 0,0070,018 0,0020.007 0,020,06 0,010,03 0,010,04 - 0,030,06 0,0080,014 0,0300,042 - 0,0040,010

Исследование свариваемости проводили методом имитации термических циклов в околошовной зоне при сварке с построением термокинетических диаграмм превращения аустенита сталей после нагрева до 1300°С, также исследовали влияние скорости охлаждения (тепловложения при сварке) на твердость и ударную вязкость металла околошовной зоны.

Исследование трещиностойкости проводили посредством испытания образцов с острым надрезом при статическом изгибе. Статические испытания для определения величины критического раскрытия трещины (COD) и коэффициента интенсивности напряжений проводили на образцах с заранее созданной усталостной трещиной на машине «ИНСТРОН» при трехточечном изгибе.

Для повышения достоверности полученных результатов в работе широко использовали статистические методы обработки данных, включая корреляционный и регрессионный анализ.

Третья глава посвящена изучению влияния химического состава на процессы структурообразования в трубных сталях, установлению соотношений между параметрами структуры и свойствами сталей и влиянию основных параметров контролируемой прокатки на структуру и свойства ряда сталей.

Изучено влияние содержание углерода и ниобия на структуру и свойства трубных сталей различного базового состава и после различных режимов прокатки. Показано, что снижение содержания углерода позволяет существенно повысить хладостойкостъ стали: порог хладноломкости Т,0 снижается на ~3°С для стали с феррито-перлитной структурой и ~7°С с феррито-бейнитной структурой на каждые 0,01% содержания углерода, одновременно резко повышается ударная вязкость.

Микролегирование ниобием позволяет существенно измельчить зерно феррита при данном температурном режиме прокатки, а повышение содержания ниобия от обычно применяемого уровня -0,03% до 0,06-0,09% дополнительно измельчает зерно и позволяет получить мелкозернистую структуру при более высоких температурах проведения деформации. Так при содержании ниобия -0,09% мелкозернистая структура стали формируется уже при завершении чистовой стадии прокатки при 850°С (рис. 1).

Показано, что суммарное влияние снижения содержания углерода в стали и микролегирования ниобием обеспечивает снижение порога хладноломкости Т50 на 80°С.

Получена количественная зависимость (1) между порогом хладноломкости TJ0, содержанием углерода, ниобия и толщиной проката, на основании которой рассчитаны содержания углерода и ниобия в стали, обеспечивающие заданный порог хладноломкости для проката данной толщины. Показано, что для условий прокатки на стане 2800 минимальное

содержание ниобия для производства хладостойкого проката составляет 0,05%.

Т50 (°С) - -150 + 497С - 973Nb + 6,5Н

(I)

760 800 840 880 920 960 Температура конца прокатки, °С

Рис. 1. Влияние температуры окончания прокатки с охлаждением на воздухе на размер зерна феррита опытных сталей: 1 - сталь типа 06ХГ2МНДФБ; 2 - 03ХГ2НДБ

Показано, что формирование бейнитной структуры в стали позволяет получить ком плекс высоких прочностных свойств, вязкости и хладостойкости при условии пониженного содержания в стали углерода и оптимальной технологии термомеханической прокатки. Показано (рис. 2), что сталь с бейнитной структурой после контролируемой прокатки имеет порог хладноломкости на 60-70 °С ниже, чем в случае горячей прокатки. В стали с содержанием углерода 0,03-0,05% порог хладноломкости существенно (на 30-40°С) ниже, чем в сталях с содержанием углерода 0,09-0,10%. Замена полиэдрического феррита на игольчатый феррит в сталях с содержанием углерода 0,03-0,05% не приводит к ухудшению вязкости и хладостойкости.

Изучены фазовые превращения при непрерывном охлаждении трубных сталей традиционного состава (10Г2ФБ) и сталей 03ХГ2НДБ, 06ХГ2МНДФБ, 06ХГ2НДФБ, 07Г2МНДБ, 05Г2НДМБ. Построены термокинетические диаграммы превращения горячедеформированного аустенита. Установлено повышение устойчивости аустенита при переходе от стали типа 10Г2ФБ к сталям с повышенным содержанием марганца, добавками Cr, Ni, Cu, Мо, что характеризуется расширением бейнитной области в

сторону меньших скоростей охлаждения и снижением критической точки Аг3 при малых скоростях охлаждения от 780 до 740-750°С При этом для низкоуглеродистых, относительно менее легированных сталей максимальная скорость охлаждения, при которой формируется ферритная составляющая, превышает 100 град/с, а при максимальном наборе легирующих элементов она составляет20 град/с. Также расширяется интервал скоростей охлаждения, в которых формируется феррито-бейнитная или полностью бейнитная структура (отсутствует как перлит, так и мартенсит): если в стали 10Г2ФБЮ это 10-30 град/с, то в сталях 06ХГ2МНДФБ, 06ХГ2НДФБ, 07Г2МНДБ, 05Г2НДМБ это 0,5 - (50-100) град/с (рис. 3), что повышает стабильность технологического процесса.

900

|

^ 800 О"

700

-140 -120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20

Рис. 2. Влияние режима прокатки и содержания углерода на соотношение прочности и хладостойкости сталей с бейнитной структурой: 1,3 - горячая прокатка; 2,4 - контролируемая прокатка; 1,2 - содержание углерода 0,09-0,1%; 3,4 - содержание углерода 0,03-0,05%.

Исследование фазовых превращений показало две основные возможности формирования феррито-бейнитной структуры: применение ускоренного охлаждения до температуры ниже начала бейнитного превращения или легирование стали хромом, никелем, медью, молибденом при отсутствии такой возможности. При медленном охлаждении на воздухе (~1 град/с) феррито-бейнитная структура может быть получена в том случае

если коэффициент легирования стали Кх= 81/30 + (Мп + Си +Сг)/20 + Мо/15 + N¡/60 + V/! 0 не менее 0,13%.

Формирование преимущественно бейнитной структуры может быть обеспечено одновременным использованием оптимального легирования и ускоренного охлаждения, поскольку в сталях исследованных систем легирования образование такой структуры при скорости охлаждения ~1 град/с требует высокого содержания легирующих элементов (коэффициент легирования должен быть не менее 0,16%), что экономически неэффективно и ухудшает свариваемость стали.

Электронномикроскопическими исследованиями структуры установлено формирование двойникованного мартенсита при медленном охлаждении стали с содержанием углерода 0,03%, что обусловлено выделением значительного количества феррита (-95%) и обогащением оставшейся части аустенита углеродом. Эта структурная составляющая может быть устранена применением ускоренного охлаждения, в этом случае формируется бейнит.

ш ■ишнмншпщцш ■ 05Г 3 00 ¥

.X \ ■V \ ч N -V * N ч :> г: I

\ V \ У." ч л4 ч N * 1

л \ \\ * -1 1

V V 5 1

\ \ \ \ \ - \ Л 1

\ \ \ Ь. N л и J 1

9 ю 31 0 3 1 1 4 §

1

0.1 1 10 10» №00 10090

»1 «'■■>«

Рис. 3. Термокинетическая диаграмма стали 05Г2НДМБ

Исследование в лабораторных условиях влияния технологических параметров контролируемой прокатки (Ткп= 760-950°С) и последующего ускоренного охлаждения (Тко=400-610°С) на структуру и свойства низкоушеродистых сталей типа 06ХГ2МНДФБ и 03ХГ2НДБ показало, что: - при всех исследованных температурах окончания прокатки с последующим охлаждением на воздухе ударная вязкость (-350 Дж/см2

и -250 Дж/см2) и пластичность стали 03ХГ2НДБ выше, чем у стали 06ХГ2МНДФБ;

- максимальный уровень ударной вязкости и минимальная переходная температура хрупкого разрушения в стали 03ХГ2НДБ с 0,09%Nb достигается уже при Т п=850°С;

- ускоренное охлаждение на исследованных сталях позволяет достичь уровня прочностных свойств Х80 (предел текучести более 570 Н/мм2);

-в широком интервале температур завершения ускоренного охлаждения наблюдается повышение прочностных свойств, ударной вязкости и хладостойкости стали 03ХГ2НДБ, для стали типа 06ХГ2МНДФБ при ускоренном охлаждении ниже 450°С отмечается обратное снижение предела текучести, ударной вязкости и ухудшение хладостойкости вследствие образования значительного количества мартенсита.

Показано, что обе стали при охлаждении после прокатки на воздухе имеют феррито-бейнитную структуру, причем доля бейнитной составляющей у стали 03ХГ2НДБ составляет 3-5%, а у стали 06ХГ2МНДФБ при снижении температуры окончания прокатки уменьшается от 35-40 до 15-20%. У стали типа 06ХГ2МНДФБ зерно феррита монотонно измельчается от 9,4 мкм при Ткп= 870°С до 6,6 мкм при Тм = 760°С. В стали типа 03ХГ2НДБ при снижении температуры окончания прокатки от 950 до 850°С наблюдается уменьшение среднего размера зерна феррита от 7,8 до 6,5 мкм, при дальнейшем снижении Ткп до 800°С величина зерна не изменяется. Подобная закономерность может быть объяснена с учетом различия в содержании ниобия в исследованных сталях. Ускоренное охлаждение обеих сталей приводит к измельчению зерна феррита и увеличению объемной доли низкоуглеродистого бейнита, так при Тто= 500-530°С структура обеих сталей преимущественно бейнитная, а при Тю= 400°С в стали 06ХГ2МНДФБ наблюдали значительное количество мартенсита.

В целом, использование стали с низким содержанием углерода наиболее эффективно в следующих случаях:

- при ограниченных возможностях по применению термомеханической прокатки (маломощный прокатный стан) сталей с преимущественно ферритной структурой, что позволяет использовать дополнительный механизм повышения хладостойкости;

- при формировании высокопрочного состояния (предел текучести более 570 Н/мм2) сталей со структурой промежуточного типа.

Четвертая глава работы посвящена анализу технологических возможностей листопрокатных станов 2800 и 5000 ОАО «Северсталь» с точки зрения производства трубных сталей с применением контролируемой прокатки, разработке перспективных составов трубных сталей, с учетом полученных в птаве 3 результатов и промышленному опробованию производства проката из новых сталей.

Анализ состояния производства листового проката для газопроводных труб на станах 2800 и 5000 на момент постановки настоящей работы показал следующее:

- на стане 2800 прокат для электросварных труб большого диаметра с применением термомеханической прокатки производился в толщинах до 10 мм и класса прочности не выше К52. Отдельные заказы на прокат больших толщин и классов прочности выполнялись с применением термической обработки;

- на стане 5000 освоено производство проката в толщинах до 22 мм, шириной до 3200 мм классов прочности К52-К60 из традиционных марок сталей 17Г1С-У, 10Г2ФБЮ Сталь марки 17Г1С-У производили с высоким содержанием углерода (0,14-0,19%), прокат характеризовался невысоким уровнем ударной вязкости и повышенным уровнем прочности (в ряде случаев с превышением верхнего предела требований соответствующих технических условий).

Анализ состава и характеристик оборудования станов 2800 и 5000 показал:

- существуют ограниченные возможности реализации на стане 2800 технологии ТМП (отсутствует оборудование для проведения ускоренного охлаждения, нет возможности проводигь низкотемпературные режимы прокатки из-за ограничений по усилию прокатки),

- на стане 5000 принципиально могут быть реализованы все известные технологические схемы ТМП;

- расчеты энергосиловых параметров показали, что на стане 2800 в толщинах до 14 мм шириной 2200 мм может быгь осуществлен режим прокатки в чистовой клети в области температур 920°С-780°С, на стане 5000 может быть реализован режим низкотемпературной КП листов шириной 4600 мм.

Для производства проката повышенной прочности и хладостойкости на стане 2800, с учетом установленных в главе 3 закономерностей формирования структуры и свойств сталей, предложен следующий металловедческий подход:

- повышение хладостойкости достигается снижением содержания в сталях углерода (до 0,03-0,06%) и измельчением зерна феррита. Последнее обеспечивается приведением в соответствие температуры остановки рекристаллизации аустенита с фактической температурой начала чистовой прокатки путем введения в сталь необходимого количества ниобия;

- для компенсации разупрочнения металла при снижении содержания углерода используют дополнительные механизмы упрочнения -дисперсионное твердение (классы прочности К52-К54) и формирование феррито-бейнитной структуры взамен ферриго-перлитной (классы прочности К56-К60).

Для толстолистового стана 5000 в качестве основных направлений разработок предложены:

- снижение содержания углерода и ванадия для проката толщиной менее 20 мм и класса прочности до К60 за счет оптимизации технологических параметров контролируемой прокатки;

- формирование структуры низкоушеродистого бейнита за счет создания новых композиций легирования и применения ускоренного охлаждения для проката класса прочности до К65 и толщиной до 40 мм.

Проведена опытная прокатка на стане 2800 стали типа 03ХГ2НДБ с повышенным содержанием ниобия и впервые для подобного оборудования установлена возможность получения проката толщиной 14 мм класса прочности К56 с переходной температурой по результатам испытания образцов ИПГ -60°С и ударной вязкостью КСУ"100 более 280 Дж/см2 за счет низкого содержания углерода и вредных примесей, повышенного содержания ниобия (0,086%), обеспечившего формирование мелкозернистой структуры феррита (11-12 номер по ГОСТ 6539).

Разработаны составы сталей типа 06ХГ2МНДФБ и 07Г2МНДБ с 0,06-0,08%№>ив условиях листопрокатного стана2800 проведены промышленные эксперименты по термомеханической прокатке листового проката толщиной 14-16 мм и установлена возможность получения хладостойкого (Т50= -40°С по результатам испытания образцов ИПГ) трубного проката класса прочности до К60 с мелкозернистой феррито-бейнитной структурой (1217% низкоуглеродистого бейнита с ферритной матрицей с величиной зерна 10-11 номера).

Разработана технологическая схема, состав стали типа 05Г2НДМБ и в условиях стана 5000 ОАО «Северсталь» с положительным результатом проведено промышленное опробование производства листового проката повышенной прочности и хладостойкости толщиной до 40 мм. С применением ускоренного охлаждения сформирована дисперсная структура, представляющая собой матрицу низкоуглеродистого бейнита (игольчатого феррита) и обеспечен класс прочности К65(Х80) при высокой хладостойкости: порог хладноломкости -80°С в толщинах до 32 мм и -70°С в толщине 36 мм.

Установлены следующие закономерности формирования структуры и свойств сталей 05Г2НДМБ, 06ХГ2МНДФБ и 07Г2МНДБ при термомеханической прокатке:

- при использовании последеформационного ускоренного охлаждения наблюдается снижение предела текучести со снижением температуры окончания прокатки (определяющей в данном случае температуру начала ускоренного охлаждения);

- на уровень временного сопротивления значительное влияние оказывает температура окончания ускоренного охлаждения: снижение этой

температуры приводит к повышению временного сопротивления,

- в сталях типа 06ХГ2НМДФБ, 05Г2МНДБ при прокатке с завершением в у-области (780°С) с последующим охлаждением на воздухе формирование структуры состоящей из полиэдрического феррита и небольшой доли (1215%) продуктов промежуточного превращения (преимущественно верхнего бейнита) обеспечивает получение предела текучести на уровне 510-530 Н/ мм2, что ниже требований для стали класса прочности Х80 (570 Н/мм2). При снижении температуры окончания прокатки в у+а область (~710°С) доля продуктов промежуточного превращения не изменяется, но в'значительной части феррита формируется субзеренная структура, что повышает предел текучести до требуемого уровня (рис. 4);

640 620 600

520 500

/ о эе.

• / ' о

■ ▲ Т =7 10°С 4 >—

л. ■и ' /

■ м. г о«еБ / У • / Иви ги>

■ ▲ ■ ▲ / ! 1

■ А * ► ] 1 1

10 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 70 8 0 9 0 1< 30

Объемная доля продуктов промежуточного превращения, %

Рис. 4. Влияние параметров микроструктуры на предел текучести исследованных сталей

- при прокатке стали 06ХГ2НМДФБ с завершением несколько ниже точки Аг3 (в у+а области) с последующим интенсивным ускоренным охлаждением наблюдается структура, состоящая из полиэдрического феррита с низкой плотностью дислокаций, некоторой части феррита с субзеренной структурой и продуктов промежуточного превращения (преимущественно верхнего бейнита). При этом уровень предела текучести определяется долей верхнего бейнита и требуемый уровень обеспечивается, если она превышает 60%;

- при прокатке с завершением в у-области (780°С и выше) стали 05Г2МНДБ с последующим ускоренным охлаждением формируется структура, состоящая преимущественно из игольчатого феррига

(безуглеродистого бейнита), требуемый уровень предела текучести (для класса прочности Х80) в этом случае достигается при его доле более 80% (остальное - полиэдрический феррит), дополнительное упрочнение достигается при формировании наряду с игольчатым ферритом верхнего бейнита (~ 5%) взамен полиэдрического феррита.

Пятая глава посвящена исследованию и сопоставлению структуры и свойств опытных трубных сталей и сталей текущего производства.

Анализ макроструктуры слябов показывает, что опытные стали по основным показателям превосходят стали текущего производства на 0,5-1 балл по ОСТ14-4-73, что в основном обусловлено снижением содержания углерода.

Количественные металлографические исследования показали, что при постоянном режиме прокатки и толщине листа опытные стали имеют более мелкое зерно феррита вследствие оптимизированного химического состава.

Сопоставление свойств сталей текущего производства и опытных, прокатанных на стане 2800 показало, что опытные стали обеспечивают заданный уровень прочности при существенно меньшем легировании (Сз) и в прокате большей толщины. Сопоставление ударной вязкости и хладостойко ста проката толщиной 14 мм показывают подавляющее преимущество опытных сталей по сравнению со сталью марки 10Г2ФБ с более высоким содержанием углерода (0,11%) и низким содержанием ниобия (0,03%).

Сравнение разработанных сталей со сталями текущего производства стана 5000 показало, что новые стали имеют существенно лучшее соотношение прочностных свойств и ударной вязкости (при значительно меньшем интервале разброса прочностных свойств), а также обеспечивают более высокий уровень прочностных свойств при данном уровне углеродного эквивалента.

Впервые изучены различные варианты обеспечения предела текучести трубной стали более 570 Н/мм2 (класс прочности Х80) и показано, что требуемый уровень может быть достигнут различными способами (ТМП в у или у+а области с ускоренным охлаждением или без него) при различном химическом составе стали и при различном соотношении структурных составляющих (матрица деформированного феррита с субзеренной структурой и 10-15% бейнита, 50% феррита и 50% бейнита и преимущественно безуглеродистый бейнит (игольчатый феррит), однако при этом достигаются различные результаты по вязкости и хладостойкости (табл. 2). Установлено, что наилучшее сочетание прочности, вязкости и хладостойкости достигается при структуре, представляющей собой матрицу безуглеродистого бейнита, которая формируется при термомеханической прокатке с последующим ускоренным охлаждением низкоуглеродистой стали (0,05-0,07% С) системы легирования Мп-Мо-МьСи-ЫЬ

Таблица 2. Варианты технологических режимов получения класса прочности Х80

Сталь и о г* О 1П т о 50' С

С X н Ю * «=Г и <5 5 КСУ ИНГ

06ХГ2ПМДФБ 711 580 690 24,5 199 163 100 -80 -50

06ХГ2НМДФБ 738 600 720 23,5 230 202 100 -80 -45

10Г2ФБ 780 600 705 21,5 168 73 80 -50 -30

05Г2НМДБ 780 580 710 24 315 305 100 ниже -80 -60

07Г2НМДБ 777 580 680 22,5 301 272 100 -80 -60

Показано, что при одинаковом уровне прочности опытные стали обладают более высоким сопротивлением зарождению и распространению трещины. Сталь класса прочности Х80 имеет существенно более высокие показатели сопротивления зарождению и распространению трещины, чем сравнительные стали с более низким уровнем прочности, а также опытные стали категории прочности Х70. Повышенная трещиностойкость опытных сталей обусловлена формированием однородной мелкозернистой структуры, что снижает вероятность возникновения в металле высоких локальных напряжений при нагружении, способствует их релаксации под нагрузкой и увеличивает сопротивление металла зарождению и распространению трещины.

Опытные стали обладают хорошей свариваемостью и значительно превосходят стандартную сталь типа 10Г2ФБ. Диаграммы превращения аустенита опытных сталей в околошовной зоне характеризуются более широкой областью бейнитного превращения. Исследование ударной вязкости опытных сталей показало, что при скоростях охлаждения свыше ' 2 град/с они имеют высокий уровень вязкости, существенно превышающий

предъявляемые требования (КСи-60 >39 Дж/смг). Показано, что сталь 03ХГ2НДБ вообще не склонна к образованию холодных трещин, ' остальные стали не склонны к образованию холодных трещин при

скоростях охлаждения, характерных для всех используемых при производстве труб видов сварки (2-125 град/с). Сталь 05Г2НДМБ по комплексу характеристик свариваемости превосходит остальные исследованные стали (06ХГ2МНДФБ. 06ХГ2НДФБ), что связано с низким содержанием углерода и добавкой молибдена, повышающего устойчивость аустенита в околошовной зоне, что позволяет при скоростях охлаждения, соответствующих реально используемым режимам сварки формировать в околошовной зоне структуру, состоящую из продуктов

промежуточного превращения, обеспечивающих наилучшее сочетание свойств.

В шестой главе приводятся и анализируются результаты внедрения разработок в производство.

С использованием результатов проведенных исследований и предложенного в работе подхода с целью обеспечения комплекса прочности, вязкости и хладостойкости, скорректирован для условий контролируемой прокатки на стане 2800 химический состав сталей марок 17Г1С-У и 12ГСБ 2800 в направлении снижения содержания углерода, микролегирования ниобием и при необходимости - микролегирования ванадием для повышения уровня прочности. Разработана технология и изготовлены промышленные партии проката для электросварных труб диаметром 720-820 мм. Разработан химический состав стали Ь450МС применительно к производству проката на стане 2800. Разработана и освоена (объем производства более 40 тыс. т) технология контролируемой прокатки, включающая низкотемпературный нагрев и контролируемую прокатку с окончанием чистовой стадии в верхней части двухфазной области. Таким образом, впервые на стане 2800 ОАО «Северсталь» было организовано промышленное производство хладостойкого проката для электросварных труб без применения дополнительной термической обработки.

На листопрокатном стане 5000 результаты проведенных исследований позволили:

- освоить производство листового проката класса прочности Х65 (предел текучести не менее 460 Н/мм2) толщиной до 19,1 мм из экономнолегированной (не содержащей ванадия) стали;

- изготовить промышленную партию листового проката класса прочности Х70 (предел текучести не менее 500 Н/мм2) толщиной от 23,2 мм до 31,9 мм для производства труб диаметром 1420 мм (рис. 5);

- впервые изготовить промышленную партию проката толщиной 19,4— 24,2 мм класса прочности Х80 (К65) из стали типа 05Г2НДМБ.

В ОАО «ВМЗ» и на заводе фирмы \Уе1зрип (Индия) из разработанных сталей изготовлены трубы диаметром 1016-1420 мм.

С учетом опыта освоения производства трубных сталей рекомендовано в дальнейшем для стана 2800 усилить чистовую клеть, чтобы обеспечить максимальное усилие до 4000 т и оснастить стан установкой ускоренного охлаждения, что позволит производить хладостойкий прокат класса прочности до К60-К65 в толщинах до 20 мм.

Для стана 5000 с учетом произведенной реконструкции и ввода в строй новой установки ускоренного охлаждения рекомендуется оптимизировать химический состав трубных сталей: содержание углерода для сталей класса прочности до К60 - менее 0,09%; для сталей класса прочности К65(Х80) - менее 0,07%, для проката повышенной толщины (30 мм и более) -

повышенное (более 0,05%) содержание ниобия и малые добавки N1, Си, Мо в комплексе с применением ускоренного охлаждения.

400 510 530 550 570 590

Предел текучести, Н/мм2

500 610 630 650 бА1 1

Временное сопротивление, Н/мм!

31 32 33 34 35 36 37 36 30

Относительное удлинение, %

Удельная вязкость КСУ-30, Дж/см2

Рис. 5. Результаты испытаний стали класса прочности Х70 толщиной 23,2 мм для производства труб диам. 1420 мм

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Исследовано влияние углерода, ниобия, легирующих элементов, параметров термомеханической прокатки и последующего охлаждения на формирование структуры и механических свойств трубных сталей. Установлены закономерности формирования комплекса повышенной прочности (до класса прочности Х80 (К65)) и хладостойкости; разработаны составы сталей и технологические схемы их производства, обеспечивающие существенные преимущества перед традиционными трубными сталями; в условиях ОАО «Северсталь» опробовано и освоено их производство.

2. Показано, что снижение содержания углерода в интервале 0,10-

0,03% существенно повышает вязкость и хладостойкость стали, причем характер зависимости определяется структурой: поро! хладноломкое™ Т50 снижается на ~3 °С для стали с феррито-перлитной структурой и на ~7°С с феррито-бейнитной структурой на каждые 0,01%С.

Микролегирование ниобием позволяет измельчить зерно феррита при данном режиме прокатки, а повышение его содержания от обычно применяемого уровня -0,03% до 0,06-0,09% дополнительно измельчает зерно и позволяет получить мелкозернистую структуру при более высоких температурах деформации.

В промышленных условиях получена количественная взаимосвязь между Т50 с одной стороны, содержанием углерода, ниобия и толщиной проката с другой стороны, позволившая рассчитать содержания углерода и ниобия в стали, обеспечивающие необходимый порог хладноломкости для проката данной толщины.

3. Для условий прокатки с ограниченными обжатиями в температурном интервале выше точки Аг3 предложен подход, обеспечивающий получение мелкозернистой структуры и высокой хладостойкости трубной стали, включающий:

- повышение хладостойкости за счет снижения содержания углерода и измельчения зерна феррита, путем приведения в соответствие температуры остановки рекристаллизации аустенита с температурой начала чистовой прокатки при добавке в сталь необходимого количества ниобия;

- компенсацию разупрочнения металла при снижении содержания углерода за счет дисперсионного твердения и/или формирования феррито-бейнитной структуры.

4. Показано, что при содержании углерода 0,03-0,05% замена полиэдрического феррита и перлита на дисперсный игольчатый феррит (безуглеродистый бейнит) не ухудшает хладостойкость стали, в отличие от сталей с более высоким содержанием углерода.

Изучена кинетика превращения горячедеформированного аустенита ниобийсодержатцих сталей с 0,03-0,06% С систем легирования: Мп-Сг-№-Си, Мп-№-Си-Мо, Мп-Сг-ЬП-Си-Мо-У Показано, что такие стали характеризуются более широкой областью промежуточных превращений (0,5...50-100 град/с), чем традиционная трубная сталь типа 10Г2ФБ (1530 град/с), что повышает стабильность получения заданного соотношения феррита и бейнита.

Получены количественныезависимостимежду содержанием химических элементов, скоростью охлаждения и объемной долей бейнита. Определен коэффициент легирования (>0,13), обеспечивающий формирование феррито-бейнитной структуры в исследуемых сталях при охлаждении на воздухе (со скоростью ~1 град/с).

5. Разработаны системы легирования трубных сталей с пониженным

содержанием углерода, добавками элементов, повышающих устойчивость аустенитаи оптимальным микролегированием (в первую очередь-ниобием), обеспечивающие формирование мелкозернистой феррито-перлитной структуры, дисперсной феррито-бейнитной или преимущественно бейнитной структуры при охлаждении листов на воздухе и в условиях ускоренного охлаждения.

Разработаны технологические схемы ТМП в зависимости от класса прочности, толщины проката и возможностей прокатного оборудования. Экспериментами в промышленных условиях установлена возможность формирования следующих структурных состояний и комплекса свойств сталей:

А) на стане 2800 после ТМП (Ткп=760-800°С) с охлаждением на воздухе:

- для стали типа 0,03% С-Мп-0,09% ЫЬ (Сг, N1, Си) - феррито-бейнитной (-5% бейнита) структуры (11-12 номер зерна) и в прокате толщиной 14 мм класса прочности К56 при переходной температуре по ИПГ = -60°С;

- для стали системы 0,06% С-Мп-(0,06-0,08)% ИЬ (Сг, Си, Мо) - феррито-бейнитной (12-17% бейнита) структуры (10-11 номер зерна) и класса прочности К60 в прокате толщиной до 16 мм при переходной температуре - 40°С;

- для стали системы (0.06-0,09) % С-Мп-0,05 % ИЬ-У - феррито-перлитной структуры (9-11 номер зерна) и класса прочности К52-К56 в толщинах до 12 мм при гарантии теста ИПГ при - 20°С;

Б) в условиях деформации на стане 5000 (Ткп=680-700оС) с охлаждением на воздухе:

-для стали типа (0,07-0,09) %С-(0,05~0,06)% ИЬ-V- феррито-перлитной структуры (11-12 номер зерна) и класса прочности Х70 с хладостойкостью при - 30°С в прокате толщиной до 31,9 мм;

- после ТМП (Ткп=780-800°С) с применением ускоренного охлаждения (Тко=450-500°С) накомпозиции легирования (0,05-0,06)%С-(0,07-0,09)% Мэ-Мп-№-Си-Мо - дисперсной структуры низкоуглеродистош бейнита и класса прочности Х80(К65) при высокой хладостойкости в толщинах до 40 мм.

6. Показано, что комплекс свойств трубной стали класса прочности Х80(К65) может быть достигнут различными способами (ТМП в у или у+а области с ускоренным охлаждением или без него) при различном составе стали и соотношении структурных составляющих (матрица феррита с субзеренной структурой и 10-15% бейнита, 50% полигонального феррита и 50% бейнита и преимущественно безуглеродистый бейнит (игольчатый феррит). При этом наилучшее сочетание прочности, вязкости и хладостойкости достигается при структуре безуглеродистого бейнита, которая формируется при термомеханической прокатке с последующим ускоренным охлаждением стали типа 05Г2НМДБ.

7 Выявлены существенные преимущества предложенных сталей над традиционными с точки зрения хладостойкости, трещиностойкости, стойкости к сероводородному растрескиванию Установлено, что преимущества в первую очередь обусловлены пониженным содержанием углерода и формированием однородной (без полосчатости и выделений по границам) мелкозернистой структуры феррита (10-12 номер зерна) и дисперсного низкоуглеродистого бейнита. Предложенные стали по свариваемости существенно превосходят известную сталь 10Г2ФБ. Наилучшими характеристиками свариваемости обладает сталь типа 05Г2НМДБ, что связано с низким содержанием углерода и добавкой молибдена, повышающего устойчивость аустенита в околошовной зоне при сварке.

8. В ОАО «Северсталь» освоено производство новых видов металлопродукции (изготовлено более 80 тыс. т проката):

- на стане 2800 - из стали, содержащей (0,09-0,11)% С-Мп-(0,02-0,04)% Nb без применения термической обработки (взамен стали 17Г1С-У), из стали марки 12ГСБ с 0,07-0,09% С оптимизированной по содержанию микролегирующих добавок в прокате толщиной до 12 мм, из стали L450MC толщиной 12,1 мм с гарантией хладостойкости при-22°С;

- на стане 5000 - из экономнолегированной (не содержащей ванадия) стали Х65 в прокате толщиной 19,1 мм, изготовлены промышленные партии проката из стали Х70 толщиной до 31,9 мм для труб диаметром 1420 мм и из стали 05Г2НМДБ класса прочности Х80 (К65).

Основное содержание диссертационной работы изложено в следующих публикациях:

1. Ильинский В И, Попова Т.Н., Голованов А В . Гейер В В , Эфрон JIИ и др Разработка и освоение технологии производства трубных сталей на «Северстали». Труды четвертого конгресса прокатчиков. (Магнитогорск, 16-19 октября 2001 г.) М. 2002, т. 1. С. 114-117.

2. Эфрон Л.И., Ильинский В.И., Голованов A.B., Морозов Ю.Д. Металловедческие основы получения хладостойких трубных сталей путем высокотемпературной контролируемой прокатки. Сталь. 2003. №6. С. 69-72

3. Эфрон Л.И., Ильинский В.И., Голованов A.B., Ламухин А.М Разработка и промышленное опробование технологии производства широкоформатного листа для труб диаметром 1420 мм на стане 5000 ОАО «Северсталь». Металлург. 2003. №6, с. 49-51.

4. Эфрон Л.И., Ильинский В.И., Морозов Ю.Д., Голованов A.B. Разработка и промышленное опробование трубной стали повышенной прочности и хладостойкости с преимущественно бейнитной структурой Сталь. 2003. №9. С. 83-87.

5. Матросов М.Ю., Эфрон Л.И., Ильинский В.И. «Опробование технологии термомеханической прокатки с ускоренным охлаждением экономнолегированных трубных сталей на ОАО «Северсталь». Тезисы докладов Международной научно-технической конференции «Теория и технология процессов пластической деформации - 2004», (26-27 октября 2004 г., Москва, MULTIPRTNT-МИСиС), с. 314-316.

6. Матросов М.Ю., Эфрон Л.И., Ильинский В.И. и др. Использование ускоренного охлаждения для повышения механических и технологических свойств толстолистового проката для изготовления газопроводных труб большого диаметра. Металлург, 2005, №6, с. 49-54.

7. Патент РФ № 2201972 «Способ производства штрипсов из низколегированной стали», заявка № 2001111161, приоритет от 23.04.2001, Ильинский В.И., Попова Т.Н., Голованов A.B. и др.

Подписано в печать 26.04.06. Формат 60x84 1/16 Бумага офсетная. Усл. печ. л. 1,0

Тираж 100 экз. Заказ № 125 Отпечатано в ООО "Графике В" 103030, Москва, ул. Долгоруковская, д. 33

№10 8 5 0

Л роб А ' -/ofso

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ РАЗВИТИЯ СТАЛЕЙ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА

ТРУБ БОЛЬШОГО ДИАМЕТРА.

1.1 Требования нормативно-технической документации к трубным сталям

1.2 Химический состав трубных сталей.

1.2.1 Влияние химического состава на комплекс свойств стали.

1.2.2 Химический состав применяемых трубных сталей.

1.3 Структура и свойства трубных сталей.

1.4 Формирование структуры в процессе горячей деформации.

1.5 Технология производства трубных сталей.

1.6 Постановка задач исследования.

2. МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.

2.1 Химический состав исследуемых сталей, выплавка и термомеханическая обработка листового проката. 3g

2.2 Методика исследования.

2.2.1 Механические испытания.

2.2.2 Металлографические и электронно-микроскопические исследования образцов металла.

2.2.3 Исследование фазовых превращений.

2.2.4 Исследование свариваемости.

2.2.5 Исследование трещинностойкости.

2.2.6 Определение стойкости к сероводородному растрескиванию.

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ФОРМИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ТРУБНЫХ СТАЛЕЙ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПРОКАТКИ И ОХЛАЖДЕНИЯ.

3.1 Влияние содержания углерода и ниобия на свойства и структуру стали.

3.2 Исследование кинетики превращения горячедеформированного аустени-та опытных сталей и влияния продуктов промежуточного превращения на комплекс свойств трубных сталей.

3.3 Влияние параметров прокатки, охлаждения и химического состава на свойства и структуру.

3.4 Выводы по главе.

4. РАЗРАБОТКА КОМПОЗИЦИЙ ЛЕГИРОВАНИЯ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОЙ ПРОКАТКИ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К СТАНАМ 2800 И 5000 ОАО «СЕВЕРСТАЛЬ», ИЗГОТОВЛЕНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ОПЫТНЫХ ПАРТИЙ ПРОКАТА С ПОВЫШЕННЫМ КОМПЛЕКСОМ СВОЙСТВ.

4.1 Оценка состояния вопроса по производству проката для труб на станах 2800 и 5000 к моменту постановки работы, разработка подходов к получению стали повышенной прочности и хладостойкости для различных условий деформации и охлаждения.

4.2 Разработка химического состава стали и опробование на стане 2800.

4.2.1 Опытная прокатка и исследование сверхнизкоуглеродистой стали типа 03ХГ2НДБ.

4.2.2 Опытная прокатка и исследование сталей типа 06ХГ2МНДФБ и 07Г2МНДБ.

4.3 Промышленные эксперименты в условиях стана

4.4 Выводы по главе.

5. ИССЛЕДОВАНИЕ ОПЫТНЫХ СТАЛЕЙ И СОПОСТАВЛЕНИЕ С МЕТАЛЛОМ ТЕКУЩЕГО ПРОИЗВОДСТВА.

5.1 Исследование макроструктуры слябов.

5.2 Исследование микроструктуры листов.

5.3 Исследование и сопоставление комплекса механических свойств.

5.4 Оценка параметров сопротивления разрушению при статических испытаниях опытных и сравнительных трубных сталей.

5.5 Исследование свариваемости опытных сталей.

5.6 Исследование сопротивления водородному растрескиванию и сероводородному растрескиванию под напряжением.

5.7 Выводы по главе.

6. ВНЕДРЕНИЕ СТАЛЕЙ С УЛУЧШЕННЫМ КОМПЛЕКСОМ СВОЙСТВ.

6.1 Анализ влияния химического состава трубных сталей существующего сортамента на комплекс механических свойств проката на стане 2800.

6.2 Внедрение сталей с улучшенным комплексом свойств на стане 2800.

6.3 Предложения по модернизации химического состава при промышленном производстве на стане

6.4 Внедрение сталей с улучшенным комплексом свойств на стане

6.5 Выводы по главе.

Металлургия России переживает новый этап в решении вопросов по обеспечению строительства газовых и нефтяных магистралей отечественными трубами большого диаметра. Проблема их производства актуальна с позиций экономической, стратегической и финансовой безопасности и независимости России.

Важным моментом является постоянное повышение технических требований к трубам и листовому прокату для их производства, обусловленное ужесточением условий эксплуатации трубопроводов и требованиями по безопасности. В связи с этим важной задачей является создание и освоение промышленного производства современных трубных сталей с повышенным комплексом прочностных свойств, ударной вязкости, хладостойко-сти, трещиностойкости, специальных и технологических свойств, а также расширение размерного сортамента производимого проката.

В связи с большими потребностями рынка в трубах большого диаметра на первый план выдвигается задача экономии энергоносителей и сырьевых ресурсов при производстве стали и проката. ОАО «Северсталь» является крупнейшим отечественным производителем проката для электросварных труб большого диаметра. Однако к моменту постановки настоящей работы марочный и размерный сортамент производимого проката не удовлетворял требованиям трубной промышленности: производилось значительное количество морально устаревших марок стали (типа 17Г1С-У) в прокате ограниченных толщин, для обеспечения требуемого комплекса свойств широко применялась термическая обработка, повышавшая себестоимость продукции, прокат обладал невысоким уровнем потребительских свойств.

Исходя из изложенного актуальной задачей является разработка технологических схем производства, обеспечивающих изготовление металлопродукции с использованием термомеханической обработки без применения дополнительной термической обработки. Другим важным направлением работ является поиск новых композиций легирования сталей, позволяющих в комплексе с современными технологиями формировать оптимальную дисперсную структуру листового проката с наилучшим сочетанием механических и технологических свойств и экономить легирующие элементы. С практической точки зрения также важно адаптировать новые разработки к реальным условиям производства на действующем прокатном оборудовании ОАО «Северсталь».

Целью настоящей работы является установление закономерностей формирования структуры и свойств низколегированных трубных сталей в зависимости от содержания углерода, легирующих и микролегирующих элементов, технологических параметров прокатки и последующего охлаждения и оптимизация на этой основе химического состава трубных сталей и технологии термомеханической прокатки для повышения прочностных свойств и хладостойкости и расширения размерного сортамента проката для газонефте-проводных труб большого диаметра.

Для достижения поставленной цели осуществлена постановка и предложено решение следующих задач:

- исследовать влияние содержания углерода и ниобия формирование структуры и механических свойств трубных сталей при различных схемах термомеханической прокатки;

- изучить влияние легирующих элементов на структуру и фазовый состав сталей в зависимости от условий деформации и последеформационного охлаждения, установить условия формирования заданных структур, в том числе феррито-бейнитной и преимущественно бейнитной;

- разработать композиции легирования сталей повышенной прочности и хладостойкости, технологические схемы их производства в зависимости от уровня прочности, размерного сортамента и технологического оборудования;

- провести промышленное опробование и освоение производства разработанных сталей, в том числе класса прочности до К65 (Х80) и в прокате толщиной до 40 мм.

- провести сопоставительные исследования структуры, механических свойств, хладостойкости, трещиностойкости, свариваемости традиционных и разработанных сталей и выявить их преимущества.

Объектом исследований служили низколегированные стали для электросварных труб большого диаметра, серийно производимые на ОАО «Северсталь» (17Г1С-У, 10Г2ФБЮ, 12ГСБ), стали модернизированного и вновь разработанного по результатам произведенных исследований химического состава марок 17Г1С-У, 12ГСБ, Х65, Х70, опытные плавки перспективных низкоуглеродистых сталей типа 03ХГ2НДБ, 05Г2НДМБ, 06Г2ХНДФБ, 06ХГ2МНДФБ, 07Г2МНДБ, а также модельные плавки лабораторной выплавки для изучения влияния отдельных химических элементов (С, Nb) и структурных механизмов. В исследованных сталях в широких пределах варьировали содержание углерода, легирующих и микролегирующих элементов. Стали исследовали в состоянии после термомеханической прокатки с последующим охлаждением на спокойном воздухе или после ускоренного охлаждения.

Предметом исследования служили структура, комплекс механических и технологических свойств, формирующиеся в трубных сталях различного химического состава в процессе термомеханической прокатки по различным схемам.

В процессе выполнения работы использовали широкий спектр современных методов исследования структуры и свойств сталей, включая количественную металлографию, просвечивающую электронную микроскопию, различные методы механических испытаний, исследование трещиностойкости и стойкости к сероводородному растрескиванию, значительное внимание было уделено исследованию свариваемости разработанных сталей.

Для повышения достоверности результатов в работе широко применяли обработку результатов на ЭВМ и методы математической статистики.

Диссертация содержит введение, шесть глав и основные выводы.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Исследовано влияние углерода, ниобия, легирующих элементов, параметров термомеханической прокатки и последующего охлаждения на формирование структуры и механических свойств трубных сталей. Установлены закономерности формирования комплекса повышенной прочности (до класса прочности Х80 (К65)) и хладостойкости; разработаны составы сталей и технологические схемы их производства, обеспечивающие существенные преимущества перед традиционными трубными сталями; в условиях ОАО «Северсталь» опробовано и освоено их производство.

2. Показано, что снижение содержания углерода в интервале 0,10-0,03% существенно повышает вязкость и хладостойкость стали, причем характер зависимости определяется структурой: порог хладноломкости Т50 снижается на ~3 °С для стали с феррито-перлитной структурой и на ~7°С с феррито-бейнитной структурой на каждые 0,01%С.

Микролегирование ниобием позволяет измельчить зерно феррита при данном режиме прокатки, а повышение его содержания от обычно применяемого уровня -0,03% до 0,060,09% дополнительно измельчает зерно и позволяет получить мелкозернистую структуру при более высоких температурах деформации.

В промышленных условиях получена количественная взаимосвязь между Т50 с одной стороны, содержанием углерода, ниобия и толщиной проката с другой стороны, позволившая рассчитать содержания углерода и ниобия в стали, обеспечивающие необходимый порог хладноломкости для проката данной толщины.

3. Для условий прокатки с ограниченными обжатиями в температурном интервале выше точки Агз предложен подход, обеспечивающий получение мелкозернистой структуры и высокой хладостойкости трубной стали, включающий:

- повышение хладостойкости за счет снижения содержания углерода и измельчения зерна феррита, путем приведения в соответствие температуры остановки рекристаллизации аустенита с температурой начала чистовой прокатки при добавке в сталь необходимого количества ниобия;

- компенсацию разупрочнения металла при снижении содержания углерода за счет дисперсионного твердения и/или формирования феррито-бейнитной структуры.

4. Показано, что при содержании углерода 0,03-0,05% замена полиэдрического феррита и перлита на дисперсный игольчатый феррит (безуглеродистый бейнит) не ухудшает хладостойкость стали, в отличие от сталей с более высоким содержанием углерода.

Изучена кинетика превращения горячедеформированного аустенита ниобийсодержа-щих сталей с 0,03-0,06 % С систем легирования: Mn-Cr-Ni-Cu, Mn-Ni-Cu-Mo, Mn-Cr-Ni-Cu

Mo-V. Показано, что такие стали характеризуются более широкой областью промежуточных превращений (0,5.50-100 град/с), чем традиционная трубная сталь типа 10Г2ФБ (15-30 град/с), что повышает стабильность получения заданного соотношения феррита и бейнита.

Получены количественные зависимости между содержанием химических элементов, скоростью охлаждения и объемной долей бейнита. Определен коэффициент легирования (>0,13), обеспечивающий формирование феррито-бейнитной структуры в исследуемых сталях при охлаждении на воздухе (со скоростью ~1 град/с).

5. Разработаны системы легирования трубных сталей с пониженным содержанием углерода, добавками элементов, повышающих устойчивость аустенита и оптимальным микролегированием (в первую очередь - ниобием), обеспечивающие формирование мелкозернистой феррито-перлитной структуры, дисперсной феррито-бейнитной или преимущественно бейнитной структуры при охлаждении листов на воздухе и в условиях ускоренного охлаждения.

Разработаны технологические схемы ТМП в зависимости от класса прочности, толщины проката и возможностей прокатного оборудования. Экспериментами в промышленных условиях установлена возможность формирования следующих структурных состояний и комплекса свойств сталей:

А) на стане 2800 после ТМП (Т1сп=760-800оС) с охлаждением на воздухе:

- для стали типа 0,03% C-Mn-0,09% Nb (Cr, Ni, Си) - феррито-бейнитной (~5% бейнита) структуры (11-12 номер зерна) и в прокате толщиной 14 мм класса прочности К56 при переходной температуре по ИПГ = -60°С;

- для стали системы 0,06% C-Mn-(0,06-0,08)% Nb (Сг, Ni, Си, Мо) - феррито-бейнитной (12-17% бейнита) структуры (10-11 номер зерна феррита) и класса прочности К60 в прокате толщиной до 16 мм при переходной температуре - 40°С;

- для стали системы (0,06-0,09) % C-Mn-0,05 % Nb-V - феррито-перлитной структуры (9-11 номер зерна) и класса прочности К52-К56 в толщинах до 12 мм при гарантии теста ИПГ при - 20°С;

Б) в условиях деформации на стане 5000 (Ткп=680-700°С) с охлаждением на воздухе:

- для стали типа (0,07-0,09) %С-(0,05-0,06) % Nb-V - феррито-перлитной структуры (11-12 номер зерна) и класса прочности Х70 с хладостойкостью при - 30°С в прокате толщиной до 31,9 мм;

- после ТМП (Ткп=780-800°С) с применением ускоренного охлаждения (Т,со=450-500°С) на композиции легирования (0,05-0,06)%С-(0,07-0,09)%Nb-Mn-Ni-Cu-Mo - дисперсной структуры низкоуглеродистого бейнита и класса прочности Х80(К65) при высокой хладостойкости в толщинах до 40 мм.

6. Показано, что комплекс свойств трубной стали класса прочности Х80(К65) может быть достигнут различными способами (ТМП в у или у+а области с ускоренным охлаждением или без него) при различном составе стали и соотношении структурных составляющих (матрица феррита с субзеренной структурой и 10-15% бейнита, 50% полигонального феррита и 50% бейнита и преимущественно безуглеродистый бейнит (игольчатый феррит). При этом наилучшее сочетание прочности, вязкости и хладостойкости достигается при структуре безуглеродистого бейнита, которая формируется при термомеханической прокатке с последующим ускоренным охлаждением стали типа 05Г2НМДБ.

7. Выявлены существенные преимущества предложенных сталей над традиционными с точки зрения хладостойкости, трещиностойкости, стойкости к сероводородному растрескиванию. Установлено, что преимущества в первую очередь обусловлены пониженным содержанием углерода и формированием однородной (без полосчатости и выделений по границам) мелкозернистой структуры феррита (10-12 номер зерна) и дисперсного низкоуглеродистого бейнита. Предложенные стали по свариваемости существенно превосходят известную сталь 10Г2ФБ. Наилучшими характеристиками свариваемости обладает сталь типа 05Г2НМДБ, что связано с низким содержанием углерода и добавкой молибдена, повышающего устойчивость аустенита в околошовной зоне при сварке.

8. В ОАО «Северсталь» освоено производство новых видов металлопродукции (изготовлено более 80 тыс. т проката):

- на стане 2800 - из стали, содержащей (0,09-0,11)% C-Mn-(0,02-0,04)% Nb без применения термической обработки (взамен стали 17Г1С-У), из стали марки 12ГСБ с 0,07-0,09% С оптимизированной по содержанию микролегирующих добавок в прокате толщиной до 12 мм, из стали L450MC толщиной 12,1 мм с гарантией хладостойкости при -22°С;

- на стане 5000- из экономнолегированной (не содержащей ванадия) стали Х65 в прокате толщиной 19,1 мм, изготовлены промышленные партии проката из стали Х70 толщиной до 31,9 мм для труб диаметром 1420 мм и из стали 05Г2НМДБ класса прочности Х80 (К65).

1. Hirotaka С., Mitsuo A., Kiichi Katayama. Review of the progress of large diameter line pipe.//Pipeline technology conference. 1990 Oostlende, Belgium.

2. Hulka K. Niobium Microalloyng in Plate and Skelp Products. Symposium on The "Application of Niobium in Steel", China, 1997

3. Свод Правил сооружения магистральных газопроводов СП 101-34-96. Газ-пром.Москва 1996

4. Инструкция по применению стальных труб в газовой и нефтяной промышленности. РАО Газпром. Москва. 1996.

5. Стандарт ИСО 3183-2:1996. Нефтяная и газовая промышленность. Стальные трубы для трубопроводов. Технические условия поставки. Часть 2: Трубы согласно требованию по классу В. //Международная организация по стандартизации. Первая редакция, 48 с.

6. Стандарт ИСО 3183-3:1999. Нефтяная и газовая промышленность. Стальные трубы для трубопроводов. Технические условия поставки. Часть 3: Трубы согласно требованию по классу С. //Международная организация по стандартизации. Первая редакция, 54 с.

7. Offshore standard. Submarine Pipeline systems. DNV OS F-101. //Det Norske Veri-tas.2003

8. ТУ 14-1-5508-2005 «Прокат толстолистовой из низколегированной стали классов прочности К60 и Х70 для электросварных труб на рабочее давление от 8,3 до 9,8 МПа». Москва 2005.

9. SEL 072 Условоия поставки чугуна и стали. Толстстолистовая сталь, проверенная ультразвуковыми волнами. Германия. 1977.

10. Бойко B.C., Шебаниц Э.Н., Саркиц И.Б., Небога Б.В., Прогрессивеые толстолистовые стали для газонефтепроводных труб большого диаметра и металлоконструкций ответственного назначения./Сб.и докладов. -М.:Металлургиздат, 2004. с. 6265

11. Погоржельский В.И., Литвиненко Д.А., Матросов Ю.И., Иваницкий А.В. Контролируемая прокатка. М.# Металлургия. 1979.184 с.

12. Матросов Ю.И., Литвиненко Д.А., Голованенко С.А. Сталь для магистральных газопроводов. М.# Металлургия. 1989. 288 с.

13. Фонштейн Н.М., Литвиненко Д.А. Влияние структуры на сопротивление разрушению низколегированных трубных сталей// Сталь. 1984. С.70-73.

14. Гладштейн Л.И., Литвиненко Д. А. Высокопрочная строительнаясталь. М.# Металлургия. 1972.240 с.

15. Гуляев А.П., Никитин В.Н. Влияние углерода, кремния и марганца на склонность к хрупкому разрушению железа и стали// МиТОМ. 1965. )1. С.33-38.

16. Лейкин И.М., Литвиненко Д.А., Рудченко А.В. Производство и свойства низколегированных сталей. М.# Металлургия. 1972. 256 с.