автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Исследование и разработка трубной экономнолегированной стали класса прочности К60 для стана 2800 ОАО "Уральская сталь"

На правах рукописи

ЯКУШЕВ ЕВГЕНИИ ВАЛЕРЬЕВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТРУБНОЙ ЭКОНОМНОЛЕГИРОВАННОЙ СТАЛИ КЛАССА ПРОЧНОСТИ К60 ДЛЯ СТАНА 2800 ОАО «УРАЛЬСКАЯ СТАЛЬ»

05.16.01 - «Металловедение и термическая обработка металлов и сплавов»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

11 ДЕК 2014

Москва 2014

005556514

005556514

Работа выполнена в Федеральном государственном унитарном предприятии «Центральный научно-исследовательский институт черной металлургии им. И. П. Бардина»

Научный руководитель:

Доктор технических наук Шабалов Иван Павлович Федеральное государственное унитарное предприятие «Центральный научно-исследовательский институт черной металлургии им. И. П. Бардина», главный научный сотрудник

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор Одесский Павел Дмитриевич Центральный научно-исследовательский институт строительных конструкций им. В.А. Кучеренко, заведующий сектором металловедения и сварки Кандидат технических наук Александров Сергей Владимирович Открытое акционерное общество «Первоуральский новотрубный завод», начальник управления разработки новых видов бесшовных труб и технологических материалов Департамента научных исследований и перспективных разработок Дирекции по стратегии, технологии и развитию

Ведущая организация:

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС» (НИТУ «МИСиС»)»

Защита состоится «29» декабря 2014 г. в 14:00 часов на заседании диссертационного совета

Д 217.035.01 ФГУП «ЦНИИЧермет им И. П. Бардина» по адресу: 105005, г. Москва, ул. Радио, д. 23/9. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГУП «ЦНИИЧермет им И. П. Бардина» (автореферат диссертации размещен на сайте ВАК РФ http:// vak.ed.gov.ru).

Автореферат разослан «25» ноября 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета, доктор технических наук,

Старший научный сотрудник ^t^^a^C-М- Александрова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Интенсивное строительство нефтегазопроводных сетей, включая магистральные, в районах с суровым климатом вызывает необходимость в расширении производства труб и, соответственно, листового проката повышенной надежности. К таким трубам и листовому прокату предъявляются требования по трудно сочетаемым свойствам- одновременно высоким прочностным характеристикам, пластичности, вязкости при минусовых температурах и свариваемости.

Кроме того, выдвигаются новые более жесткие требования по качеству проката: однородности механических свойств и микроструктуры по площади листа.

Производство труб и листового проката, удовлетворяющего современным требованиям, привело к необходимости модернизации сталеплавильного и прокатного оборудования, включая установку ускоренного последеформационного охлаждения. Использование технологии термомеханической обработки позволяет повысить производительность прокатных станов и за счет использования ускоренного охлаждения уменьшить степень легирования сталей, тем самым снизить себестоимость проката.

Основной трубной продукцией, производимой на стане 2800, является наиболее востребованный хладостойкий листовой прокат класса прочности К60, комплекс свойств которого можно получить за счет комбинирования различных систем легирования и технологических схем производства. Разработка наиболее экономичных путей производства листового проката стали класса прочности К60, при одновременном повышении производительности стана 2800 и улучшении качества продукции (повышение вязкости, хладостойкости и т.д.) при снижении степени легирования и улучшении свариваемости является актуальной задачей.

Цель диссертационной работы Разработка экономнолегированной (в том числе без микролегирования ванадием) стали класса прочности К60 и малозатратной технологии термомеханической обработки с применением ускоренного охлаждения.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

- исследование влияния химического состава и технологических параметров прокатки на существующем оборудовании стана 2800 на механические свойства, ударную вязкость и хладостойкость листового проката, и разработка металловедческой концепции реконструкции стана 2800;

- оптимизация химического состава, разработка технологических параметров, включая ускоренное охлаждение, и освоение промышленного производства стали класса прочности К60 после реконструкции стана 2800;

- разработка химического состава и технологии термомеханической обработки производства листового проката повышенной толщины (более 29 мм) из стали класса прочности К60(Х70) в особохладостойком исполнении (ИПГ~40>90%, АГСК4О>250Дж/см2);

- разработка химического состава и технологии производства безванадиевой стали класса прочности К60 и промышленное опробование производства.

Научная новизна

В диссертации получены следующие результаты, обладающие научной новизной:

1. Выявлены основные закономерности формирования механических свойств и структуры стали категории прочности К60 в зависимости от химического состава и параметров контролируемой прокатки с ускоренным охлаждением, которые показывают, что при определенном соотношении содержания углерода и марганца в ниобий-

содержащей стали, микролегирование ванадием при скорости охлаждения не менее 15 °С/с не дает дополнительного упрочнения проката толщиной до 21 мм.

2. Установлено, что снижение температуры нагрева под прокатку с 1240 до 1170 °С повышает хладостойкость и ударную вязкость металла после термомеханической прокатки с ускоренным охлаждением на 30-40 Дж/см2 во всем диапазоне отрицательных температур, при этом ударная вязкость стали, микролегированной только Nb, на 40-80 Дж/см2 выше, чем у стали с (Nb+V), одновременно прочностные характеристики сталей, микролегированных (Nb+V) и одним Nb снижаются соответственно на 20-60 МПа.

3. Показано положительное влияние микролегированния Nb на свариваемость стали класса прочности К60 по сравнению со сталью, микролегированной Nb и V, так как в отличие от ванадия ниобий снижает температуру начала превращения и в околошовной зоне (ОШЗ) происходит изменение микроструктуры от преимущественно зернистой (сталь с V + Nb) к преимущественно игольчатой (сталь только с Nb), кроме того, выделяющиеся в ОШЗ во время остывания после сварки карбиды ванадия охрупчивают ферритную матрицу. При скоростях охлаждения, характерных для промышленной сварки труб, ударная вязкость металла ОШЗ при -20 °С у стали микролегированной только Nb (без V) выше на 50 Дж/см2.

4. Установлено положительное влияние увеличения степени деформации в последних проходах черновой (предварительной) прокатки на механические свойства стали. Увеличение степени частной деформации в трех последних проходах черновой прокатки с 6—10 до 12—15% позволяет формировать более мелкое рекристаллизован-ное зерно аустенита в среднем на 8-10 мкм, что приводит к формированию более дисперсной микроструктуры проката (уменьшение размера зерна феррита в среднем на 1 мкм) и повышению прочностных характеристик - предела текучести и временного сопротивления - в среднем на 20 МПа и доли вязкой составляющей образцов ИПГ при температуре испытания -20 °С на ~ 20% (абс.) без ухудшения пластичности.

5. Показано, что снижение содержания углерода до 0,06% с введением добавок Ni, Mo и Си после термомеханической обработки в прокате толщиной до 30 мм образуется дисперсная ферритно-бейнитная структура (с1ф<5 мкм) и достигается уровень свойств стали К60 (Х70) с высокими показателями низкотемпературной вязкости при -40 °С (> 250 Дж/см2) и переходной температурой ниже -40 °С (ИПГ40> 90%).

Практическая ценность и реализация работы в промышленности

1. На основании выполненных исследований проведены расчеты энергосиловых параметров прокатных клетей, которые послужили основой для коренной реконструкции стана 2800:

- модернизирована черновая клеть ДУО (максимальное давление на валки 32500 кН);

- установлена новая чистовая клеть КВАРТО (максимальное давление на валки 60000 кН);

- введена установка контролируемого ускоренного охлаждения (УКО) ламинарного типа;

- установлена новая листоправильная машина, обеспечивающая правку листов толщиной 7-50 мм с пределом прочности до 1200 МПа.

2. Разработаны режимы контролируемой прокатки и ускоренного охлаждения для стали класса прочности К60 с микролегированием Nb и Nb+V. Изготовлены промышленные партии проката в толщинах 11-20 мм.

3. Создана уникальная сталь и технология её термомеханической обработки с ускоренным охлаждением, обеспечивающая свойства класса прочности Х70 в толщине 29,3 мм при температуре эксплуатации -40 °С (для КС «Портовая»).

Основные научные положения выносимые на защиту

Металловедческое обоснование реконструкции стана 2800.

Разработанные режимы термомеханической обработки с ускоренным охлаждением сталей ферритно-бейнитного типа класса прочности К60.

Химический состав и технология термомеханической обработки безванадиевой стали класса прочности К60.

Сравнительный анализ свариваемости сталей класса прочности К60 с безванадиевым и ниобий-ванадиевым микролегированием.

Структурные исследования безванадиевой стали класса прочности К60.

Результаты промышленного опробования безванадиевой стали класса прочности К60.

Личный вклад автора

Автор лично участвовал в лабораторных и промышленных экспериментах, результаты которых изложены в диссертации, лично готовил металловедческое обоснование реконструкции стана 2800. Участвовал в проведении механических испытаний, структурных исследованиях, исследовании свариваемости и анализе результатов исследований. Основные положения диссертации разработаны автором.

Достоверность полученных результатов обеспечивается применением современных методов исследований, воспроизводимостью результатов, согласованностью анализируемых данных и положительными результатами промышленного опробования разработанных рекомендаций.

Соответствие содержания диссертации паспорту специальности, по которой она рекомендуется к защите. Работа соответствует формуле и пункту 3 области исследования специальности 05.16.01 «Металловедение и термическая обработка металлов и сплавов»: «3. Теоретические и экспериментальные исследования влияния структуры (типа, количества и характера распределения дефектов кристаллического строения) на физические, химические, механические, технологические и эксплуатационные свойства металлов и сплавов».

Апробация работы. Материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на 6 международных, общероссийских научно-технических конференциях: международный семинар «Современные стали для газонефтепроводных труб, проблемы и перспективы» (Москва, ЦНИИчермет им. И. П. Бардина, 2006 г.), «Трубы 2011» (РОСНИТИ, г. Челябинск, 2011 г.), международная конференция «Производство, испытания и практическое использование труб большого диаметра категорий прочности Х80/90» (Москва, СВММ-ЦНИИчермет им. И.П. Бардина, 2011 г.), международная конференция «Металл-Экспо»-2012 (г. Москва, 2012 г.), научно-технический семинар «Актуальные научно-технические вопросы производства и применения высокопрочных труб и соединительных деталей» (г. Москва, 2013 г.), международная конференция «Микролегированные трубные стали для нефтегазовой отрасли — 2013» (СВММ-ЦНИИчермет им. И. П. Бардина, г. Москва, 2013 г.).

Публикации. По теме работы опубликованы 13 печатных работ, в том числе 9 -в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 7 глав, основных выводов, списка цитируемой литературы из 99 наименований и изложена на 156 страни-

цах машинописного текста, содержит 80 рисунков и 44 таблицы.

Автор благодарит коллектив Центра сталей для труб и сварных конструкций ФГУП «ЦНИИчермет им. И.П. Бардина» за ценные теоретические и практические советы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, показаны основные направления развития сталей для труб большого диаметра, отмечена роль термомеханической обработки и ускоренного охлаждения. Сформулирована цель диссертационной работы, представлены задачи, решаемые при достижении цели, методы исследования, научные результаты и практическая ценность работы.

Первая глава представляет собой обзор состояния производства листового проката для газонефтепроводных труб большого диаметра из низколегированных сталей. Рассмотрены требования, предъявляемые к прокату для труб большого диаметра класса прочности К60. Отмечена необходимость сочетания высокой прочности (ав> 590 МПа) и текучести (от> 500 МПа) с хорошей вязкостью {КСЧ1а > 98 Дж/см2), пластичностью (55 > 22%), хладостойкостью (ИПГ20 > 90%) и свариваемостью (С < 0,43). Такой комплекс свойств может быть достигнут у малоперлитных кремний-марганцовистых сталей, микролегированных ниобием (до 0,06%) и ванадием (до 0,12%) типа 10Г2ФБ с содержанием серы не более 0,006%. Типичная микроструктура таких сталей ферритно-перлитная (перлит до 15%). Традиционной технологией производства такой стали является низкотемпературная контролируемая прокатка. Основными механизмами упрочнения микролегированной стали контролируемой прокатки являются зернограничное упрочнение (> 42%), дисперсионное упрочнение (25%) и твердорастворное упрочнение (20%).

К недостаткам такой стали относится полосчатость микроструктуры, и относительно невысокий уровень ударной вязкости, не удовлетворяющий современным требованиям, что не всегда обеспечивает необходимую надежность трубопроводов из ферритно-перлитной стали. Современная концепция развития сталей класса прочности К60 предполагает использование более прогрессивной технологической схемы, включающей прерывание деформации выше точки Аг3 и последующего ускоренного охлаждения до температуры ~550°С. В этом случае микроструктура стали становится ферритно-бейнитной и исчезает полосчатость. Кроме того, возможно более экономное легирование марганцем при снижении содержания углерода, микролегировании и ускоренном охлаждении, что улучшает свариваемость и повышает ударную вязкость и пластичность.

Стан 2800 ОАО «Уральская сталь» не оснащен установкой ускоренного охлаждения и мало приспособлен для термодеформационной обработки из-за низких допустимых усилий деформации и крутящих моментов в черновой и чистовой клетях. Ещё одной важной характеристикой прокатного стана является его производительность, а также качество проката, как по отсутствию дефектов поверхности, так и по сплошности макроструктуры, выявляемой УЗ-контролем.

Таким образом, обоснована необходимость разработки металловедческой концепции реконструкции стана 2800, включающая разработку нового состава стали класса прочности К60 и технологических решений, направленных на экономное легирование металла, повышение производительности оборудования стана и улучшение качества листового проката. Результаты изложенного анализа послужили основанием постановки цели работы и задач исследования.

Вторая глава посвящена обоснованию выбора сталей для исследования и описанию методик, использованных при выполнении диссертационной работы.

Основной сталью для производства труб большого диаметра, принятых ОАО «Газпром» и ОАО «Транснефть» для строительства магистральных газонефтепроводов, является сталь класса прочности К60 типа 10Г2ФБ (10Г2ФБЮ), поэтому она послужила базовым материалом, использованным в настоящей диссертационной работе. В табл. 1 представлены химические составы шести исследованных материалов, изготовленных на основе стали типа 10Г2ФБ (10Г2ФБЮ) в лабораторных и промышленных условиях.

Таблица 1. Химический состав исследованных сталей класса прочности К60

Агрегат деформации С Мп 81 в Р А1 И ЫЬ V № Си Сг N Режим прокатки

Стан 2800 10Г2ФБ 0,080,12 1,521,67 0,410,50 0,004 0,0080,012 0,0300,038 0,0120,019 0,040,05 0,080,09 0,160,18 0,170,26 0,160,25 0,0090,012 КП

Стак 2800 10Г2ФБ 0,080,09 1,451,55 0,460,50 0,005 0,015 0,020,04 0,010,02 0,040,05 0,070,08 0,20 0,20 0,20 0,010 КП+УО

Стан 300 07Г2ФБ 0,062 1,55 0,36 0,002 0,009 0,03 0,020 0,06 0,07 - - 0,006 КП+УО

Стан 300 10Г2ФБ 0,095 1,49 0,53 0,002 0,011 0,03 0,021 0,06 0,07 - - 0,007 КП

Стан 300 07Г2Б 0,063 1,60 0,34 0,002 0,010 0,035 0,022 0,07 - - - 0,007 КП+УО

Стак 2800 07Г2Б 0,080,10 1,551,65 0,250,35 0,002 0,010 0,020,05 0,0150,030 0,050,06 - 0,10 0,10 0,10 0,008 КП+УО

В изготовленных плавках варьировали содержание С и Мп, добавки элементов твердорастворного упрочнения, повышающих устойчивость аустенита (Сг, N1, Си) и микролегирующие элементы (МЬ, V, Т1). Две плавки - одна лабораторная и одна промышленная, были выполнены без микролегирования ванадием.

Промышленные плавки выплавлялись в электродуговых 100-т модернизированных печах ОАО «Уральская сталь» с использованием до 50% жидкого чугуна и с продувкой кислородом (3000 м3/ч). Внепечную обработку проводили в установке ковш-печь с использованием продувки аргоном и обработкой кальцийсодержащей проволокой. Лабораторные плавки изготавливали в 30-кг вакуумных индукционных печах в ЦНИИчермет им. И. П. Бардина. Промышленные плавки разливали на МНЛЗ с кристаллизатором сечением 190x1200, лабораторные - в слитки массой 10 кг размером 80x90x210 мм.

Прокатку промышленных плавок проводили на стане 2800 ОАО «Уральская сталь» до реконструкции по низкотемпературному режиму контролируемой прокатки с окончанием деформации в (у+а)-области, после реконструкции стана 2800 - по режимам термомеханической обработки с использованием установки ускоренного охлаждения. Прокатку в лабораторных условиях осуществляли на стане ДУО 300 по продольной схеме, как правило, с ускоренным охлаждением.

Испытания на растяжение промышленных образцов осуществляли на поперечных плоских образцах типа II по ГОСТ 1497, а лабораторных образцов на поперечных 5-кратных диаметром 5 мм с длиной рабочей части 25 мм по ГОСТ 1497. Испытания на ударную вязкость проводили на поперечных образцах тип 11 по ГОСТ 9454. Микроструктуру исследовали методами оптической микроскопии Кео£Ы-21, сканирующей электронной микроскопии (СЭМ, НопЬа ЕМАХ-8500Е) и просвечи-

вающей электронной микроскопии (ПЭМ, YEM 200 СХ). При исследовании микроструктуры травление образцов осуществляли в 4%-м растворе азотной кислоты в этиловом спирте. Для выявления границ бывших аустенитных зерен образцы закаливали и отпускали при температуре отпускной хрупкости. Затем травили в течении 2-3 мин при температуре 60-70 °С в водном растворе пикриновой кислоты с добавлением ингибиторов. Оценку величины зерен проводили с использованием программного обеспечения ImageExpert Pro 3 по ГОСТ 5639. Оценку твердости осуществляли по методу Виккерса при нагрузке 50 кг в соответствии с ГОСТ 2999. Испытания падающим грузом (ИПГ) проводили при температуре -20 °С по ГОСТ 30456.

Для построения термокинетических диаграмм распада переохлажденного ау-стенита использовали деформационный дилатометр BaHR-805.

Свариваемость сталей исследовали по методике имитации термического цикла сварки. Исследовали микроструктуру и свойства металла околошовной зоны (ОШЗ) сварного соединения.

Третья глава посвящена анализу текущего производства листового проката класса прочности К60 по режимам низкотемпературной контролируемой прокатки и металловедческому обоснованию коренной реконструкции стана 2800. Исследование проводили в двух направлениях: оптимизации химического состава стали и повышения эффективности режимов контролируемой прокатки. Материалом исследования служили близкие по составу и механическим свойствам стали типа 10Г2ФБ и 10Г2ФБЮ с добавками хрома (0,16-0,25%), никеля (0,16-0,18%), и меди (0,170,26%), содержащие серу не более 0,004%, фосфор не более 0,012% и азот не более 0,011%. Температура нагрева составляла 1126-1240 °С, толщина подката перед чистовой клетью не менее четырех кратной номинальной толщины листа. Температура начала чистовой прокатки 850-860 °С, а окончания 720-760 °С. Механические свойства листового проката не всегда соответствовали требованиям нормативной документации. Анализ показал, что основное количество случаев получения неудовлетворительных результатов характеризуется сочетанием прочностных свойств (в основном, временное сопротивление) выше нормируемого уровня с величиной относительного удлинения ниже нормируемого уровня. Величину ударной вязкости и долю вязкой составляющей в изломах образцов ИПГ обеспечивали с запасом. Выявлено, что на прочностные характеристики, пластичность и ударную вязкость существенное влияние оказывает углеродный эквивалент (рис. 1). Температурный режим прокатки в клети КВАРТО задавали в зависимости от величины углеродного эквивалента.

Рис. 1. Влияние величины углеродного эквивалента на прочностные свойства, пластичность и ударную вязкость листовой стали 10Г2ФБЮ толщиной 12,9 мм

На рис. 2 приведено влияние Сэ на выход годного листового проката класса прочности К60 по механическим свойствам. Поэтому для увеличения выхода годных листов по механическим свойствам необходимо было скорректировать химический состав и технологический регламент прокатки.

С целью поиска дополнительных средств стабилизации механических свойств сталей класса прочности К60 выполнили исследования по влиянию содержания кремния, титана, азота, углерода и марганца при прокатке листов без последующего ускоренного охлаждения.

При повышении содержания кремния до 0,40—0,50% по сравнению со стандартным содержанием 0,26-0,29% в листовом прокате увеличилось количество случаев с завышенным пределом текучести (590-605 МПа) и одновременным снижением величины относительного удлинения (19-21%) в среднем на 10%. Таким образом, увеличение содержания кремния не дало положительного результата с точки зрения получения необходимого комплекса механических свойств.

Рис. 2. Влияние углеродного эквивалента (Сэкв) на выход годного по механическим свойствам стали К60 (после контролируемой прокатки)

Известно существенное влияние содержания азота на механические свойства низколегированных сталей. Для оценки влияния массовой доли азота на механические свойства листов класса прочности К60 в связи с большим сродством азота к титану и исключения их взаимного влияния проводили исследования на плавках с содержанием титана в узких пределах (0,02-0,03%). Для исключения влияния технологических факторов анализ механических свойств проводили для листов, прокатанных при одинаковой температуре начала и завершения чистовой прокатки. В результате выполненных исследований выявлено четкое влияние массовой доли азота на механические свойства стали. При увеличении массовой доли азота отмечено повышение предела текучести и понижение временного сопротивления, в результате чего резко увеличивается отношение предела текучести к временному сопротивлению. Из полученных результатов следует что, для стабилизации механических свойств сталей типа 10Г2ФБ, 10Г2ФБЮ необходимо производить выплавку металла с массовой долей азота не более 0,008%.

Анализ результатов механических испытаний листов, прокатанных из плавок с повышенной долей углерода (0,10-0,12%) и марганца (1,52-1,67%) показал, что отсутствуют листы с пониженным пределом текучести и резко уменьшилось количество листов с пониженным временным сопротивлением (с 26,3 до 1,9%) и повышенным отношением предела текучести к временному сопротивлению (с 36,4 до 0,9%). Несколько уменьшилось количество листов с пониженным относительным удлинением (с 32,2 до 30,4%), но ухудшилась ударная вязкость при отрицательных температурах.

На основании проведенного анализа для промышленного производства методом контролируемой прокатки без ускоренного охлаждения рекомендован химический состав (табл. 2) стали класса прочности К60 (ат> 500 МПа), обеспечивающий требуемые механические свойства листового проката.

Таблица 2. Рекомендуемый химический состав

Массовая доля химических элементов,%

С Si Мп V Nb Al Ti Cu Cr Ni S P N

не более

0,080,09 0,400,50 1,451,55 0,050,06 0,070,08 0,020,05 0,010,02 0,20 0,20 0,20 0,005 0,015 0,008

Проведены исследования влияния технологических параметров контролируемой прокатки на выход годного листового проката по механическим свойствам.

Минимизация вредного влияния водорода на относительное удлинение и дефекты УЗ-контроля осуществляется в результате применения специальных режимов замедленного охлаждения (ПФО) прокатанных листов в интервале температур 450100 °С непосредственно после прокатки (рис. 3).

Рис.3. Влияние содержания водорода в жидкой стали на отсортировку штрипса класса прочности К60 толщиной 15,4-19,3 мм по дефектам, выявляемых при УЗК: а - без замедленного охлаждения; б - с замедленным охлаждением

Существенное влияние на свойства стали оказывает режим черновой стадии прокатки. На рис. 4 показано влияние степени деформации в последних 3-х проходах в клети ДУО по двум схемам деформации: с частными деформациями более 12% и с частными деформациями менее 10%. При прочих одинаковых условиях термодеформационного режима прокатки средний размер действительного зерна феррита в случае схемы с частными деформациями более 12% в последних проходах черновой прокатки составляет 7 мкм против 8 мкм в случае прокатки по схеме с частными деформациями менее 10%.

■ относ ител ьные обжатия в 3-х последних проходах ДУО >12%

528

J491

i

I

Предел текучести

Временное ;опротивление

Относительное удлинение

Рис. 4. Зависимость прочности и пластичности стали класса прочности К60 толщиной 15,7 мм от

величины относительного обжатия в черновой клети ДУО листовой

Полученные данные наряду с расчетами классической механики позволили сделать металловедческое обоснование реконструкции стана 2800 и рассчитать для него необходимые усилия деформации (табл. 3).

Таблица 3. Металловедческое обоснование реконструкции стана 2800

Агрегат Форма реконструкции Влияние на производительность стана Металловедческое обоснование повышения свойств проката

Методическая печь -ввод средств автоматизации; -поддержание заданной температуры в зоне Снижение продолжительности нагрева Снижение роста зерна аустенита

Клеть ДУО (черновая клеть) Увеличение суммарной мощности клети с 1148 до 3350 кВт и допустимого давления на валки Уменьшение продолжительности деформации Измельчение рекри-сталлизованного зерна аустенита

Клеть КВАРТО (чистовая клеть) Увеличение суммарной мощности клети с 5 520 до 10 000 кВт и допустимого давления на валки Уменьшение продолжительности деформации Увеличение площади границ зерен аустенита и введение полос деформации

Установка ускоренного охлаждения Скорость охлаждения в зависимости от толщины от 5 до 42 град/с. Новый агрегат. Повышение производительности стана Измельчение зерна феррита, обеспечение у-а-превращения в бейнитной области, снижение полосчатости до балла 1

ПФО Замедленное охлаждение раскатов Снижение напряжений в металле; ускорение диффузионных процессов и удаления водорода

Гидросбив Увеличение давления с 14,7 до 20 МПа Уменьшение количества дефектов поверхности Уменьшение поверхностных дефектов и снижение брака образцов при испытаниях

В четвертой главе приведены результаты разработки технологических режимов термомеханической прокатки с последующим ускоренным охлаждением и результаты освоения производства листовых сталей класса прочности К60 для труб газонефтепроводов. На рис. 5 приведена термокинетическая диаграмма стали типа 10Г2ФБ, которая показывает, что ферритно-бейнитная (бесперлитная) структура образуется в интервале скоростей охлаждения 8-25 °С/с.

Термомеханическая прокатка на стане 2800 ОАО «Уральская сталь» предполагает при нагреве слябов за счет использования микролегирования стали титаном и ниобием и выбора соответствующего температурного режима ограничить рост зерна аустенита, которое при последующей многократной деформации в области температур 1150-950 °С (выше температуры остановки рекристаллизации) превращает-

ся в мелкое рекристаллизованное зерно аустенита. Причем частные деформации в последних проходах черновой прокатки должны быть не менее 12%. Последующая пластическая деформация в нижней части аустенитной области в условиях подавления рекристаллизации позволяет увеличить эффективную поверхность зерен, которые вследствие накопленной деформации приобретают вытянутую форму и высокую плотность несовершенств кристаллической решетки (в том числе, полос скольжения). Таким образом аустенит в деформированном состоянии имеет большое количество потенциальных мест зарождения ос-фазы. Поэтому для получения высоких эксплуатационных характеристик вследствие максимального измельчения структуры оптимальной температурой окончания пластической деформации считается область метастабильного аустенита (выше точки фазового превращения не более чем на 20—30 °С). Использование ускоренного охлаждения сразу после окончания пластической деформации в однофазной области позволяет реализовать возможные механизмы измельчения образующейся а-фазы (ферритных зерен и колоний бейнита) и/или формирования её оптимальной субструктуры.

Рис. 5. Термокинетическая диаграмма листового проката стали типа 10Г2ФБ

Основными технологическими параметрами при использовании контролируемой прокатки с ускоренным охлаждением, определяющими свойства готового проката, являются температура нагрева, температурный интервал черновой и чистовой стадий прокатки, толщина подката перед чистовой стадией прокатки, температурный интервал и скорость последеформационного охлаждения. Увеличение интенсивности охлаждения позволяет получить дисперсную ферритно-бейнитную микроструктуру и обеспечить высокую прочность и хладостойкость штрипса.

Для промышленного производства листового проката класса прочности К60 из стали типа 10Г2ФБ был предложен следующий регламент:

- рекомендуемый химический состав стали (мае. %): углерод 0,06-0,08; марганец 1,55-1,70; кремний 0,20-0,35; ванадий 0,05-0,07; ниобий 0,06-0,08; сера н.б. 0,002; фосфор н.б. 0,015; никель, медь, хром н.б. 0,20; азот н.б. 0,008; титан 0,02-0,03; алюминий 0,02-0,05;

- нагрев слябов под прокатку производить по режиму, приведенному в таблице 4.

- частные обжатия после разбивки ширины в клети ДУО не менее 12% в каждом из трех последних проходов;

- прокатку в черновой клети ДУО производить без остановок и промежуточных подстуживаний;

Таблица 4. Режим нагрева под прокатку

Температура по зонам, °С

1-я сварочная 2-я сварочная Томильная Нижняя сварочная Нижняя томильная

850-1050 1160-1220 1190-2100 900-1050 1090-1140

- толщина подката должна соотвавлять не менее четырехкратной номинальной толщины готового проката;

- температура окончания чистовой прокатки в клетях КВАРТО 820-830 °С;

- температура окончания ускоренного охлаждения 550-600°С;

- скорость охлаждения 15-20 °С/с.

Как показали эксперименты, проведенные в промышленных условиях, темпе-ратурно-деформационные режимы контролируемой прокатки температурные режимы и интенсивность ускоренного охлаждения являются достаточно эффективными управляющими факторами.

В табл. 5 приведены результаты сдаточных испытаний на растяжение штрипса из стали 10Г2ФБ толщиной 17,8 и 21,2 мм, а на рис. 6 показано изменение уровня ударной вязкости КСУ20 листовой стали класса прочности К60, прокатанной по технологии КП и КП+УО. Применение технологии КП+УО позволяет повысить уровень ударной вязкости более чем в два раза. Значения КСУ"20 приведены ниже:

- до реконструкции (технология КП) 50-230 Дж/см2;

124

- после реконструкции (технология КП+УО) Дж/см2.

Таблица 5. Результаты сдаточных испытаний механических свойств листовой стали класса прочности К60, изготовленной по технологии КП+УО

Механические свойства

Толщина проката, мм Предел текучести, Временное Относительное

МПа сопротивление, Мпа удлинение,%

Требования 500-600 590-690 Не менее 22

17,8 530-605 600-700 22-25

571 643 22,9

21,2 530-605 625-685 22-25

579 656 22,9

Оценку сопротивления вязкому и хрупкому разрушению проводили по результатам сериальных испытаний образцов Шарпи и ИПГ (рис. 7). Видно, что листы толщиной 17,8 мм после КП+УО сохраняют полностью вязкий излом до -40 °С при очень высоком уровне значений ударной вязкости не менее 300 Дж/см2.

18

г* 16

CD 14

41

ГО 12

т

>• 10

5 8

го

н о 6

ь 4

га

т 2

1КП ■ КП+УО

lili ni».! ti i

It

_

20 40 60 SO 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400

Ударная вязкость KCV"20, Дж/см2

Рис. 6. Результаты испытаиий на ударный изгиб с острым надрезом (KCV20) листов, прокатанных по технологии КП и КП+УО на стане 2800 ОАО «Уральская сталь» на класс прочности К60

Повышения прочностных характеристик без уменьшения вязкости можно добиться за счет изменения соотношения структурных составляющих. Так увеличение количества бейнита в структуре металла с 20 до 60% способствует повышению временного сопротивления на 40 МПа.

На прочность самого бейнита влияет ряд его структурных характеристик, из которых при постоянном содержании углерода определяющими являются размеры бейнитной рейки, плотность дислокаций и дисперсность карбидов. Применительно к низкоуглеродистому бейниту, прочность которого практически полностью контролируется размером бейнитной рейки, длина которой, в свою очередь, зависит от размера исходного зерна аустенита.

КП+УО

-60 -40 -20 О

температура испытания, оС

450 400 ЯГ

У

< (

♦ КП «КП+УО —

б

-60 -40 -20 0 20

температура испытания, оС

3" 2

Рис. 7. Сериальные кривые ударной вязкости листов из стали класса прочности К60, построенные по результатам испытаний образцов Шарпи (я) и образцов ИПГ (б)

Освоенная технология контролируемой прокатки с окончанием в нижней части аустенитной области с последующим ускоренным охлаждением позволила полностью решить проблему полосчатости (рис. 8), нормирование которой характерно практически для всего производимого штрипсового проката.

7* М

Рис. 8. Микроструктура листового проката класса прочности К60 (х500), полученного: а- контролируемой прокаткой с окончанием в двухфазной области; ¿»-контролируемой прокаткой с окончанием в однофазной области и последующим ускоренным охлаждением

Анализ соотношения структурных составляющих микроструктуры проката, изготовленного с использованием различных режимов деформации и охлаждения показал (рис. 9), что при производстве листов в толщинах от 15,9 до 29,3 мм из стали класса прочности К60 для получения заданных механических свойств оптимальным соотношением структурных составляющих является не менее 50% феррита квазиполигонального и полигонального (мелкозернистого) и 45-50% низкоуглеродистого бейни-та + игольчатого феррита. Такое соотношение является оптимальным для достижения уровня прочности 640-660 МПа при относительном удлинении не менее 22%.

Следует также отметить высокую однородность механических свойств листов, произведенных с использованием нового (реконструированного) оборудования и освоенных технологий, как по площади одного листа (рис. 10), так и от листа к листу в партии (рис. 11).

Для создания особохладостойкого (до температуры -40 °С) толстолистового проката для труб КС «Портовая» диаметром 720 мм, удовлетворяющего кроме стандартных требований к листовому прокату Х70 более жестким требованиям по ударной вязкости: КСУ"40 > 200 Дж/см2, ИПГ(-40 °С) > 90%, с^Оц < 0,88 (поперечные образцы), и дополнительным требованиям по равномерному удлинению (>10%), относительному сужению (>70%) и СТО О (не менее 0,20 мм при -20 °С) был разработан химический состав стали, отличающийся пониженным содержанием углерода до 0,06-0,07%, и, учитывая большую толщину проката 29,3 мм - сбалансированным легированием элементами, повышающими устойчивость аустенита - марганцем (до 1,7%), никелем (до 0,5%) молибденом (до 0,10%) и экономным микролегированием: ниобием (до 0,05%), ванадием (до 0,04%) и титаном (до 0,02%). Также было ограничено содержание вредных примесей (серы до 0,002%, фосфора до 0,010%) для повышения сопротивления хрупкому и вязкому разрушению стали.

25 24 23 22 * 21 m •О 20 19 18 17 16

•

<-1

20 40 60 80 100 Объемная доля феррита, %

740 720 га 700 С 2 680 О 660 640 620

•

•

• •

• •

0 20 40 60 80 100 Объемная доля феррита, %

•

N

* •

.5

О 20 40 60 80 100

Объемная доля феррита, %

В1/4 левой стороны □середина

1 2 3 4 5

место отбора проб по длине л иста

■ 1/4 левой стороны □ середина

■ 1/4 правой стороны

1 2 3 4 5

место отбора проб по длине л иста

Рис. 9. Влияние объемной доли феррита на механические свойства листового проката толщиной 17,8 мм класса прочности К60

Рис. 10. Распределение механических свойств по площади листа толщиной 18 мм из стали класса прочности К60

600

го

I 550 | 500

¥ 450 >>

| 400 | 350

01

О- 300

Ш1/4 левой стороны □ середина ■ 1/4 правой стороны

1 2 3 4 5 место отбора проб по длине листа

-д

и л ^ /

1 2 3 4 3 б 7 В 9 10 11 12 1.3 М 1! 16

номер раскзтэвпаргии

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 номер раската в партии

2 1 Л 3 б 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

номер раската в партии

Рис. 11. Распределение механических свойств в партии листового проката толщиной 17,8 мм из стали класса прочности К60

В табл. 6 приведен фактический химический состав опытной плавки особо хладостойкой стали класса прочности Х70.

Таблица 6. Химический состав стали класса прочности Х70

Класс прочности Массовая доля химических элементов,%

О ¡75 с сл и 2 3 и Р < 2: 1 > о 2

о г-X о о" тГ <4 о ГП ЧО 0,008 0,002 о о" гм го о' о" 0,014 0,031 0,008 о о' 0,023 0,052

Технология производства, включающая в себя нагрев слябов под прокатку до 1180-1200 °С, прокатку в клети ДУО и КВАРТО с регламентированными обжатиями, толщиной подката, равной 3,5—4 кратной толщине листа и температурой конца прокатки ниже 800 °С, ускоренное охлаждение до температур ниже 600 °С позволила получить высокий уровень механических свойств (табл. 7).

Испытания на СТСЮ показали полное соответствие произведенных листов требованиям ТС 13657842-301-2010 (при требованиях критического раскрытия в вершине трещины не менее 0,2 мм фактические результаты составили 1,05—1,91 мм).

Таблица 7. Механические свойства опытной партии листов из стали класса прочности Х70 толщиной 29,3 мм, прокатанной по оптимальным режимам

Плоские поперечные разрывные образцы ИПГ40% КСУ40,

а, МПа т' а, МПа 65,% а /а т в Равномерное удлинение,% Дж/см2

Резуль- 465-560 600630 618 22-27 0,750.88 0,82 11-18 90-100 275-394

таты 505 24,5 15,3 95,1 339

Требования 460-580 570670 >22,5 <0,88 >10 >90 >200

В пятой главе приводятся результаты исследований безванадиевой стали класса прочности К60, микролегированной только ниобием. Исследования проводили на лабораторных плавках. Одна плавка была микролегирована ниобием, две другие ниобием и ванадием, причем одну плавку выполняли по режиму контролируемой

прокатки с окончанием деформации при температуре 745 °С с дальнейшем охлаждением на воздухе, а другую - с ускоренным охлаждением до 550 °С. Было применено две температуры нагрева: 1240 и 1170 °С. Схемы прокатки приведены на рис. 12.

Рис. 12. Схемы прокатки опытных сталей

Одним из основных технологических факторов, влияющих на комплекс механических свойств, является температурный режим нагрева под прокатку.

Рис.13. Влияние повышения температуры нагрева под прокатку с 1170 до 1240°С на прочностные характеристики стали, обработанной по режимам КП и КП+УО

На рис. 13 показаны механические свойства опытных сталей, нагретых до температур 1170 и 1240 °С. Видно, что температура нагрева оказывает значительное влияние на прочностные свойства всех исследованных сталей. Повышение температуры нагрева с 1170 до 1240 °С привело к увеличению предела текучести на 10 60 МПа, временного сопротивления на 15-60 МПа. Максимальное увеличение прочностных свойств получено на стали без ванадия, обработанной по режиму КП+УО, а минимальное - на стали с ванадием и ниобием после КП. Закономерности влияния температуры нагрева на относительное удлинение не было выявлено; при этом повышение температуры нагрева оказало сильное влияние на ударную вязкость всех опытных сталей (рис. 14).

С'-Мп^Ь-У

Температура испытании, *С

КП

-1240' -1170'

5 1ьи 3 1«

6 120 100

80 60 40 20

3 -60 -40 -20 Температура испытания, 'С

КП+УО

-1240' -1170'

С|-Мп-№

200 1 но

1Е 160 =5 140 6 120

1 100

: во

5 бо

I 40

г го

-1240' -1170'

Рис.14. Влияние температуры нагрева под прокатку на ударную вязкость стали, обработанной но режиму КП и КП+УО

) -60 -40 -20 0 Температура испытания, °С

КП+УО

При обработке по режиму контролируемой прокатки без ускоренного охлаждения наблюдается снижение ударной вязкости приблизительно в два раза во всем исследуемом интервале температур. Микроструктура сталей после высокого нагрева (1240 °С) и КП+УО характеризуется уменьшением доли полигонального феррита, увеличением количества игольчатого феррита (низкоуглеродистого бейнита) и его укрупнением (рис. 15).

Рис. 15. Уменьшение размеров колоний бейнита при понижении температуры нагрева с 1240 °С (а) до 1170 °С (б), режим КП+УО

Проведенное сравнение механических свойств стали, микролегированной ниобием и ванадием, со сталью, микролегированной ниобием (образцы изготовлены по технологии КП+УО, температура нагрева под прокатку 1170 °С), показало, что дополнительное микролегирование не привело к повышению прочностных свойств (см. рис. 13). Использование более высокой температуры нагрева также не показало существенной разницы между двумя вариантами химического состава.

Было установлено, что дополнительное микролегирование стали ванадием не приводит к изменению микроструктуры стали, микролегированной одним ниобием.

Применение ускоренного охлаждения привело к увеличению прочностных свойств: предела текучести на 33 МПа, временного сопротивления на 20 МПа. Относительное удлинение возросло на 4,5%. Типичная микроструктура стали после КП и КП+УО представлена на рис. 16.

Микроструктура полос, обработанных по режиму КП, представляет собой ферритно-перлитную смесь с объемной долей перлита =15-20%. Зерна феррита правильной полигональной формы с малой плотностью дислокаций. В структуре также наблюдается полосчатость, соответствующая 3 баллу по ГОСТ 5640. Применение ускоренного охлаждения устранило структурную полосчатость стали. В структуре присутствует игольчатый феррит и бейнит и небольшая объемная доля полигонального феррита (данные ПЭМ).

Рис. 16. Микроструктура стали после КП (а) н КП+УО (б)

Понижение температуры завершения ускоренного охлаждения привело к увеличению прочностных свойств и незначительному повышению ударной вязкости.

Проведенное исследование показало, что микролегирование стали ванадием не вносит значительного вклада в упрочнение стали.

По результатам структурных исследований сделали оценку вклада различных механизмов в упрочнение стали, микролегированных как одним ниобием, так и ниобием + ванадием, и обработанной по режиму КП+УО.

В результате расчетов с использованием известных уравнений получили, что основными механизмами упрочнения для обеих сталей являются:

- зернограничное упрочнение 42%

- упрочнение дисперсными частицами 25%

- легирование феррита 20%

Шестая глава посвящена сравнительному анализу свариваемости сталей класса прочности К60 традиционной, микролегированной ниобием и ванадием, и безванадиевой стали, микролегированной только ниобием. Обе стали обработаны по технологии контролируемой прокатки с ускоренным охлаждением. Изучение свариваемости проводилось на основе моделирования термических циклов и физических процессов, протекающих при сварке в околошовной зоне (ОШЗ). Свариваемость оценивали путем установления характера влияния скорости охлаждения (тепловложения при сварке) на структуру и свойства металла ОШЗ.

Для определения свариваемости проведен комплексный анализ:

- кинетики фазовых превращений аустенита в условиях различных термических циклов сварки и связанных с ними изменений микроструктуры;

- механических свойств металла ОШЗ;

- склонности стали к образованию холодных трещин.

Кинетику превращения аустенита в процессе непрерывного охлаждения металла ОШЗ при сварке оценивали на основе построения и анализа диаграмм анизо-термического превращения аустенита.

Рис. 17. Кинетика превращения аустенита в металле околошовной зоны стали класса прочности К60 с ]\Ь (1) и с 1ЧЬ+У (2) в зависимости от скорости охлаждения после сварки (а); Изменение ударной вязкости металла околошовной зоны сталей класса прочности К60 с 1ЧЬ (1) и с 1ЧЬ+У (2) в зависимости от скорости охлаждения после сварки при температуре испытания -20 °С (б)

Нагрев металла околошовной зоны до 1300 °С приводит к гомогенизации состава стали и значительному росту зерна, минимизирует существенное влияние предыдущих видов деформационной и термической обработок на структурное состояние и механические свойства металла этой зоны.

Основными факторами, определяющими структурное состояние и механические свойства металла околошовной зоны, является химический состав и скорость охлаждения при сварке.

Из сравнения кинетических диаграмм превращения аустенита в металле околошовной зоны стали класса прочности К60, микролегированной ниобием (без ванадия) видно, что обе плавки имеют развитую область бейнитного превращения, структура которого присутствует во всем исследованном интервале скоростей охлаждения. Отличительной особенностью диаграмм является то, что температура начала и окон-

чания всех превращений в околошовной зоне стали с ниобием и ванадием на 10-15 °С выше, чем в стали без ванадия, а только с ниобием.

Сравнительный анализ изменения ударной вязкости металла околошовной зоны в зависимости от температуры испытания при различных скоростях охлаждения после сварки двух плавок стали класса прочности К60 показал, что максимальный уровень ударной вязкости этих плавок находится в интервале скоростей охлаждения 10-100 °С/с (рис. 17).

При этом значения ударной вязкости при скорости 10 °С/с (соответствующей автоматической сварке под флюсом) стали с ниобием и ванадием на 50 Дж/см2 ниже, чем без ванадия, и микролегированной только ниобием.

В седьмой главе приведены результаты промышленного опробования производства безванадиевой стали класса прочности К60 в условиях реконструированного стана 2800.

В табл. 8 представлены требования по механическим свойствам к листовому прокату класса прочности К60.

Сталь выплавлена в 100-т дуговой электропечи с 50% жидкого чугуна в шихте и продувкой кислородом. После внепечной обработки металл разливали непрерывным способом на слябы сечением 190х 1200 мм и затем прокатывали на стане 2800 по режимам термомеханической прокатки с последующим ускоренным охлаждением. Химический состав стали приведен в табл. 9.

Таблица 8. Требования по механическим свойствам листов из стали класса прочности К60

Класс прочности Механические свойства при растяжении Ударная вязкость, Дж/см2, не менее Доля вязкой составляющей на образцах ИПГ20,%, не менее

МПа аг МПа 8,. % лги-60 KCV'20

К60 590-700 480-590 22 68,6 98 90

Нагрев слябов производили в методических печах по низкотемпературному режиму 1160 °С). Прокатку в черновой клети проводили с относительной деформацией 13% (в трех последних проходах), в чистовой клети 13,5-16%. Степень деформации при температуре ниже температуры рекристаллизации составляла около 80%.

Температура конца чистовой прокатки была около 815 °С. Листовой прокат подвергали ускоренному охлаждению в интервале температур 800-620 °С и интенсивностью охлаждения 15 °С/с.

Таблица 9. Химический состав стали

Массовая доля химических элементов, не более или в пределах,%

С Si Мп S Р Сг Ni Си N V Nb Ti А1

Требования нормативной документации, не более или в пределах,%

<ч о" V) ■ч-о" о оо 0,008 0,015 о m о" о m о" о СП о* 0,010 оо о о оо о" m © о" 0,0100,050

Фактическое соде] ржание химических элементов в плавке

о о" >п CN о" (N 0,002 0,008 о о" VO О о" оо о" 0,008 0,003 0,072 0,026 0,039

Результаты испытания механических свойств листового проката представлены в табл. 10.

Таблица 10. Результаты испытаний механических свойств (основной объем плавки)

№ листа МПа ав> МПа 65,% т/ в КСиы\ Дж/см2 КСУ20, Дж/см2 ипг:о,%

Требования 490590 590700 >22 >0,90 >68,6 >98 >90

1 550 630 22,5 0,87 177 172 198 200 218 185 100 100

2 540 620 23,0 0,87 245 247 167 178 170 203 100 100

3 550 640 22,0 0,86 222 232 223 205 210 203 100 100

Проведены специальные сравнительные металлографические и, в том числе электронномикроскопические исследования структурного и субструктурного состояний ускоренного охлажденного листового проката из ванадиевой и безванадиевой стали. Микроструктурное состояние листового проката, полученного по технологии КП+УО, из плавки, содержащей ванадий (рис. 18, б), и из плавки, не содержащей ванадий (рис. 18, а), практически одинаковое. В обоих случаях это дисперсная феррит-но-бейнитная структура с отдельными участками перлита с размером зерна феррита 3-5 мкм. В субструктуре проката обоих типов (рис. 19) выявляется достаточно крупная фаза, представляющая собой карбонитриды ниобия; карбонитриды и карбиды ванадия в структуре не обнаружены. Это свидетельствует о том, что в случае применения технологии упрочнения листа - контролируемая прокатка с окончанием в нижней части аустенитной области (840-790 °С) и последующего ускоренного охлаждения (скорость охлаждения >15 °С/с), ванадий практически не участвует в дисперсионном твердении и, следовательно, не влияет на комплекс механических свойств штрипса.

Листовой прокат был отгружен потребителю. После изготовления труб диаметром 720 мм были отобраны пробы для оценки изменения механических свойств на трубном переделе. Результаты испытаний механических свойств в основном металле труб представлены в табл. 11

Таблица 11. Результаты испытаний механических свойств (основной металл труб)

. № листа МПа МПа 5,,% а о т/ в КСим, Дж/см2 КСУ 20, Дж/см2 ИПГ20,%

Требования 490590 590700 >22 >0,90 >68,6 >98 >90

7 510 590 26 0,86 183 192 187 173 177 212 100 100

8 560 640 28 0,88 190 217 212 160 222 158 100 100

9 550 630 29 0,87 217 220 197 183 222 240 100 100

10 540 620 24 0,87 227 202 170 182 190 225 100 100

11 560 630 24 0,89 208 195 167 195 200 160 100 100

Таким образом, установленно, что в промышленной партии листового проката в условиях ОАО «Уральская сталь» при изготовлении по технологии КП+УО с окончанием деформации в нижней части аустенитной области, ванадий практически не участвует в дисперсионном твердении и, следовательно, не влияет на механические свойства листа. Управляя параметрами ускоренного охлаждения, стали заданного химического состава без микролегирования ванадием, возможно получать механические свойства, нормируемые для класса прочности К60 как в листах, так и после изготовления труб большого диаметра.

Рис. 18. Микростуктура стали класса прочности К60, не содержащих ванадий (а) и содержащих ванадий (б)

Рис. 19. Тонкая структура феррита листов из стали класса прочности К60, прокатанных из плавки, содержащей ванадий (а) и из плавки, не содержащей ванадий (б, в, г) хЮООО

Выводы

1. Проведены исследования по оценке возможности производства высокопрочных листовых сталей на стане 2800 ОАО «Уральская Сталь». На основе проведенных исследований сделано металловедческое обоснование реконструкции стана 2800, разработаны режимы термомеханической прокатки и ускоренного охлаждения толстолистовых сталей класса прочности К60, разработан химический состав безванадиевой стали и опробован в промышленных условиях. Разработан химический состав стали Х70 для листов толщиной 29,3 мм для работы в условиях пониженных температур (-40 °С) и опробована технология его производства в промышленных условиях, уточнен состав ниобийванадиевой стали для толщин 11-22 мм и освоено ее промышленное производство.

2. Показано, что по свариваемости безванадиевая сталь класса прочности К60 не уступает традиционной ниобийванадиевой стали. При скоростях охлаждения, характерных для промышленной сварки толстостенных труб, ударная вязкость металла ОШЗ при -20 °С стали, микролегированной одним ЫЬ, выше чем для стали с (N13+V) на 50 Дж/см2, что связано с более дисперсным состоянием пластинчатого бейнита в микроструктуре ОШЗ стали без ванадия. Добавка ванадия в ниобийсодержащую сталь приводит к выделению карбонитридной фазы и обеднению твердого раствора по углероду, приводящего к снижению устойчивости аустенита и изменению морфологии бейнита на менее дисперсную зернистую форму, что и вызывает снижение ударной вязкости металла.

3. Установлено, что микроструктура безванадиевой и ниобий-ванадиевой стали после КП+УО практически одинакова. В обоих случаях это дисперсная феррит-но-бейнитная структура с отдельными участками перлита. Феррит в структуре обеих сталей присутствует в виде полигонального мелкозернистого (размер зерна 3-5 мкм), квазиполигонального и его объемная доля составляет до 45-55%. Бейнитная составляющая представлена в виде дисперсного низкоуглеродистого реечного бейнита и игольчатого феррита, объемная доля которых составляет в сумме 35^0%, встречаются отдельные участки тонкопластинчатого перлита, доля которых невелика.

4. Показано, что увеличение частной деформации за проход в конце черновой прокатки с 6-10% до 12% и более (в последних трех проходах) позволяет формировать более мелкое рекристализованное зерно аустенита в среднем на 8-10 мкм, повысить прочностные характеристики примерно на 20 Н/мм2, относительное удлинение на 2% (абс.), долю вязкой составляющей образцов ИПГ при температуре испытания -20 °С на 20%.

5. Установлено, что снижение температуры нагрева под прокатку с 1240 °С до 1170 °С повышает хладостойкость и ударную вязкость металла после термомеханической прокатки с ускоренным охлаждением на 30—40 Дж/см2 во всем диапазоне отрицательных температур, при этом ударная вязкость безванадиевой стали на 40-80 Дж/см2 выше чем для стали с (N15+V), одновременно прочностные характеристики сталей, микролегированных (N13+V) и одним N1}, снижаются соответственно на 20-60 Н/мм2.

Основное содержание изложено в следующих публикациях:

1. Степашин A.M., Кидяев C.B., Якушев Е.В., Пемов И.Ф. Освоение производства листового проката класса прочности К60 для газонефтепроводов в условиях ОАО «Уральская Сталь»: Сб. тр. Международного семинара «Современные стали для газонефтепроводных труб, проблемы и перспективы». Москва. 2006. С. 260-262.

2. Пемов И.Ф., Морозов Ю.Д., Якушев Е.В., Науменко A.A. Зырянов В.В., Лопат-кин В.А. Расширение технических возможностей производства современного высокопрочного штрипса после реконструкции сталеплавильного и прокатного переделов // Металлург. 2010. №2. С. 54-60.

3. Якушев Е.В., Зырянов В.В., Алексеев Е.М., Кулагин С.А. Морозов О.Н., Коновалова С.А. Модернизация системы вторичного охлаждения слябовой MHJI3-2 : Металлург. 2010. №2. С. 53.

4. Якушев Е.В., Гончаров В.В., Зырянов В.В., Кузнецов М.С. Пырова О.В. Исследование влияния параметров технологии внепечной обработки трубных сталей на уровень загрязнённости металла КАНВ : Металлург. 2010. №2. С. 47-49.

5. Якушев Е.В., Зырянов В.В., Коровин Б.М., Кузнецов М.С. Влияние чистоты используемого для продувки кислорода на содержание азота в стали, выплавленной в высокомощных ДСП ОАО «Уральская Сталь»: Металлург. 2010. № 2. С. 44-46.

6. Пемов И.Ф., Голи-Оглу Е.А., Якушев Е.В., Чижов В.М., Зырянов В.В. Совершенствование технологии производства штрипсовых марок на стане «2800» ОАО «Уральская Сталь»: Металлург. 2010. №7. С. 35^t0.

7. Якушев Е. В., Базаев Е. Л., Пемов И. Ф., Морозов Ю. Д. Опыт производства толстолистового проката для ТБД в условиях ОАО «Уральская Сталь» и оценка технологической возможности производства штрипса высоких классов прочности.: Сб. тр. Межд. Конф. «Производство, испытания и практическое использование труб большого диаметра категорий прочности X80YX90». Москва. 2011. С. 87-100.

8. Куклев А. В., Тиняков В. В., Лонгинов А. М., Энзель С. Э., Якушев Е. В., Коровин Б. М. Модернизация системы вторичного охлаждения слябовой MHJI3 ОАО «Уральская Сталь» : Металлург. 2011. № 2. С. 39-40.

9. Якушев Е. В., Зубов С. П., Кормишин А. М., Чижов В. М., Базаев Е. Л., Иванов Д. С., Пемов И. Ф., Нижельский Д. В., Науменко А. А. Разработка и опробование комплексной технологии производства корозионностойкого штрипса класса прочности К50-К52 в условиях ОАО «Уральская Сталь»: Сб. тр. Межд. Конф. «Микролегированные трубные стали для нефтегазовой отрасли - 2013». Москва. 2013. С.56-61.

10. Шабалов И. П., Якушев Е. В., Зикеев В. Н., Морозов Ю. Д. Разработка легирования и параметров контролируемой прокатки, обеспечивающих уровень механических свойств и хладостойкость трубной стали класса прочности К60 на стане 2800 ОАО «Уральская Сталь»: Металлург. 2013. №2. С. 59-62.

11. Пемов И. Ф., Нижельский Д. В., Науменко А. А., Якушев Е. В., Зубов С. П., Кормишин А. М., Шабалов И. П. Разработка и опробование комплексной технологии производства корозионностойкого штрипса класса прочности К50-К52 в условиях ОАО «Уральская Сталь»: Сталь. 2013. № 4. С. 58-63.

12. Нижельский Д.В., Науменко А. А., Морозов Ю.Д., Шабалов И. П., Якушев Е. В. Использование ускоренного охлаждения при термомеханической прокатке для экономного легирования стали класса прочности К60 (Х70): Металлург. 2013. №8. С. 63-69.

13. Назаров А. В., Якушев Е. В., Шабалов И. П., Морозов Ю. Д., Киреева Т. С. Сравнение свариваемости высокопрочных трубных сталей, микролегированных ниобием, ниобием и ванадием: Металлург. 2013. №10. С.56-61.

Подписано в печать 07.11.14. Формат 60x84 1/16 Бумага офсетная. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 104 Отпечатано в ООО «Металлургиздат» 105005, г. Москва, ул. Радио, 23/9