Формирование комплекса повышенной прочности и хладостойкости низкоуглеродистых микролегированных трубных сталей при термомеханической прокатке тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.01, кандидат технических наук Ильинский, Вячеслав Игоревич

• Ильинский, Вячеслав Игоревич
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Ильинский, Вячеслав Игоревич

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.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Формирование комплекса повышенной прочности и хладостойкости низкоуглеродистых микролегированных трубных сталей при термомеханической прокатке»

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.

Заключение диссертации по теме «Металловедение и термическая обработка металлов», Ильинский, Вячеслав Игоревич

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).

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Ильинский, Вячеслав Игоревич, 2006 год

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.