Исследование и разработка экономнолегированной трубной стали класса прочности К60 для стана 2800 ОАО "Уральская сталь" тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.01, кандидат наук Якушев, Евгений Валерьевич

• Якушев, Евгений Валерьевич
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Якушев, Евгений Валерьевич

ОГЛАВЛЕНИЕ:

стр.

ВВЕДЕНИЕ

1. Литературный обзор

1.1. Действующие и перспективные требования к нормативно- 11 технической документации на трубную заготовку и газонефтепроводные трубы

1.2. Механизмы упрочнения и их влияние на хладостойкость трубных 13 сталей

1.3. Стали для труб магистральных газопроводов

1.3.1 Влияние основных легирующих (углерод, марганец, кремний), 16 микролегирующих (ниобий, ванадий, титан) элементов и вредных примесей на прочностные свойства и хладостойкость стали

1.3.2. Влияние микроструктуры листового проката на прочностные 20 свойства и хладостойкость стали

1.3.3. Свариваемость трубных сталей

1.4. Технологические аспекты производства и их влияние на свойства 27 сталей труб магистральных трубопроводов

1.4.1. Классификация видов термомеханической обработки листового 27 проката (ТМО)

1.4.2 Металловедческие основы термомеханической обработки

1.4.2.1. Высокотемпературная (рекристаллизационная) и 28 низкотемпературная (контролируемая) прокатка

1.4.2.2. Низкотемпературная (контролируемая) прокатка с ускоренным 35 охлаждением

1.4.3. Методика расчета энергосиловых условий прокатки

2. Методики и материалы исследования

2.1. Методики исследования

2.1.1. Исследование механических свойств

2.1.2. Методы исследования микроструктуры

2.1.3. Методика изучения структурных превращений аустенита

2.1.4. Изучение влияния параметров ускоренного охлаждения на 52 структуру и свойства стали типа 10Г2ФБ путем имитации режимов контролируемой прокатки и ускоренного охлаждения. Имитация охлаждения толстого листа

2.1.5. Исследование микроструктуры дилатометрических образцов

2.1.6. Исследование свариваемости

2.2. Материалы исследования

3. Анализ влияния химического состава и технологических 57 параметров при прокатке на стане 2800 до его реконструкции на механические свойства, ударную вязкость и хладостойкость листового проката. Разработка металловедческой концепции реконструкции стана

4. Разработка технологии производства листового проката класса 79 прочности К60 (в том числе и особохладостойком исполнении) на реконструируемом стане 2800 с использованием установки

ускоренного охлаэедения

стр.

5. Изготовление и исследование лабораторных плавок безванадиевой 110 стали К60. Исследование влияния режимов ускоренного охлаждения

на механические свойства опытной стали и сравнительная оценка вклада различных механизмов упрочнения в прочностные характеристики стали

6. Сравнение свариваемости высокопрочных трубных сталей, 120 микролегированных ниобием, ниобием и ванадием

7. Освоение промышленного производства листового проката 130 экономнолегированной стали (без микролегирования ванадием) класса прочности К60 в условиях ОАО «Уральская Сталь

Выводы по работе

Список литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и разработка экономнолегированной трубной стали класса прочности К60 для стана 2800 ОАО "Уральская сталь"»

ВВЕДЕНИЕ

Интенсивное развитие нефтегазового комплекса промышленности, а также освоение новых месторождений и, соответственно, необходимость реконструкции старых и прокладка новых нефтепроводов в большой степени определяют и основные направления развития в отечественной металлургии. Различные климатические условия прокладки газонефтепроводов (в том числе экологический аспект) предполагают в первую очередь обеспечение высокой надежности эксплуатации труб. В свою очередь требования к листовому прокату, предназначенному для изготовления сварных труб, также изменяются в сторону повышения уровня прочностных свойств, низкотемпературной вязкости (КСУ"~20 до 100 Дж/см2), хладостойкости (ИПГ-40 > 90%), а также хорошей свариваемости и стойкости против коррозионного воздействия.

Новые требования к листовому прокату, необходимость получения высоких значений прочностных свойств и одновременно достижения высокого уровня вязкости требуют поиска новых технологических решений за счет совершенствования технологии металлургического передела в части оптимизации химического состава (шихты, легирующих и микролегирующих элементов) и разработки режимов термомеханической прокатки, в том числе и применения ускоренного охлаждения.

Большой вклад в разработку научных основ легирования сталей для газопроводных труб большого диаметра внесли труды Д.А. Литвиненко, С.А. Голованенко, М.Л. Бернштейна, Н.П. Лякишева, Ю.И. Матросова, П.Д. Одесского, В.Н. Зикеева, Л.И. Эфрона, Ю.Д. Морозова и других ученых.

Новые требования к листовому прокату предполагают создание новых сталей для магистральных газопроводов и, соответственно, постановки ряда новых металловедческих задач, решение которых необходимо осуществлять с учетом проведенной реконструкции технологического оборудования, прежде всего электросталеплавильного цеха и стана 2800 ОАО «Уральская Сталь».

ОАО «Уральская Сталь», созданное на базе Орско—Халиловского металлургического комбината, является одним из крупнейших промышленных предприятий с полным металлургическим циклом - производителем металлопродукции для различных отраслей промышленности России и зарубежных стран.

В общем объеме производства и поставки металлопродукции на долю производства трубных сталей приходится 45%, в том числе листового проката для производства сварных труб большого диаметра — 17% и трубной заготовки для бесшовных труб — 28%.

Наиболее крупными потребителями трубной заготовки являются: ОАО «Челябинский трубопрокатный завод», ОАО «Выксунский металлургический завод», ОАО «Синарский трубный завод», ОАО «Первоуральский Новотрубный завод».

Настоящая работа посвящена разработке необходимых основ технологии производства сталей для труб при реконструкции электросталеплавильного цеха и толстолистового стана 2800. Наряду с модернизацией основного технологического оборудования в потоке стана 2800 была введена в эксплуатацию установка ускоренного охлаждения, что существенно расширило технологические возможности получения заданного комплекса свойств листового проката, в первую очередь предназначенного для изготовления электросварных труб большого диаметра.

Использование ускоренного охлаждения при производстве листового проката на стане 2800 требует пересмотра подхода к выбору химического состава (легирования и микролегирования) и, соответственно, режимов термомеханической прокатки с использованием ускоренного охлаждения. Листовой прокат на базе ферритно—перлитной структуры не обеспечивает получение уровня прочности ств> 590 Н/мм2, стт> 480Н/мм2в сочетании с другими важнейшими показателями механических свойств (5 =22%; КСУ при 20 °С > 100 Дж/см2; доли вязкой составляющей в изломах образцов ИПГ > 60% при -20 °С). Для обеспечения данного комплекса свойств необходимо переходить к иному структурному состоянию материала - к сталям с дисперсной ферритно-бейнитной структурой, упрочненной частицами карбонитридных фаз ниобия и ванадия (либо без ванадия), прокатанных с применением термомеханической контролируемой прокатки с последующим ускоренным охлаждением. Переход к термомеханической прокатке с последующим ускоренным охлаждением предполагает и изменение легирования стали, в первую очередь, снижение роли углерода, как упрочняющего элемента, и возрастание значения более прогрессивных видов упрочнения, главным образом, измельчения зерна, дисперсионного и дислокационного упрочнения. Новые подходы к металлургическому переделу при изготовлении низколегированных сталей, предназначенных для изготовления сварных труб, должны обеспечивать высокую металлургическую чистоту стали по неметаллическим включениям и содержанию вредных примесей, в первую очередь серы (не более 0,005%).

Целью данной работы является 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 были выполнены следующие задачи:

1. Исследовано влияние химического состава и технологических параметров при прокатке на стане 2800 до реконструкции на механические свойства, ударную вязкость и хладостойкость листового проката и разработана металловедческая концепция реконструкции стана 2800.

2. Оптимизирован химический состав и разработаны технологические параметры, включая ускоренное охлаждение, и после реконструкции стана 2800 освоено промышленное производство стали класса прочности К60.

3. Разработан химический состав и технология термомеханической обработки производства листового проката повышенной толщины (более 29 мм) из стали класса прочности К60 (Х70) в особохладостойком исполнении (ИПГ ~40> 90%, KCV~40> 250 Дж/см2)

4. Разработан химический состав и технология производства безванадиевой стали класса прочности К60 и проведено промышленное опробование производства.

В диссертации получены следующие результаты, обладающие научной новизной:

1. Разработан состав и технология термомеханической прокатки с учетом особенностей расположения основных узлов оборудования реконструированного стана 2800 (ограниченное расстояние от чистовой клети до установки ускоренного охлаждения) экономнолегированной, с пониженным значением углеродного эквивалента стали К60, в том числе не содержащей добавок ванадия.

2. Установлено, что уменьшение 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, содержащей (Nb+V), одновременно прочностные характеристики сталей, микролегированных (Nb+V) и одним Nb, снижаются соответственно на 20-60 Н/мм2 .

3. Показано, что свариваемость разработанной безванадиевой стали превосходит свариваемость ниобий-ванадиевой стали класса прочности К60. При скоростях охлаждения, характерных для промышленной сварки труб, ударная вязкость металла околошовной зоны (ОШЗ) при 20 °С - стали, микролегированной одним Nb, выше, чем для стали, содержащей (Nb+V), на 50 Дж/см2.

4. На основе экономного легирования базового состава, содержащего 0,06-0,08% углерода и 1,5-1,7% марганца, небольшими добавками никеля, молибдена, меди и ниобия создана уникальная хладостойкая сталь класса прочности Х70 (К60) для эксплуатации при температуре -40 °С и разработана технология ее термомеханической прокатки с ускоренным охлаждением, обеспечивающая получение в прокате толщиной до 30 мм дисперсной ферритно-бейнитной структуры, обладающей высокой низкотемпературной ударной вязкостью (КСУ ~4(^250 Дж/см2) и переходной температурой хрупкости ниже минус -40 °С (ИПГ 90%).

5. 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 рекристаллизованное зерно аустенита - в среднем на 8-10 мкм, а также повысить прочностные характеристики (предел текучести и временное сопротивление) в среднем на 20 Н/мм2 и величину вязкой составляющей образцов ИПГ при температуре испытания —20 °С примерно на 20%(абс) без ухудшения пластичности.

Предметом исследований служило установление основных закономерностей формирования в процессе термомеханической прокатки и термомеханической прокатки с последующим ускоренным охлаждением структуры и свойств низкоуглеродистой экономнолегированной стали ферритно-бейнитного класса категории прочности К60. В работе использовали современные металлофизические методы исследования структуры и фазового состава металла с помощью оптической, просвечивающей и растровой электронной микроскопии.

Испытания механических свойств опытных сталей предусматривали оценку прочностных свойств и пластичности при статическом растяжении, ударной вязкости, сопротивления хрупкому разрушению, измерение микротвердости структурных составляющих.

Диссертация содержит семь глав и основные выводы.

Первая глава представляет собой литературный обзор, в котором рассмотрены основные требования, предъявляемые к высокопрочным сталям для труб магистральных газопроводов. Дан анализ тенденций развития высокопрочных низколегированных сталей для указанных труб.

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.

Промышленные плавки выплавлялись в электродуговых 100-тонных модернизированных печах ОАО «Уральская Сталь» с использованием до 50% жидкого чугуна и продувки кислородом (3000 м3/ч). Внепечную обработку проводили на установках 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 190х 1200, лабораторные — в слитки массой 10 кг размером 80х90х210 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 — 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 (№о!Ы-21), сканирующей электронной микроскопии (СЭМ, НопЬа ЕМАХ-8500Е) и просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ, УЕМ 200 СХ). При исследовании микроструктуры в качестве травителя использовали 4%-ный раствор азотной кислоты в этиловом спирте. Для выявления границ бывших аустенитных зерен применяли метод горячего травления: образцы обрабатывают в водном растворе пикриновой кислоты с добавлением ингибиторов в течение 1-2 мин. при температуре 60—70 °С. Оценку размера зерен проводили с использованием программного обеспечения 1п^еЕхрег1; Рго 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 аустенита использовали деформационный дилатометр ВаНЯ-805.

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

Третья глава посвящена исследованию влияния элементов химического состава и параметров контролируемой прокатки на свойства стали класса прочности К60 и разработке металловедческого обоснования коренной реконструкции стана 2800.

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. Приведена термокинетическая диаграмма стали типа 10Г2ФБ, которая показывает, что ферритно-бейнитная (бесперлитная) структура образуется в интервале скоростей охлаждения 8-25 град/с.

В пятой главе приводятся результаты разработки 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 изготавливали 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 опробовано две температуры нагрева: 1240 и 1170 °С.

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

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

По представленной работе на защиту выносятся:

1. Металловедческое обоснование реконструкции стана 2800.

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

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

4. Сравнительный анализ свариваемости сталей класса прочности К60 с безванадиевым и ниобийванадиевым микролегированием.

5. Структурные исследования безванадиевой стали класса прочности К60.

6. Результаты промышленного опробования безванадиевой стали класса прочности К60.

1. Литературный обзор

1.1. Действующие и перспективные требования к нормативно-технической документации на трубную заготовку и газонефтепроводные трубы

В настоящее время к низколегированной трубной стали предъявляются высокие требования:

- высокий уровень прочности;

- высокий уровень пластичности;

- высокий уровень вязкости и сопротивления хрупкому разрушению при температурах монтажа и службы газонефтепроводов;

- высокий уровень свариваемости при режимах сварки в цеховых и полевых условиях.

Необходимость повышения производительности, экономичности и снижения металлоемкости магистральных газопроводов за счет рабочих параметров - давления газа и диаметра труб предполагает постоянное повышение требований в отношении прочности, ударной вязкости и хладостойкости [1].

Многочисленные исследования, проведенные как в российских, так и зарубежных научно-исследовательских институтах, позволили сформулировать требования к листовому прокату, а также трубам из низколегированной стали [2-22].

С целью систематизации процесса выбора труб отечественных и импортных поставок при сооружении магистральных, обвязочных и промысловых газопроводов ОАО «Газпром» с января 1997 г. ввел в действие новую «Инструкцию по применению стальных труб в газовой и нефтяной промышленности» [2].

В соответствии с этой инструкцией за расчетную температуру эксплуатации для прокладки всех видов газонефтепроводов принимается температура перекачиваемого продукта с учетом взаимодействия трубопровода с окружающей средой, и соответственно, ограничение применения стали различных марок в зависимости от температуры стенки трубы при эксплуатации и расчетной температуры строительства.

Технические требования на трубы для трубопроводов, транспортирующих газ, воду и нефть

в нефтяной и газовой отраслях промышленности, также изложены в разработанных Отделом разведки и добычи Американского института нефти «Технических условиях на трубы для трубопроводов» API 5L [3], и в настоящее время многие производители при разработке сталей для газонефтепроводных труб руководствуются этими документами.

Различия в требованиях по химическому составу и механическим свойствам в стандарте API 5L от 2000 г. подразделяют стали на две категории качества - PSL1 и PSL2.

Требования по химическому составу в первую очередь ограничивают верхние пределы содержания углерода, марганца, серы и фосфора. Применение микролегирующих элементов (титана, ванадия и ниобия) разрешается, но их массовая доля строго не оговорена. Таким образом, технические условия представляют широкие возможности варьирования химического состава и, соответственно, применения различных технологий производства для получения труб класса прочности от А до Х80.

Кроме того, при поставке по категории качества PSL1 испытания на вязкость разрушения не обязательны; при поставке по PSL2 испытания на ударную вязкость с острым надрезом, а также на образцах ИПГ являются обязательными.

Использование при производстве трубных сталей инструкции ОАО «Газпром» либо Технических условий API 5L требует создания новых, более технологичных и качественных сталей в дополнение к усовершенствованию традиционных, изготавливаемых и поставляемых в основном по межзаводским техническим условиям.

В Российской Федерации требования к трубам нормируются СНиП 2.05.06-85 «Магистральные трубопроводы». В СНиП представлены обобщенные требования к трубам, поэтому для конкретных условий эксплуатации более детальные требования формулируются межведомственной инструкцией по применению стальных труб в газовой и нефтяной промышленности. На основе этих рекомендаций металлургическими предприятиями согласовываются Технические Условия (ТУ) на поставку толстолистового проката для труб и электросварных труб по конкретным проектам. При этом нормируемыми характеристиками являются [2-6]:

• временное сопротивление разрыву - ств;

• предел текучести - оо? или cv;

• отношение предела текучести к временному сопротивлению ат/ств;

• относительное удлинение при разрыве 6 (%) (в листе оно должно быть на 2-3% больше, чем задано для трубы);

• ударная вязкость KCU~60 и ^СГ"20-"40;

• доля вязкой составляющей в изломе при испытании образцов падающим грузом (DWTT) при температуре эксплуатации (-5^—40 °С) с определением процента волокна в

изломе (%);

• углеродный эквивалент:

« , Мп Сг+Мо+У+П+М? Си+М /1 1Ч

Сэкв = С+-+-+-+ 155, (1.1)

6 5 15

где С, Мп, V, №>, N¡5 Си, Сг, Мо, В, Т1 - массовые доли этих элементов в стали;

• параметр стойкости против растрескивания:

п п Мп+Сг+Си Л" М V Мо ,,

Рсш=С+-+—+—+—+-+52? , (1.2)

20 30 60 10 15

где С, Мп, Сг, Си, 81, N1, V, Мо, В - массовые доли элементов в стали;

• сплошность при ультразвуковом контроле по всей поверхности листа;

• допуски на размеры листа по толщине, разнотолщинности должны соответствовать ГОСТ 19903 по повышенной точности, длине, серповидности, поверхностным дефектам, расслою, плоскостност;

• требование к микроструктуре (иногда);

• требования к технологии изготовления.

1.2. Механизмы упрочнения и их влияние на хладостойкость трубных сталей

Производство листового проката из низколегированной стали, предназначенной для изготовления сварных труб, предусматривает использование различных механизмов упрочнения и соответственный подход к разработке композиции химического состава и технологии современных трубных сталей.

Используются следующие механизмы упрочнения: легирование твердого раствора элементами замещения или внедрения, измельчение основных единиц микроструктуры, которые являются эффективными препятствиями движению дислокаций, и их блокировка атомами примесей или выделениями второй фазы. Дисперсное и более однородное строение структуры позволяет повысить пластичность стали и ее сопротивление разрушению. Это достигается получением мелкого зерна, субструктуры, уменьшением содержания нежелательных примесей, в том числе склонных к образованию сегрегаций по границам зерен [23].

Возможные способы упрочнения стали с учетом ее структурного состояния научно обосновывает теория дислокаций. Структурное состояние обусловливает способность стали сопротивляться пластической деформации и разрушению. Уменьшение подвижности дислокаций может быть вызвано различными причинами: повышением сил связи в самой решетке, препятствием со стороны других дислокаций, блокированием атомами примесей или дисперсными твердыми включениями, наличием границ между кристаллами и блоками.

Формула расчета величины предела текучести, которая обусловливает вклад в него того или другого механизма упрочнения, имеет следующий вид [24]:

ст=со +Лстт р +Аоп +Д ад ч +Лад +Аа3 (+Дас,) (1.3)

где ао - сопротивление движению дислокаций со стороны кристаллической решетки;

ДаТр— упрочнение твердого раствора феррита растворенными легирующими элементами;

Дети — упрочнение за счет образования перлита;

Дстд ч - упрочнение дисперсными частицами;

Дад — упрочнение за счет повышения плотности дислокаций;

Дстз — зернограничное упрочнение;

Дстс - субструктурное упрочнение.

Наибольший вклад в упрочнение ферритно-перлитных сталей вносят такие составляющие ДсТр, Дстдч, Дстз, А Ос Для избежания появления погрешности в вычислении, формула в соответствии с уравнением Холла-Петча приобретает следующий вид [24]: <ут=(а02 +Дстп2 )ш + (Дот Р2+Дад ч2 + Дод2 )1/2 +ку<Гш, (1.4)

где ку — коэффициент размера зерна, выражающий напряжение, требующееся для активации движения дислокации;

й - Диаметр зерна (длина свободного движения дислокаций). Анализ компонентов, приведенных в формулах (1.3) и (1.4):

— величина сопротивления движению дислокаций со стороны кристаллической решетки (напряжение трения решетки а-железа) в первом приближении может быть сопоставлена с пределом текучести монокристалла железа. По экспериментальным данным различных авторов получены различные значения напряжения трения: 2,7; 3,5; 4,0 Н/см2. Для оценки предела текучести обычно принимается значение ао=3-4 Н/см2.

— количественная оценка упрочнения а—железа (феррита) при легировании производится в предположении аддитивности вкладов в упрочнение отдельных легирующих элементов. Эмпирически установлено, что при одновременном легировании феррита атомами нескольких легирующих элементов их влияние на упрочнение может быть просуммировано:

п

Аатр=^к,с, » С-5)

1=1

где к, - коэффициент упрочнения феррита, представляющий собой прирост предела текучести при растворении в нем 1% (по массе) ь-того легирующего элемента;

с, - концентрация,% (по массе), ь-того легирующего элемента, растворенного в феррите. Значения коэффициентов упрочнения феррита различными легирующими элементами, растворенными в нем, приведены в таблице 1.1 [24]: Таблица 1.1. Коэффициенты упрочнения феррита

Элемент к C+N Мп в! Сг N1 Мо А1 Си Р V Т1 Ве Со

МПа/% 4670 33 86 31 30 11 60 39 690 3 82 23 750 15

Такие элементы, как вц Мп, N1, Р в сталях с ферритно—перлитной структурой практически целиком растворены в феррите. А содержание в феррите С, 14, Сг, Мо, V, А1 зависит, прежде всего, от упрочняющих карбонитридных и оксидных фаз.

Во многих работах вклад перлитной составляющей в предел текучести стали с ферритной основой учитывается путем умножения эмпирического коэффициента на содержание (в%) перлита в стали:

Дстп=0,24%П (кгс/мм2), (1.6)

где %П - содержание перлитной составляющей в объеме стали.

Для определения вклада в предел текучести дисперсионного механизма упрочнения была разработана модель Эшби-Орована, которая количественно выражается уравнением [25]: Астд.ч=1/1,18[1,2с6/(2я£)]1п(Х/2г>), (1.7)

где Дстд.ч - напряжение сдвига, необходимое для преодоления влияния дисперсных частиц; Х-средний диаметр частиц в плоскости пересечения; Ь - расстояние между частицами, определяемое из формулы 1- X, (здесь п5 — число частиц, приходящееся на единицу площади в плоскости скольжения; а - модуль сдвига; Ъ - вектор Бюргерса в плоскости скольжения).

Путем ряда преобразований уравнение (1.7) было приведено к виду, при котором упрочнение от дисперсионного твердения в низколегированной стали непосредственно связано с количеством фазы/^яА^М и средним диаметром частиц:

Дад.,=5,9(/Ш1/21п[Х/(2,5-10 -*)] (1.8)

Зависимость напряжения течения монокристалла от плотности дислокаций [8] характеризуется уравнением Атд=аОЬрт. При переходе к пределу текучести поликристалла введен ориентационный множитель т.

Аол=атСЬрт, (1.9)

где а - коэффициент; О - модуль сдвига; Ъ - вектор Бюргерса; р — плотность дислокаций, см-2

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Якушев, Евгений Валерьевич, 2014 год

Список литературы

1. High strength large diameter pipe plate — from standard production to X80/X100 // Niobium Information. - 1997. -№ 13. - P. 1-4

2. Инструкция по применению стальных труб в газовой и нефтяной промышленности. РАО «Газпром» Москва. 1996.

3. API 5L. Технические условия на трубы для трубопроводов. Отдел разведки и добычи. - изд. 42. 2000 Dallas. USA.

4. Hulka К.. Heisterkamp F. Low Carbon Steels for the 90's. TMS. Warrendale (PA). 1993. P. 211-218.

5. Hall E.O., Petch N.J.JISI.vol.174, 1953, p.p. 25-28

6. Киношита X., Вада Т., Андо Р. и др. Развитие технологии регулирования охлаждения при прокатке толстых листов ОАО «Черметинформация», Новости черной металлургия за рубежом, 2005,№ 3, с. 44-49.

7. Muschenborn W., Imlau К.Р., Meyer L., Schriver U. Recent development in physical metallurgy and processing technology of microalloyed flat rolled steels//"Microalloying 95" (Pittsburg, PA, USA, June 11-14, 1995). p. 35-48.

8. Tanaka T. Science and technology of hot rolling process of steel. Proceedings of the International Conference "Microalloyed 95" (Pittsburg, PA, USA, June 11-14, 1995). p.p. 165-181.

9. Sellars C.M., Whitman W.A. Recristallization and grain growth in hot rolling//"Metal Science", 1979,№13, p.p. 187-194.

10. Gladman T. The physical metallurgy of microalloyed steels // Institute of Materials, London, Book 615, 1997.

11. Meyer L., Buehler H.E., Heisterkamp F. Metallkundliche and Techologishe Grundlangen fur die entwicklug und erzeugung perlitarmer baustahle // Thyssenforschemgen, 1971, H. 1-2, s. 8-43.

12. Hulka К., Hillenbrand H.G., Heisterkamp f., NiederhofF K.A High temperature thermomechanical processing. Background and application // Microalloying 95. Proceedings of the International Conference "Microalloying 95" (Pittsburg, PA, USA, June 11-14, 1995). p.p. 235-250.

13. Windhager M., Kneissl A., Jeglitsch F. Evolution of micro structure during the thermomechanical processing of HSLA steels // Proceedings of on International Symposium on Processing, Microstructure and Properties of HSLA Steels (Pittsburg, Pennsylvania, November 3-5, 1987). p.p. 105-116.

14. Gray M.J., De Ardo A J. Austenite conditoning alternative for microalloyed steels products. HSLA steels: metallutgy and applications // Proceedings of on International Conference on HSLA Steels 85. Beijing (China, 4-8 November, 1985). p.p. 83-96.

15. De Ardo A.J., Gray J.M., Meyer L. Fundamental metallurgy of niobium in steel. Niobium // Proceedings of the International Symposium "Niobum 81" (San Francisco, California, November 811, 1981). Publication of the Metallurgycal Society of AIME. 1984. p.p. 685-760.

17. De Ardo A.J. Metallurgical basis for the thermomechanical processing of microalloyed steels // Thermomechanical processing of steels. Church Hous Conference (London, UK, 24-26 May, 2000), v. 1, p.p. 309-321.

17. Akben M.G., Jonas J.J. Influence of multiple microalloy addition on the flow stress and recristallization behavior of HSLA steels. HSLA steels. Technology and Applications // Proceedings of the International Conference on Technology and Applications of HSLA steels (Philadelphia, Pensylvania,3-6 October, 1983), p.p. 149- 162.

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

19. Capeletti T.L., Jackman L.A., Childs W. Recristallization following hot working of a high strength low alloy (HSLA) steels // Metallurgical Transactions, 1972, v.3, p.p. 789-793.

20. Lamberigts M., Greday Т., Mechanism operative during hot rolling and cooling of HSLA steels // Conf. On Hot rolling deformation of Austenite (London, 1977), p.p. 286- 305.

21. Горелик С.С. Рекристаллизация металлов и сплавов М.: Металлургия, 1978. 556 с.

22. Morrison W.B. Recristallization of a low-carbon steel in the austenite range // JISI, 1972, August, p.p. 618-623.

23. Wilber G.A., Bell J.R., Bucher T. et all. The determination of rapid recristallization rates of austenite at the temperatures of hot deformation // Transaction of metallurgical society of AIME, 1968, v. 242, p.p. 2305-2308.

24. Матросов Ю.И., Филимонов B.H., Бернштейн M.JI. Рекристаллизация аустенита в низколегированных сталях с карбонитридным упрочнением. Известия АН СССР. Металлы. 1981. №6. с. 96-102.

25. Barbosa R., Boratto F., Yue S., Jonas J.J. The influence of chemical composition on the recristallization of microalloyed steels. HSLA steels // Proceedings of an International Symposium on Processing, Microstructure and Properties of HSLA steels (Pittsburg, Pennsylvania, November 3-5, 1987). p.p. 51-62.

26. Kwon O., De Ardo A.J. Suppression of static recrystallization by Nb (CN) precipitation in HSLA steels // Proceedings of an International Symposium on Processing, Microstructure and Properties of HSLA steels (Pittsburg, Pennsylvania, November 3-5, 1987). p.p. 63-68.

27. Karjalainen L.P., Peura P., Porter D.A., Effects of strain rate changes and strain path on flow stress and recrystallisation kinetics in a Nb bearing microalloyed steels // Thermomechanical Processings of Steels. Church Hous Conference (London, UK, 24-26 May, 2000). v.l, p.p. 309-321.

28. Yue S., Roucoules C., Maccagno T.M., Jonas J.J. Dynamic recristallization in rod rolling // Microalloying 95. Proceedings of the International Conference "Microalloying 95" (Pittsburg, PA, USA, June 11-14, 1995). p.p. 355-364.

29. Hodgson P.H., Shokouhi A., Dehghan Manshadi A., Beladi H. Grain refinement through controlled thermomechanical processing // ISUGS 2005. Proceedings of on International Symposium on Ultrafine Grained Stuctures 2005 (Sanya, Hainan, China, November 8-10, 2005). p.p. 31-38.151

30. Airaksinen K., Karjialainen L.P., Porter D., Pertula J. Recristallization kinetic of microalloyed steels determined by two mechanical testing technigues // Microalloying in Steels. Proceedings of the International conference on "Microalloying in Steels" (Donostia-San Sebastian, Basque Country, Spain, 7-9 September, 1998). p.p. 119-126.

31. Fernandez A.I., Ablad R., Lopez B., Rodriges-Ibabe J.M. Effect of course y grayn size on the dynamic and static recristallization during hot working in microalloyed Nb and Nb-Ti steels // Microalloying in Steels. Proceedings of the International conference on "Microalloying in Steels" (Donostia-San Sebastian, Basque Country, Spain, 7-9 September, 1998). p.p. 135-142.

32. Palmiere E.J., Garcia C.I., De Ardo A.J. Influence of processing conditions and alloy on the static recrictallization of microalloyed austetite // Microalloying in Steels. Proceedings of the International conference on "Microalloying in Steels" (Donostia-San Sebastian, Basque Country, Spain,7-9 September, 1998). p.p. 151-158.

33. Ablad R., Lopez B., Gutierrez I. Combined effect of Nb and Ti on the recristallisation behaviour of some HSLA steels // Microalloying in Steels. Proceedings of the International conference on "Microalloying in Steels" (Donostia-San Sebastian, Basque Country, Spain, 7-9 September, 1998). p.p. 167-176.

34. Siwecki T., Hutchinson B., Zajac S. Recristallization controlled rolling of HSLA steels // Microalloying 95. Proceedings of the International Conference "Microalloying 95" (Pittsburg, PA, USA, June 11-14, 1995). p.p. 197-209.

35. Kozasu I., Ouchi C., Sampei T., Okita T. Hot rolling as a high temperature thermomechanical process // Microalloying 75. Hystory and theory. New York, 1977, p.p. 120-135.

36. Weiss H., Gitiing A., Brown G.G. Recristallization of a Nb-Ti steel in the austenite range // JSIJ, 1975, v.9, p.p. 36-39.

37. Brown E.L., De Ardo A.J. The microstructure of hot rolled high strength low alloy steel austenite // Conference on hot deformation of austenite, London, 1977, p.p. 250- 285.

38. Nakamura T., Ueki M. The high temperature torsional deformation of a 0,06% C Mild steels // Transaction ISI of Japan, 1975, v.15, p.p. 185-193.

39. Ouchi С., Sampei Т., Okita Т., Kozasu I. Microstructural changes of austenite during hot rolling and their effects on transformation kinetic // Conference on hot deformation kinetics of austetite, New York, 1977, p.p. 68-85.

40. Ohm R.K., Martin J.T.. Orzessek K.M. Characterisation of ultra high strength linepipe//Proceedings of the 3 rd International Pipelines Technology Conference, Brugge, Belgium, May, 21-24, 2000, p. 483^196.

41. Ефименко С.П., Бернштейн M.JI. Пути интенсификации технологии упрочнения проката. Сталь. 1986. №4. с. 69-75.

42. Van der Zwaag S. Modelling the austenite decomposition in steel on a physical basis // Proceedings of the International Conference on Microalloying in Steels (Donostia — San Sebastion, Spain, 7-9 September, 1998). p.p. 27-38.

43. Speich G.R., Scoonover T.M. Continius cooling transformation behaviour and strength of HSLA-80 (A710) steel plates. HSLA steels // Proceedings of on International Symposium on: "Processing, microstructure and properties of HSLA steels" (Pittsburg, USA, 3-5 November, 1987). p.p. 263286.152

44. Straatmann R.W., Doane D.V., Park Y.J. Using CCT diagrams in the development of low-carbon high strength steels. HSLA steels // Proceedings of on International Symposium on: "Processing, microstructure and properties of HSLA steels" (Pittsburg, USA, 3-5 November, 1987). p.p. 287-304.

45. Wu C.T., Pan Y.T. Microstructural development during acceleratad cooling a plaine carbon steel. HSLA steels // Proceedings of on International Symposium on: "Processing, microstructure and properties of HSLA steels" (Pittsburg, USA, 3-5 November, 1987). p.p. 345-358.

46. Cohen M., Hansen S.S. On the fundamentals of HSLA steels. HSLA steels: metallurgy and application // Proceedings of on International Conference on HSLA steels 85 (Beijing, China, 4-8 November, 1985). p.p. 61-71.

47. Tamura Jmao, Ouchi Chiaki, Tanaka Tomo, Sekine Hiroshi. Thermomechanical proceedings of high strength low alloy steels // Butterworth's, Borrough Green (Seven oaks, Kent TN 158 PH, England, 1989). 248 p.p.

48. Hutchinson B. Microstructure development during cooling of hot rolled steels // Termomechanical processing of steels (Church House Conference Centre, London, UK, 24-26 May, 2000). p.p. 233244.

49. Hall E.O., Petch N.J. // JISI.vol.174. 1953. p.p. 25-28

50. Hulka K„ Heisterkamp F. // HSLA Steels'95 (China Sci. & Techn. Press. Beijing (China). 1995). P.543-551

51. Manohar P.A., Chandra T. Continuous Cooling Transformation Behaviour of High Strength Microalloyed Steels for Linepipe Applications // ISIJ International. Vol. 38 (1998). № 7. pp. 766-774

52. Реферат. Низколегированные стали с карбонитридным упрочнением. М.: ИНМТ. 1982.

53. Столяров В. И. Регулируемая прокатка сталей, цель обработки, тонкая структура, свойства сталей, пути повышения прочности и пластичности: Реферат. М.: ЦНИИчермет. 1979. 20 с.

54. Потемкин В.К., Пешков В. А. Контролируемая прокатка. Термомеханическая обработка листов. Итоги науки и техники. Прокатное и волочильное производство. Том 14. М.: 1986. с. 3—

55. Матросов Ю. И. Разработка принципов микролегирования и режимов контролируемой прокатки малоперлитных сталей для труб магистральных газопроводов: Автореф. дис. на соискание ученой степени доктора технических наук. М.: 1982. С. 12, 42

56. Гольдштейн М.И., Емельянов А.А., Пышминцев И.Ю. Упрочнение малоуглеродистых сталей. Сталь. 1996. № 6. С. 53-58

57. Матросов Ю. И., Филимонов В. Н., Бородкина. М. М. и др. Известия АН СССР. Металлургия. 1980. № 5. С. 99-104

58. Хайстеркамп Ф., Хулка К., Морозов Ю.Д. и др. Ниобийсодержащие низколегированные стали. М.: "СП' ИНТЕРМЕТ ИНЖИНИРИНГ". 1999. С. 37-40

59. Потемкин В. К., Поляновская Е. А., Полухин В. П. и др. Корректировка температуры горячей прокатки при колебании химического состава плавки. Сталь. 1986. № 10.

60. Физическое металловедение. Вып. 3: Пер с англ. Под ред. Кана М.: Мир. 1968. 426 с.

61. Погоржельский В.И., Литвиненко Д.А., Матросов Ю.И., Иваницкий A.B. Контролируемая прокатка М.: Металлургия. 1979. 184 с.

62. Heisterkamp F., Hulka К., Batte D. // Metallurgy Welding and Qualification of Microalloyed (HSLA). Steel Weldments: AWS. Miami (Fl). 1990. P.659-681

63. Akselsen O.M., Grong O., Rorvik G. // Scand. Journal of Metallurgy. 1990. № 19. P. 258-264

64. Франтов И.И., Голованенко С.А., Моисеев Б.А. и др. Сварочное производство. 1981. №6. С. 11-13

65. Мандельберг С.Л., Сидоренко Б.Г., Лопата В.Е. и др. Автоматическая сварка. 1983. № 6. С. 50-52

66. Столяров В.И., Голованенко С.А., Франтов И.И. и др. Сталь. 1982. №5. С. 70-73

67. Франтов И.И., Киреева Т.С., Столяров В.И., Назаров A.B., Закурдаев А.Г. Влияние легирования на свойства трубных сталей и проблемы их свариваемости. Сталь. 1986. №11. С. 68-72

68. Литвиненко Д.Ф., Чу В.У., Ли C.B., Чевская О.Н. Качество ферритно-бейнитной стали Х70 для сварных труб мощных арктических газопроводов. Сталь. 1996. №7. С. 48-52

69. Нарусова Е.Ю., Филиппов Г.А. Замедленное разрушение высокопрочной арматурной проволоки из стали 85. Транспортное строительство. 1991. № 4. С. 30-32

70. Бернштейн М.Л., Займовский В.А., Капуткина Л.М. Термомеханическая обработка стали. М.: Металлургия. 1983. 480 с.

71. Литвиненко Д. А. Влияние легирования и режимов контролируемой прокатки на свойства сталей для газопроводных труб М.: Металлургия. 1983. 480 с.

72. Пышминцев И.Ю. Упрочнение листовых сталей для холодного формоизменения. Екатеринбург: Изд. АМБ. 2004. 160 с.

73. 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.

74. Pickering В. Microalloying 75. (Union Carbide Corp, New York (NY). 1977). P. 9.

75. Шига С., Аманок К., Хатомура Т. и др. Мелкозернистая ферритно-бейнитная сталь классов Х70 и Х80 для газопроводов, эксплуатируемых при низких температурах. "Стали для газопроводных труб и фиттингов. Труды конференции. Пер. с англ. М.: Металлургияю 1985. с. 140-152. и др.

76. Эфрон Л. И. Формирование структуры и механических свойств конструкционных сталей при термомеханической обработке в потоке прокатного стана. ИКС ЦНИИЧМ. Сталью №8. 1995. 154 с.

77. Стали для газопроводных труб и фитингов. Труды конф. Пер. с англ. Под ред. А. В. Рудченко. М.: Металлургияю 1985. С. 140-152.

78. Эфрон Л. И., Литвиненко Д. А. Сталь. 1994. № 1. С. 53-58.

79. Эфрон Л. И., Мельник И. П., Литвиненко Д. А. Сталь.1992. № 3. С. 63 - 65.

80. Большаков В. И., Орлов Л. Г., Ваганов В. Е. и др. Металлургическая и горнорудная промышленность. 1983. №4. С. 28-29.

81. В.П.Горбатенко, Н.И.Косаревич, Мурашкин А.В. и др., Влияние параметров контролируемой прокатки толстых листов на ударную вязкость стали 10Г2ФБ, Металлургическая и горнорудная пром. 2004. №10. с. 64—68

82. В.П.Горбатенко, В.М. Дорохин, Мурашкин А.В и др., Влияние параметров нагрева непрерывнолитых слябов при контролируемой прокатке листов на структуру и свойства высокопрочной трубной стали, Металлургическая и горнорудная пром. 2002. №10. с. 70-71

83. Лагнеборг Р., Сивецки Т., Заяц С., Хатчинсон Б. Роль ванадия в микролегированных сталях. Екатеринбург. Изд. центр "Мария". 2001. 107 с.

84. Фарбер В.М. Превращения переохлажденного аустенита. ФММ. 1993. т. 76. вып. 2. С. 40— 55.

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

86. С.В.Денисов, Ю.А.Бодяев, ВЛ.Корнилов, В.И.Шурыгин Проблемы и перспективы производства подката для труб большого диаметра на ШСГП ОАО «ММК». Мат. Межотр. Сов. «Проблемы производства труб большого диаметра в РФ». Челябинск. РосНИТИ. 2004. С. 184— 185.,

87. Скороходов В.Н., Одесский П.Д., Рудченко А.В. Строительная сталь. М.: ЗАО "Металлургиздат". 2002. 624 е.,

88. Коновалов Ю. В., Остапенко А. Л., Пономарев В. И. Расчет параметров листовой прокатки. М.: «Металлургия». 1986. 429 с.

89. Тягунов В. А. рациональная калибровка листовых станов. М.: Металлургиздат. 1944. 196 с.

90. Стукач Л. Г. Сталь. 1955. №7. С. 626-629.

91. Зайков М. А. Режимы деформации и усилия при горячей прокатке. М.: Металлургиздат. 1960. 302 с.

92. Зайков М. А., Пудинов В. В. Изв. Вузов. Черная металлургия. 1962. №6. с. 81- 90.

93. Lee P. W., Sims R. В., Wright H.-Iron and Steel. 1962. v.35. №14. p. 624-627.

94. Целиков А. И. основы теории прокатки. M.: Металлургия. 1965. 247 с.

95. Венцель X. Прокатка и прокатное оборудование. ВНИИТИ. Экспресс-155 информация. 1965. №27. с.8—43

96. Ловай А., Кройлич Г. Черные металлы. 1967. №5. с. 29-38.

97. Железнов Ю. Д., Цифринович Б. А. Изв. Вузов. Черная металлургия. 1968. №9. с. 105 99. Андреюк Л. В., Тюленев Г. Г., Прицкер Б. С. Сталь. 1972. №6. с. 522-523