Анализ качества толстого листа

Размещено на http://www.allbest.ru/

Анализ качества толстого листа

Для удовлетворения высоких требований газовой промышленности к прочности, вязкости и сопротивлению хрупкому разрушению сталей, предназначенных для изготовления труб большого диаметра, созданы малоперлитные низколегированные стали, обладающие заданным комплексом свойств. Концепция создания этих сталей с временным сопротивлением разрыву 550 - 590 МПа предусматривала [1]: минимизацию содержания неметаллических включений путем проведения десульфурации и ковшевой обработки для получения концентрации серы не более 0,005%; уменьшение доли перлита путем уменьшения содержания углерода менее 0,1%, что положительно сказывается на вязкости и свариваемости стали; измельчение зерна в сочетании с дисперсионным и дислокационным упрочнением путем применения специальных температурно-деформационных режимов прокатки микролегированного сильными карбонитридообразующими элементами металла. При рациональном микролегировании эти элементы, кроме упрочняющего воздействия, способствуют смещению в сторону отрицательных температур перехода в хрупкое состояние и улучшению вязкости стали в области температур вязко-хрупкого разрушения.

На опытном заводе Уральского института металлов в 60-кг индукционной печи были проведены четыре опытные плавки с базовым химическим составом (массовые доли, %): 0,07 С; 1,5 Мп; 0,29 Si; 0,003 S; 0,005 Р; 0,035 А1; 0,010 N. Содержание варьируемых элементов в плавках было следующим: А - 0% V; Б - 0,05% V; В - 0,10% V; Г - 0,05% V и 0,02% Nb. Металл разливали на 12-кг слитки, которые проковывали на заготовку сечением 60x60 мм, а ее в свою очередь прокатывали на пластины толщиной 12 мм. Технология включала: нагрев заготовок до 1250°С и выдержку в течение 30 мин; прокатку за три прохода до толщины 32 мм с частным обжатием -20%; выдержку на воздухе и затем прокатку до конечной толщины за четыре прохода с температурой окончания 950, 850 и 750°С. Пластины остывали в установке ускоренного охлаждения со скоростью 10°С/с до температуры -600°С и далее на воздухе. Пластины, прокатанные с температурой окончания 850°С, охлаждались также только на спокойном воздухе (2°С/с). Из пластин поперек направления прокатки изготовили образцы для определения механических свойств и исследования микроструктуры.

Результаты испытаний показали, что снижение температуры окончания прокатки от 950 до 750°С привело к упрочнению опытных сталей (например, значение а_т с 439 -480 до 483 - 506 МПа, а_в с 598 - 600 до 610 - 623 МПа) и к незначительному снижению пластичности и ударной вязкости (или к их сохранению на прежнем уровне). Этим изменениям свойств соответствовало формирование мелкозернистой феррито-перлитной структуры (7-9 мкм). Известно, что уровень механических свойств малоуглеродистой микролегированной стали в значительной степени определяется размером ферритного зерна и дисперсионным упрочнением [2], причем прочность, особенно предел текучести, - расстоянием между дисперсными частицами V(CN) в феррите: она возрастает с увеличением содержания ванадия в стали и, следовательно, количества этих выделений в структуре.

Увеличение скорости охлаждения пластин после прокатки от 2 до 10°С/с повышает предел текучести на 35 -50 МПа, а изменение вязкости неоднозначно. Это связано, по-видимому, с тем, что при интенсивном охлаждении выделяется большая доля более мелких частиц (порядка 10 нм) и уменьшается расстояние между частицами, что дает более эффективное дисперсионное упрочнение [2]. В то же время изменение условий охлаждения пластин приводит к появлению в структуре бейнитной составляющей (до 7%), которая существенно влияет на уровень как прочности, так и ударной вязкости.

Введение ниобия в сталь с 0,05% V повышает на 6 -10% уровень прочностных характеристик без ухудшения ее пластичности и вязкости. Температурный интервал выделения дисперсных частиц карбонитрида ниобия находится выше, чем в случае V(CN), и в большей степени захватывает аустенитную область [3].

Таким образом, из ряда исследованных составов комплекс механических свойств (высокая прочность, хорошая пластичность и достаточно высокая вязкость при отрицательных температурах) получен у стали с 0,05% V и у стали с 0,05% V + 0,02% Nb после прокатки с окончанием при 850°С и последующего ускоренного охлаждения (-10°С/с).

Опытно-промышленное опробование производства толстого листа категории Х60 осуществлено по следующей схеме: выплавка стали из ванадиевого чугуна без применения металлолома дуплекс-процессом конвертер - конвертер, разливка стали на МНЛЗ на слябы сечением 240x1250 мм и прокатка слябов в клети 1300 универсально-балочного стала на лист толщиной 22 и 32 мм. Универсально-балочный стан НТМК, имеющий основной сортамент - двутавровые балки и специальные фасонные профили, производит для внутренних нужд комбината и толстый листовой прокат в первой группе универсальных клетей. Поскольку стан не имеет устройств ускоренного охлаждения металла, наряду с прокаткой по рекомендуемому режиму с температурой окончания 850°С был опробован режим термомеханической обработки с окончанием прокатки при более низкой температуре.

Сталь выплавляли в 160-т конвертере по технологии дуплекс-процесса: на первой стадии в конвертере получили углеродистый полупродукт и товарный ванадиевый шлак. Во время выпуска полупродукта в ковше вводили известь, плавиковый шпат и алюминий, одновременно продувая металл аргоном.

Далее ковш с металлом передали на установку ковш-печь, где его подвергли десульфурирующей обработке, затем после перелива в передаточный ковш отсекли шлак с помощью шиберного затвора. На второй стадии в другом конвертере углеродистый полупродукт продували до получения стального полупродукта без добавок металлолома. После конвертирования в стальной полупродукт во время выпуска ввели часть ферросплавов, затем провели вакуум-углеродное раскисление металла в вакууматоре RH, далее металл обработали на установке ковш-печь и разлили на МНЛЗ. Примененная технология выплавки обеспечила низкое содержание в стали меди, никеля, хрома и примесей цветных металлов (Sn, As, Sb и др.). Технологические операции и изменение состава металла по ходу выплавки, разливки, а также химический состав готового проката приведены в табл. 1.

Сталь разлили через два ручья со скоростью 0,7 м/мин на слябы сечением 240x1250 мм и длиной 3,85 м. Температура стали в промежуточном ковше составила 1549 и 1544°С. Слябы охлаждали в стопе. Макроструктура была удовлетворительной. Ликвация элементов незначительна, отклонения в содержании элементов по сечению сляба (контроль проведен в 30 точках) не превышали погрешности определения.

Перед прокаткой трех слябов их распустили пополам вдоль по всей длине до получения размера 625х240х х3850 мм. В первых двух проходах все заготовки обжали на ребре для получения ширины 560 мм, а далее металл прокатали на две толщины - 32 мм (за 15 проходов) и 22 мм (за 18 проходов) по двум режимам (температура начала прокатки 1050°С): без подстуживания с окончанием деформации соответственно при 900 и 840°С; с двойным подстуживанием между проходами (сляб прокатали до толщины 120 мм, охладили на рольганге до 850°С со слабым покачиванием и прокатали до 60 мм, далее раскат охладили до 750°С и прокатали до толщины 32 и 22 мм).

После прокатки без подстуживания (табл. 2, режимы 1 и 3) значения предела текучести были ниже требований технической документации для листов обеих толщин (в пределах от 372 до 376 МПа), а пластичность и ударная вязкость удовлетворяли нормам. Снижение температуры окончания прокатки (режимы 2 и 4) позволило заметно повысить уровень прочностных характеристик (табл. 2, рис. 1): предел текучести увеличился на 27 - 29%, временное сопротивление разрыву - на 10 - 12%, возросла ударная вязкость, несколько уменьшились значения пластичности, но остались в пределах норм.

Результаты сериальных испытаний показали (рис. 2), что сталь с ванадием имеет достаточно высокие значения ударной вязкости при низких температурах после всех исследованных обработок, с понижением температуры окончания прокатки порог хладостойкости проката обеих толщин смещается в область более низких температур по сравнению с обычной прокаткой. Как видно из результатов испытаний образцов на изгиб свободно падающим грузом (табл. 3), после прокатки с высокой температурой окончания доля вязкой составляющей в изломе образцов обеих толщин при -20°С составляет всего 5 - 10%, тогда как снижение температуры окончания прокатки приводит к ее увеличению до 85-100%, причем вязкий излом сохраняется и при более низких температурах.

Структура листа толщиной 32 мм, прокатанного без подстуживания, состоит в основном из феррита (до 70%), a,; a_t, МПа.

по ГОСТ 5639 (рис. 4, о). Бейнитных участков практически не наблюдается. Доля ферритной составляющей 70%.

При исследовании тонкой структуры выявили участки, в которых цементитные пластины достаточно деформированы, а в некоторых участках и скоагулированы (рис. 4, б). В феррите перлита дисперсных частиц V(CN) не наблюдается. Избыточный феррит имеет субзеренную структуру. На рис. 4, в видно, как одна из субграниц «зацепилась» за включение. Границы субзерен представляют собой упорядоченные дислокационные построения. Внутри субзерен плотность дислокаций меньше относительно наблюдаемой при прокатке без подстуживания (порядка 1,2 * 10¹⁰ см ²). В отдельных местах, где контраст от частиц не перекрывается контрастом от дислокаций, на субграницах и внутри субзерен видны дисперсные частицы, по-видимому, карбонитрида ванадия (размером -10 - 15 нм).

Исследование изменения структуры по толщине показало (табл. 4), что вблизи поверхности листа после прокатки без подстуживания (режимы 1 и 3) структура представляет собой ферритно-перлитную смесь с небольшим количеством бейнита. Доля феррита ~70%, перлитные и бейнитные участки распределены равномерно по всему полю. Структура вблизи осевой зоны листа имеет те же составляющие, но перлитные и бейнитные участки располагаются в виде отдельных полос. Размер ферритного зерна при смещении от поверхности к осевой зоне практически не меняется (10,8 -10,9 нм). После прокатки с подстуживанием (режимы 2 и 4) в структуре листа толщиной 32 мм наблюдаются ферритные (основная доля) и перлитные зерна значительно меньшего размера. Изменения структуры по толщине листов аналогичны; отличие заключается лишь в несколько более мелком зерне феррита в 32-м листе после обычной прокатки и в меньшей доле бейнита (табл. 4, рис. 5).

При исследовании загрязненности опытных листов по ГОСТ 1778 (метод Ш4) выявили типичные включения алюминатов размером, как правило, не более 10 мкм, с примесями кремния и кальция. Более крупные включения, определяемые стандартом как «силикаты недеформирующие-ся», оцениваются в основном баллом 3 - 4 и имеют экзогенную природу. Углеродный эквивалент опытной стали С_э = 0,40% свидетельствует о том, что ее свариваемость находится в пределах установленной технической документацией для этого класса прочности нормы (С_э < 0,43%), т.е. сталь данного состава должна удовлетворительно свариваться.

Заключение

Оптимальное сочетание показателей прочности и вязкости получено у малоуглеродистой стали полупромышленного производства с добавкой 0,05% V и 0,02% Nb. Несколько меньший, но также достаточно высокий уровень прочности при сохранении высокой вязкости достигнут у стали с 0,05% V без ниобия. Комплекс высоких механических свойств достигается при прокатке с окончанием при 850°С и с последующим ускоренным охлаждением.

В условиях НТМК опробованы выплавка, внепечная обработка и разливка малоуглеродистой ванадийсодержащей стали 09Г2Ф повышенной чистоты по вредным примесям и газам и прокатка ее на лист толщиной 32 и 22 мм. Требуемый категорией Х60 уровень механических свойств получен у листов опытной стали обеих толщин после прокатки с подстуживанием. В стали формируется мелкозернистая ферритно-перлитная структура (-70% феррита с субзеренной структурой) с дисперсными выделениями карбонитрида ванадия.

Библиографический список

Матросов Ю.И., Морозов Ю.Д., Болотов А.С. и др. II Сталь. 2001. №4. С. 58 - 62.

Лагнеборг Р., Сивецки Т., Заяц С, Хатчинсон Б.II Роль ванадия вмикролегированных сталях. - Екатеринбург: ГНЦ РФ «Уральскийинститут металлов», 2001. С. 108.

3. Матросов Ю.И., Литвиненко Д.А., Голованенко С.А. II Сталь для магистральных газопроводов. - М.: Металлургия, 1989. - 288 сISSN 0038-920Х. «Сталь». №2. 2004 г.

сталь ванадий ниобий качество

Размещено на Allbest.ru