Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Украины

ГВУЗ «Приазовский государственный технический университет»

Кафедра «Материаловедение»

Курсовая научно-исследовательская работа

На тему: «Современные технологии упрочнения трубных сталей»

Выполнил:

Чумаченко А.А.

Проверил:

Ткаченко И.Ф.

Мариуполь 2013

Содержание

Введение

1. Требования к трубным сталям

2. Служебные свойства трубных сталей и способы их повышения

3. Инновационные методы, применяемые для упрочнения трубной стали. Контролируемая прокатка

4. Композиция химического состава

5. Выбор наиболее оптимальной структуры трубной стали

6. Оптимизация химического состава и микроструктуры металла около шовной зоны для обеспечения свариваемости высокопрочных трубных сталей

7. Исследования влияния ускоренного охлаждения после контролируемой прокатки на структурные превращения и свойства стали

Вывод

Список используемой литературы

Введение

Современной тенденцией на рынке горячекатаного проката является расширение его номенклатуры при одновременном ужесточении требований по качеству продукции. В полном объеме удовлетворить эти требования возможно путем комплексного подхода к определению технологических параметров производственного процесса. химический металл сталь

К параметрам технологии контролируемой прокатки с последующим ускоренным охлаждением относят режим и температуру нагрева металла под прокатку, температуру начала прокатки, величину суммарной деформации, схему прокатки в черновой группе клетей, подстуживание раската на промежуточном рольганге, температуру окончания прокатки в чистовой группе клетей, а так же режим охлаждения на отводящем рольганге.

Одной из главных причин возникновения аварийных ситуаций, а также выхода из эксплуатации отдельных участков или целых трубопроводных систем является такой феномен, как коррозия. Трубы, а также их составляющие, произведенные из таких материалов, как сталь или чугун, нередко страдают от почвенной коррозии. Детали трубопроводов, стальные отводы и переходы, не проявляющие устойчивость к коррозии, быстро выходят из строя, значительно сокращая сроки эксплуатации трубопровода.

Для изготовления газопромысловых труб в основном применяют малоуглеродистые стали и низколегированные стали с временным сопротивлением не более 500 МПа.

Металл газопромысловых труб работает в разнообразных условиях, иногда в весьма тяжелых (под давлением коррозионно-агрессивных сред). Разрушение трубопроводов в таких случаях связано с повышенной опасностью, большим материальным ущербом от потери транспортируемого продукта, загрязнением окружающей среды, простоем газовых промыслов и предприятий потребления газа.

Путем выбора соответствующих марок сталей и термической обработки при определенных ограничениях уровня действующих напряжений можно избежать коррозионного растрескивания труб, но при этом сохраняется общее коррозионное воздействие агрессивных сред, вызывающих более или менее равномерный коррозионный износ стенок труб. Теоретически обоснованное назначение запаса на коррозионный износ в одних случаях позволяет повысить ресурс трубопровода, в других уменьшить их металлоемкость.

1. Требования к трубным сталям

Развитие производства трубных сталей прошло большой путь за последние 40 лет. Современное производство высокопрочной трубной стали представляет собой совокупность самых больших достижений металлургии за последние полвека. Сочетание достижений выплавки стали, легирования, включая микролегирование, горячей прокатки и контролируемого охлаждения легло в основу высококачественных сталей, используемых в настоящее время.

Необходимость в улучшении качества сталей была обусловлена энергетическим сектором мировой экономики, для которой потребовалось как более высокая пропускная способность магистральных трубопроводов, а отсюда большие диаметры труб и большие давления в системе, так и меньшая стоимость, т.е. меньшая толщина стенки.

Эти требования создали предпосылки к разработке сталей с более высокой прочностью, увеличенной ударной вязкостью и сопротивлением вязкому и хрупкому разрушению при температурах строительства и эксплуатации, а так же с хорошей пластичностью, свариваемостью в «полевых» и заводских условиях, обладающих коррозионной стойкостью и хладостойкостью при ограниченном количестве легирующих элементов.

Требования к качеству толстолистового проката для производства труб большого диаметра для магистральных газопроводов высокого давления определяются требованиями к трубам, которые нормируются СНиП 2.05.06--85 «Магистральные трубопроводы». Поскольку в СНиП требования не детализированы для конкретных условий эксплуатации, более детально они формулируются межведомственной инструкцией по применению стальных труб в газовой и нефтяной промышленности. На основе этих рекомендаций с металлургическими предприятиями согласовываются технические условия на поставку штрипса и труб для конкретных проектов. При этом нормируемыми характеристиками являются:

- временное сопротивление разрыву ув;

- предел текучести у=0,2 или у=0,05;

- относительное удлинение при разрыве д% (в штрипсе оно должно быть больше на 2ч4%, чем задано для трубы);

- размер ферритного зерна;

- полосчатость;

- ударные испытания KCU-60 и KCV-20,-40;

- испытания полнотолщинных образцов шириной 75 мм на разрушение падающим грузом (DWTT) при температуре эксплуатации (-20 °С) с определением процентного содержания волокна в изломе;

- свариваемость.

Кроме того, нормируется химический состав по основным, микролегирующим и примесным элементам.

Импортно-экспортные поставки осуществляются по техническим нормам Американского нефтяного института (API 5L), принятым в мире за общепризнанный стандарт. Нормы этого стандарта ежегодно уточняются и дополняются, но базовые требования остаются неизменными.

Основным принципиальным различием отечественных и зарубежных норм является разница в выборе параметров предельного состояния трубопровода до разрушения. В отечественной системе за основу принято временное сопротивление разрыву, американцы берут за основу предел текучести.

В связи с такими подходами различается номенклатура прочностных категорий труб. Так, в отечественных нормах в классе прочности К60 - цифра 60 отражает значение предела прочности в единицах системы СИ, а его примерным аналогом по API является класс Х70, где число 70 соответствует пределу текучести в американских единицах измерения (в фунтах на квадратный дюйм). При этом предел прочности сталей по американским стандартам близок к отечественным, а пределы текучести могут не совпадать.

В табл.1 приведено сравнение механических свойств сталей по классификации и нормам принятым в Украине с характеристикой марок сталей согласно API Spec 5L.

Таблица 1. Сравнительная таблица механических свойств сталей

Класс прочности по ГОСТ	Спецификация по API	Предел текучести, фунт на кв. дюйм (МПа)	Временное сопротивление разрыву, фунт на кв. дюйм (МПа)
	А25	25000 (172)	45000 (310)
	Grade A	30000 (207)	48000 (331)
	Grade В	35000 (241)	60000 (413)
К-38		36000 (248)	54000 (372)
	Х42	42000 (289)	60000 (413)
	Х46	46000 (317)	63000 (434)
К-50		50000 (345)	70000 (485)
К-52		51000 (353)	74000 (510)
	Х52	52000 (358)	66000 (455)
К-52		53000 (363)	74000 (510)
	Х56	56000 (386)	71000 (489)
К-55		58000 (402)	78000 (539)
	Х60	60000 (413)	75000 (517)
К-56		61000 (421)	80000 (550)
К-60		64000 (441)	85000 (588)
	Х65	65000 (448)	77000 (530)
К-60		67000 (461)	85000 (588)
	Х70	70000 (482)	82000 (565)

2. Служебные свойства трубных сталей и способы их повышения

Трубные стали - стали с определенным химическим составом и определенными служебными свойствами.

Как известно, при контролируемой прокатки за счет специально подобранных композиций стали (марок стали) и температурно-деформационных режимов обработки удается непосредственно после горячей прокатки получить заданное структурное состояние металла, обеспечивающее высокий комплекс механических свойств (прочности, вязкости, хладостойкости, свариваемости).

Как правило, для контролируемой прокатки применяют конверторную сталь, разлитую на МНЛЗ в слябы, нагреваемые в методических печах.

Нормативно-технические требования к стали, прокату (штрипсам) и трубам основаны на американском (API 5L) или европейском (ISO 3183 - 3 - 2006) согласованных между собой стандартах /3/.

В табл.2 приведены принятые обозначения для характеристик групп прочности сталей в соответствии с ГОСТ Р 52079 - 2003.

Таблица 2. Обозначения категории прочности стали в соответствии с разной нормативно-технической документацией

Категории прочности в соответствии со стандартами
ISO 3183 - 2006	ARI 5L	ГОСТ Р 52079 - 2003
L245	В	К38 - 42
L290	Х42	К48
L360	Х52	К52
L415	Х60	К56
L450	Х65	К60
L485	Х70	-
L555	Х80	-

Этапы развития сталей по категориям прочности, содержанию основных элементов и видам термической обработки для магистральных трубопроводов показаны на рисунке 1.

Рис. 1. Этапы развития сталей для магистральных трубопроводов Производство штрипсов начинали практически со стали Ст3 (категории прочности К28 - К42), введя регламентацию температуры конца прокатки и степени деформации в последних проходах, а так же нормализацию листов с отдельного нагрева. Затем перешли на углеродомарганцовистые стали марок 17Г1С и 17Г1С - У (категории прочности К52), поставляемые в нормализованном состоянии. Основными недостатками таких сталей были:

1. Низкое сопротивление хрупкому разрушению, оцениваемое по доли волокна в изломах (DWTT).

2. Недостаточная ударная вязкость при температурах эксплуатации и монтажа трубопроводов.

3. Ухудшенная свариваемость, обусловленная высоким углеродным эквивалентом (Сэкв ? 0.46), что вызывало необходимость подогрева труб при сварке в полевых условиях.

4. Применение термической обработки - нормализации, что при высоких ценах на энергоносители существенно повышает себестоимость проката.

5. Повышенная химическая и структурная неоднородность, что способствовало появлению дефектов сплошности готового проката и других негативных дефектов.

Требования, предъявляемые к трубным сталям, возросли, что привело создание нового поколения низколегированных сталей, так называемых малоперлитных, обладающих уникальным сочетанием высокой хладностойкости, прочности, ударной вязкости и повышенной свариваемости. Прочностные и пластические характеристики основного металла зависят от категории стали (углеродистая, низколегированная, дисперсионно твердеющая или термически упрочненная), а вязкостные свойства зависят от структуры и субструктуры металла. Ударную вязкость основного металла необходимо определять при двух температурах: при температуре, соответствующей температуре наружного воздуха в процессе производства строительно-монтажных работ и при минимальной температуре эксплуатации трубы /4/.

Наиболее вредное влияние на свариваемость оказывает углерод, способствующий образованию горячих и холодных трещин, а так же определяющий уровень максимальной твердости. В обычных низколегированных сталях содержание углерода доходит до 0.2%. Легирующие элементы понижают критическую скорость охлаждения и способствуют получению метастабильных структур в процессе охлаждения и могут привести к ухудшению свойств околошовной зоны. Улучшают свариваемость вводом в сталь элементов, препятствующих росту зерна аустенита (молибден, хром, никель, медь, марганец, кремний). Свариваемость различных низколегированных сталей оценивают по углеродному эквиваленту и термической жесткости сварного соединения. Концепция создания малоперлитных сталей с ув ? 550 - 590 Н/мм2 предусматривала снижение величины углеродного эквивалента до ? 0.43% при расчете его по уравнению (1) путем уменьшения содержания углерода до С ? 0.1 - 0.13%, что значительно улучшает свариваемость /1/.

, (1)

где С, Mn, Сr и другие - процентное содержание элементов в стали.

Сера и фосфор - вредные примеси, они снижают механические свойства стали, поэтому их содержание ограничивают. Особо вредна сера, образующая пластичные сульфиды. Расплющиваясь в процессе деформации, они снижают ударную вязкость и повышают критическую температуру хрупкости, это явление называется красноломкость. Для предупреждения красноломкости в сталь добавляют марганец или цирконий. Фосфор полностью растворяется в феррите, при этом феррит упрочняется, и в то же время резко снижается его пластичность и особенно вязкость, то есть сталь становится более склонна к хрупкому разрушению. Фосфор повышает порог хладноломкости стали.

Необходимая прочность стали достигается благодаря введению микродобавок ванадия, ниобия и титана в сумме, не превышающих 0.1 - 0.15%. Помимо дисперсного упрочнения за счет образования при охлаждении после прокатки очень мелких (?2 - 10 нм) частиц карбонитридных фаз эти элементы понижают температуру вязкохрупкого перехода и повышают ударную вязкость стали.

Микродобавки карбонитридообразующих элементов - ниобия, титана, ванадия и в меньшей мере алюминия, оказывают воздействие на процессы формирования структуры в течение всего цикла контролируемой прокатки - от нагрева слябов перед прокаткой до завершающей стадии деформации и последующего охлаждения. Интенсивность и направление влияния ванадия, ниобия и титана на свойства малоперлитных сталей во многом различны и зависят как от их количественного содержания, так и от присутствия второго (или двух других) элементов этой группы. Они с разной степенью активности влияют на процессы роста зерна при нагреве под прокатку, кинетику рекристаллизации горячедеформированного аустенита, кинетику л>б - превращений, размер зерна феррита, состояние б - твердого раствора.

Для увеличения прочности труб потребовалось достижение ув ? 640 - 690 Н/мм2 (категории прочности Х75 - Х80), что обусловило переход от сталей перлитно-ферритного класса к сталям с микроструктурой, состоящей из смеси полигонального и игольчатого феррита (малоуглеродистого верхнего бейнита) или только из игольчатого феррита. Для получения только игольчатого феррита в трубных сталях подавляют распад аустенита в ферритно-перлитной области и смещают структурные превращения в верхнюю часть промежуточной области за счет легирования стали элементами, регулирующими кинетику превращения (молибден, никель, марганец, бор), или ускоренного охлаждения стали в области температур 800 - 650 Сє. Наличие субструктуры игольчатого феррита с высокой прочностью дислокаций, а так же упрочнение металла выделениями дисперсных частиц карбонитридных фаз придают стали высокую прочность. Игольчатый феррит формируется после контролируемой прокатки из рекристаллизованного мелкозернистого или нерекристаллизованного аустенита, что обеспечивает ему мелкозернистое строение и высокое сопротивление хрупкому разрушению /4/.

3. Инновационные методы, применяемые для упрочнения трубной стали. Контролируемая прокатка

Это разновидность процесса высокотемпературной термомеханической обработки сталей и сплавов, характеризующегося регламентированным, в зависимости от химического состава, условиями нагрева металла, температурными и деформационными параметрами процесса и заданными режимами охлаждения металла на различной стадии пластической обработки.

В результате: эта технология позволяет получать оптимальные сочетания прочностных и вязких свойств готового проката без использования термической обработки и при более низком расходе дефицитных легирующих добавок.

Основной принцип контролируемой прокатки заключается в измельчение аустенитного, а, следовательно, и ферритного зерна, что приводит к одновременному повышению прочности и вязкости стали.

Контролируемая прокатка имеет 3 стадии получения трубной стали: деформация в зоне рекристаллизации аустенита, деформация некристаллизующегося аустенита и деформация в двухфазной аустенитно-ферритной области. Исследования показали, что в процессе прокатки в чистовой клети при температуре ниже Аr3 на механические свойства оказывает влияние дислокационное, субструктурное и текстурное упрочнение. Основные различия между обычной и контролируемой прокаткой состоит в том, что при контролируемой прокатке деформационные полосы разделяют аустенитные зерна на несколько блоков. Граница каждого блока является источником зарождения ферритных зерен. В результате из аустенитного зерна одинаковой величины при контролируемой прокатке образуются более мелкие ферритные зерна, чем при обычной горячей прокатке, когда зарождение ферритных зерен осуществляется на границах аустенитных. Кроме того, увеличение числа активных центров зарождения феррита ускоряет процесс-превращения, в результате чего снижается вероятность выделения бейнитной структуры, придающей низкую вязкость стали.

В практике прокатного производства осуществляются мероприятия, повышающие точность размеров детали:

1) применение жестких клетей, обеспечивающих минимальные упругие деформации;

2) улучшение конструкции нагревательных печей и качества нагрева, позволяющие поддерживать равномерную температуру по сечению заготовки и разных заготовок;

3) применение оптимального охлаждения полос, компенсирующего повышение температуры валков под действием тепла нагретых полос и тепла, выделяющегося при пластической деформации;

4) увеличение твердости рабочей поверхности валка;

5) равномерная деформация металла в калибрах и уменьшение давления при прокатке применением оптимальных калибровок прокатных валков, использованием в прокатных клетях современных подшипников качения и жидкостного трения, оснащением станов непрерывной прокатки постоянно действующими устройствами для контроля межклетевого натяжения проката и т.д.

Рис. 2. Схема влияния температуры деформации при контролируемой прокатке на морфологию аустенитного зерна и ферритно-перлитную структуру в малоуглеродистых микролегированных сталях

Малоуглеродистые стали с комплексным упрочнением и гетерофазной структурой, содержащей продукты низкотемпературного распада аустенита.

Стали со структурой, содержащей полигональный феррит, бейнит и мелкие островки мартенсита (остаточного аустенита), имеют непрерывную диаграмму растяжения без площадки текучести. В противоположность сталям с ферритно-перлитной структурой это может обеспечивать заметное деформационное упрочнение в процессе производства, обнаруживая увеличение прочности металла трубы по сравнению с заготовкой, что расширяет перспективы применение сталей данного класса. Уменьшить площадку текучести и усилить тенденцию к образованию плавной диаграммы растяжения можно в результате замены перлита бейнитом при наличии мартенситно-уастенитной составляющей. Следует отметить, что в значительной степени снижение передела связано с действием остаточных напряжений на макроуровне. В связи с этим влияние микроструктуры проявляется более сложно, что требует отдельного рассмотрения. В листах толщиной до 11-15 мм площадку текучести можно устранить при условии выполнения соотношения:

32,5 Mo + 10 (Mn + Cr) +2.5 Ni > 23

К сожалению, украинские металлурги пока ещё не полностью готовы к промышленному производству листа и рулона из сталей данного класса, в то время как в мировую практику строительства трубопроводов уже входит применение труб класса точности Х100 и Х120.

Очевидно, что малоуглеродистые стали нового поколения, прочность которых обеспечивается за счёт формирования низкотемпературных продуктов превращения, отличаются уникальным комплексом свойств по сравнению с феррито -перлитными с дисперсионным и субструктурными упрочнениями. Уровень свойств ферритно-перлитных (малоперлитных) сталей в значительной степени определяется степенью упрочнения феррита вследствие создания субструктуры и выделения в нём карбидонитридов, главным образом ванадия.

4. Композиция химического состава

Прогрессивный подход к разработке химического состава трубной стали предусматривает снижение содержания углерода до 0,03-0,07% для обеспечения: регламентированного уровня свариваемости металла (обычно ?0,43, ? 0,22); высокого уровня хладостойкости стали (как листа, так и металла трубы - основного металла, металла околошовной зоны (ОШЗ) сварного соединения); минимального уровня сегрегационной неоднородности (так как при кристаллизации расплав не претерпевает перитектической реакции); формирования низкоуглеродистого мелкодисперсного бейнита.

Композиция химического состава современной стали с феррито-бейнитной микроструктурой предусматривает микролегирование ниобием (до 0,08%) для расширения температурного диапазона проведения контролируемой прокатки благодаря более раннему торможению рекристаллизации. Микролегирование обеспечивает дисперсионное упрочнение стали выделяющимися в ферритной матрице карбонитридами, а находящийся в твердом растворе ниобий также способствует расширению бейнитной области благодаря задержке г>б превращения. Также дополнительно сталь легируют химическими элементами, повышающими устойчивость аустенита к перлитному превращению - Мо, Ni, Cr, Cu. Добавки этих элементов дополнительно упрочняют твердый раствор в стали с пониженным содержанием углерода. Введение никеля в сталь, кроме того, способствует улучшению хладостойкости металла.

Обязательным условием обеспечения высоких показателей ударной вязкости является обеспечение высокой чистоты стали по вредным примесям (особенно по сере: S?0,003%). Если массовая доля серы низкая и осуществляется контроль формы сульфидов, то можно гарантировать стойкость стали к водородному растрескиванию.

Для улучшения свариваемости, особенно толстого проката, ограничивают содержание азота в стали до 0,005-0,006%, а для его связывания вводят титан в стехиометрическом соотношении с азотом.

5. Выбор наиболее оптимальной структуры трубной стали

Важным условием обеспечения заданного комплекса свойств является получение однородной мелкой структуры аустенита перед г>б превращением. Появление крупных зерен в структуре аустенита в случае превращения по сдвиговому механизму приводит к образованию грубой бейнитной структуры (рис. 3.1) и в результате к повышению критической температуры хрупкости (рис. 3.2).

Рис. 3.1 Микроструктура листа с крупным бейнитным участком с грубыми карбидами, х1500

Рис. 3.2 Влияние объемной доли крупнозернистого бейнита на температуру вязко-хрупкого перехода (Т_кр)

В зависимости от режимов термодеформационной обработки можно получить феррито-бейнитную сталь с различным содержанием структурных составляющих: нижнего, верхнего бейнита, полигонального и игольчатого (безуглеродистого) феррита и фазы МА (мартенсит, аустенит) (рис. 3.3).

Рис. 3.3 Структура стали контролируемой прокатки с охлаждением на воздухе (а) и с ускоренным охлаждением (б,в,г), х500

При этом свойства металла также имеют различные значения. На рис. 3.4ч3.6 приведены экспериментальные данные по влиянию структурных составляющих (химический состав различен) на основные показатели свойств трубной стали: предел текучести, критическую температуру хрупкости (количество вязкой составляющей в образце ИПГ - 85%), степень упрочнения.

Рис. 3.4 Изменение степени упрочнения стали в зависимости от микроструктуры и связь с температурой перехода в хрупкое состояние (Т_кп=830ч850?; Т_куо=530ч560? х_уо=12ч15 град/с; d_Fe=4,5ч6 мкм)

Рис. 3.5 Зависимость предела текучести от объемной доли продуктов промежуточного превращения

Рис. 3.6 Температурная зависимость доли вязкой составляющей в изломе образцов ИПГ листового проката К65 с различной структурой

Наиболее прочной структурной составляющей, по-видимому, является бейнит (верхний, нижний), однако он (особенно верхний) повышает температуру перехода в хрупкое состояние. Наиболее благоприятной структурой, как по прочности, так и по вязкости, является игольчатый феррит (безуглеродистый бейнит) в сочетании с небольшим количеством мягкой фазы - полигонального феррита (?10%). Основной механизм упрочнения стали такого типа - зернограничное упрочнение, которое реализуется при использовании технологии контролируемой прокатки. Для получения прочности стали класса прочности К65 содержание сдвиговой структуры должно быть не менее 50-60%.

При малой объемной доле перлита его влияние на свойства стали незначительно, однако ролью этой структурной составляющей нельзя пренебрегать для обеспечения высокой хладо- и коррозионной стойкости труб. Неблагоприятное влияние перлита обусловлено тем, что его присутствие способствует концентрации деформации, а также тем, что пластинчатая структура облегчает зарождение хрупкого разрушения. Известно, что карбидные частицы, присутствующие на границах ферритных зерен, особенно крупные, «пленочные», также могут снизить вязкость металла. Такие частицы во многих случаях являются очагами разрушения, а впоследствии - растрескивания труб, а также действуют как концентраторы напряжений.

6. Оптимизация химического состава и микроструктуры металла около шовной зоны для обеспечения свариваемости высокопрочных трубных сталей

Хорошая свариваемость современных низколегированных трубных сталей обеспечивается при условии предотвращения образования холодных трещин в ОШ3 сварного соединения и при обеспечении высокой ударной вязкости металла.

При анализе микроструктур и фазового состава стали выявлено, что максимальный уровень ударной вязкости металла ОШ3 достигается на стали со структурой низкоуглеродистого бейнита. Следует отметить, что высокий уровень ударной вязкости металла ОШ3 достигается также при формировании бейнито-мартенситной микроструктуры со значительной долей мартенситной составляющей.

Микроструктура такого типа в сталях с пониженным содержанием углерода характеризуется отсутствием хрупких структур в металле, т.е. твердость металла ОШ3 не превышает порогового значения HV= 350, а доля мартенситной составляющей в микроструктуре - менее 15% даже при относительно высоких скоростях охлаждения металла. Низкое содержание углерода и микролегирование титаном позволяют обеспечить высокий уровень ударной вязкости металла ОШ3. Совокупность указанных факторов позволяет прогнозировать отсутствие склонности к образованию холодных трещин при сварке.

Используемая для испытаний на свариваемость методика имитации воздействия термического цикла сварки на микроструктуру и свойства металла ОШ3 позволяет оценить металлургический аспект сопротивляемости металла ОШ3 образованию холодных трещин для широкого диапазона видов и режимов сварки.

На рис. 4.1 представлена термокинетическая диаграмма с охлаждением от 1300?, построенная для стали состава 0,06C-1,3Mn-Cr-Ni-Cu-0,06Nb и показывающая, что микроструктура металла ОШ3 такой стали состоит из низкоуглеродистого бейнита и феррита в широком диапазоне скоростей охлаждения металла при сварке.

Рис. 4.1 Термокинетическая диаграмма стали 0,06С-1,3Mn-Cr-Ni-Cu-0,06Nb при охлаждении с 1300?

Стали с пониженным содержанием углерода имеют значительное преимущество по обеспечению высокого уровня ударной вязкости, как основного металла, так и ОШ3 (по сравнению с традиционными сталями типа 10Г2ФБ и 17ГС) (рис. 4.2 и 4.3).

Рис. 4.2 Зависимость ударной вязкости металла имитированной ОШЗ (KVC^-20) от содержания углерода в стали и скорости охлаждения при сварке

Рис. 4.3 Влияние содержания углерода на ударную вязкость листового проката и металла ОШЗ при сварке

Однако при выборе содержания углерода необходимо учитывать его влияние на другие показатели свойств стали. Низкое содержание углерода благоприятно для повышения хладостойкости (тест ИПГ), однако снижает прочностные характеристики () и степень упрочнения стали (/). Так, в области температур завершения ускоренного охлаждения (600-500?) при снижении содержания углерода с 0,08 до 0,05% по-разному изменяются величины и . Если снижение предела текучести составляет , то временное сопротивление снижается на , в результате повышается степень упрочнения / (почти на 0,2%), что может вывести прокат за требования стандарта.

7. Исследования влияния ускоренного охлаждения после контролируемой прокатки на структурные превращения и свойства стали

Основными направлениями совершенствования технологии прокатки являются переход от низкотемпературной КП с охлаждением металла на воздухе к термомеханическому контролируемому процессу (ТМП) с регламентированным ускоренным охлаждением с целью получения мелкодисперсной равномерной структуры (без разнозернистости и полосчатости) с пониженным уровнем напряжений; оснащение прокатных станов соответствующим оборудованием; автоматизация процесса прокатки и охлаждения.

Для эффективного использования технологии ТМП с последующим УО необходимо соответствующее изменение химического состава сталей. Самым важным показателем качества сталей для газопроводных труб, для обеспечения которого используется контролируемая прокатка, является тест ИПГ (DWTT), требующий наличия исключительно мелкозернистой структуры.

Использование с этой целью термической обработки - закалки с последующим отпуском - не экономично и не всегда обеспечивает выполнение теста ИПГ. Ниобий, как микролегирующий элемент, позволяет при контролируемой прокатке управлять процессами структурообразования и измельчения зерна; он остается необходимым элементом и при использовании контролируемой прокатки с последующим ускоренным охлаждением.

В этом случае ниобий вводится в количествах, больших, чем в сталь для низкотемпературной прокатки. После окончания деформации он остается в твердом растворе (0,02ч0,03%), снижает температуру начала превращения и тем самым способствует образованию бейнита, а после превращения выделяется в виде мелких карбонитридов, которые упрочняют металл.

Введение в строй УКО на стане 5000 и применение УО при производстве трубных сталей позволяют перейти от низкотемпературной контролируемой прокатки (НКП) с завершением в г+б-области к высокотемпературной контролируемой прокатке с завершением в г-области (ВКП) с последующим ускоренным охлаждением.

Появилась возможность принципиально изменить подход к технологии производства листов для труб высоких категорий прочности, проката больших, толщин (30 мм и более), со специальными свойствами (например, сероводородостойких сталей) и др.

При контролируемой прокатке с ускоренным охлаждением (КП+УО, рис. 5.1) необходимо регламентировать параметры следующих основных процессов:

- нагрев слябов под прокатку, во время которого происходит растворение карбонитридной фазы и растет зерно аустенита (регламентируется температура нагрева и время выдержки);

- черновая прокатка, при которой происходит измельчение исходного зерна аустенита за счет рекристаллизации при деформации (регламентируются температура деформации и степень обжатия за проход);

- чистовая прокатка в области отсутствия рекристаллизации, когда равноосные зерна аустенита вытягиваются под воздействием деформации, и в результате наклепа в них увеличивается число центров зарождения ферритной фазы (регламентируется температура начала, конца и суммарная степень деформации);

- температуры начала и конца ускоренного охлаждения, влияющие на количественное соотношение и тип структурных составляющих, образующихся после охлаждения;

- скорость охлаждения, также влияющая на тип и количество образующихся фаз и структурных составляющих (Ф+П, Ф+П+Б, Ф+Б, Ф+Б+М и т.д.).

Рис. 5.1 Схема процессов, протекающих при контролируемой прокатке (КП) и контролируемой прокатке с ускоренным охлаждением (КП+ОУ)

Основные преимущества процесса КП+УО по сравнению с традиционной контролируемой прокаткой:

- получение мелкозернистой, равномерной структуры металла с пониженными уровнями полосчатости, внутренних напряжений и анизотропии свойств;

- возможность уменьшения содержания углерода и легирующих элементов для данного уровня прочности стали, что позволяет снизить себестоимость и повысить свариваемость, вязкость и хладостойкость проката, а также снизить уровень сегрегации в слябе;

- снижение нагрузок на стан за счет более высокой температуры конца прокатки и повышение темпа прокатки вследствие сокращения паузы при подстуживании раскатов.

Термомеханическая (контролируемая) прокатка позволяет значительно измельчить зерно феррита и получать для феррито-перлитных низколегированных трубных сталей с содержанием углерода до 0,1% свойства до класса прочности Х70 (К60) - стали типа 10Г2ФБ.

Дальнейшее увеличение прочностных свойств без ухудшения вязкости и хладостойкости возможно только при замене феррито-перлитной структуры сталей, получаемых контролируемой прокаткой, на феррито-бейнитную.

Сталь с такой структурой можно получить путем дополнительного легирования такими элементами, как Мо, Cr, Ni, В, что неизбежно увеличивает её стоимость и ухудшает свариваемость. Другой способ - это применение УО, которое позволяет получать более высокую прочность без введения большого количества дополнительных легирующих элементов.

При этом содержание углерода может быть понижено до 0,04ч0,08%. Так производятся стали типа Х70 и Х80. Если увеличить степень легирования и применять интенсивное УО с повышенными скоростями охлаждения, то можно получить трубные стали класса прочности до Х100.

В соответствии с термокинетической диаграммой в стали типа Х70 (10Г2ФБ) при охлаждении из аустенитной области на воздухе со скоростью 2,5?/с формируется феррито-перлитная структура; при охлаждении со скоростью более 4?/с в структуре стали наряду с ферритом и перлитом присутствует бейнит. Если скорость охлаждения превышает 10?/с, в стали формируется феррито-бейнитная структура. При скорости охлаждения более 50?/с возможно получение преимущественно бейнитной структуры стали.

Далее приведены результаты, полученные на УКО стана 5000 в ходе промышленных экспериментов, в которых применяли стали химического состава, приведенного в табл. 5.1

Таблица 5.1. Химический состав сталей, использовавшихся при прокатке с УО

Сталь	C	Si	Mn	S	Ti	V	Nb	Прочие	Cэ
05ХГ1НДБ (Х65)	0,046	0,200	1,40	0,004	0,013	-	0,05	Cr-Ni-Cu	0,37
05Г1МБ(Х65-Х70)	0,050	0,20	1,43	0,003	0,015	-	0,05	Mo-Ni-Cu	0,36
10Г2ФБ (Х70)	0,100	0,40	1,59	0,002	0,014	0,07	0,05	-	0,39
05Г2НДМБ (Х80)	0,050	0,12	1,81	0,004	0,011	-	0,09	Mo-Ni-Cu	0,43

Типичная микроструктура листовых трубных сталей, произведенных по режимам КП и КП+УО, показана на рис. 5.2

Рис. 5.2 Типичные микроструктуры трубных сталей: после КП (а - 05Г1МБ, б - 10Г2Ф) и после КП+УО (в - 05Г1МБ, г - 05Г2НДМБ), х500

Стали, произведенные с применением УО (рис. 5.2, в, г) обладают более мелкозернистой и гомогенной феррито-бейнитной структурой, что и определяет их повышенную прочность и вязкость по сравнению со сталями, полученными контролируемой прокаткой с последующим охлаждением на воздухе (рис. 5.2, а, б).

Различие свойств сталей с феррито-перлитной и феррито-бейнитной структурой обусловлено особенностями их структурных составляющих (рис.5.3).

Рис. 5.3 Электронные микрофотографии полигонального (а) и игольчатого (б) феррита в трубных сталях

Средний размер ферритных зерен после КП составляет 5 мкм, минимальный ?2 мкм. В то же время пластины игольчатого феррита в феррито-бейнитных сталях при окончании прокатки в нижней части аустенитной области и последующем УО имеют эффективный размер зерна около 1 мкм, ширина отдельных пластин может достигать 0,2 мкм, что подтверждает результаты ранее проведенных исследований. Плотность дислокаций в бейните в 4-5 раз больше (за счет сдвигового механизма образования), чем в феррите, что дает возможность получить дополнительный прирост прочности и вязкости в сталях с феррито-бейнитной структурой.

Применение УО позволяет добиться существенного упрочнения стали без дополнительного легировани (рис.5.4).

Рис.5.4 Влияние ускоренного охлаждения на прочностные свойства трубных сталей

Промышленные эксперименты продемонстрировали, что применение УО после КП обеспечило прирост предела текучести до 70 , временного сопротивления до 90 без дополнительного легирования стали.

При производстве толстолистовых трубных сталей УО является эффективным способом, обеспечивающим требуемую прочность в сочетании с отличной ударной вязкостью - в среднем на 70ч100 выше, чем у той же стали, произведенной по технологии низкотемпературной КП, при более высоком уровне хладостойкости (более низкой переходной температуре) (рис. 5.5).

Рис. 5.5 Ударная вязкость (а) и хладостойкость (б) листов толщиной 18,4 мм из опытной плави стали 05Г1МБ: КП - контролируемая прокатка с окончанием в нижней части г+б области, КП+ОУ - контролируемая прокатка с окончанием в г или верхней части г+б области с ускоренным охлаждением

При производстве труб из листа, полученного с использованием УО, не происходит резкого снижения предела текучести металла, которое наблюдается у металла КП.

Как видно из табл. 4.9, среднее значение падения предела текучести в результате передела лист-труба на поперечных образцах для стали, произведенной с ускоренным охлаждением, более чем в 5 раз ниже, чем для стали после контролируемой прокатки.

Таблица 5.2. Механические свойства стали (средние значения)

Механические свойства листа	Изменение механических свойств в трубном переделе
ув, Н/мм2	ут, Н/мм2	д, %	ув, Н/мм2	ут, Н/мм2	д, %
КП
601	529	36	5	-21	-2
КП+УО
574	505	38	6	-4	1
Примечание: образцы ASTM плоские, поперечные, шириной 38,1 мм; труба ? 610 мм с толщиной стенки 12,1 мм;

На примере металла опытной партии листов стали типа 05Г1МБ (химический состав см. в табл. 5.2) исследовано влияние основных параметров УО (температуры начала и конца охлаждения) на прочностные свойства (рис. 5.6).

Рис. 5.6 Влияние температуры конца (а) и начала (б) ускоренного охлаждения на механические свойства стали 05Г1МБ (листы толщиной 12 мм)

Листы охлаждались из аустенитной области ( = 775ч800?) со скоростью 25ч30?/с. По мере снижения температуры конца охлаждения () от 620? до 490? наблюдается постоянный рост временного сопротивления и снижение относительного удлинения, предел текучести сначала растет, однако после максимума в районе = 500ч550? снижается, что связано с исчезновением физического предела текучести на диаграммах растяжения.

Температура начала охлаждения при УО также влияет на механические свойства листов из стали 05Г1МБ (рис. 4.13, б). Для металла данного химического состава оптимальная температура начала охлаждения находится в нижней части аустенитной и в верхней части г+б-области, при дальнейшем понижении прочность снижается из-за уменьшения количества бейнитной структурной составляющей.

Пониженная прочность металла при высоких (более 820?) связана с более грубой структурой, а также, по данным некоторых исследований, с выпадением более крупной карбонитридной фазы при окончании прокатки (начале охлаждения) в высокотемпературной области.

На стане 5000 проведен промышленный эксперимент, иллюстрирующий возможности УО. Из стали типа 05ХГ1НДБ по различным режимам были прокатаны четыре листа толщиной 22 мм. Два листа были прокатаны без УО по режимам ВКП с окончанием деформации в нижней части г-области и НКП с окончанием деформации в г+б-области. Два других листа прокатаны по режиму ВКП, после прокатки один лист был подвергнут ускоренному охлаждению (КП+УО), а второй прямой закалке с прокатного нагрева (КП+ПЗ) в УКО.

Результаты механических испытаний листов, произведенных по различным режимам, совмещенные с требованиями к прочностным свойствам в соответствии со стандартом API 5L, представлены на рис. 5.7. 3десь же показан уровень свойств стали 05Г2НДМБ (повышенное содержание марганца и добавка молибдена) после КП+УО.

Рис. 5.7 Механические свойства листов толщиной 22 мм стали 05ХГ1НДБ, произведенной по различным режимам, а такжестали 05Г2НДМБ, дополнительно легированной Mn и Mo

Снижение температуры конца прокатки на 90ч100? при режиме НКП по сравнению с ВКП позволило получить прирост на 70 , а - на 60 . Использование УО позволило получить дополнительный прирост предела текучести на 30 , а временного сопротивления на 35 . Использование режима КП+ПЗ позволяет увеличить стали еще на 50 дополнительно к уровню, полученному после УО.

Таким образом, варьирование технологии производства позволило изменять в стали 05ХГ1НДБ предел текучести в интервале 430ч530 , а временного сопротивления - в интервале 500ч650 . Увеличение содержания в стали марганца и добавка молибдена позволяют после ускоренного охлаждения получить уровень свойств, соответствующий категории прочности Х80 по стандарту API 5L.

Таблица 5.3. Ударная вязкость и результаты испытаний падающим грузом стали 05ХГ1НДБ, произведенной по различным режимам

Технология производства	KVC-60, Дж/см2	ИПГ-20, %
Высокотемпературная КП (ВКП)	345ч363	100/100
Низкотемпературная КП (НКП)	278ч319	100/100
ВКП + ускоренное охлаждение	341ч366	100/100
ВКП + прямая закалка	312ч339	100/100

Из табл. 5.3 видно, что листы, произведенные по режимам КП+УО и КП+ПЗ, по уровню ударной вязкости практически не уступают листу, произведенному по режиму высокотемпературной КП, и, при большей прочности, имеют более высокий уровень ударной вязкости, чем лист, прокатанный по режиму низкотемпературной КП. При испытании падающим грузом все листы продемонстрировали отличный уровень свойств.

Результаты промышленных экспериментов с технологией ускоренного охлаждения позволяют сделать следующие выводы:

Применение УО по сравнению с традиционной КП позволяет получать существенный прирост прочностных свойств без снижения ударной вязкости и хладостойкости, а также варьировать свойства проката одного химического состава и толщины в широком диапазоне.

УО листов позволяет заменить феррито-перлитную структуру стали после традиционной КП мелкозернистой феррито-бейнитной структурой с пониженным уровнем полосчатости.

По сравнению с традиционной контролируемой прокаткой КП+УО дает возможность получать заданный уровень прочности при пониженном содержании углерода и легирующих элементов, что ведет к улучшению свариваемости стали.

Применение УО позволяет снизить нагрузки на стан из-за повышенной по сравнению с традиционной КП температурой конца прокатки и повысить темп прокатки за счет сокращения паузы при подстуживании раскатов.

Вывод

Контролируемая прокатка обеспечивает значительное повышение комплекса механических свойств (прочности, пластичности, ударной вязкости, сопротивлении хрупкому разрушению) низколегированных сталей в горячекатаном состоянии. Одним из ее важнейших преимуществ является возможность получения вязких свойств на уровне, соответствующем нормализованному состоянию, при значениях прочностных характеристик, свойственных горячекатаной стали. В результате этого при контролируемой прокатке из технологического цикла исключается такой вид термической обработки как нормализация; снижается углеродный эквивалент низколегированных сталей при сохранении прочностных свойств на достаточно высоком уровне. В ряде случаев, например при обработке, малоперлитных сталей, контролируемая прокатка является необходимой операцией, поскольку иным способом не удается реализовать преимущества этих сталей.

Трубные стали в сейсмических опасных районах должны быть изготовлены из стали, которая не только обеспечивает их высокую прочность и вязкость, но и достаточную деформируемость при монтаже и эксплуатации трубопроводов.

Список используемой литературы

1. Погоржельский В.И. Контролируемая прокатка: Металлургия / В.И. Погоржельский, Д.А. Литвиненко, Ю.И. Матросов и др. 1979 г.184 с.

2. Погоржельский В.И. Контролируемая прокатка непрерывнолитого металла: Металлургия, 1986 г.151 с.

3. Коликов А.П. Производство стальных труб для магистральных трубопроводов в Росси // Черные металлы - 2008 г. - ноябрь - с.8 - 11.

4. Кичкин А.А. Влияние ускоренного охлаждения после контролируемой прокатки на структуру и свойства стали / А.А. Кичкин, М.Ю. Мотросов, И.В. Дубинин // Сталь - 2006 г. - № 11 - с.125 - 127.

5. Салганик В.М. Моделирование и разработка эффективной технологии контролируемой прокатки трубных сталей с заданным комплексом механических свойств / В.М. Салганик, О.Н. Сычев // Металлург - 2009 г. - № 5 - с.36 - 46.

6. Матросов М.Ю. Имитация процессов структурообразования в трубных сталях при контролируемой прокатке с ускоренным охлаждением / М.Ю. Матросов, А.А. Кичкин, А.А. Ефимов // Металлург - 2007 г. - № 7 - с.59 - 64.

Размещено на Allbest.ru