УДК 621.744.21:669.14.018.41
ФОРМИРОВАНИЕ ГАРАНТИРОВАННОГО КОМПЛЕКСА СВОЙСТВ РУЛОННОГО ПРОКАТА КАТЕГОРИИ ПРОЧНОСТИ Х70*
© С.Ю.Настич, Н.В.Филатов, А.А.Немтинов, Е.С.Попов, А.В.Голованов
ФГУП «ЦНИИчермет им И.П.Бардина», Череповецкий металлургический комбинат ОАО «Северсталь»
Главным направлением развития современных магистральных газопроводов является обеспечение высокой производительности, что достигается повышением рабочего давления газа в трубе (до 9,8 МПа и более). Строительство современных газопроводов часто осуществляется в удаленных районах с суровыми климатическими условиями. Исходя из вышесказанного, современные трубные стали должны обеспечивать высокую прочность (класс прочности не менее К60 (Х70)) в сочетании с хорошей хладостойкостью и свариваемостью. Хладостойкость трубных сталей определяется, главным образом, выполнением условий теста ИПГ (DWTT) при пониженных температурах. Основным аспектом проблемы свариваемости трубных сталей является обеспечение стойкости стали к образованию холодных трещин и высокого уровня ударной вязкости для металла околошовной зоны сварного соединения.
Для магистральных газо- и нефтепроводов с толщиной стенки трубы не более 16 мм могут использоваться спиральношовные трубы, поскольку производство таких труб из рулонного проката с гарантией требуемого уровня механических характеристик имеет экономические преимущества по сравнению с традиционными технологиями производства прямошовных труб из листового проката. В настоящее время ведущими металлургическими компаниями осваивается производство рулонного проката толщиной 14-16 мм (а в ряде случаев до 25 мм) категории прочности Х70 и Х80 [1].
Особенности технологического процесса производства спиральношовных труб - формовка труб под углом к направлению прокатки полосы, отсутствие экспандирования труб - обусловливают необходимость дополнительного запаса по прочностным свойствам рулонного проката. В связи с этим современные спецификации предусматривают испытания рулонного проката на растяжение не только в поперечном, но и в продольном направлении, либо на образцах, располагающихся под углом к направлению прокатки (в зарубежной практике). Рулонный прокат, предназначенный для изготовления спираль-ношовных труб категории прочности Х70, должен иметь повышенный уровень прочностных свойств на продольных и поперечных образцах: стт>510 Н/мм2, ств=610^690 Н/мм2. Требования по ударной вязкости и хладостойкости предусматривают, как правило, обеспечение КСУ-20>98 Дж/см2 и В (ИПГ-20)>90%. Уровень
легированности стали ограничивается величинами С <0,43; Р <0,24.
э ' ' ст '
Металловедческим обоснованием возможности обеспечения указанного комплекса свойств для рулонного проката толщиной 14-16 мм является использование феррито-бейнитных сталей с более мелкодисперсной микроструктурой, характеризующейся повышенной плотностью дислокаций по сравнению с традиционными феррито-перлитными сталями. Производство проката с такой микроструктурой основывается на использовании технологии контролируемой прокатки (КП) с ускоренным охлаждением (УО) в сочетании с введением в сталь добавок элементов, повышающих устойчивость аустенита (Мо, N1, Сг, Си) [2]. Для современных феррито-бейнитных трубных сталей характерно пониженное содержание углерода - не более 0,08% (по массе), что обеспечивает хорошую свариваемость и хладостойкость проката. Снижение содержания углерода положительно влияет на уменьшение сегрегационной неоднородности по толщине слябов и проката, а также на возможность эффективного использования микролегирования ниобием [3]. Необходимым условием производства высококачественного проката является выплавка чистой по вредным примесям (особенно [Б] <0,003%) и неметаллическим включениям стали на основе комплексной технологии ее внепечной обработки.
В соответствии с изложенным на стане 2000 ЧерМК ОАО «Северсталь» было осуществлено опытное опробование производства рулонного проката категории прочности Х70 толщиной 15,7-15,9 мм, предназначенного для газопроводных электросварных труб ОАО ВТЗ. В отличие от результатов, опубликованных ранее [4], прокат из новой стали должен характеризоваться требуемым уровнем хладостойкости при испытаниях ИПГ.
Обеспечение высокого значения предела текучести на продольных образцах основывалось на предположении о том, что диаграмма растяжения стали должна характеризоваться площадкой текучести минимальной длины (вырожденная площадка текучести). Для этого феррито-бейнитная микроструктура должна иметь как твердые, так и более пластичные составляющие, т.е. представлять собой смесь феррита различной морфологии с продуктами феррито-бейнитного типа с повышенной плотностью дислокаций и малой долей вырожденного перлита, равномерно распределенного между мелкодисперсными элементами матрицы.
* Авторы выражают признательность И.В.Лясоцкому, Т.С.Киреевой, А.В.Назарову и А.А.Ефимову за помощь в подготовке материала и за проведение исследований.
Таблица 1. Химический состав опытных плавок рулонной стали типа Х70
Вариант C Si Mn S Другие элементы С P
опытной плавки э cm
1 0,05-0,08 0,25-0,40 1,5-1,7 <0,003 Ni, Cu, V, Ti, Nb <0,41 <0,20
2 0,05-0,08 0,10-0,30 1,4-1,6 <0,002 Ni, Mo, V, Ti, Nb <0,42 <0,21
Таблица 2. Механические характеристики проката толщиной 15,7-15,9 мм из стали типа Х70
Вариант опытной плавки Направление отбора проб а, Н/мм2 т а , Н/мм2 в а /а тв ^ % KCV-20, Дж/см2 В (ИПГ7), % HV10
Продольное Поперечное
Поперечное
Требования спецификации 1
>510 610-690 < 0,90 > 22,0 > 98 (!) 535-575 635-675 0,83-0,86 23-26 -
540-590 640-685 0,83-0,86 23-26 160-250
Требования спецификации 2
510-630 610-760 < 0,90 > 22 >200 (!)
560-620 640-700 0,86-0,89 22,5-24,5 275-354
> 90 (!) < 260 90-100 (Т= -20 °С) 195-210
> 85 (!) < 260 90-100 (Т= -15 °С) 210-243
1
2
Выбранная композиция химического состава стали (табл. 1) характеризовалась пониженным содержанием углерода, микролегированием Nb, Ti и V, а также добавками Ni+Cu (вариант 1, марочное обозначение 06Г2БЮ-К60) или Mo+Ni (вариант 2).
При изготовлении стали и слябов был использован опыт ЧерМК ОАО «Северсталь» по производству высококачественного трубного металла и возможности оборудования комбината: выплавка стали была произведена в кислородно-конверторном цехе с использованием чистых по вредным примесям шихтовых материалов, на этапе доводки металла использовали комплексную технологию внепечной обработки, разливка металла осуществлена на МНЛЗ с защитой струи от контакта с атмосферой.
Для производства проката на стане 2000 была разработана технология, основанная на регламентировании технологических параметров процесса: нагрева слябов для растворения карбонитридов Nb (C,N); степени обжатия и температур металла как в области рекристаллизации аустенита при черновой прокатке, так и в области отсутствия рекристаллизации аустенита при чистовой прокатке. При этом осуществлялась оптимизация толщины раската, исходя из конкретных требований спецификаций для выполнения теста ИПГ. Окончательное формирование микроструктуры проката осуществлялось при интенсивном охлаждении проката на отводящем рольганге с последующей смоткой полосы в рулон в области бейнитного превращения стали.
Механические характеристики рулонного проката полностью удовлетворяли требованиям спецификаций (табл. 2). Следует отметить, что для проката из стали варианта 2 (с добавкой Mo+Ni) в поперечном направлении фактически был достигнут уровень свойств, соответствующий категории прочности Х80 (ISO 3183, API 5L), в сочетании с требуемым уровнем хладостойкости В (ИПГ-15)>90%.
Применение технологии КП в сочетании со смоткой по регламентированным режимам в прокате позволило получить требуемую феррито-бейнитную
микроструктуру (рис. 1), которая характеризовалась малым размером элемента ферритной матрицы (№ 11-12 по ГОСТ 5639). Микроструктура стали в целом представляла собой смесь квази-полигонального (или «иррегулярного») феррита (Кв.-П.Ф), игольчатого феррита (И.Ф) и небольшой доли полигонального
Рис. 1. Микроструктура стали варианта 1 ^
(а, х400, уменьшено на 50%) и варианта 2 ¡5
(б, х500, уменьшено на 30%): Кв.-П.Ф - П.Ф - И.Ф - П
100 -
80 -
60 -
40 -20
с
т
О/
/о
/
V
о
-80 -60 -40 -20 0
Температура испытания, °С
Рис. 2. Хладостойкость стали Х70 (вариант 1): зависимость доли вязкой составляющей в изломе образцов
ИПГ при различных температурах испытаний
феррита (П.Ф); присутствующая темно-травящаяся фаза была преимущественно вырожденным перлитом (П) с малой объемной долей (<<10%). Микроструктура характеризовалась незначительной полосчатостью -не выше балла 1 по ГОСТ 5640.
Результаты сериальных испытаний проката при ИПГ для стали варианта 1 (рис. 2) показывают, что требуемая хладостойкость проката была достигнута благодаря хорошей проработке его микроструктуры путем оптимизации толщины подката и завершения деформирования в нижней части у-области.
Широкие возможности по управлению охлаждением полосы на отводящем рольганге позволяют формировать комплекс свойств проката путем получения как варьируемых долей микроструктурных составляющих, так и выделения карбонитридов микролегирующих элементов различного характера для дисперсионного упрочнения проката. Требуемый комплекс свойств может быть обеспечен при сбалансированном влиянии указанных факторов на конечную микроструктуру проката. С другой стороны, возможности управления этими процессами обеспечивают повышенную гибкость технологических процессов, а выбор оптимальной композиции легирования и микролегирования стали позволяет расширить технологическое «окно», в котором производится годная продукция.
Осуществление смотки полосы в рулон во время опробования производства на отдельных рулонах-разведчиках в широком диапазоне температур Тсм = 600^500 °С показало, что требуемый комплекс прочностных свойств на наружных витках полосы может быть обеспечен во всем исследованном диапазоне Т (рис. 3). Основным фактором, обеспечивающим упрочнение трубной стали, является зернограничное упрочнение, обусловленное формированием мелкого зерна феррита
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.