научная статья по теме ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПОВЫШЕННОГО КОМПЛЕКСА СВОЙСТВ ПРОКАТА ДЛЯ ТРУБ БОЛЬШОГО ДИАМЕТРА НА ОСНОВЕ ФОРМИРОВАНИЯ ФЕРРИТО-БЕЙНИТНОЙ МИКРОСТРУКТУРЫ СТАЛИ Металлургия

Текст научной статьи на тему «ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПОВЫШЕННОГО КОМПЛЕКСА СВОЙСТВ ПРОКАТА ДЛЯ ТРУБ БОЛЬШОГО ДИАМЕТРА НА ОСНОВЕ ФОРМИРОВАНИЯ ФЕРРИТО-БЕЙНИТНОЙ МИКРОСТРУКТУРЫ СТАЛИ»

УДК 621.774.21:669.14.018.41

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПОВЫШЕННОГО КОМПЛЕКСА СВОЙСТВ ПРОКАТА ДЛЯ ТРУБ БОЛЬШОГО ДИАМЕТРА НА ОСНОВЕ ФОРМИРОВАНИЯ ФЕРРИТО-БЕЙНИТНОЙ МИКРОСТРУКТУРЫ СТАЛИ

© Ю.Д.Морозов, С.Ю.Настич, М.Ю.Матросов, О.Н.Чевская

ФГУП «ЦНИИчермет им. И.П.Бардина»

Основными направлениями развития современных систем газо- и нефтепроводов являются увеличение рабочего давления, снижение металлоемкости трубопровода и трудоемкости его строительства. Повышение рабочего давления приводит к увеличению толщины стенки трубы, что при производстве штрипса на действующем оборудовании является трудной металлургической задачей. Дополнительные требования предъявляются к трубному металлу по свариваемости и хладостойкости, что обусловлено необходимостью освоения новых месторождений нефти и газа в суровых климатических условиях северных регионов России. Производство проката для труб повышенных классов прочности (К65(Х80) вместо К56-К60) позволяет либо не увеличивать толщину стенки, либо увеличивать ее незначительно при существенном росте внутреннего давления (производительности трубопровода) [1].

Прокат для труб класса прочности К65 и, в перспективе, до К80 должен сочетать высокие прочностные свойства (табл. 1) со значительно увеличенными характеристиками вязкости (ударная вязкость КСУ-20 до 170-200 Дж/см2, доля вязкой составляющей в изломе образцов ИПГ-20 до 100%), назначаемыми исходя из условий торможения развития хрупкого разрушения. Требования по свариваемости металла предусматривают ограничение значения углеродного эквивалента С до величины не более 0,43 и параметра сопротивляемости растрескиванию при сварке Рст - не более 0,23, а в ряде спецификаций предусматривается ужесточение требований до С <0,38 и Р <0,20.

Для удовлетворения потребности в высококачественном отечественном штрипсе для труб большого диаметра специалисты ФГУП «ЦНИИчермет им. И.П.Бардина» разработали современную металлургическую концепцию производства новых трубных сталей преимущественно с феррито-бейнитной микроструктурой применительно к условиям производ-

ства на существующем и модернизируемом оборудовании отечественных металлургических предприятий.

Производственный опыт показывает, что повышенный уровень свойств штрипса не может быть обеспечен при использовании традиционной стали типа Х70 (системы легирования С-Мп-У-ЫЬ) с феррито-перлитной микроструктурой [1, 2]. По мнению ученых ЦНИИчермет, перспективным направлением является замена феррито-перлитной микроструктуры феррито-бейнитной, поскольку такая микроструктура (для стали с пониженным содержанием углерода), как правило, состоит из мелкодисперсных продуктов промежуточного превращения и характеризуется повышенной плотностью дислокаций. Как известно, формирование мелкодисперсной микроструктуры стали позволяет обеспечивать повышение прочности проката в сочетании с хорошей хладостойкостью [2, 3].

Прогрессивный подход к разработке химического состава трубной стали предусматривает снижение содержания углерода до 0,04-0,08% для обеспечения: регламентированного уровня свариваемости металла (обычно С <0,43, Р <0,22); высокого уровня хладостой-кости 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 трубной стали 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

Таблица 1. Требования к прочностным и пластическим свойствам листовой стали для газопроводных труб высоких классов прочности (на поперечных образцах)

Класс прочности Предел текучести ат, Н/мм2 Временное сопротивление а , Н/мм2 в Относительное удлинение 85, % а /а т в

К60 К65 К80 500-600 572-672 710-810 590-690 638-738 785-885 22 20 18 0,90 0,92 0,92

Примечания: 1. стт/ств для стали контролируемой прокатки; для нормализованной стали стт/ств не более 0,85. 2. Сэ<0,43; Рст<0,25; Сэ = С + Мп/6 + (Сг+Мо+У)/5+(№+Си)/15+15В; Рст = С + 81/30 + (Мп + Си + Сг)/20 + №/60 + Мо/15 + У/10 + 5В.

бейнитной области благодаря задержке у^-а превращения. Обязательным условием обеспечения высоких показателей ударной вязкости является обеспечение высокой чистоты стали по вредным примесям (особенно по сере: Н<0,003%).

Применение термомеханической обработки проката (в зарубежной практике - ТМСР), предусматривающей выполнение контролируемой прокатки с последующим ускоренным охлаждением (КП+УО) позволяет обеспечить формирование мелкого зерна ферритной матрицы стали. Такая обработка по контролируемым режимам предусматривает в черновой стадии прокатки многократные сильные обжатия (е. > 15%) в области рекристаллизации аустенита, осуществление чистовой стадии прокатки с суммарной деформацией еЕ > 70% в области отсутствия рекристаллизации ау-стенита и ускоренное охлаждение проката со скоростью охлаждения до 20-60 °С/с для условий толстолистовых станов и до 10-15 °С/с - для непрерывных широкополосных станов (НШС).

Формирование феррито-бейнитной микроструктуры трубной стали может быть достигнуто либо путем использования дополнительного легирования элементами, повышающими устойчивость аустенита - Мо, Сг, N1, Си (совместно или в различных сочетаниях), либо посредством применения ускоренного охлаждения после прокатки (КП+УО). Следует отметить, что на практике повышенный уровень свойств проката в сочетании с удовлетворительной свариваемостью может быть обеспечен в случае совместного использования указанных способов [1-3].

Исследование влияния различных композиций легирования низкоуглеродистых сталей на характер фазовых превращений в стали. В ЦНИИчермет выполнено комплексное исследование влияния добавок легирующих элементов N1, Си, Сг, Мо на формирование микроструктуры стали типа Х70 с низким содержанием углерода применительно к условиям контролируемой прокатки, которую моделировали при испытаниях на деформационном дилатометре (е = 15-20% при температурах 1050 и 850 °С) [4, 5]. При введении в сталь типа Х70 базового состава (0,04-0,07)%С-(1,3-1,6)%Мп-0,07%МЬ добавок Сг, N1, Си и Мо в количестве до 0,2% каждого элемента происходит расширение бейнитной области в сторону малых скоростей охлаждения (скорость охлаждения ^800/700 определялась в диапазоне температур 800-700 °С). Добавление 0,20% Мо в состав стали типа Х70 приводит к существенному подавлению перлитного превращения по сравнению с традиционной сталью С-Мп. Совместное легирование Мо-№ расширяет температурную область формирования бейнита ® в сторону как больших, так и самых малых скоростей 8 охлаждения. Принципиальный вид термокинетиче-» ской диаграммы (ТКД) для сталей типа Х70 состава • (0,04-0,07)%С-(1,3-1,6)%Мп и дополнительным ле-| гированием показывает, что формирование феррито-| бейнитной структуры происходит при скоростях 5 охлаждения не менее 2-5 °С/с (рис. 1).

- С-Мп-Сг-№-Си-У-ЫЬ

---С-Мп-Мо-У-ЫЬ

---С-Мп-Мо-№-У-ЫЬ

Рис. 1. Принципиальная схема термокинетической диаграммы для сталей состава (0,04-0,07)%С-(1,3-1,6)%Мп и дополнительным легированием [4, 5]

Влияние ключевых технологических параметров термомеханической обработки (КП+УО) на структуру и свойства стали. Формирование микроструктуры проката в значительной степени определяется основными технологическими параметрами термомеханического процесса - температурой окончания прокатки (Т ) и температурой окончания охлаждения (Т ) для условий толстолистового стана, либо температурой смотки (Т ) для условий НШС. Применение интенсивных режимов УО в ряде случаев позволяет также снижать уровень легирования стали, что закономерно приводит к улучшению ее свариваемости [2].

На рис. 2 представлен принципиальный вид зависимости типа микроструктуры и механических характеристик стали типа Х65-Х70 химического состава 0,05%С-1,4%Мп-Мо-№ от основных параметров технологии [6]. Показано, что зависимость предела текучести от Тко при постоянной Ткп имеет максимум при Тко =500-550 °С, временное сопротивление монотонно возрастает при снижении Тко, а относительное удлинение практически постоянно. Указанное явление объясняется тем, что при снижении Тко до 500-550 °С происходит упрочнение проката благодаря измельчению зерна, а при Тко < 500 °С, в свою очередь, происходит увеличение доли бейнитной составляющей микроструктуры, что сопровождается исчезновением площадки текучести на диаграмме растяжения. В случае завершения охлаждения в средней части бейнитной области (Тко » 500 °С) микроструктура стали представляет собой смесь полигонального феррита с игольчатым ферритом и бейнитом (рис. 3, а). Дальнейшее понижение температуры прерывания охлаждения (Тко я 250-300 °С) вызывает формирование локальных областей из остаточного аустенита в смеси с мартенситом (так называемая МА-составляющая микрострук-

С У

с4-.

/

\

-

- V -: & ) — ? -

, 1

. ^т, /■мз V .. >> с-

■ Й V 25Г

0Г)1ГГ>

Окончание УО: 520-565, °С

к

ь" ь"

650

600

550

500

а

/ \

у+а у-область \

"т \

725 750 775 800 825 850 875 Т , °С

Начало охлаждения: 775-800, °С

К

ь" ь"

700

650-

600-

550-

500

1-1-1-1-г

475 500 525 550 575 600 625 Температура окончания УО (Т ), °С

Рис. 2. Принципиальный вид зависимостей механических характеристик стали типа 0,05%C-1,4%Mn-Mo-Nb от основных параметров технологии КП+УО:

Тко (а) и Г (б) [6]

туры), что приводит к дополнительному упрочнению проката (рис. 3, б).

При варьировании значений Ткп максимальный уровень прочностных характеристик стали зафиксирован при Ткп « 800 °С, т.е. при завершении деформирования проката в нижней части аустенитной области. Уменьшение прочности проката в случае начала охлаждения проката в смешанной (у+а)-области объясняется уменьшение

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.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Металлургия»