УДК 62-413:669.14.018
ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПОВЫШЕННОЙ ХЛАДОСТОЙКОСТИ ПЛИТ FH40 ТОЛЩИНОЙ 70-100 мм ДЛЯ МОРСКИХ КОНСТРУКЦИЙ СЕВЕРНОГО ИСПОЛНЕНИЯ
© Голи-Оглу Евгений Александрович, канд. техн. наук, e-mail: EGoli-Oglu@yandex.ru NLMK Europe DanSteel A/S. Дания, г. Фредериксверк Статья поступила 05.12.2014 г.
Рассмотрены результаты промышленного производства на реверсивном прокатном стане 4200 ЫЬМК Эап81ее1 плит толщиной 70-100 мм из низкоуглеродистой микролегированной стали с особыми требованиями по хладостойкости для обеспечения повышенной надежности ответственных частей, узлов и механизмов морских конструкций и техники, эксплуатируемых в северных и арктических регионах. Показана возможность обеспечения при термомеханической обработке высокого уровня работы удара при наиболее жестких стандартизированных условиях испытания на ударную вязкость: на образцах Шарпи, отобранных в поперечном направлении в центральной части по толщине стальных плит.
Ключевые слова: низкоуглеродистая микролегированная сталь; стальная плита; арктическое исполнение; термомеханическая обработка; хладостойкость; анизотропия механических свойств.
Морские конструкции и техника, эксплуатируемые в северных и арктических регионах, - это уникальный сегмент металлоконструкций, для изготовления которых применяются только материалы, обеспечивающие длительную работоспособность и механическую надежность, несмотря на жесточайшие климатические условия эксплуатации объекта [1, 2]. Повышение эффективности и надежности частей, узлов и механизмов морских конструкций и техники, изготовляемых из низкоуглеродистых микролегированных сталей, возможно только благодаря повышению комплекса их эксплуатационных характеристик. Главным образом, это нормируемый уровень работы удара в продольном и поперечном (относительно направления прокатки) направлениях при температурах до -50 и -60 °С, а также понижение критической температуры вязко-хрупкого перехода (Т ) в диапазоне (-70)-(-80) °С, в котором индивидуальные и средние значения этого показателя соответствуют заданному по нормативным требованиям спецификаций уровню ударной вязкости.
В соответствии с большинством международных стандартов и правил приемки сертификационных обществ на конструкционные [3], судостроительные [4] и стали для морских конструкций
(оффшорные) [5] (в листовом прокате толщиной менее 40 мм) работа удара определяется на образцах Шарпи, отобранных из приповерхностного слоя прокатанного листа. Кроме прочих, одним из объяснений этого требования является использование проката толщиной менее 40 мм обычно без фрезерования (кроме подготовки кромок к сварке) в процессе изготовления конструкции. Современный технический уровень выплавки и разливки конвертерной стали, а также условия термомеханической обработки (ТМО), позволяют обеспечить требуемый уровень работы удара и Ткр в приповерхностных слоях толстолистового проката до 40 мм из низкоуглеродистой стали пониженного уровня легирования.
Проблематичность обеспечения требуемого уровня хладостойкости стали растет пропорционально увеличению конечной толщины профиля плиты. С увеличением толщины листового проката от 40 до 1501 мм работа удара определяется уже в одной четверти (1/4) или в середине (1/2) по толщине проката в зависимости от назначения стали. Во-первых, это связано с необходимостью повышения надежности, ужесточения требований по хла-достойкости стали. Во-вторых, такое разделение связано с тем, что изделия из стальных плит указанных толщин в готовой конструкции могут частично подвергаться механической обработке, что приводит к уменьшению толщины плиты на 10% и более. В этом случае сложность обеспечения требуемого
1 В зависимости от стандарта максимальная толщина проката в состоянии поставки после термомеханической прокатки может быть ограничена 70, 80, 100, 120 мм.
Рис. 1. Подъемные механизмы, эксплуатируемые на судах и морских платформах, при изготовлении которых используются листы толщиной свыше 70 мм: а - гидравлическая двухбарабанная лебедка; б - гидравлическая буксирная лебедка
уровня хладостойкости стали растет пропорционально увеличению конечной толщины профиля плиты. В качестве примера можно привести производство частей подъемных механизмов с зубчатым или волнообразным профилем для вертикальных (рис. 1) и горизонтальных лебедок судов и морских нефтегазовых платформ или частей металлоконструкций с переменным сечением.
Для обеспечения требуемого уровня работы удара в поперечном направлении на 1/2 толщины проката 70-100 мм с минимальным пределом текучести 400 Н/мм2 требуется проведение дополнительных мероприятий по повышению качества непрерывнолитой заготовки (НЛЗ), целевое легирование и разработка эффективных режимов ТМО стальных плит, позволяющих в процессе деформации обеспечивать оптимальные температурные
и деформационные условия для максимального измельчения зерна, оптимального состояния избыточной фазы и повышенной однородности конечной микроструктуры по всей толщине проката. Это, в свою очередь, позволяет обеспечивать низкий уровень анизотропии механических свойств по толщине проката и высокий уровень хладо-стойкости. В качестве примера в табл. 1 приведены базовые и дополнительные требования по механическим свойствам стальных плит хладостойкого исполнения толщиной 70-100 мм для морских конструкций в состоянии поставки после термомеханической прокатки (ТМП).
Целью настоящей работы является анализ некоторых аспектов технологии изготовления и промышленных результатов производства проката толщиной 70-100 мм с пределом текучести не
Таблица 1. Требования DNV Offshore standard B101 по механическим свойствам проката FH40 толщиной 70-150 мм и по дополнительным требованиям спецификаций
Показатель Требования DNV-OS-B101 Дополнительные требования*
Временное сопротивление, Н/мм2 510- -650
Предел текучести, Н/мм2 >390
Относительное удлинение, % >20
Работа удара в продольном направлении, Дж Й по толщине Й по толщине Й по толщине Й по толщине
при -40 °С (класс Е) 55 - 110 74
при -60 °С (класс Б) 55 - 110 74
при -70 °С (определение Ткр) - - 55 37
при -80 °С (определение Тк ) - - 41 27
Работа удара в поперечном направлении, Дж
при -40 °С(класс E) 37 - 74 50
при -60 °С(класс F) 37 - 74 50
при -70 °С (определение Ткр) - - 34 24
при -80 °С (определение Ткр) - - 27 20
| * Дополнительными являются требования спецификаций с повышенными относительно указанного стандарта к значениями.
ниже 400 Н/мм2 и дополнительными требованиями по хладостойкости, обеспечивающими надежную эксплуатацию стали при -60 °С.
Металлургическая концепция создания хладостойкой толстолистовой стали большой толщины (более 70 мм) включает в себя ряд установленных требований, к которым относятся, в первую очередь, обеспечение высокого качества макроструктуры сляба, использование рационального (по содержанию углерода, марганца, кремния, ниобия, никеля и других элементов) химического состава, способы формирования мелкого зерна в однородной микроструктуре толстого листа.
Качество непрерывнолитой заготовки. Анализ промышленных результатов производства показывает, что для обеспечения уровня требований, приведенных в табл. 1, необходимо достижение следующих показателей качества непрерыв-нолитого сляба:
- чистота стали по вредным примесям (максимальное содержание серы не более 0,003%, фосфора не более 0,012%, азота не более 0,005%, водорода не более 0,0003%);
- снижение количества и размеров неметаллических включений, модифицирование стали кальцием и получение установленного соотношения Ca/S;
- уменьшение сегрегационной неоднородности благодаря оптимальному содержанию углерода, марганца, ниобия и других химических элементов, ликвирующих в процессе разливки стали;
- обеспечение установленного интервала содержания каждого химического элемента в пределах одной или серии плавок;
Рис. 2. . Макроструктура слябов для плит категории прочности РИ40 толщиной 70-100 мм
- качество макроструктуры, соответствующее второму баллу по шкале Маннесманна (цель - первый балл);
- стабильные технологические режимы выплавки, внепечной обработки и непрерывной разливки слябов толщиной более 300 мм, включая параметры вакуумной дегазации, скорости разливки, мягкого обжатия;
- замедленное охлаждение слябов после разливки для снижения внутренних напряжений и содержания водорода.
На рис. 2 в качестве примеров приведены фотографии темплетов от непрерывнолитых слябов, используемых при производстве исследованных партий проката.
Разработка химического состава. Подход к разработке в ЫЬМК ЭапБ1ее1 [6] химического состава тяжелых плит толщиной 70-100 мм с повышенными требованиями по хладостойкости и предназначенных для производства с использованием ТМП отличается от подходов к производству листов, например, средней (30-70 мм) группы толщин проката или плит с дополнительной термической обработкой. Главным образом это связано с общеизвестными особенностями плоской прокатки как процесса ОМД. Характерной особенностью процесса прокатки является неравномерность распределения деформации металла по сечению раската [7, 8], имеющей тенденцию к увеличению с повышением толщины заготовки [9] и толщины листа.
Дополнительный вклад в неравномерность вносит градиент температур по сечению толстых плит [10], вызванный, с одной стороны, различными условиями охлаждения слоев металла из-за потери тепла при транспортировке, выдержке и контакте с рабочими валками. С другой стороны, это также связано с деформационным разогревом. При таком количестве вариационных технологических факторов прокатки для получения проката с требуемым уровнем механических свойств целесообразно иметь определенный запас прочности и хладостойкости стали, который на практике может быть обеспечен небольшим повышением уровня легирования стали, а точнее, дополнительным введением в сталь определенных химических элементов. Поэтому при разработке химического состава проката толщиной 70-100 мм необходима компенсация флуктуаций в технологических режимах производства оптимальным содержанием легирующих и микролегирующих элементов.
При производстве прока
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.