Введение к работе
Актуальность проблемы. Прогресс в металлургической технологии привел к изменению типов неметаллических включений, структурного состояния и других факторов, определяющих качество стали для нефтепромысловых систем, тепловых сетей и других ответственных назначений. Во многом, характер влияния новых типов неметаллических включений на коррозионную стойкость и эксплуатационную надежность стали не установлен. Одно из последних достижений материаловедения низколегированных сталей состоит в получении доказательств, что их стойкость против локальной коррозии в водных хлорсодержащих средах контролируется присутствием неметаллических включений определенного вида, образующихся в процессе ковшовой обработки, способных ускорять коррозионные процессы и получивших название коррозионно-активные неметаллические включения (КАНВ). Их отрицательное влияние на коррозионную стойкость стали может существенно превосходить вклад положительных факторов, связанных с оптимизацией химического состава и структурного состояния металла. В результате имеет место снижение продолжительности эксплуатации металлопродукции до 3-12 месяцев вместо планового показателя - 8-10 лет. Ряд потребителей труб нефтепромыслового назначения ввел технические требования к низкому содержанию КАНВ (не более 2 вкл/мм ).
Отмеченные обстоятельства определяют необходимость решения проблемы обеспечения нефтегазодобывающего, топливно-энергетического комплексов новыми сталями с низким содержанием КАНВ, этим объясняется актуальность работы. Сформулированная задача является предельно сложной из-за быстрого расширения круга используемых материалов, технологических приемов, повышения интенсивности воздействия на металл и может быть решена с применением методов физико-химического прогнозирования процессов образования и эволюции неметаллических включений в условиях современного металлургического производства. На их основе могут быть найдены эффективные технологические приемы, позволяющие получать требуемое низкое содержание неблагоприятных типов неметаллических включений при разных способах выплавки металлического полупродукта, используемых при производстве металла для труб рассматриваемого назначения.
Цель настоящей работы состояла в разработке эффективных технологий и освоении производства углеродистых и низколегированных сталей с гарантированно низким содержанием неблагоприятных типов неметаллических включений путем создания эффективных приемов обработки металла на базе современных физико-химических методов прогнозирования и управления типом, количеством, морфологией неметаллических включений
Для достижения поставленной цели работы необходимо было решить ряд взаимосвязанных задач:
1) Установить состав и морфологию новых неблагоприятных типов
неметаллических включений.
-
Определить условия и механизмы образования новых типов неметаллических включений, технологические параметры, их контролирующие.
-
Разработать научные основы, создать и освоить технологии производства высококачественных углеродистых и низколегированных сталей для труб нефтепромыслового назначения с гарантированно низким содержанием неблагоприятных типов неметаллических включений для разных способов выплавки полупродукта (мартеновского, конвертерного и электросталеплавильного) и технологических схем обработки металла.
Научная новизна. В результате выполненных теоретических и экспериментальных исследований в рамках настоящей работы получены следующие новые результаты:
1. Установлено, что, независимо от способа выплавки металлического
полупродукта, низкое содержание КАНВ в стали достигается при
использовании технологии обработки металла в ковше, построенной на
единых принципах. Ее ключевой особенностью является оригинальный
способ изменения концентрации алюминия в металле, доводимой с малых
значений до марочной только на завершающей стадии ковшовой обработки
стали.
2. Установлено, что одним из типов включений, выявляемых как
КАНВ, являются композиции на основе MgO-Al203 с сульфидной
составляющей из CaS и/или MnS. При этом основной причиной их
образования в процессе ковшовой обработки и непрерывной разливки стали,
раскисленной алюминием, является взаимодействие металлического
расплава с футеровкой и шлаком. Трансформация включений на основе
MgO-Al203 в КАНВ происходит в результате отложения на их поверхности
CaS и/или MnS, благодаря кристаллографической близости решеток, в
процессе кристаллизации стали, охлаждения непрерывнолитой заготовки и
при дальнейших переделах (нагрев под горячую прокатку, прокатка,
термическая обработка).
-
Установлено, что важным условием получения низкого содержания КАНВ является шлаковый режим. Состав шлака должен обеспечивать его гомогенность в диапазоне температур ковшовой обработки с учетом возможного снижения температуры при проведении операций доводки. При использовании покровного шлака системы CaO-Al203-Si02-MgO с содержанием (MgO) = 5-12% и (Si02) = 6-16% основным условием, обеспечивающем его оптимальные функциональные характеристики и эффективное удаление КАНВ, является соблюдение отношения (СаО)/(А1203) в диапазоне 1,5-2,4.
-
Впервые показано, что оптимальный диапазон продолжительности обработки расплава аргоном в промывочном режиме, который позволяет обеспечить чистоту по всем типам КАНВ, ограничивается 6-10 минутами. Ее снижение не гарантирует достаточное удаление из металла КАНВ на основе
алюминатов кальция. При увеличении продолжительности обработки более 10 минут возможно повышение содержания в стали КАНВ на основе композиций MgO-Al203, вызванное длительным совместным присутствием в стали алюминия и кальция.
Практическая значимость работы состоит в следующем:
1. Для разных способов выплавки металлического полупродукта
разработаны и освоены эффективные технологии производства сталей марок
20, 20-КСХ, 20-КТ с гарантированным низким содержанием КАНВ (не более
2 вкл/мм ) для эксплуатации в экстремальных условиях нефтепромысловых
систем Западной Сибири и Крайнего Севера. Разработанные технологии
использованы для производства заготовок, проката и труб по заказам ОАО
«Сургутнефтегаз» в условиях мартеновского цеха (ОАО «Тагмет»),
конвертерного производства (ЧерМК ОАО «Северсталь») и
электросталеплавильного производства (литейно-прокатный комплекс (ЛПК)
ОАО «ОМК-сталь», филиал в г. Выкса). Всего произведено и поставлено
более 30 тысяч тонн металлопродукции.
2. Разработаны научные основы и созданы универсальные
эффективные технологические приемы, обеспечивающие требуемое низкое
содержание в стали неблагоприятных типов неметаллических включений в
условиях современного сталеплавильного производства. На основании
результатов физико-химического моделирования и расчета, выпуска
опытных партий сталей 20-КТ и 20-КСХ, обоснован необходимый расход
кальцийсодержащих материалов при производстве углеродистых и
низколегированных сталей с обеспечением требований к чистоте по КАНВ.
3. Впервые показано, что технологические приемы, направленные на
обеспечение требуемого низкого содержания КАНВ, одновременно
способствуют эффективному удалению неметаллических включений,
контролирующих возникновение отсортировки по различным типам
дефектов металла.
На защиту выносятся следующие положения:
условия и механизмы образования и трансформации новых типов неметаллических включений на основе алюмомагниевой шпинели при обработке жидкой и твердой стали;
закономерности влияния технологических параметров производства на тип, количество, морфологию неметаллических включений, присутствующих в стали;
ключевые технологические параметры и приемы, контролирующие чистоту стали по неметаллическим включениям, и оптимальные их численные значения для разных (мартеновский, конвертерный, электропечной) способов выплавки и схем обработки металла;
научные и технологические основы производства высококачественных углеродистых и низколегированных сталей с гарантированно низким содержанием неблагоприятных типов неметаллических включений;
доказательстваэффективности разработанных технологических решений и технологий.
Достоверность полученных результатов в работе обеспечивается применением современных методов и методик исследования, хорошей воспроизводимостью и согласованностью результатов исследований, положительными результатами промышленного освоения разработанной технологии ковшовой обработки разных марок сталей для труб нефтепромыслового назначения, обеспечивающей требуемое низкое содержание КАНВ.
Соответствие содержания диссертации паспорту специальности, по которой она рекомендуется к защите. Работа соответствует формуле и пункту 15 области исследования специальности 05.16.02 - «Металлургия черных, цветных и редких металлов».
Апробация работы. Материалы диссертации доложены и обсуждены на 8 конференциях: 1-й научно-технической конференции «Коррозионные марки сталей в трубной промышленности», г. Таганрог, 2009 г; 2-й научно-технической конференции «Коррозионные марки сталей в трубной промышленности», г. Таганрог, 2010 г; 2-й международной конференции «Современные требования и металлургические аспекты повышения коррозионной стойкости и других служебных свойств углеродистых и низколегированных сталей», г.Москва, 2010 г; XI международном конгрессе сталеплавильщиков «ТРАНСМЕТ 2010», г. Нижний Тагил, 2010 г; 2-й конференции молодых специалистов «Перспективы развития металлургических технологий», г.Москва, 2010 г.; российско-китайском симпозиуме «Новые материалы и технологии», г.Шанхай, 2009 г.; VI международной научно-технической конференции «Современные методы и технологии создания и обработки материалов», г.Минск, 2011 г.; 3-й конференции молодых специалистов «Перспективы развития металлургических технологий», г.Москва, 2011 г.
Публикации. Основное содержание работы опубликовано в 11 статьях, из них 7 статей в журналах из перечня ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов и списка литературы. Работа изложена на 156 страницах машинописного текста, содержит 59 рисунков, 38 таблиц. Список использованной литературы включает 123 наименования отечественных и зарубежных авторов.
