Введение к работе
Актуальность темы. Термомеханическая прокатка является прогрессивным способом производства проката из трубных сталей, позволяющим обеспечивать повышенный комплекс прочностных свойств в сочетании с необходимым уровнем хладостойкости на сталях с экономным уровнем легирования, что обеспечивает хорошую свариваемость. В практике строительства магистральных газо- и нефтепроводов категории прочности Х65-Х80 при толщине стенки трубы до 16 мм наряду с прямошовными используются также спиральношовные трубы, отличающиеся меньшей себестоимостью в производстве в связи в использованием высокопроизводительных процессов при изготовлении рулонного проката на непрерывных широкополосных станах горячей прокатки (НШС) и при формовке труб. Использование проката с гарантией уровня прочностных свойств и характеристик при испытании падающим грузом (ИПГ) по всей длине полосы повышает конкурентоспособность таких труб благодаря отсутствию операции термической обработки.
Отечественный опыт производства рулонного проката класса прочности К56-К60 (Х70) с гарантией уровня свойств ограничен толщиной 12 мм, а спиральношовные трубы с толщиной стенки 12-16 мм из рулонного проката производят методом объемной термической обработки. ЧерМК ОАО «Северсталь» имеет высокопроизводительный НШС 2000, на котором принципиально возможно осуществление контролируемой прокатки.
Актуальность выполненной работы обусловлена ее направленностью на разработку технологии термомеханической обработки рулонного проката, позволяющей обеспечить в полосе толщиной 14-16 мм комплекс свойств, соответствующий классу прочности К60 (Х70) в сочетании с улучшенными показателями хладостойкости (в том числе при ИПГ) и свариваемости, которые необходимы для реализации проектов современных магистральных трубопроводов большого диаметра.
Целью диссертационной работы является установление влияния основных параметров технологии производства рулонного проката из микролегированных трубных сталей типа Х70 в условиях НШС на структурообразование сталей, в том числе выделение дисперсных частиц карбонитридов, при смотке и охлаждении рулонов, определение на этой базе условий достижения требуемого уровня свойств и их равномерности по длине полосы, технологической схемы производства хладостойкого проката толщиной 14-16 мм, а также опробование и освоение технологии применительно к оборудованию стана 2000 ЧерМК ОАО «Северсталь».
Для достижения поставленной цели было необходимо решить следующие задачи:
- изучить путем лабораторного эксперимента на дилатометре особенности кинетики превращения горячедеформированного аустенита сталей типа Х70 с различными добавками (Mo, Ni, Cu, Cr) и повышенным содержанием Nb (до 0,08%) и выявить условия формирования различного типа микроструктур в стали;
- исследовать влияние основного параметра охлаждения и смотки полосы – температуры смотки (Тсм), на формирование микроструктуры стали и соотношение долей структурных составляющих после контролируемой прокатки;
- выявить особенности выделения дисперсных частиц карбонитридов (Nb, V)(C, N) при различных Тсм, в том числе для разных участков рулона;
- установить зависимость характеристик микроструктуры и механических свойств рулонного проката от параметров прокатки и смотки полосы; определить возможности обеспечения высокой хладостойкости при ИПГ стали при малых значениях кратности подката с учетом особенностей оборудования НШС;
- оценить влияние композиции стали типа Х70 (0,06%C-1,5%Mn-Nb-V-(Mo; Ni; Cr+Ni; Ni+Cu)) и режима смотки на микроструктуру и тонкую структуру стали;
- используя результаты выполненных исследований разработать состав стали и технологические режимы изготовления рулонного проката толщиной 14-16 мм класса прочности К60 (Х70) с гарантией уровня механических свойств и хладостойкости при ИПГ и осуществить опробование промышленного производства на стане 2000 ЧерМК ОАО «Северсталь».
Научная новизна.
1. Установлены закономерности изменения типа, морфологии и доли структурных составляющих в низколегированной трубной стали с добавками (Mo, Ni, Cr+Ni, Cu+Ni, Ni+Mo) при понижении температуры смотки в интервале от 600 оС до 500 оС, заключающиеся в переходе от традиционной ферритно-перлитной микроструктуры к ферритно-бейнитной микроструктуре, основными составляющими которой являются квази-полигональный феррит и игольчатый феррит, позволяющие обеспечить требуемое сочетание прочностных и вязко-пластических свойств проката.
2. Выявлено, что максимальное количество частиц Nb(C,N) размером 3-8 нм, обеспечивающих дисперсионное упрочнение проката, наблюдается для стали, микролегированной Nb+V, при Тсм 550-570 оС и для стали с добавкой только Nb при Тсм 580-610 оС.
3. Сформулировано условие равномерности механических свойств проката по длине полосы (с учетом неравномерного охлаждения рулона), состоящее в необходимости формирования для всех участков рулона: (1) мелкозернистой ферритно-бейнитной структуры и (2) выделений карбонитридных фаз размером до 10 нм без последующего огрубления частиц при охлаждении рулона; практически это реализуется путем смотки всех участков полосы при Тсм несколько ниже 580 оС.
4. Установлено влияние химического состава стали и параметров чистовой стадии контролируемой прокатки на хладостойкость рулонного проката при ИПГ, описываемое представленным параметром TSv=Ткп-Ar3расч, который позволяет оценить степень сохранения проработанной структуры нерекристаллизующегося аустенита перед фазовым превращением; хладостойкость рулонного проката толщиной 14-16 мм обеспечивается при выполнении соотношения TSv=Ткп-Ar3расч < 50 оС, что при ограничениях по толщине подката и температуре конца прокатки выполняется путем оптимизации химического состава стали.
Практическая ценность и реализация работы в промышленности.
1. На основании установленных закономерностей структурообразования и обеспечения свойств трубных сталей разработана промышленная технология контролируемой прокатки, ускоренного охлаждения и смотки по регламентированным режимам рулонного проката толщиной 14-16 мм для электросварных спиральношовных труб класса прочности К60(Х70), исключающая необходимость последующей термической обработки труб.
2. Разработан химический состав и научно-техническая документация на производство проката рулонных сталей класса прочности К60(Х70); разработанные марки стали и технологии с положительным результатом прошли промышленное опробование и внедрены на стане 2000 ЧерМК ОАО «Северсталь».
3. Изготовлены промышленные партии рулонного проката класса прочности К56 и К60 толщиной 14-16 мм из стали марки 05Г2НФБ и 05Г2ХНФБ для нефтепроводных спиральношовных труб 1020-1220 мм для проекта ВСТО; проката толщиной 15,9 мм класса прочности К60 (Х70) из стали марки 07Г2МНФБ для газопроводных труб 1067 мм с требованиями по свойствам при ИПГ. По разработанной технологии изготовлено и передано в ОАО «Волжский трубный завод» 620 тонн проката для изготовления спиральношовных труб.
Основные научные положения, выносимые на защиту.
1. Установленные закономерности влияния параметров ускоренного охлаждения и смотки полосы на тип и параметры микроструктуры трубных сталей и соотношение структурных составляющих.
2. Результаты исследования особенностей тонкой микроструктуры стали и кинетики выделения дисперсных частиц карбонитридов (Nb, V)(C, N) в зависимости от технологических параметров смотки полосы.
3. Установленные зависимости влияния основных параметров контролируемой прокатки и смотки полосы на структурообразование и механические свойства проката.
4. Разработанный способ обеспечения хладостойкости при ИПГ применительно к контролируемой прокатке полосы в условиях стана 2000.
5. Установленные соотношения между химическим составом стали, параметрами деформации и охлаждения полосы и рулона, обеспечивающие формирование целевой микроструктуры и комплекса свойств рулонных сталей типа Х70.
6. Разработанные режимы термомеханической прокатки с ускоренным охлаждением и смотки рулонного проката, внедренные на стане 2000 ЧерМК ОАО «Северсталь».
7. Результаты промышленного опробования и испытаний рулонного проката класса прочности К60(Х70) толщиной 14-16 мм и спиральношовных труб без термической обработки.
Апробация работы: Основные положения и результаты работы доложены и обсуждены на: VI Конгрессе прокатчиков (Липецк, 2005 г.); Международном семинаре «Современные тенденции разработки и производства сталей и труб для магистральных газо-нефтепроводов» (Москва, 2008 г.).
Публикации: По теме диссертационной работы опубликовано 9 печатных работ, в т.ч. 6 работ в журналах, входящих в список изданий, рекомендованных ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка литературы из 158 наименований. Работа изложена на 161 странице машинописного текста, содержит 43 рисунка и 16 таблиц.
