Введение к работе
Актуальность темы. Постоянно растущие масштабы потребления газа и нефти в России и за рубежом требуют строительства новых трубопроводных магистральных транспортных систем. При этом можно отметить явную тенденцию к постоянному повышению требований по качеству как основного металла, так и сварного соединения труб большого диаметра (ТБД). Рост требований связан, в первую очередь, с потребностью в ТБД, рассчитанных на более высокое рабочее давление транспортируемого газа и необходимостью повышения надежности трубопроводов. Иной причиной повышения требований является освоение новых месторождений, в том числе в зонах с крайне суровыми климатическими условиями и сейсмоактивных районах.
Контролируемая прокатка (КП) является наиболее эффективным способом решения задач повышения качества и надежности толстолистового проката для ТБД, а также понижения его себестоимости. Как вид термомеханической обработки стали современная технология КП с последующим ускоренным охлаждением (УО) позволяет формировать оптимальное структурное состояние стали и тем самым повышать уровень механических свойств низкоуглеродистой микролегированной стали. Именно поэтому путь к получению высококачественного проката лежит через целенаправленное управление технологическими параметрами на всех этапах КП. Однако в литературе недостаточно данных о механизмах формирования микроструктуры и свойств низкоуглеродистых микролегированных сталей на отдельных этапах КП. В частности, не определена взаимосвязь между отдельными технологическими воздействиями и состоянием горячедеформированного аустенита; не изучено влияние ряда технологических параметров КП на измельчение зерна и разнозернистость конечной микроструктуры.
Актуальность работы обусловлена необходимостью повышения эффективности технологии производства толстолистового проката, что позволит повысить качество и надежность изготавливаемых из него магистральных электросварных труб большого диаметра.
Цель диссертационной работы - повышение эффективности процесса термомеханической обработки путем оптимизации ряда ключевых этапов технологии для измельчения зерна и повышения однородности микроструктуры благодаря формированию оптимального структурного состояния горячедеформированного аустенита перед началом у—>а-превращения. Разработка и опробование в промышленных условиях технологических рекомендаций для улучшения прочности и хладостоикости толстолистового проката.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
изучить влияние различных стратегий деформации в черновой стадии на размер и однородность зерна рекристаллизованного аустенита;
определить оптимальное с точки зрения измельчения зерна соотношение деформаций в черновой и чистовой стадиях прокатки;
изучить влияние температурно-скоростных режимов межстадийного охлаждения на микроструктуру и механические свойства стали;
установить влияние степени, скорости и температурного интервала деформации в области отсутствия рекристаллизации на формирование структуры аустенита, конечной микроструктуры и механических свойств стали и определить механизм влияния;
изучить влияние технологической паузы между окончанием деформации и началом ускоренного охлаждения на микроструктуру и свойства стали;
разработать и опробовать в промышленных условиях рекомендации по повышению эффективности процесса производства низкоуглеродистых микролегированных сталей с точки зрения получения высокого уровня механических свойств толстолистового проката.
Научная новизна
Получены следующие результаты, обладающие научной новизной:
Установлено, что с понижением температурного интервала деформации низкоуглеродистой микролегированной стали в области Тщ^-А^ уменьшается размер аустенитного зерна в направлении толщины проката, а угол ориентировки двойников деформации в аустенитных зернах по отношению к оси прокатки изменяется от ~7(Н85 до -5^-15, что в целом повышает удельную эффективную поверхность границ раздела аустенита Sv перед началом у^а-превращения, т.е. увеличивает количество потенциальных мест зарождения феррита.
Показано, что при снижении температуры деформации в интервале температур Тщ^-Агз усиливается влияние степени деформации на измельчение зерна феррита.
Показано, что при повышении скорости охлаждения от 0,4 до 1,1 С/с низкоуглеродистой микролегированной стали между черновой и чистовой стадиями прокатки в интервале 100(Н850 С в результате торможения собирательной рекристаллизации аустенита формируется более мелкое, однородное зерно аустенита и наблюдается дополнительное измельчение (на ~1,5 мкм) и уменьшение разнозернистости феррита, что приводит к повышению прочности и хладостойкости листового проката.
Установлено, что с увеличением выдержки от 0 до 90 с между окончанием деформации и началом ускоренного охлаждения не ниже Агз увеличивается размер зерна (на ~1,5 мкм) и разнозернистость феррита. Это отрицательно сказывается на уровне механических свойств листового проката.
Практическая ценность и реализация работы в промышленности
По результатам проведенных исследований усовершенствована промышленная технология контролируемой прокатки листа для электросварных труб большого диаметра на стане 5000 ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат». Изготовлено и отгружено ОАО «Выксунский металлургический завод» более 10 тыс. т проката класса прочности К60 для труб диаметром 1420 мм с толщиной стенки 26,4 мм для строительства газопровода «Бованенково-Ухта».
Основные научные положения, выносимые на защиту
Установленные закономерности влияния режимов черновой и чистовой стадий контролируемой прокатки на состояние аустенита, конечную микроструктуру и механические свойства низкоуглеродистых микролегированных сталей и установленный механизм повышения Sv.
Выявленные закономерности влияния режимов межстадийного охлаждения и длительности технологической паузы между окончанием деформации и началом ускоренного охлаждения на измельчение зерна, разнозернистость микроструктуры и уровень механических свойств низкоуглеродистых микролегированных сталей.
Выявленный на модельном сплаве механизм увеличения Sv при изменении режима прокатки в температурном интервале Тщ^-А^
Предложенные принципы повышения эффективности КП с точки зрения измельчения зерна феррита и снижения его разнозернистости на стадиях черновой и чистовой прокатки, межстадийного и после деформационного охлаждения.
Разработанные рекомендации по повышению эффективности технологии контролируемой прокатки при производстве низкоуглеродистых микролегированных сталей на стане 5000 ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат».
Результаты освоения производства проката толщиной 26,4 мм из стали класса прочности К60 на стане 5000 ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат».
Личный вклад автора
Автор лично осуществлял лабораторные эксперименты, результаты которых изложены в диссертации, исследовал микроструктуру методом оптической микроскопии, выполнял обработку и анализ полученных результатов; участвовал в промышленном опробовании, проведении механических испытаний, исследованиях микроструктуры методами сканирующей и просвечивающей электронной микроскопии. Основные положения диссертационной работы сформулированы автором лично.
Достоверность полученных результатов обеспечивается
воспроизводимостью и согласованностью анализируемых данных, применением современных методов исследования микроструктуры и механических свойств стали, широким использованием статистических методов обработки результатов, положительными результатами
промышленного опробования разработанных на основании
экспериментальных данных рекомендаций по повышению эффективности технологии контролируемой прокатки.
Соответствие содержания диссертации паспорту специальности, по
которой она рекомендуется к защите. Работа соответствует формуле и
пункту 3 области исследования специальности 05.16.01 - «Металловедение и
термическая обработка металлов и сплавов»: «3. Теоретические и
экспериментальные исследования влияния структуры (типа, количества и
характера распределения дефектов кристаллического строения) на
физические, химические, механические, технологические и
эксплуатационные свойства металлов и сплавов.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы доложены и обсуждены на: VIII Международной научно-технической конференции молодых специалистов, г. Мариуполь (2008 г.); II и III Научно-технических конференциях молодых специалистов «Перспективы развития металлургических технологий», г. Москва (2010, 2011 гг.); Международной конференции «Нанотехнологии и наноматериалы в металлургии», г. Москва (2011 г.); Международной научно-технической конференции «Современные металлические материалы и технологии» (АММТ2011), г. Санкт-Петербург (2011 г.); Бернштейновских чтениях по термомеханической обработке металлических материалов, г. Москва (2011г.); IV Международной конференции «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов» (DefonTT2011), г. Москва (2011 г.); VIII Российской ежегодной конференции молодых научных сотрудников и аспирантов "Физико-химия и технология неорганических материалов", г. Москва (2011 г.).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 7 печатных работ, в том числе 5 - в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 7 глав, основных выводов, списка цитируемой литературы из 168 наименований, приложения. Работа изложена на 195 страницах машинописного текста, содержит 96 рисунков и 37 таблиц.
Автор благодарит коллектив Центра сталей для труб и сварных конструкций ФГУП «ЦНИИчермет им. И.П. Бардина» за ценные теоретические и практические советы.
