Содержание к диссертации
Стр.
Введение 5
Глава I. Литературный обзор 14
Требования к сталям для газопроводных труб большого диа
метра 14
Состояние разработки современных трубных сталей 19
Общие представления о термомеханической прокатке толстых
листов из сталей для газопроводных труб большого диаметра 26
Металловедческие основы термомеханической прокатки с ус
коренным охлаждением 28
1. Механизмы упрочнения в низколегированных сталях 28
Рост зерна аустенита при нагреве перед прокаткой 30
Рекристаллизация горячедеформированного аустенита 31
Превращение аустенита при непрерывном охлаждении 36
Применение ускоренного охлаждения листового проката в процессе ТМСР для улучшения структуры и повышения свойств
трубных сталей 40
1. Схемы ускоренного охлаждения 40
Влияние ускоренного охлаждения на структуру трубных сталей 41
Влияние параметров процесса ускоренного охлаждения на структуру и свойства сталей 44
Установки ускоренного охлаждения 48
Выводы по главе I 50
Глава И. Материал и методы исследования 52
Химический состав исследуемых сталей, выплавка и термомеханическая обработка листового проката
Методика исследования 55
2.2.1 Исследование механических свойств
Методы исследования микроструктуры 55
Методика изучения структурных превращений аустенита 57
Изучение влияния параметров ускоренного охлаждения на структуру и свойства стали типа 10Г2ФБ путем имитации режимов контролируемой прокатки и ускоренного охлаждения. Имитация охлаждения толстого листа 60
Исследование микроструктуры дилатометрических образцов 61
Исследование свариваемости 62
Испытания на стойкость против водородного растрескивания (в.р.) 64
Испытания на стойкость против сероводородного растрескивания под напряжением (с.р.н.) 64
Глава III. Изучение влияния ускоренного охлаждения после
контролируемой прокатки на структурные превращения в низ
колегированных трубных сталях 65
Построение термокинетических диаграмм распада горячеде-формированного аустенита исследуемых сталей 66
Изучение влияния температуры прерывания ускоренного охлаждения после контролируемой прокатки на микроструктуру и прочность стали типа 10Г2ФБ 70
Изучение влияния температур конца деформации и начала ускоренного охлаждения на структуру и свойства стали типа 10Г2ФБ 89
Исследование влияния изменения условий охлаждения по сечению толстого листа (30мм) при ускоренном охлаждении на структуру и свойства низколегированных сталей с различным химическим составом 98
Глава IV. Исследование микроструктуры и выделения карбо-
нитридных фаз в микролегированной ниобием трубной стали
после различных режимов контролируемой прокатки с уско
ренным охлаждением 108
Выводы по главе IV
Глава V. Установление зависимостей между параметрами де
формации и последующего ускоренного охлаждения в услови
ях стана 5000 ОАО «Северсталь» и механическими свойствами
сталей различных систем легирования 119
5.1 Исследование влияния ускоренного охлаждения в У КО стана
5000 на механические свойства стали СтЗсп 119
Исследование влияния параметров процесса контролируемой прокатки с ускоренным охлаждением на механические свойства проката из стали марки Х56 125
Влияние параметров технологии ускоренного охлаждении на механические свойства и микроструктуру листового проката из стали класса прочности К56-К60 толщиной от 12 до 32 мм, изготовленного на стане 5000 ОАО "Северсталь" 129
Исследование хладостойкости при испытании падающим грузом (ИПГ) проката изготовленного по технологии контролируемой прокатки с ускоренным охлаждением 143
Выводы по главе V 152
Глава VI. Опробование и освоение на стане 5000 ОАО "Север
сталь" промышленного производства толстых листов для труб
большого диаметра с применением ускоренного охлаждения 155
Листовая сталь для изготовления кондукторных труб диаметром 762 мм с толщиной стенки 38.1 мм класса прочности Х56 по спецификации API 5L с особыми требованиями к хладостойкости 155
Разработка химического состава стали и технологии производства проката для труб нефтепровода «ВОСТОЧНАЯ СИБИРЬ -ТИХИЙ ОКЕАН» (ВСТО) класса прочности К60 на давление
до 14 МПа и сейсмичностью более 8 баллов 163
Выводы по главе VI 173
Общие выводы 175
Список использованной литературы 179
Приложение № 1 193
Введение к работе
В Российской Федерации осуществляется крупномасштабное строительство магистральных трубопроводных систем, предназначенных для транспортировки газа и нефти из районов добычи в центры потребления как в нашей стране, так и за ее пределами. В связи с освоением все более отдаленных месторождений газа и нефти, расположенных в крайне неблагоприятных климатических зонах с суровым климатом, и увеличением мощности магистральных трубопроводов нефтегазовая отрасль выдвигает постоянно возрастающие требования к металлу труб большого диаметра в отношении прочности, ударной вязкости, сопротивления хрупкому разрушению и свариваемости.
Одним из эффективных способов повышения комплекса механических и эксплуатационных свойств листового проката является ускоренное охлаждение, осуществляемое на толстолистовых реверсивных станах в сочетании с контролируемой прокаткой на установках, смонтированных в потоке станов. До недавнего времени такая технология не применялась в нашей стране.
В 2002 году на ОАО «Северсталь» (г. Колпино) было пущено в эксплуатацию в потоке стана 5000 устройство контролируемого охлаждения. В настоящее время это единственная в России действующая современная установка ускоренного охлаждения, эксплуатируемая в промышленных условиях.
ОАО «Северсталь» является важнейшим производителем толстого листа. Разработка научных подходов к созданию технологии ускоренного охлаждения, как неотъемлемого этапа термомеханической прокатки толстолистовых трубных сталей с высоким уровнем требований, представляет большой научный и практический интерес, и является актуальной.
Большой вклад в разработку теоретических основ термомеханической обработки низколегированных сталей по схеме контролируемой прокатки внесли отечественные ученые: М.Л. Бернштейн, С.А. Голованенко, Д.А. Литвиненко, Ю.И. Матросов, Ю.Д. Морозов и др.
Целесообразность перехода на новую технологию, включающую стадию ускоренного охлаждения, обусловлена возможностью оказывать существенное влияние на процессы формирования структуры стали, протекающие после горячей пластической деформации, а, следовательно, на комплекс механических и технологических свойств; При этом может быть усовершенствована структура стали и уменьшено количество вводимых для достижения необходимого уровня прочности дорогостоящих микролегирующих элементов.
Целью диссертационной работы является установление влияния параметров ускоренного охлаждения после термомеханической прокатки на формирование структуры и свойств трубных ниобийсодержащих сталей различных систем легирования; разработка на этой основе технологических схем контролируемой прокатки и ускоренного охлаждения; опробование и освоение технологии применительно к оборудованию стана 5000 ОАО «Северсталь» при изготовлении листового проката для электросварных труб с уникальным комплексом требований.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
методом имитации условий распада горячедеформированного аустенита после контролируемой прокатки на стане 5000 изучить влияние динамики ускоренного охлаждения с прерыванием его в различных частях (у+а)-области на формирование структуры трубных сталей, в том числе на соотношение фаз по сечению листового проката;
установить особенности выделения дисперсных карбонитридных фаз в микролегированной ниобием трубной стали, изготовленной путем контролируемой прокатки с ускоренным охлаждением;
оценить влияние режимов ускоренного охлаждения на микроструктуру и тонкую структуру комплексно микролегированной трубной стали;
изучить влияние режимов ускоренного охлаждения после контролируемой прокатки на механические свойства и сопротивление разрушению низколегированных сталей различных систем легирования, в том числе трубной стали,
микролегированной добавками ванадия и ниобия (0,07% С -1,6% Мп - 0,045%
V - 0,045% Nb), молибденсодержащей безванадиевой трубной стали типа 0,06% С- 1,45%о Мп - 0,05%) Nb - 0,16%) Mo, а также конструкционной стали типа 0,17% С - 0,5%) Мп без добавок микролегирующих элементов; - на основе результатов проведенных исследования разработать режимы термомеханической обработки по схеме контролируемая прокатка + ускоренное охлаждение для различных систем легирования и освоить промышленное производство с применением ускоренного охлаждения на стане 5000 ОАО «Северсталь» толстых листов для труб большого диаметра.
Объектом исследования служили низколегированные трубные стали нескольких систем легирования, в том числе микролегированная ниобием и ванадием сталь 10Г2ФБ, дополнительно микролегированная молибденом и ниобием сталь типа 05Г1МБ и стали, комплексно микролегированные ниобием, никелем, хромом и медью типа 05ХГНДБ. В качестве сравнительной была выбрана простая углеродистая сталь СтЗсп.
Предметом исследования являлось: установление влияния температурных режимов ускоренного охлаждения после горячей пластической деформации на структурные превращения и микроструктуру ниобийсодержащих малоуглеродистых трубных сталей и механические свойства низколегированных сталей различных систем легирования; изучение особенностей микроструктуры и выделения дисперсных карбонитридных фаз в микролегированной ниобием трубной стали; опробование и освоение с применением ускоренного охлаждения на стане 5000 ОАО «Северсталь» промышленного производства толстых листов для труб большого диаметра.
Диссертация состоит из введения, 6 глав, основных выводов, списка литературы из 136 наименований.
Первая глава представляет собой литературный обзор, в котором на основании опубликованных данных рассмотрены современные металловедческие представления о термомеханической прокатке с ускоренным охлаждением толстых листов из низколегированных сталей и возможности использования этого процесса для совершенствования структуры и улучшения комплекса механи-
ческих и технологических свойств стали для газопроводных труб большого диаметра.
Вторая глава посвящена обоснованию выбора исследованных сталей и описанию методов лабораторных и промышленных исследований, проведенных автором при выполнении диссертационной работы.
В третьей главе методом имитации с помощью дилатометра BAHR-805 температурно-деформационных режимов контролируемой прокатки с ускоренным охлаждением изучали влияние температур прерывания (Тко) и температур начала ускоренного охлаждения (Тн0) на положение температурных интервалов полиморфного у-а-превращения и морфологию продуктов распада аустенита, твердость структурных составляющих и их количественное соотношение в микроструктуре опытной стали. Показано, что после ускоренного охлаждения малоуглеродистой ванадий-ниобиевой стали типа 0,09% С - 1,66% Мп - 0,076%
V - 0,040% Nb (10Г2ФБ) со скоростью 10 С/с в интервале температур 800-
675 С микроструктура стали состоит из полигонального феррита (~ 90%) и перлита (~ 10%). Снижение температуры прерывания ускоренного охлаждения приводит к уменьшению доли перлита. При Тко < 550 С перлит практически отсутствует в микроструктуре. Аналогично этому ведет себя полигональный феррит, количество которого при снижении Тко до 550 С резко уменьшается. Одновременно с этим наблюдается изменение морфологии феррита, который приобретает характер гранулярного феррита бейнитного типа. При завершении уско-
ренного охлаждения в области температур 350-400 С доля феррита снижается до 60% и остается на этом уровне и при более низких температурах конца охлаждения. Доля продуктов промежуточного превращения увеличивается от 0%
о о
при Тко = 675 С до 35-45%о при Тк0 = 350-К20 С. Увеличение скорости охлажде-
ния до 25 С/с в аналогичных температурных интервалах приводит к увеличению доли продуктов распада бейнитного типа.
Методом имитации исследовали структурную неоднородность толстолистового проката толщиной 30 мм, обусловленную градиентом скоростей охлаждения по толщине листа при ускоренном охлаждении после контролируе-
мой прокатки на стане 5000. Показано, что в стали с молибденом типа 0,06% С - 1,45% Мп - 0,050% Nb - 0,16% Mo (05Г1МБ) однородность структуры и твердости по сечению листа значительно выше, чем у других исследованных сталей, не содержащих добавки молибдена.
В четвертой главе изложены результаты исследования особенностей микроструктуры и выделения дисперсных карбонитридных фаз в микролегированной ниобием трубной стали типа 05Г1МБ, изготовленной путем контролируемой прокатки с ускоренным охлаждением по различным режимам. В исследуемой стали в зависимости от температурных режимов термомеханической прокатки с ускоренным охлаждением получали широкую гамму структур: полигональный и игольчатый феррит, верхний бейнит, МА-фаза, а также частицы кар-бонитридов различной морфологии. При этом свойства изменялись в широком диапазоне. Наиболее высокие прочностные свойства обеспечил следующий ре-
жим: охлаждение из нижней части у-области до температур 550-500 С, при котором в прокате формируется дисперсная микроструктура, состоящая из мелкозернистого полигонального и игольчатого феррита и бейнита. Показано, что правильный подбор температурно-деформационного режима контролируемой прокатки позволяет управлять содержанием ниобия в твердом растворе и обеспечивать выделения в феррите дисперсных частиц Nb(C,N), вносящих существенный вклад в упрочнение стали.
В пятой главе приведены результаты изучения влияния режимов ускоренного охлаждения после контролируемой прокатки на механические свойства и сопротивление разрушению низколегированных трубных сталей. Исследование проводили на сталях трех систем легирования: ванадий-ниобиевой стали 0,07%С - 1,6% Мп - 0,045% Nb - 0,045% V, ниобий-молибденовой стали 0,06% С - 1,45% Мп - 0,05% Nb - 0,16% Mo и для сравнения на простой углерод-марганцовистой стали без добавок микролегирующих элементов 0,17% С -0,5% Мп. Установлено существенное различие в поведении исследованных сталей при ускоренном охлаждении после контролируемой прокатки.
Показано, что при ускоренном охлаждении сравнительной стали 0,17% С -
0,5% Мп со скоростями 10-20 С/с после горячей пластической деформации, за-
канчивающейся в аустенитной области (> 800 С), сохраняется феррито-перлитная структура.
Формирование более дисперсной структуры феррита под влиянием сниже-
ния температуры окончания ускоренного охлаждения от Тк0 = 650 С до Тко = 540С способствует линейному повышению прочностных свойств по сравнению с состоянием после контролируемой прокатки с охлаждением на спокойном воздухе. Одновременно с этим благодаря устранению полосчатости ферри-то-перлитной структуры в сочетании с измельчением зерна наблюдается повы-
шение ударной вязкости при -20 С на образцах с острым надрезом на 70-100 Дж/см2.
Для стали, микролегированной ниобием и ванадием (0,07% С - 1,6% Мп -0,045%) Nb - 0,045% V), показано, что эффект ускоренного охлаждения зависит от температуры окончания контролируемой прокатки Ткп. Снижение Ткп в у-ос-область при обычной контролируемой прокатке с охлаждением на воздухе способствует повышению прочностных свойств, но в то же время уменьшает эффект ускоренного охлаждения при прокатке по технологии КП+УО. Режим термомеханической контролируемой прокатки с ускоренным охлаждением, предусматривающий окончание деформации в нижней части у-области при 820-850 С с последующим ускоренным охлаждением до 470-570С обеспечивает получение наибольших значений временного сопротивления и предела текучести опытной Nb-V-стали при сохранении высокой ударной вязкости на образцах с острым надрезом при отрицательных температурах.
Установлено, что применение ускоренного охлаждения после контролируемой прокатки Nb-Mo-содержащей малоуглеродистой стали системы легирования 0,06% С - 1,44% Мп - 0,050% Nb - 0,16% Mo эффективно влияет на ее прочностные и вязкие свойства. При этом снижение температуры прерывания
ускоренного охлаждения от 620 до 490 С сопровождается постоянным ростом временного сопротивления. Физический предел текучести ат монотонно растет
при понижении Тк0 до 500-550 С, ниже которой наблюдается перегиб на кривой предела текучести, обусловленный исчезновением площадки Людерса на диа-
грамме нагрузка-растяжение в связи с изменением структуры феррито-перлитного типа на структуру, состоящую из феррита и бейнита, и переходом к определению условного предела текучести СТо,2- При охлаждении до более низ-
ких температур (250-350 С) предел текучести (Год возрастает благодаря формированию микроструктуры, состоящей из игольчатого феррита и участков МА-фазы.
В шестой главе рассмотрены результаты промышленного опробования на ОАО «Северсталь» производства толстых листов для труб большого диаметра с применением ускоренного охлаждения. Для промышленного опробования выбраны следующие стали:
толстолистовая сталь для кондукторных труб категории прочности Х56 диаметром 762 мм с толщиной стенки 38,1 мм (для проекта «Сахалин»);
сталь категории прочности Х70 для спиральношовных газопроводных труб диаметром 1420 мм с толщиной стенки 15,7 мм;
сталь класса прочности К60 для нефтепровода «Восточная Сибирь-Тихий океан» (ВСТО) диаметром 1020 мм с толщиной стенки 22 мм для районов с сейсмичностью более 8 баллов (3-я категория сейсмостойкости).
На основании проведенных исследований по влиянию ускоренного охлаждения на структуру и свойства толстых листов для труб большого диаметра разработаны режимы термомеханической прокатки и охлаждения для каждой стали с учетом требуемого комплекса механических свойств и толщины листов.
Научная новизна. Получены следующие, наиболее существенные научные результаты, характеризующиеся новизной:
1. Установлены закономерности изменения типа, соотношения и морфологии фаз и структурных составляющих в зависимости от условий деформации и ускоренного охлаждения. Показано, что наилучшее сочетание прочности и хладо-стойкости достигается при формировании равномерной дисперсной структуры преимущественно игольчатого феррита, при этом неблагоприятной структурой являются участки грубого бейнита с крупными пластинами цементита по границам реек. Установлены и металловедчески обоснованы интервалы парамет-
ров ускоренного охлаждения, обеспечивающие формирование оптимальной структуры и уникального сочетания характеристик трубной стали.
Установлен и обоснован немонотонный характер зависимости твердости исследуемой стали от Тко с интервалом относительной стабильности при 450-575 С, обусловленный формированием феррито-бейнитной структуры. Показано, что снижение температуры начала ускоренного охлаждения (Тно) из у-области в у+а область приводит к снижению в структуре доли продуктов промежуточного превращения аустенита (бейнита и игольчатого феррита), повышению доли полигонального феррита и появлению в структуре перлита. При этом зависимость твердости от Тн0 определяется режимом деформации: при деформации в у- области она монотонно снижается, а при проведении деформации несколько выше Тп0 твердость изменяется слабо. Показано, что данный эффект обусловлен в первом случае частичным превращением аустенита до начала ускоренного охлаждения, во втором - наложением эффекта наклепа выделившегося полигонального феррита.
Определены условия деформации, при соблюдении которых в а-фазе происходит выделение дисперсных частиц NbC, обеспечивающих эффективное дисперсионное твердение, вклад которого в повышение прочностных свойств может достигать 100 Н/мм .
Установлено, что для стали 05Г1МБ по мере снижения Тк0 временное сопротивление монотонно возрастает, в то время как зависимость предела текучести имеет вид кривой с максимумом при 480-550С, после чего следует снижение из-за изменения формы диаграммы «напряжение-деформация»; по-вторный подъем при Тк0 наблюдается при температурах ниже 300 С; такая зависимость имеет место, если изменяется тип второй структурной составляющей, если же изменения затрагивают в основном матрицу, то предел текучести возрастает непрерывно.
В представленной работе на защиту выносятся:
Установленные закономерности влияния параметров ускоренного охлаждения на формирование структуры трубных сталей и соотношение фаз по сечению проката.
Результаты изучения влияния режимов ускоренного охлаждения на тонкую структуру микролегированных трубных сталей, а также выделения дисперсных фаз в состоянии после термомеханической прокатки с ускоренным охлаждением.
Выявленные зависимости механических свойств и сопротивления разрушению сталей от параметров термомеханической прокатки и ускоренного охлаждения.
Установленные структурные механизмы, определяющие характер изменения механических свойств и сопротивление разрушению.
Установленные соотношения между химическим составом стали, параметрами деформации и охлаждения, обеспечивающие формирование требуемой структуры и комплекса свойств трубных сталей.
Разработанные режимы термомеханической прокатки с ускоренным охлаждением, реализованные на стане 5000 ОАО «Северсталь».
Результаты промышленного опробования и испытаний проката и труб.
Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю, доктору технических наук Л.И. Эфрону за помощь, оказанную при определении направлений исследований, обобщении полученных данных, ценные теоретические и методические советы.
Диссертант благодарит научных сотрудников Центра сталей для труб и сварных конструкций ФГУП «ЦНИИчермет им. И.П. Бардина»: Ю.Д. Морозова, Н.В. Колясникову, А.А. Ефимова, А.В. Назарова, Т.С. Кирееву, и других коллег за содействие и советы в выполнении настоящей диссертационной работы.
Автор выражает глубокую благодарность К. Хулке (NPC Gmbh) за содействие в выполнении работы и ценные замечания по содержанию диссертации.
