Повышение стабильности свойств и качества продукции стана 5000 ОАО «Северсталь» за счет улучшения структуры толстолистового штрипса из высокопрочных низколегированных сталей

Важнейшей частью нефтяной и газовой отраслей промышленности является разветвлённая система магистральных трубопроводов, построенная во времена Советского Союза. За прошедшее время ресурс работы многих из них был исчерпан, и сейчас остро стоит проблема реконструкции. Разработка новых шельфовых месторождений также вызывает необходимость строительств новых трубопроводов в северных районах страны.

Таким образом перед отечественной металлургией ставится задача совершенствования старых и разработки новых высокопрочных марок трубных сталей, обеспечивающих снижение затрат при строительстве и ремонте трубопроводов, а также режимов их обработки. Широко применяемые для изготовления трубного штрипса низколегированные малоуглеродистые стали являются наиболее современными в техническом плане материалами, созданными с использованием методов классической металлургии. Однако, изменение и ужесточение требований к комплексу их механических свойств, определяющих надежность конструкций трубопровода, требует постоянной эволюции трубных сталей.

Актуальность представленной работы определяется необходимостью создания промышленной технологии производства высокопрочного толстолистового проката категории прочности К65, обладающего помимо комплекса стандартных механических свойств их высокой стабильностью по сечению проката, а также гарантированным сопротивлением протяжённому вязкому разрушению. Решение этих задач невозможно без системного анализа основных показателей качества готовой продукции во взаимосвязи с качеством исходной непрерывнолитой заготовки (НЛЗ).

Цель работы: выявление особенностей строения структуры штрипса из высокопрочных низколегированных сталей категории прочности К65, связанных со структурой литой заготовки и влияющих на характер разрушения 4 и характеристики вязкости, для совершенствования имеющихся и разработки новых технологий производства высокопрочного штрипса со стабильно высокими свойствами в условиях стана 5000 ОАО «Северсталь» .

В рамках достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

1. Изучить характер структурообразования при производстве высокопрочного штрипса из малоуглеродистых низколегированных сталей в условиях стана 5000 ОАО «Северсталь» .

2. Выявить причины структурной неоднородности металла в толстолистовом штрипсе из высокопрочной трубной стали, полученном по технологии контролируемой прокатки.

3. Установить взаимосвязь структурных особенностей литой заготовки и штрипса с уровнем механических свойств и характером разрушения металла при проведении механических испытаний.

4. Разработать способы устранения негативного влияния структурных несовершенств непрерывнолитой заготовки и штрипса на механические свойства и их стабильностью в процессе эксплуатации.

5. Определить технологические параметры изготовления высокопрочного толстолистового проката из малоуглеродистых низколегированных сталей с заданным комплексом механических свойств.

Научная новизна:

1. Определены особенности строения структуры высокопрочного толстолистового штрипса из малоуглеродистых низколегированных сталей и выявлена их наследственная взаимосвязь с особенностями строения литой заготовки.

2. Разработана математическая модель, описывающая напряженно-деформированное состояние в вершине трещины для случая плоской деформации, на основе которой предложена схема возникновения расслоений в изломах образцов при испытаниях на вязкость разрушения феррито-бейнитных низколегированных сталей после контролируемой прокатки.

3. Выявлен характер изменения механических свойств штрипса в процессе естественного (режим эксплуатации трубопровода) и искусственного при 200 °C (режим нанесения защитного покрытия) старения и предложены методы стабилизации механических свойств проката во времени.

Практическая значимость:

1. На основе анализа основных технологических параметров и результатов соответствующих промышленных экспериментов разработаны практические рекомендации по отработке технологии производства высокопрочного толстолистового проката для стана 5000 ОАО «Северсталь».

2. Определены технологические параметры прокатки высокопрочного низколегированного штрипса с феррито-бейнитной микроструктурой, толщиной до 27,7 мм, дающие возможность для его промышленного производства в условиях стана 5000 ОАО «Северсталь», и обеспечивающие высокую стабильность микроструктуры и свойств по сечению проката.

3. Использование полученных разработок обеспечило повышение конкурентоспособности выпускаемой станом 5000 ОАО «Северсталь» продукции на рынке штрипсовых сталей и способствовало выходу ОАО «Северсталь» на мировые рынки высокотехнологичной наукоемкой продукции.

Всего с использованием результатов представленной работы на стане 5000 ОАО «Северсталь» освоено 10 новых видов высокопрочного толстолистового проката.

На технологии и технические решения, разработанные в рамках данной работы, получено 4 патента Российской Федерации (2 393 238, 2 409 434, 2 418 866 2 432 221) [94−97].

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Взаимосвязь структуры высокопрочного толстолистового штрипса из низколегированных малоуглеродистых сталей категории прочности К65 с его конечными механическими свойствами.

2. Наличие и характер наследственной взаимосвязи структурных несовершенств высокопрочного толстолистового проката из низколегированных малоуглеродистых сталей с особенностями строения литой заготовки.

3. Математическая модель, описывающая напряженно-деформированное состояние в вершине трещины для случая плоской деформации при испытаниях СТОБ.

4. Характер изменения механических свойств в процессе естественного и искусственного старения высокопрочного толстолистового проката из малоуглеродистых низколегированных сталей.

5. Взаимосвязь характера разрушения высокопрочного штрипса при механических испытаниях со структурной неоднородностью металла.

Основные выводы по работе.

1. Установлены закономерности влияния режимов термомеханической обработки на структуру и свойства малоуглеродистых низколегированных штрипсовых сталей:

• Снижение температуры начала черновой прокатки облегчает процессы рекристаллизации и измельчает аустенитное зерно.

• Подстуживание перед началом чистовой прокатки создаёт условия для равномерного прогрева заготовки, позволяет получить более однородную по сечению структуру и повышает вязкость.

• Проведение чистовой стадии прокатки в двухфазной феррито-аустенитной области приводит к повышению прочности.

2. Показано, что наибольшее влияние на структуру и свойства малоуглеродистых низколегированных штрипсовых сталей оказывает режим охлаждения после чистовой стадии прокатки:

• Ускоренное охлаждение до температур начала бейнитного превращения обусловливает стабильное получение механических свойств, соответствующих категории прочности К65.

• Охлаждение до температур конца бейнитного превращения повышает долю реечного бейнита и увеличивает прочностные свойства материала до категорий прочности Х90 и XI00.

3. Установлено, что решающее влияние на механические свойства и вязкие характеристики малоуглеродистых низколегированных сталей оказывают такие дефекты строения штрипса как ликвационная полоса и дендритная неоднородность, повышающие вероятность хрупкого разрушения. Указанные дефекты имеют наследственный характер и переходят от литой заготовки.

4. Разработанная математическая модель, описывающая напряженнодеформированное состояние в вершине трещины для случая плоской деформации, дала возможность сформулировать условия возникновения хрупких расслоений в изломе при испытаниях по определению вязкости.

149 разрушения малоуглеродистых низколегированных феррито-бейнитных сталей после термомеханической обработки.

5. Применение перекристаллизационной термической обработки литой заготовки из малоуглеродистых низколегированных сталей позволило частично устранить ликвационную полосу, измельчить структуру и повысить прочностные свойства штрипса для труб большого диаметра при прокатке на реверсивном толстолистовом стане.

6. Показано, что механические свойства высокопрочной феррито-бейнитной штрипсовой стали меняются как при естественном (режим эксплуатации трубопровода) так и при искусственном старении при температуре 200 °C (режим нанесения защитного покрытия). Длительное вылёживание при комнатной температуре повышает пластичность материала и снижает величину условного предела текучести. После низкотемпературного искусственного старения наблюдается повышение предела текучести и пластичности материала.

Заключение

.

1. Изготовление высокопрочных штрипсовых сталей при использовании технологий предусматривающих слабое легирование невозможно без учета процессов структурообразования. Режимы термомеханической обработки характеризуются большим количеством технологических параметров, таких как: температура начала и конца чистовой стадии прокатки, температура конца и скорость охлаждения, и другими. Все эти параметры влияют на процессы структурообразования. И для гарантированного получения заданных свойств их необходимо задавать в соответствии с термокинетическими диаграммами.

Для повышения проработки структуры и измельчения аустенитного зерна целесообразно снижение температуры начала черновой стадии прокатки. При прокатке плотные поверхностные слои будут лучше передавать деформацию в центральную зону, что позволит разбить дендритную структуру и пройти процессам рекристаллизации.

Подстуживание перед чистовой стадией прокатки необходимо для выравнивания температуры по толщине подката и полного прохождения процессов рекристаллизацииПри прочих равных условиях увеличение толщины подстуживания положительно сказывается на вязкости и пластических свойствах листа за счет лучшей проработки структуры при пониженных температурах. Упрочнение толстолистового проката в процессе чистовой многопроходной прокатки в двухфазной области с затрудненной рекристаллизацией аустенита характеризуется тем, что в первых проходах наиболее интенсивно упрочняются поверхностные слои заготовки, в которых деформация максимальна. По мере упрочнения поверхностных слоев деформация начинает проникать вглубь и охватывает всю толщину раската.

Наиболее сильное влияние на структурообразование и конечные свойства проката оказывает охлаждение стали после стадии чистовой прокатки. Ускоренное охлаждение до области начала бейнитного превращения и последующее замедленное охлаждение на воздухе позволяет получить смесь бейнита гранулярной и реечной морфологии, с достаточным количеством феррита (до 30%). Прочность прокатов полученных по данной технологии соответствует требованиям нормативной документации на сталь категории прочности К65. Прокаты, охлажденные в область конца бейнитного охлаждения, характеризуются высокой прочностью, получаемой за счёт наличия в структуре до 90% бейнита реечной морфологии, что приводит к получению результатов по прочности близких к максимальным требованиям, такая технология может быть применена при производстве сталей Х90 и Х100.

2. Появление хрупкого разрушения в высокопрочных штрипсовых сталях прямо связано со структурной неоднородностью металла, вызванной наследованием несовершенств литой структуры в прокатанном листе.

В целом структурная неоднородность штрипса, обусловленная наследованием несовершенств литой структуры в прокатанном листе, приводит к слоистому характеру поверхности разрушения и неблагоприятно сказывается на механических свойствах и коррозионной стойкости. Для зоны ликвационной полосы можно отметить снижение прочности на отрыв и пластических характеристик, с переходом к хрупкому излому.

На основе конечно-элементной модели разработана схема возникновения расслоений в изломах образцов при испытаниях на вязкость разрушения феррито-бейнитных сталей после ТМО. Условия возникновения расслоений в феррито-бейнитной стали, при наличии ликвационной неоднородности, можно сформулировать следующим образом: • если интенсивность напряжений в вершине трещины равна или превышает предел текучести, при этом напряжения по толщинной {Ъ) компоненте ниже соответствующих критических значений напряжений разрыва для ликвационной прослойки, а по У-компоненте превосходит значение 8отр для стали в этом направлении, то имеет место хрупкое разрушение, без раскрытия расслоений.

• если интенсивность напряжений в вершине трещины равна или превышает предел текучести, при этом напряжения по 2-компоненте выше соответствующих критических значений напряжения разрыва по ликвационной прослойке, то происходит вязкое разрушение, с большим количеством раскрывшихся расслоений в изломе.

3. Для улучшения состояния литой структуры стали в представленной работе рассматривались два способа: перекристаллизационная термическая обработка и модифицирование стали.

Применение перекристаллизационной термообработки способствует повышению уровня прочностных свойств высокопрочного штрипса для труб большого диаметра при прокатке на реверсивном толстолистовом стане за счет улучшения структурных характеристик используемой непрерывнолитой заготовки (измельчения структуры и снижения негативного влияния ликвационной полосы). Однако полного устранения негативных факторов достичь не удалось, поскольку воздействие оказывается на уже сформировавшуюся структуру.

Применение модифицирующих добавок положительно сказывается на морфологии дендритной структуры стали: присадки модификаторов способствуют формированию равноосной (сферолитной) дендритной структуры в отличие от древовидной. Установлено влияние модифицирующих добавок на структуру литого зерна: размер литого зерна уменьшается в среднем на 200 мкм, уменьшается зона транскристаллизации в среднем в 2−3 раза.

Результаты проведенного металлографического исследования деформированной структуры слитков без модификаторов и в их присутствии указывают на то, что конечная структура горячекатаного листа помимо режимов прокатки определяется структурой металла в литом состоянии.

Образцы слитков, обладающие, вследствие модифицирования, более дисперсной литой и дендритной структурой, после контролируемой прокатки отличаются более высоким номером зерна, наличием мелкодисперсных (<1.

146 мкм) глобулярных недеформирующнхся неметаллических включений, меньшей объемной долей и размерами областей бейнита реечной морфологии, обеспечивая, таким образом, высокодисперсную морфологически подобную структуру штрипса.

Результаты определения сравнительных механических и структурных характеристик модифицированной и^{модифицированной} трубной стали показали, что наиболее значительное влияние модифицирования сказывается на показателе ударной вязкости (увеличение составляет до 20−30%). 4. Анализ изменения свойств высокопрочной феррито-бейнитной штрипсовой стали во времени в процессе эксплуатации трубопроводов показал, что после длительного вылеживания (два года после изготовления) показал, что предел текучести материала листов со временем может снижаться, тогда, как предел прочности изменяется незначительно. Это приводит к уменьшению значений отношения предела текучести к пределу прочности. В тоже время относительное удлинение после вылеживания увеличивается на 1−2% в зависимости от толщины. Иначе говоря, полученные данные позволяют считать, что механические свойства рассматриваемых высокопрочных штрипсовых сталей во времени изменяются в сторону повышения пласти-ческих характеристик, т. е. в благоприятном с точки зрения эксплуатации трубопровода направлении. Рассмотренный характер изменения свойств может свидетельствовать о снижении со временем уровня остаточных напряжений в готовых листах.

Для стабилизации свойств толстолистового проката возможно применение искусственного старения. Образцы после прокатки были подвергнута низкотемпературной термообработке с целью повышения уровня механических свойств. Для этих образцов отмечено возрастание значений предела текучести при неизменной величине предела прочности, что неблагоприятно сказывается на величине соотношения этих параметров.

Относительное удлинение также увеличивается. Можно предположить, что при термообработке наряду со снятием внутренних напряжений в металле.

147 протекают процессы выпадения чрезвычайно мелких карбидов и карбонитридов. Соответственно, такую термообработку можно использовать для доводки механических свойств штрипса, в случае появления отклонений от нормативных требований по пределу текучести или относительному удлинению (при условии наличия запаса по соотношению ат/ов). Следует отметить, что смоделированная в работе низкотемпературная термическая обработка очень близка по температурному диапазону и продолжительности к нагреву во время операции по нанесению защитных покрытий на поверхность изготовленной трубы.

Процессы, происходящие в исследуемой низколегированной высокопрочной стали, во время естественного и искусственного старения существенно различаются. Так во время естественного старения происходит релаксация напряжений и снижение плотности дислокаций во всех структурных составляющих, вследствие чего снижается предел текучести и увеличивается пластичность материала. Во время искусственного старения (низкотемпературной термической обработки) происходит выпадение чрезвычайно мелких карбидов и карбонитридов, которые, блокируя дислокации, повышают предел текучести, и, благодаря своим малым размерам, сохраняют на достаточном уровне пластичность материала.

В целом можно отметить более высокую стабильность свойств термообработанного штрипса во времени по сравнению со штрипсом без ТЛО. Этот показатель не входит в число нормируемых для данного вида продукции, однако для конечного потребителя, безусловно важно, чтобы металл магистральных труб сохранял неизменные свойства в течение всего срока эксплуатации трубопровода. С этой точки зрения дополнительная низкотемпературная термообработка высокопрочного низколегированного толстолистового штрипса способна улучшить его эксплуатационные свойства и повысить надежность трубопроводов.