Реферат: Повышение служебных свойств трубной стали контролируемой прокаткой
Схема получения трубной стали делится на две стадии (рисунок 2):
Рисунок 2 - Схемы структурных изменений металла при контролируемой прокатки.
Первая (черновая) стадия прокатки слябов сопровождается многократной рекристаллизацией металла с измельчением и гомогенизацией зерна аустенита. После завершения черновой прокатки при температуре не менее 980 Сº подкат подслуживается на воздухе да температуры 880 - 850 Сº.
На второй стадии прокатки (чистовой клети), где температура конца прокатки составляет 750-700 Сº, рекристаллизация отсутствует и зерна аустенита приобретают вытянутую форму. Из-за начавшегося полиморфного превращения и деформации в двухфазной зоне (феррит + аустенит) происходит дислокационное упрочнение образованного феррита. Мелкозернистость аустенита и феррита, высокая плотность дислокаций и тонкодисперсное распределение выделений повышают прочностные свойства металла при хороших показателях вязкости.
Для улучшения структуры металла (уменьшения количества перлита) и некоторого повышения прочностных свойств (на 20 Н/мм2 ) применяют ускоренное охлаждение непосредственно за чистовой клетью до температуры 550-650 Сº. После ускоренного охлаждения металл подвергают замедленному охлаждению в интервале температур от 500 до 100 Сº в течении 2 - 4 суток, это предотвращает возможность образования внутренних дефектов сплошности из-за неконтролируемого выделения водорода.
4. Служебные свойства трубных сталей и способы их повышения
Трубные стали - стали с определенным химическим составом и определенными служебными свойствами.
Как известно, при контролируемой прокатки за счет специально подобранных композиций стали (марок стали) и температурно-деформационных режимов обработки удается непосредственно после горячей прокатки получить заданное структурное состояние металла, обеспечивающее высокий комплекс механических свойств (прочности, вязкости, хладостойкости, свариваемости).
Как правило, для контролируемой прокатки применяют конверторную сталь, разлитую на МНЛЗ в слябы, нагреваемые в методических печах.
Нормативно-технические требования к стали, прокату (штрипсам) и трубам основаны на американском (API5L) или европейском (ISO3183 - 3 - 2006) согласованных между собой стандартах /3/.
В таблице 1 приведены принятые обозначения для характеристик групп прочности сталей в соответствии с ГОСТ Р 52079 - 2003.
Таблица 1 - Обозначения категории прочности стали в соответствии с разной нормативно-технической документацией.
| Категории прочности в соответствии со стандартами | ||
| ISO 3183 - 2006 | ARI 5L | ГОСТ Р 52079 - 2003 |
| L245 | В | К38 - 42 |
| L290 | Х42 | К48 |
| L360 | Х52 | К52 |
| L415 | Х60 | К56 |
| L450 | Х65 | К60 |
| L485 | Х70 | - |
| L555 | Х80 | - |
Этапы развития сталей по категориям прочности, содержанию основных элементов и видам термической обработки для магистральных трубопроводов показаны на рисунке 3.
Рисунок 3 - Этапы развития сталей для магистральных трубопроводов.
Производство штрипсов начинали практически со стали Ст3 (категории прочности К28 - К42), введя регламентацию температуры конца прокатки и степени деформации в последних проходах, а так же нормализацию листов с отдельного нагрева. Затем перешли на углеродомарганцовистые стали марок 17Г1С и 17Г1С - У (категории прочности К52), поставляемые в нормализованном состоянии. Основными недостатками таких сталей были:
1. Низкое сопротивление хрупкому разрушению, оцениваемое по доли волокна в изломах (DWTT).
2. Недостаточная ударная вязкость при температурах эксплуатации и монтажа трубопроводов.
3. Ухудшенная свариваемость, обусловленная высоким углеродным эквивалентом (Сэкв ≈ 0.46), что вызывало необходимость подогрева труб при сварке в полевых условиях.
4. Применение термической обработки - нормализации, что при высоких ценах на энергоносители существенно повышает себестоимость проката.
5. Повышенная химическая и структурная неоднородность, что способствовало появлению дефектов сплошности готового проката и других негативных дефектов.
Требования, предъявляемые к трубным сталям, возросли, что привело создание нового поколения низколегированных сталей, так называемых малоперлитных, обладающих уникальным сочетанием высокой хладностойкости, прочности, ударной вязкости и повышенной свариваемости. Прочностные и пластические характеристики основного металла зависят от категории стали (углеродистая, низколегированная, дисперсионно твердеющая или термически упрочненная), а вязкостные свойства зависят от структуры и субструктуры металла. Ударную вязкость основного металла необходимо определять при двух температурах: при температуре, соответствующей температуре наружного воздуха в процессе производства строительно-монтажных работ и при минимальной температуре эксплуатации трубы /4/.
Наиболее вредное влияние на свариваемость оказывает углерод, способствующий образованию горячих и холодных трещин, а так же определяющий уровень максимальной твердости. В обычных низколегированных сталях содержание углерода доходит до 0.2%. Легирующие элементы понижают критическую скорость охлаждения и способствуют получению метастабильных структур в процессе охлаждения и могут привести к ухудшению свойств околошовной зоны. Улучшают свариваемость вводом в сталь элементов, препятствующих росту зерна аустенита (молибден, хром, никель, медь, марганец, кремний). Свариваемость различных низколегированных сталей оценивают по углеродному эквиваленту и термической жесткости сварного соединения. Концепция создания малоперлитных сталей с σв ≥ 550 - 590 Н/мм2 предусматривала снижение величины углеродного эквивалента до ≤ 0.43% при расчете его по уравнению (1) путем уменьшения содержания углерода до С ≤ 0.1 - 0.13%, что значительно улучшает свариваемость /1/.
, (1)
где С, Mn, Сrи другие - процентное содержание элементов в стали.
Сера и фосфор - вредные примеси, они снижают механические свойства стали, поэтому их содержание ограничивают. Особо вредна сера, образующая пластичные сульфиды. Расплющиваясь в процессе деформации, они снижают ударную вязкость и повышают критическую температуру хрупкости, это явление называется красноломкость. Для предупреждения красноломкости в сталь добавляют марганец или цирконий. Фосфор полностью растворяется в феррите, при этом феррит упрочняется, и в то же время резко снижается его пластичность и особенно вязкость, то есть сталь становится более склонна к хрупкому разрушению. Фосфор повышает порог хладноломкости стали.
Необходимая прочность стали достигается благодаря введению микродобавок ванадия, ниобия и титана в сумме, не превышающих 0.1 - 0.15%. Помимо дисперсного упрочнения за счет образования при охлаждении после прокатки очень мелких (≈2 - 10 нм) частиц карбонитридных фаз эти элементы понижают температуру вязкохрупкого перехода и повышают ударную вязкость стали.
Микродобавки карбонитридообразующих элементов - ниобия, титана, ванадия и в меньшей мере алюминия, оказывают воздействие на процессы формирования структуры в течение всего цикла контролируемой прокатки - от нагрева слябов перед прокаткой до завершающей стадии деформации и последующего охлаждения. Интенсивность и направление влияния ванадия, ниобия и титана на свойства малоперлитных сталей во многом различны и зависят как от их количественного содержания, так и от присутствия второго (или двух других) элементов этой группы. Они с разной степенью активности влияют на процессы роста зерна при нагреве под прокатку, кинетику рекристаллизации горячедеформированного аустенита, кинетику λ→α - превращений, размер зерна феррита, состояние α - твердого раствора.
Для увеличения прочности труб потребовалось достижение σв ≥ 640 - 690 Н/мм2 (категории прочности Х75 - Х80), что обусловило переход от сталей перлитно-ферритного класса к сталям с микроструктурой, состоящей из смеси полигонального и игольчатого феррита (малоуглеродистого верхнего бейнита) или только из игольчатого феррита. Для получения только игольчатого феррита в трубных сталях подавляют распад аустенита в ферритно-перлитной области и смещают структурные превращения в верхнюю часть промежуточной области за счет легирования стали элементами, регулирующими кинетику превращения (молибден, никель, марганец, бор), или ускоренного охлаждения стали в области температур 800 - 650 Сº. Наличие субструктуры игольчатого феррита с высокой прочностью дислокаций, а так же упрочнение металла выделениями дисперсных частиц карбонитридных фаз придают стали высокую прочность. Игольчатый феррит формируется после контролируемой прокатки из рекристаллизованного мелкозернистого или нерекристаллизованного аустенита, что обеспечивает ему мелкозернистое строение и высокое сопротивление хрупкому разрушению /4/.