ES2334952T3 - Procedimiento para transformar piezas en bruto de acero. - Google Patents

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Bruno Gaillard-Allemand
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Abstract

Procedimiento para transformar una pieza en bruto de acero con una forma sustancialmente tubular o cilíndrica que comprende esencialmente la siguiente composición en porcentajes en peso de la composición total: carbono: 0,35-0,43, manganeso: <0,20, silicio: <0,20, níquel: superior a 3,00 e inferior o igual a 4,00, cromo: 1,30-1,80, molibdeno: 0,70-1,00 vanadio: 0,20-0,35, hierro: resto así como impurezas inevitables que son generalmente dinitrógeno, dioxígeno y dihidrógeno, comprendiendo dicho procedimiento una etapa para transformar la pieza en bruto mediante amasado con el fin de obtener una tasa de amasado de la sección transversal más gruesa de la forma sustancialmente tubular o cilíndrica, inferior o igual a 5.

Description

Procedimiento para transformar piezas en bruto de acero.
La presente invención se refiere a un procedimiento para transformar piezas en bruto de acero, en particular a una pieza en bruto para formar por lo menos un componente de dispositivo de presión.
\vskip1.000000\baselineskip
Estado de la técnica
Se han desarrollado aceros de rendimiento muy alto durante muchos años, para componentes de fabricación de dispositivos de presión que pueden soportar de 4.000 a 10.000 bares, en particular incluyendo tubos o camisas o cierres de culata para formar componentes de un dispositivo de presión. Estos aceros deben satisfacer calidades de composiciones que se definen muy estrictamente y con ellos deben obtenerse propiedades mecánicas muy buenas, y en particular un límite de elasticidad muy alto y una buena razón de límite de elasticidad/tenacidad, en particular a baja temperatura.
Se requiere en particular la obtención de contenido en silicio y manganeso muy bajo, pero contenido en cromo, molibdeno y níquel relativamente alto.
Se han propuesto diferentes composiciones en la técnica anterior para la obtención de aceros que satisfacen estas propiedades mecánicas, sin embargo las características mecánicas de estos aceros deben mejorarse adicionalmente. Dichos aceros se describen en particular en el documento DE 195 31 260 C2. Por lo tanto, los aceros deben mejorarse en cuanto a su composición y propiedades mecánicas, y en particular en cuanto al límite de elasticidad y a la razón de límite de elasticidad/tenacidad, en particular a baja temperatura.
Con los procedimientos habituales de transformación para este tipo de acero, no es posible obtener propiedades mecánicas óptimas cuando se desea utilizar este acero como tubo con un límite de elasticidad muy alto y/o una buena razón de límite de elasticidad/tenacidad a baja temperatura, en particular en el campo de dispositivos de presión que en particular soportan de 4.000 a 10.000 bares.
Por otra parte, los procedimientos conocidos habitualmente presentan una duración que no es compatible con una actividad industrial significativa. Esto es en particular el caso de un procedimiento descrito en el documento DE 19531260, comprendiendo el procedimiento una etapa de austenitización seguida por una etapa de recocido perlítico durante 100-200 horas.
\vskip1.000000\baselineskip
Objetivos de la invención
El objetivo principal de la invención es solucionar los problemas técnicos expuestos anteriormente y en particular proporcionar una composición de acero cuyas propiedades mecánicas pueden obtenerse, en particular en cuanto al límite de elasticidad y de equilibrio entre el límite optimizado de elasticidad/tenacidad en particular a baja temperatura, adecuada para formar un componente de dispositivo de presión.
El objetivo principal de la invención es solucionar los problemas técnicos mencionados anteriormente y en particular el problema técnico que consiste en proporcionar un procedimiento de transformación con el que pueda obtenerse un tubo de acero de la composición mencionada anteriormente, que presenta muy buenas propiedades mecánicas, en particular incluyendo un límite de elasticidad muy alto combinado con un alto nivel de ductilidad.
El objetivo de la invención es en particular solucionar este problema técnico dentro del alcance de componentes de fabricación para dispositivos de presión, en particular mediante un procedimiento que puede realizarse industrialmente en cuanto a la rentabilidad y el tiempo de fabricación.
\vskip1.000000\baselineskip
Descripción de la invención
En particular, la presente invención se refiere a una composición de acero que comprende esencialmente:
\quad
carbono: 0,35-0,43,
\quad
manganeso: <0,20,
\quad
silicio: <0,20,
\quad
níquel: 3,00-4,00
\quad
cromo: 1,30-1,80,
\quad
molibdeno: 0,70-1,00
\quad
vanadio: 0,20-0,35,
\quad
hierro: resto
en porcentajes en peso de la composición total, así como las impurezas inevitables, mantenidas a un nivel inferior, en particular como cobre (preferentemente <0,100); aluminio (preferentemente <0,015); azufre (preferentemente <0,002); fósforo (preferentemente <0,010); estaño (preferentemente <0,008); arsénico (preferentemente <0,010); antimonio (preferentemente <0,0015); en general introducidas esencialmente por los materiales de partida; y calcio (preferentemente <0,004), dioxígeno (preferentemente <0,004); dihidrógeno (preferentemente <0,0002); y dinitrógeno (preferentemente <0,007) en general debidos esencialmente al procedimiento de fabricación. Con este acero, es posible satisfacer los requisitos de las propiedades mecánicas requeridas para formar un componente de un dispositivo de presión que soporta de 4.000 a 10.000 bares, tales como en particular un tubo o camisa o cierre de culata de un dispositivo de presión, tal como un tubo de cañón.
Sorprendentemente, se descubrió que era posible solucionar los problemas técnicos mencionados anteriormente y en particular obtener un límite de elasticidad muy alto y una buena razón de límite de elasticidad/tenacidad a baja temperatura para una composición de acero mencionada anteriormente, siendo la tasa de amasado inferior o igual a 5 y preferentemente de aproximadamente 4,5, en la sección transversal más grande del componente de acero, en particular en forma tubular o cilíndrica.
Por lo tanto, la presente invención describe un procedimiento para transformar una pieza en bruto de acero con una forma sustancialmente tubular o cilíndrica que comprende esencialmente la siguiente composición:
\quad
carbono: 0,35-0,43,
\quad
manganeso: <0,20,
\quad
silicio: <0,20,
\quad
níquel: 3,00-4,00,
\quad
cromo: 1,30-1,80,
\quad
molibdeno: 0,70-1,00
\quad
vanadio: 0,20-0,35,
\quad
hierro: resto
en porcentajes en peso de la composición total, así como las impurezas inevitables incluyendo dinitrógeno (preferentemente N_{2}<70 ppm), dioxígeno (preferentemente O_{2}<30 ppm) y dihidrógeno (preferentemente H_{2}<2 ppm), comprendiendo dicho procedimiento una etapa para transformar la pieza en bruto mediante amasado con el fin de obtener una tasa de amasado de la sección transversal más gruesa de la forma sustancialmente tubular o cilíndrica, inferior o igual a 5, y preferentemente inferior o igual a 4,5.
Resulta interesante llevar a cabo una transformación del acero mencionado anteriormente mediante forja que comprende un aumento de temperatura y durante un tiempo suficiente con el fin de reducir segregaciones dentro del acero. Mantener la temperatura del lingote antes de la forja proporciona homogeneización química y puede participar en la mejora de las características mecánicas.
Es posible realizar por lo menos una operación de calentamiento con el fin de estirar el tubo a una temperatura a la que pueden evitarse grietas, y puede obtenerse una tasa de amasado inferior o igual a 5 y preferentemente inferior o igual a 4,5.
Por una pieza en bruto sustancialmente cilíndrica se entiende por ejemplo una pieza en bruto con la forma de un cilindro liso o poligonal. Puede obtenerse ventajosamente un tubo mediante perforación tras el amasado.
Por lo tanto, pueden fabricarse tubos que presentan un diámetro interno de por lo menos 80 mm. Por ejemplo, pueden fabricarse tubos de 105 mm, 120 mm, 140 mm y 155 mm con muy buenas propiedades mecánicas para tubos de cañón. Los grosores son generalmente superiores a 100 mm, y eso hasta diámetros externos de 400 mm.
Ventajosamente, tras el amasado, el procedimiento comprende recocido con el fin de mejorar la estructura del acero.
Preferentemente, la operación de recocido comprende una etapa de normalización con el fin de mejorar la estructura del acero, en particular manteniéndolo a una temperatura de por lo menos 900ºC, por ejemplo durante por lo menos 1 h para un grosor de 50 mm del tubo y enfriamiento con aire hasta aproximadamente 400ºC.
El control de las tasas de enfriamiento tras la forja y/o normalización participa ventajosamente en la mejora de las características mecánicas del material.
Preferentemente, el recocido comprende una etapa de recocido antidescascarillado que comprende mantener una temperatura de aproximadamente 650ºC, cuando el contenido en dihidrógeno requiere un tratamiento de este tipo.
Ventajosamente, el procedimiento comprende por lo menos enfriamiento en horno con el fin de evitar riesgos de grietas tras el enfriamiento, en particular durante la normalización o el recocido antidescascarillado.
Preferentemente, se lleva a cabo el tratamiento térmico en el cilindro o tubo de acero obtenido al final del amasado con el fin de obtener un cilindro o tubo de acero que presenta una estructura esencialmente martensítica en su totalidad, y preferentemente una estructura martensítica en su totalidad. El tratamiento térmico comprende ventajosamente enfriamiento rápido en un fluido con potencia de enfriamiento adecuada (por ejemplo: aceite) con el fin de conducir a una estructura esencialmente martensítica en su totalidad y para reducir el riesgo de agrietamiento. El tratamiento térmico comprende ventajosamente revenido con el fin de conducir sustancialmente a una dureza máxima del acero. El tratamiento térmico comprende ventajosamente por lo menos una operación de revenido con el fin de obtener sustancialmente la homogeneidad de las características mecánicas a lo largo del cilindro o tubo de acero.
Se garantizan muy buenas características mecánicas (alto límite de elasticidad, buena tenacidad a baja temperatura) incluso cuando se utiliza enfriamiento rápido en aceite, lo que resulta muy ventajoso porque puede limitarse de esta manera el riesgo de agrietamiento durante la operación de enfriamiento rápido.
Según una forma de realización particular, la pieza en bruto de acero con una forma sustancialmente tubular o cilíndrica se obtiene mediante un procedimiento para elaborar la pieza en bruto de acero que comprende refusión bajo escoria electroconductora (ESR) o refusión por arco en vacío (VAR), con el fin de optimizar la composición, en particular reduciendo las impurezas, pero también obteniendo una pieza en bruto que conduce a excelentes propiedades mecánicas tras la transformación.
La presente invención se refiere a una pieza en bruto de acero con el fin de formar un componente de dispositivo de presión que puede obtenerse en cualquiera de las etapas del procedimiento descrito anteriormente.
Otros objetivos, características y ventajas de la invención se pondrán más claramente de manifiesto para un experto en la materia tras la lectura de la descripción explicativa que se refiere a ejemplos que se facilitan únicamente a título ilustrativo y que no pueden limitar de ninguna manera el alcance de la invención.
Los ejemplos son una parte integrante de la presente invención y cualquier característica que parezca ser nueva con respecto al estado de la técnica anterior, a partir de la descripción tomada como un todo, incluyendo los ejemplos, es una parte integrante de la invención en su función y en su generalidad.
Por lo tanto, cada ejemplo presenta un alcance general.
Por otra parte, en los ejemplos, todos los porcentajes se proporcionan en peso, a menos que se especifique lo contrario, y la temperatura se expresa en grados Celsius a menos que se especifique lo contrario, y la presión es presión atmosférica, a menos que se especifique lo contrario.
\vskip1.000000\baselineskip
Ejemplos Ejemplo 1 Transformación: forja
Se transforma una (o más) pieza en bruto de acero con una forma sustancialmente tubular o cilíndrica que comprende esencialmente la siguiente composición:
\quad
carbono: 0,37-0,42
\quad
manganeso: <0,15,
\quad
silicio: <0,100
\quad
níquel: 3,50-3,80
\quad
cromo: 1,50-1,70,
\quad
molibdeno: 0,70-1,00
\quad
vanadio: 0,25-0,30,
en porcentajes en peso de la composición total, así como las impurezas inevitables incluyendo dioxígeno (preferentemente <0,004); dihidrógeno (preferentemente <0,0002); y dinitrógeno (preferentemente< 0,007), con el fin de proporcionar un tubo que pueda utilizarse en armamento, tal como un tubo de cañón que presenta un límite de elasticidad muy alto y una buena razón de límite de elasticidad/tenacidad a baja temperatura. Se dosifica el contenido en gas del acero (O_{2}, N_{2}, H_{2}) durante la elaboración y tras la colada de los lingotes, por medio de analizadores de gas. Se miden las actividades de oxígeno y las presiones parciales de hidrógeno durante la elaboración mediante dispositivos electroquímicos: celda de O_{2}, sonda Hydriss.
Esta pieza en bruto experimentó las siguientes etapas de transformación:
1
Calentamiento del lingote antes de la forja:
\quad
se calienta el lingote con el fin de reducir segregaciones en el producto (por ejemplo, durante por lo menos 10 h, hasta aproximadamente 1.200ºC para un lingote de 8-10 toneladas);
2
Forja del lingote obtenido (por ejemplo, con el fin de preparar un tubo que presenta un diámetro interno de 120 mm) que comprende por lo menos una operación de calentamiento con el fin de evitar grietas y obtener una tasa de amasado inferior a 5 y preferentemente inferior a 4,5 en la sección transversal, en particular la sección transversal más grande.
\vskip1.000000\baselineskip
La forja puede comprender en particular las siguientes etapas:
-
\vtcortauna Tras el primer calentamiento, se lleva a cabo recocido a una temperatura por ejemplo de aproximadamente 1.200-1.230ºC, durante por ejemplo por lo menos cuatro horas.
-
\vtcortauna Se realiza un segundo estiramiento en caliente.
\vskip1.000000\baselineskip
Con este procedimiento, puede obtenerse una pieza en bruto cilíndrica o tubular por ejemplo según las dimensiones externas:
-
\vtcortauna culata: \diameter 350 x 1.500 mm
-
\vtcortauna \diameter 300 x 800 mm
-
\vtcortauna \diameter 250 x 2.500 mm
-
\vtcortauna cuerpo cilíndrico: \diameter 235 x 1.600 mínimo, longitud total > 6.300 mm
\vskip1.000000\baselineskip
Se obtienen de esta manera tasas de amasado de 4,5 o inferiores en la culata, lo que es muy sorprendente puesto que la tasa de amasado obtenida normalmente en la culata para este tipo de calidad de acero es superior a 5.
Si la pieza en bruto no es de forma tubular, entonces se realiza una perforación con el fin de obtener el tubo deseado.
Preferentemente, se lleva a cabo el recocido tras la forja con el fin de obtener una estructura esencialmente martensítica en su totalidad y así un mejor límite de elasticidad en aplicaciones como un componente de dispositivo de presión, tal como un tubo de cañón.
\vskip1.000000\baselineskip
Ejemplo 2 Transformación: recocido tras la forja
Se lleva a cabo el recocido tras la forja, por ejemplo en el tubo obtenido en el ejemplo 1, con el fin de mejorar la microestructura del acero (etapa de normalización) para evitar riesgos de grietas tras el enfriamiento (etapas de enfriamiento en horno) y evitar acontecimientos del tipo "descascarillado" o "DDH" en productos tras el enfriamiento, con recocido antidescascarillado cuando se han refundido las piezas en bruto mediante el procedimiento de ESR en escoria sólida o líquida o mediante el procedimiento de refusión en vacío (VAR).
\newpage
Ejemplo 3 Transformación: tratamiento térmico de calidad
Por ejemplo, el tubo o cilindro obtenido según el ejemplo 2 se nivela ventajosamente para el perfil de tratamiento térmico que comprende un tratamiento térmico de calidad. Este tratamiento tiene el fin de de conferir a los tubos o cilindros todas las propiedades mecánicas requeridas mientras que se optimiza el equilibrio de límite de elasticidad/resiliencia a -40ºC y Klc o J1c a -40ºC.
El enfriamiento rápido en aceite o enfriamiento rápido con otro fluido de enfriamiento adecuado en particular conduce a una estructura martensítica en su totalidad mientras que evita el riesgo de agrietamiento. Este tratamiento térmico de calidad comprende ventajosamente en primer lugar revenido que conduce a una dureza máxima; se llevan a cabo dos operaciones de revenido a temperaturas que pueden garantizar una mayor homogeneidad de las características mecánicas a lo largo del tubo mientras que mejora el nivel de resiliencia. Llevando a cabo tres operaciones de revenido y enfriamiento lento en el horno tras la última operación de revenido, es posible garantizar la rectilineidad final del tubo y la ausencia de deformaciones durante la mecanización final.
Como ejemplo, el tratamiento térmico de calidad comprende:
-
\vtcortauna AUSTENITIZACIÓN + ENFRIAMIENTO RÁPIDO:
-
\vtcortauna introducción del tubo en el horno a una temperatura inferior a aproximadamente 450ºC;
-
\vtcortauna un aumento de temperatura, por ejemplo hasta una temperatura superior a 850ºC a una tasa inferior a aproximadamente 80ºC/h;
-
\vtcortauna mantener la temperatura superior a 850ºC durante un periodo superior a 4 h para una pieza en bruto en forma de tubo de 120 mm;
-
\vtcortauna se obtiene enfriamiento rápido en aceite con por ejemplo una inyección de aceite en el orificio hasta una temperatura inferior a, por ejemplo aproximadamente 150ºC en cualquier punto, y seguido por enfriamiento al aire hasta aproximadamente 80ºC por ejemplo.
-
\vtcortauna PRIMER REVENIDO a una temperatura superior a 500ºC;
-
\vtcortauna SEGUNDO REVENIDO a una temperatura superior a 550ºC;
-
\vtcortauna TERCER REVENIDO a una temperatura superior a 500ºC.
\vskip1.000000\baselineskip
Pueden llevarse a cabo las operaciones de revenido verticalmente con ajuste de los productos en rotación con el fin de garantizar la rectilineidad apropiada.
Durante el procedimiento, pueden realizarse operaciones de enderezamiento en caliente con el fin de garantizar la rectilineidad apropiada general de los tubos o cilindros. Por lo tanto, pueden obtenerse las siguientes propiedades mecánicas:
\quad
1.350 MPa < Rm < 1.600 Mpa;
\quad
1.250 < Rp0,2% < 1.450 Mpa
\quad
A% > 12%;
\quad
Z% > 35%;
\vskip1.000000\baselineskip
Se obtienen una excelente resiliencia y tenacidad a baja temperatura
\quad
KV (-40ºC) >28 J
\quad
Klc (o KQ) (-40ºC) > 110 Mpa\cdotm^{1/2}
\vskip1.000000\baselineskip
Se obtienen estos valores de resistencia y tenacidad para límites de elasticidad (Rp 0,2%) hasta 1.450 Mpa. Esto se obtiene en particular mediante la selección y mediante el contenido en elementos del acero (C, Ni, Cr, Mo, V), y mediante el tratamiento termomecánico (forja, tratamientos térmicos).
Ejemplos de propiedades mecánicas obtenidas:
TABLA 1 Mediante elaboración con un horno de arco eléctrico (FEA) + desgasificación por arco en vacío (VAD)
1
TABLA 2 Mediante refusión bajo electroescoria (ESR)
2
TABLA 2 (continuación)
3 
\vskip1.000000\baselineskip
TABLA 3 Mediante refusión por arco en vacío (VAR)
4

Claims (13)

1. Procedimiento para transformar una pieza en bruto de acero con una forma sustancialmente tubular o cilíndrica que comprende esencialmente la siguiente composición en porcentajes en peso de la composición total:
\quad
carbono: 0,35-0,43,
\quad
manganeso: <0,20,
\quad
silicio: <0,20,
\quad
níquel: superior a 3,00 e inferior o igual a 4,00,
\quad
cromo: 1,30-1,80,
\quad
molibdeno: 0,70-1,00
\quad
vanadio: 0,20-0,35,
\quad
hierro: resto
así como impurezas inevitables que son generalmente dinitrógeno, dioxígeno y dihidrógeno,
comprendiendo dicho procedimiento una etapa para transformar la pieza en bruto mediante amasado con el fin de obtener una tasa de amasado de la sección transversal más gruesa de la forma sustancialmente tubular o cilíndrica, inferior o igual a 5.
\vskip1.000000\baselineskip
2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque comprende tras el amasado, un recocido para mejorar la estructura del acero.
3. Procedimiento según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque el recocido comprende una etapa de normalización para mejorar la estructura del acero.
4. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el recocido com-
prende una etapa de recocido antidescascarillado que comprende mantener la temperatura de aproximadamente
650ºC.
5. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende por lo menos un enfriamiento en horno con el fin de evitar riesgos de grietas tras el enfriamiento, en particular durante el recocido antidescascarillado o la normalización.
6. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque se lleva a cabo un tratamiento térmico en el cilindro o tubo de acero obtenido según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, con el fin de obtener un cilindro o tubo de acero que presenta una estructura esencialmente martensítica en su tota-
lidad.
7. Procedimiento según la reivindicación 6, caracterizado porque el tratamiento térmico comprende un enfriamiento rápido en aceite o enfriamiento rápido con un fluido con potencia de enfriamiento adecuada con el fin de conducir a una estructura esencialmente martensítica en su totalidad y reducir el riesgo de agrietamiento.
8. Procedimiento según la reivindicación 6 ó 7, caracterizado porque el tratamiento térmico comprende una primera operación de revenido con el fin de conducir sustancialmente a una dureza máxima del acero.
9. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 6 a 8, caracterizado porque el tratamiento térmico comprende por lo menos una operación de revenido con el fin de obtener sustancialmente la homogeneidad de las características mecánicas a lo largo del cilindro o tubo de acero.
10. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la pieza en bruto de acero con una forma sustancialmente tubular o cilíndrica se obtiene mediante un procedimiento para elaborar la pieza en bruto de acero que comprende una refusión bajo escoria electroconductora (ESR) o refusión por arco en vacío (VAR).
11. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el procedimiento comprende una etapa de forja y/o normalización y comprende el control de las tasas de enfriamiento tras la forja y/o normalización con el fin de mejorar las características mecánicas del acero.
\newpage
12. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el procedimiento comprende forjar y mantener la temperatura del lingote antes de la forja con el fin de homogeneizar la composición química y participar en la mejora de las características mecánicas.
13. Componente de dispositivo de presión que puede obtenerse mediante un procedimiento para transformar una pieza en bruto de acero según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12.
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