RU2335568C2 - Сталь низколегированная свариваемая - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области металлургии, а именно к низколегированным сталям, используемым для изготовления сварных нефте- и газопроводов, эксплуатируемых в условиях Крайнего Севера. Сталь содержит углерод, кремний, марганец, ванадий, ниобий, алюминий, титан, азот, хром, никель, медь, серу, фосфор, кальций и железо, при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,05-0,15, кремний 0,30-0,90, марганец 0,40-0,90, ванадий 0,04-0,15, ниобий 0,02-0,08, алюминий 0,02-0,06, титан 0,005-0,03, азот не более 0,008, хром не более 0,30, никель не более 0,30, медь не более 0,30, сера не более 0,005, фосфор не более 0,018, кальций 0,001-0,006, железо - остальное. Сталь имеет в структуре феррит с номером зерна не менее 9 при структурной полосчастости не более 2 баллов и неметаллические включения не крупнее 3 баллов. Суммарное содержание хрома, никеля и меди соответствует условию: Cr+Ni+Cu≤0,6 мас.%. Повышаются коррозионная стойкость, хладостойкость и выход годного горячекатаного полосового проката. 3 табл.

Description

Изобретение относится к металлургии, конкретно к низколегированным сталям, используемым для изготовления сварных нефте- и газопроводов, пригодных к эксплуатации в условиях Крайнего Севера.

Горячекатаная листовая сталь, низколегированная, свариваемая для магистральных нефте- и газопроводов, работающих в условиях Крайнего Севера, должна сочетать высокую прочность, пластичность, коррозионную стойкость и хладостойкость (таблица 1).

Известна низколегированная сталь следующего химического состава, мас.% [1]:

Углерод	0,03-0,11
Марганец	0,90-1,80
Кремний	0,06-0,60
Хром	0,005-0,30
Никель	0,005-0,30
Ванадий	0,02-0,12
Ниобий	0,03-0,10
Титан	0,010-0,040
Алюминий	0,010-0,055
Кальций	0,001-0,005
Сера	0,0005-0,008
Фосфор	0,0005-0,010
Азот	0,001-0,012
Медь	0,005-0,25
Сурьма	0,0001-0,005
Олово	0,0001-0,007
Мышьяк	0,0001-0,008
Железо	остальное,

причем суммарное содержание фосфора Р, сурьмы Sb, мышьяка As и олова Sn должно удовлетворять соотношению: 2P+Sn+Sb+As<0,035.

Недостатки стали известного состава состоят в том, что в горячекатаном состоянии она характеризуется низкими механическими свойствами, коррозионной стойкостью и хладостойкостью. Сталь не технологична в производстве, так как требует проведения специальных мероприятий по удалению фосфора, введению сурьмы, олова и мышьяка в регламентированных количествах. Кроме того, сурьма, олово и мышьяк существенно ухудшают коррозионную стойкость и свариваемость стали, вследствие чего введение их в качестве легирующих элементов не представляется целесообразным.

Известна также сталь следующего химического состава, мас.%:

Углерод	0,05-0,15
Кремний	0,15-0,60
Марганец	1,2-2,0
Ванадий	0,03-0,15
Ниобий	0,005-0,10
Алюминий	0,006-0,06
Азот	0,002-0,015
Титан	0,005-0,10
Хром	0,01-0,30
Никель	0,01-0,30
Медь	0,01-0,30
РЗМ	0,002-0,050
Сера	не более 0,01
Фосфор	не более 0,02
Железо	остальное [2].

Недостатки данной стали состоят в том, что изготовленные из нее горячекатаные полосы имеют низкую коррозионную стойкость и хладостойкость.

Наиболее близкой по своему химическому составу и свойствам к предлагаемой стали является низколегированная свариваемая сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, ванадий, ниобий, титан, азот, хром, никель, медь, серу, фосфор и железо при следующем соотношении, мас.%:

Углерод	0,02-0,35
Кремний	0,01-1,0
Марганец	0,02-2,5
Ванадий	≤0,2
Ниобий	≤0,1
Алюминий	0,001-0,1
Титан	0,005-0,2
Азот	0,0004-0,01
Хром	≤1,0
Никель	≤1,0
Медь	≤1,0
Сера	≤0,01
Фосфор	0,005-0,1
Железо	остальное [3].

Недостатки данной стали состоят в том, что изготовленные из нее горячекатаные полосы имеют низкую коррозионную стойкость и хладостойкость. Это снижает выход годного горячекатаного полосового проката.

Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в повышение коррозионной стойкости, хладостойкости и выхода годного горячекатаного полосового проката.

Для этого низколегированная свариваемая сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, ванадий, ниобий, алюминий, титан, азот, хром, никель, медь, серу, фосфор и железо, дополнительно содержит кальций при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод	0,05-0,15
Кремний	0,30-0,90
Марганец	0,40-0,90
Ванадий	0,04-0,15
Ниобий	0,02-0,08
Алюминий	0,02-0,06
Титан	0,005-0,03
Азот	не более 0,008
Хром	не более 0,30
Никель	не более 0,30
Медь	не более 0,30
Сера	не более 0,005
Фосфор	не более 0,018
Кальций	0,001-0,006
Железо	остальное,

при этом она содержит в структуре феррит с номером зерна не менее 9 при структурной полосчатости не более 2 баллов и неметаллические включения не крупнее 3 баллов, а суммарное содержание хрома, никеля и меди соответствует условию:

Cr+Ni+Cu≤0,6 мас.%.

Углерод в стали предложенного состава определяет ее прочностные свойства. Снижение содержания углерода менее 0,05% приводит к падению прочности ниже допустимого уровня. Увеличение содержания углерода сверх 0,15% ухудшает пластичность и вязкость стали.

Кремний раскисляет и упрочняет сталь, повышает ее упругие свойства. При содержании кремния менее 0,30% прочность стали недостаточна. Увеличение содержания кремния более 0,90% приводит к охрупчиванию стали, ухудшению ее пластичности.

Марганец введен для раскисления и повышения прочности стали, связывания примесной серы в сульфиды. При содержании марганца менее 0,40% снижается прочность стали и вязкость при отрицательных температурах, что приводит к увеличению отбраковки. Повышение концентрации марганца сверх 0,90% ухудшает пластичность стали, снижает хладостойкость и повышает отношение σ_т/σ_в более 0,7.

Ванадий и ниобий образуют с углеродом карбиды VC, NbC, а с азотом - нитриды VN, NbN. Мелкие нитриды и карбонитриды ванадия и ниобия располагаются по границам зерен и субзерен, тормозят движение дислокации и тем самым упрочняют сталь. При содержании ванадия менее 0,04% и ниобия менее 0,02% их влияние недостаточно велико, свойства стали ниже допустимого уровня. Увеличение концентрации ванадия более 0,15% или ниобия более 0,08% вызывает дисперсионное твердение проката и приводит к их выделению на границах зерен в виде интерметаллических соединений. Это ухудшает свойства и снижает выход годных горячекатаных полос.

Алюминий является раскисляющим и модифицирующим элементом. При содержании алюминия менее 0,02% его воздействие проявляется слабо, сталь имеет низкие механические свойства. Увеличение содержания алюминия более 0,06% приводит к графитизации стали, потере прочности, ухудшению хладостойкости, а также ухудшает качество поверхности горячекатаного проката.

Титан является сильным карбидообразующим элементом, упрочняющим сталь. Снижение концентрации титана менее 0,005% не оказывает благоприятного влияния на механические свойства горячекатаных полос. Однако повышение содержания титана до 0,030% оказывает положительное влияние на формирование структуры сварного соединения и околошовной зоны. Повышение содержания титана более 0,030% делает сталь не технологичной при разливке, вследствие чего ухудшается выход годного по качеству поверхности.

Азот является карбонитридообразующим элементом, упрочняющим сталь. Однако повышение концентрации азота сверх 0,008% приводит к снижению вязкостных свойств при отрицательных температурах, что недопустимо.

Хром, никель и медь способствуют повышению прочностных свойств и стойкости против питтинговой коррозии, но при содержании каждого из этих элементов более 0,30% имеет место снижение хладостойкости стали при отрицательных температурах. Причем лучшие свойства по коррозионной стойкости и свариваемости стали достигаются при суммарном содержании этих элементов не более 0,6%.

Фосфор в количестве не более 0,018% целиком растворяется в α-железе, что ведет к упрочнению металлической матрицы. Однако увеличение содержания фосфора более 0,018% вызывает охрупчивание стали и снижение хладостойкости.

Сера является вредной примесью, снижающей пластические и вязкостные свойства. При концентрации серы не более 0,005% ее вредное действие проявляется слабо и не приводит к заметному снижению механических свойств стали. В то же время более глубокое удаление серы удорожает сталь, делает ее производство нерентабельным.

Кальций обеспечивает рафинирование границ зерен микроструктуры стали. Действуя как поверхностно-активное вещество, он очищает межзеренные границы от нежелательных примесей, благодаря чему достигается одновременное повышение ударной вязкости при отрицательных температурах и коррозионной стойкости стали. При снижении содержания кальция менее 0,001% его положительное влияние проявляется слабо. Увеличение содержания кальция сверх 0,006% ведет к увеличению количества неметаллических включений, что отрицательно сказывается на механических свойствах горячекатаного проката.

При содержании в структуре стали мелкозернистого структурно свободного феррита с номером зерна не менее 9 баллов при структурной полосчатости не более 2 баллов имеет место дополнительное повышение стойкости стали против локальной коррозии и хладостойкости. Снижение номера зерна феррита менее 9 баллов, как и повышение структурной полосчатости более 2 баллов ухудшает коррозионную стойкость и хладостойкость стали.

Экспериментально установлено, что скопления алюмокальциевых, сульфидных, алюмокальциевосиликатных включений крупнее 3 баллов приводят к разрушению образцов при коррозионных испытаниях, что недопустимо. Кроме того, неметаллические включения крупнее 3 баллов снижают хладостойкость стали, снижают выход годных горячекатаных полос.

Сталь выплавляли в кислородном конвертере, раскисляли ферромарганцем, феррокремнием, ферросилицием, легировали феррованадием, феррониобием, вводили металлический алюминий, ферротитан, силикокальций. Проводили десульфурацию и дефосфорацию расплава, продувку аргоном. Сталь подвергали непрерывной разливке в слябы и горячей прокатке на непрерывном широкополосном стане 2000 в полосы толщиной 9,0 мм с температурой конца прокатки Т_кп=880°С, после чего охлаждали водой до температуры Т_см=590°С и сматывали в рулоны.

В таблице 2 приведены химические составы сталей с различным содержанием легирующих элементов и примесей, а в таблице 3 - свойства этих же сталей и выход годных горячекатаных полос.

Как следует из таблиц 2 и 3, горячекатаные полосы из сталей предложенного состава (составы №2-5) имеют повышенную коррозионную стойкость, хладостойкость (ударную вязкость при отрицательных температурах). Благодаря этому достигается максимальный выход годного горячекатаного полосового проката.

В случаях запредельных значений концентрации легирующих элементов и примесей (составы №1 и 6), а также при использовании стали известного химического состава (состав №7), принятой в качестве прототипа, коррозионная стойкость и хладостойкость стали в горячекатаном состоянии ухудшаются.

В качестве базового объекта при оценке технико-экономической эффективности предложенной стали выбрана сталь-прототип. Использование стали предложенного состава позволит повысить рентабельность производства магистральных труб для нефте- и газопроводов на 20-30%.

Источники, использованные при составлении описания изобретения

1. Патент Российской Федерации №2141002, МПК С22С 38/60, 1999 г.

2. Авторское свидетельство СССР №863707, МПК С22С 38/58, 1981 г.

3. Заявка JP 2005-146395 А, МПК С22С 38/58, 09.06.2005 г. - прототип.

Таблица 2
Химический состав низколегированных сталей
№ состава	Содержание химических элементов, масс.%																Параметры микроструктуры
	С	Si	Mn	V	Nb	Al	Ti	N	Cr	Ni	Cu	S	Р	Са	Fe	Cr+Ni+Cu	№ зерна феррита	Балл полосчатости	Балл неметалл. включен.
1.	0,04	0,2	0,3	0,03	0,01	0,01	0,004	0,005	0,1	0,3	0,3	0,003	0,013	-	Основа	0,7	7-8	3	3
2.	0,05	0,3	0,4	0,04	0,02	0,02	0,005	0,006	0,1	0,1	0,2	0,003	0,014	0,001	-:-	0,4	9	1	1
3.	0,10	0,6	0,6	0,09	0,05	0,04	0,017	0,007	0,2	0,2	0,1	0,004	0,016	0,003	-:-	0,5	10	1	1
4.	0,11	0,7	0,5	0,10	0,06	0,05	0,018	0,007	0,3	0,1	0,1	0,005	0,017	-	-:-	0,5	9	2	2
5.	0,15	0,9	0,9	0,15	0,08	0,06	0,030	0,008	0,3	0,1	0,2	0,005	0,018	0,006	-:-	0,6	10	2	3
6.	0,16	1,0	1,0	0,16	0,09	0,07	0,032	0,009	0,4	0,4	0,4	0,006	0,019	0,007	-:-	1,2	11	3	4
7.	0,07	0,5	1,9	0,08	0,09	0,01	0,086	0,013	0,2	0,3	0,2	0,008	0,018	-	-:-	0,7	8-9	4	4

Claims (1)

1. Низколегированная свариваемая сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, ванадий, ниобий, алюминий, титан, азот, хром, никель, медь, серу, фосфор, кальций и железо, отличающаяся тем, что она содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%:

   углерод 0,05-0,15 кремний 0,30-0,90 марганец 0,40-0,90 ванадий 0,04-0,15 ниобий 0,02-0,08 алюминий 0,02-0,06 титан 0,005-0,03 азот не более 0,008 хром не более 0,30 никель не более 0,30 медь не более 0,30 сера не более 0,005 фосфор не более 0,018 кальций 0,001-0,006 железо остальное,

   при этом имеет в структуре феррит с номером зерна не менее 9, при структурной полосчастости не более 2 баллов и неметаллические включения не крупнее 3 баллов, а суммарное содержание хрома, никеля и меди соответствует условию

   Cr+Ni+Cu≤0,6 мас.%.