CC BY
114
Чукин М.В., Колокольцев В.М., Гун Г.С. идр.
Научная деятельность ГОУ ВПО «МГТУ» в условияхразвития.
А
iS
<
и
Ы>Н К О
н и s Й
S s
ОПТИЧЕСКИМ ЭМИССИОННЫЙ СПЕКТРОМЕТР (каф. ЭМиЛП, заведующий Вдовин КН.)
Рис. 11. Оптический эмиссионный спектрометр
А
< и ы « S О
gS
êS S
ОПЫТНО-ПРОМЫШЛЕННЫЙ АГРЕГАТ РКУП-CONFORM
«С S і ton Nf-HeiaJf f/irlJpft-SSe
Ірії
Рис. 12. Опытно-промышленный агрегат
РКУП-CONFORM
нологии;
- активное участие в международных форумах.
3. Разработка и совершенствование правовых и нормативных документов, регламентирующих деятельность НИИ НС, в том числе:
- переработка Положения о деятельности НИИ НС (новая редакция);
- разработка и принятие Положения о заработ-ной плате сотрудников;
- формирование штатного расписания НИИ НС.
4. Патентно-лицензионная деятельность НИИ, направленная не только на защиту прав авторов на интеллектуальную собственность, но и коммерциализацию инновационных разработок через патентную деятельность.
Развитие лабораторий связано с приобретением и запуском в эксплуатацию оптического
эмиссионного спектрометра, представленного на рис. 11, а также промышленного агрегата наноструктурирования стальной заготовки (рис. 12).
Естественно, ни одна новая разработка не возможна без подготовленной научной платформы, на которой базируется инновационная работа , которая подготовлена и сформирована ведущими научным и коллективами университета.
В ближайшее время авторы со своими научными коллективами планируют развитие научной, инжиниринговой и инновационной деятельности университета в области наноивдустрии с перспективой эффективной коммерциализации результатов прикладных и фундаментальных исследований со -вместно с партнерами - промышленными предприятиями региона, и в первую очередь ОАО «ММК», ОАО «ММК-МЕТИЗ», ООО «ЗМИ-Профиг».
УДК 621.771
Салганик В.М., Песин А.М., Тимошенко В.И., Титов A.B., Денисов С.В.
РАЗРАБОТКА КОМПОЗИЦИЙ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА И ТЕХНОЛОГИИ ШИРОКОПОЛОСНОЙ ПРОКАТКИ МИКРОЛЕГИРОВАННЫХ ТРУБНЫХ СТАЛЕЙ КАТЕГОРИИ ПРОЧНОСТИ Х80
При строительстве новых газопроводов повсеместно наблюдается стремление к снижению транспортных расходов, а предпринимаемые с этой целью меры сосредотачиваются на повышении эффективности транспортировки за счет увеличения диаметра труб и повышения максимального рабочего давления газа до 12 МПа. Повышенное давление требует увеличения толщины стенок трубы и/или прочности трубной стали.
Кроме того, увеличение прочности стали позволит значительно снизить толщину стенок существующих трубопроводов, работающих при низком рабочем давлении Поэтому в настоящее время актуальной становится задача создания труб большого диаметра категории прочности Х80, применение которых позволяет существенно уменьшить металлоемкость, стоимость сооружения и эксплуатацию газопроводов.
Целью данного исследования являлась разработка химической композиции микролегирован-ной трубной стали категории прочности Х80 по ставдарту API 5L и технологии ее производства в условиях ШСГП 2000 ОАО «ММК».
Для достижения поставленной цели была
Таблица 1
Факторы нейросетевой модели прогнозирования механическихсвойств проката в условиях стана 2000 ОАО «ММК»
Входные параметры Выходные параметры
1. Химический состав: C, Si, Mn, S, P, Cr, Ni, Cu, Al, Mo, Ti, V, Nb 2. Температураконца прокатки 3. Температурасмотки 1. Предел текучести СТТ 2. Временное сопротивление разрыву ст в 3. Относительноеудлинение 5б 4. Ударная вязкость КС1Н° 5. Ударная вязкость КСУ°
Рис. 1. Блок-схема алгоритма поиска химической композиции и технологических параметров прокатки трубной стали с заданными механическими свойствами
разработана нейросетевая модель прогнозирования механических свойств проката в зависимости от химического состава стали и технологических параметров процесса [1-3]. Исходными данными для такой модели послужили результаты промышленных про каток в условиях стана 2000 ОАО «ММК» полос толщиной 14,0-16,0 мм следующих марок стали: 05Г1Б, 10Г2ФБ,
12Г2СБ, 13Г1С-У, 17Г1С, 17Г1СА-У, 17Г1С-У, А36-2, В-АР1 5Ь, Б235Ж, Б235Ж(М), Б275Ж, Б35512, Б3 551204, Б355Ж, Б355Ж(М), БАЕ 1008, 37-2, 44-2, 52-3, Х42(М), Х52, Х56,
Х65, Х70. Всего было проанализировано 2566 плавок за период с 2000 по 2008 гг. Факторы указанной модели охарактеризованы в табл. 1.
Поиск химической композиции стали Х80 вели в соответствии с разработанным для этой цели алгоритмом. Блок-схема этого алгоритма представлена на рис. 1.
В соответствии с блок-схемой расчет проводили в следующей последовательности:
1) задавали начальные диапазоны варьирования входных парамет-ров (С; Б1; Мп; Б; Р; Сг; N1; Си; А1; Мо; V; Т1; №; Ткп; Тсм); под начальными диапазонами понимаются те диапазоны, на которых обучена нейронная сеть;
2) все выбранные диапазоны разбивали на равное число интервалов. Необходимым и достаточным явля-ется разбиение начальных диапазонов на 3 равных интервала;
3) в соответствии со ставдартом
АР1 5Ь принимали следующие ограничения для механических свойств проката категории прочности Х80: минимальный предел текучести <зТтт=552 МПа; минимальное вре-менное сопротивление разрыву ^втп=621 МПа; минимально допус-тимое относительное удлинение
5 5=20%; ограничивали отношение предела текучести к временному сопротивлению разрыву: стТ/стВ <0,9.
Также задавали ограничения по суммарному содержанию ниобия, ванадия и титана: Nb+V+Ti<0,15%; огра-ничивали углеродный эквивалент Рст<0,25% (при низком содержании углерода: С<0,10%) [4];
4) составляли матрицу планирования в соответствии с полным фак-
торным планом вида 415 [5];
5) на основе разработанных нейросетевых моделей для каждого возможного сочетания входных параметров (химического состава, температурных режимов) рассчитывали значения механических свойств проката;
6) далее, если в варьируемых диапазонах входных параметров ограничения не выполнялись , то уменьшали эти диапазоны до тех пор, пока ограничения не были выполнены. Если варьируемые диапазоны становились меньше минимально допустимых, то в указанных диапазонах решений нет. Под минимально допустимыми понимаются такие диапазоны, дальнейшее уменьшение которых не позволит получить их в производственных ус ловиях.
Таким образом, в результате выполненного расчета была получена композиция трубной стали категории прочности Х80 (табл. 2), которая обес-печивала получение механических свойств проката, представленных в табл. 3. При этом композиция легирования полученной стали была следующей: С-Ми-Сг-№-Си-У-КЬ.
Также были навдены требуемые температурные параметры процесса прокатки. Для трубного проката толщиной 14—16 мм температуры конца прокатки и смотки должны составлять 750790 и 550-590°С соответственно.
Возможности повышения качества проката во многом определяются наличием достоверной информации о степени влияния на него основных техноло-гических факторов. Существующие в металлургических процессах такие возмущающие воздействия, как колебания химического состава стали в пределах одной марки, колебания температурных режимов прокатки приводят к измене -нию механических свойств. В связи с этим представляет интерес исследование влияния возможных отклонений химического состава стали Х80 от заданных диапазонов.
Исследование проводили для проката толщиной 15,9 мм. Варьировали содержание в стали углерода, кремния, серы, фосфора, хрома, никеля, меди, ванадия, ниобия. Температуру смотки задавали постоянной Тсм=560°С, температуру конца прокатки варьировали в диапазоне 730-800°С.
В результате исследования было получено , что отклонения содержаний ос -новных химических элементов в стали Х80 от требуемых диапазонов в некото-
рых случаях можно компенсировать изменением температурных режимов, а в некоторых - нет.
Так, например, отклонения содержания в ста -ли углерода, хрома и меди являются допустимыми , не требующими компенсации изменением температурных режимов; механические свойства при этом не выходят за допустимые пределы. Отклонения содержания в стали кремния, серы, фосфора, никеля являются допустимыми, но тре-бующими компенсации снижением температуры конца прокатки до 730-750°С. Любые отклонения содержания в стали ванадия и ниобия явля-ются недопустимыми не компенсируемым и. При содержании в стали ванадия менее 0,07% и ниобия менее 0,06% механические свойства не удовлетворяют требованиям, предъявляемым к категории прочности X80 по стандарту АР1 5Ь.
Суммируя результаты проведенного анализа, покажем, когда компенсация отклонений содержаний основных химических элементов в стали от тре -буемыхдиапазонов возможна, а когда нет (табл. 4).
Таблица 2
Химический состав полученной стали категории прочности Х80
С Бі Мп АІ V 1\1Ь Б Р Другие
Не более
0,06- 0,08 0,10- 0,25 1,60- 1,70 0,02- 0,04 0,07- 0,08 0,06- 0,07 0,005 0,015 Сг, І\і, Си
Таблица 3
Получаемые показатели механических свойств
Предел текучести стт, М Па Временное сопротивление разрыву ств, МПа Относительное удлинение 55, % Ударная вязкость КОШ-40, Дж/см2 Ударная вязкость КС^, Дж/см2
552-590 657-694 23,6-26,2 236-264 372-410
Таблица 4
Компенсация возможных отклонений содержаний основных химическихэлементов от требуемыхдиапазонов
Химический элемент Отклонениеот границы допустимого диапазона, % Возможность компенсации изменением температуры конца прокатки
с До ±0,02 Не требуется
Сг До -0,09 Не требуется
Си До +0,05 Не требуется
Б1 До +0,05 СнижениеТкпДО 730-740°С
Более +0,05 Невозможно компенсировать
Б, Р До +0,005 СнижениеТкпДО 730-740°С
Более +0,005 Невозможно компенсировать
N1 до -0,02 СнижениеТкпДО 730-740° С
более -0,02 Невозможно компенсировать
1\1Ь, V любыеотклонения Невозможно компенсировать
Изменение содержания углерода в исследуемой стали практически не приводит к выходу по -казателей механических свойств за допустимые по ставдарту API 5L пределы (рис. 2). Увеличение
массовой доли углерода от 0,05 до 0,10% слабо влияет на предел текучести, временное сопротивление разрыву и ударную вязкость КСи-40, однако приводит к существенному уменьшению относи-
<1>
gs
і І о
if с! « « о
М
700
680
660
640
620
600
580
560
540
1. S= = : : = ф= — —- ÍP : = Є II1 11
О— ■4/-~ сгв Tra = з Ткп= 730 °С 760 °С
СГвтт о 1кп = 800 °С
^Tmm Gj о —4
—=J- _ _~-0
0,050 0,055 0,060 0,065 0,070 0,075 0,080 0,085 0,090 0,095 0,100 Содержание углерода, %
0,050 0,055 0,060 0,065 0,070 0,075 0,080 0,085 0,090 0,095 0,100 Содержание углерода, %
б
Рис. 2. Влияние содержания углерода на показатели механическихсвойств: а - предел текучести от и временное сопротивление разрыву ств; б - относительное удлинение 55 и ударная вязкость КСУ'40
700
пі 680
I 640 620
у э
о> К & 600 н о 580 tí °
ез о 560 & S
с g 540
V
& 520
III JU = = = ==
: ©а =
5Й5 fe
O' P.rnvn \ S:;
» = 730 ш =760
□ °С
г— Ст О 1 ’„ = 800 °С
~\ Отггщі
26,5
26,0
£
а 25>5 э
S 25,0 |24,5 0>
I 24,0 *
8 23,5 %
N, '— о— —■ "О— , “• о- ^
Г - ° -о — <□— "Т-* Cw. ^
*0»- - ^ І
□ Ти, —760 0 о Т№=800° . С
С
240
220
200
180
160
140
120
100
0*20
0,25 0,30 0,35 0,40
Содержание кремния, %
0,20 0,25 0,30 0,35 0,40
Содержание кремния, %
б
Рис. 3. Влияние содержания кремния на показатели механическихсвойств: а - предел текучести от и временное сопротивление разрыву ств; б - относительное удлинение 55 и ударная вязкость КСУ'40
0.000 0.0 L0 0.020
0.030 0.040 0.050 0.0Í0
СОЩЧВДВНМР ИИРбня; %
0,070 0,080 0.090
I
СОДЙрЭШННВ И111 vil IIM. “is б
Рис. 4. Влияние содержания ниобия на показатели механическихсвойств: а - предел текучести от и временное сопротивление разрыву ев;
б - относительное удлинение 55 и ударная вязкость КСУ'40
тельного удлинения с 27 до 22%.
С увеличением содержания кремния в стали выше 0,20% предел текучести уменьшается ниже 552 МПа (рис. 3, а). В этом случае снижение температуры конца прокатки до 740-750°С позволяет компенсировать уменьшение предела текучести и повысить его до требуемого уровня. Вре-менное сопротивление разрыву, относительное удлинение и ударная вязкость с увеличением содержания кремния уменьшаются, но остаются в допустимых пределах (рис. 3, б).
Сильное влияние на механические свойства стали Х80 оказывают ванадий и ниобий. При уменьшении их содержания ниже 0,07 и 0,06% соответственно значение предела текучести будет значительно меньше допустимого. С другой стороны, при содержании в стали ванадия больше 0,08% и ниобия больше 0,07% не будет выполнено требование ставдарта API 5L по сум -марному содержанию Nb+V+Ti < 0,15% (рис. 4).
Таким образом, важным требованием при получении трубной стали категории прочности X80 в условиях ШСГП 2000 ОАО «ММК» является обеспечение заданных очень узких диапазонов содержания химических элементов в стали при ее выплавке, а также жесткое соблюдение технологии контролируемой прокатки этой стали
Выводы
1. Разработан алгоритм поиска химической композиции и технологических параметров процесса прокатки трубных сталей с заданными механическими свойствами.
2. С использованием разработанного алгоритма навден химический состав трубной стали, ле-
Список литературы
1. Хайкин С. Нейронные сети: полный курс.: пер. с англ. 2е изд. М.: Издательский дом «Вильямс», 2006. 1104 с.
2. Трайно А.И., Гарбер Э.А., Юсупов B.C. Использование нейронной сети для прогнозирования механических свойств листового проката // Производство проката. 2002. № 9. С. 18-20.
3. Курбан В.В. Повышение качества горячекатаной труб -ной листовой стали по механическим свойствам с ис-пользованием нейросетевого моделирования: дис. ... канд. техн. наук. Магнитогорск, 2006. 165 с.
4. Салганик В.М., Денисов С.В. Технология широкополое -ной горячей прокатки полос с повышенными эксплуатационными свойствами для металлических конструкций. Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2008. 81 с.
5. Кафаров В.В. Методы кибернетики в химии и химической технологии. 4-е изд., перераб. и доп. М.: Химия, 1985. 448 с.
гированной Cr-Ni-Cu-V-Nb, а также требуемые температурные параметры процесса прокатки Для трубного проката толщиной 14—16 мм температуры конца прокатки и смотки должны составлять 750-790 и 550-590°С соответственно.
3. Показано, что производство на ШСГП 2000 трубной заготовки из стали найденной композиции по предложенным температурным режимам позволит получить следующие механические свойства: предел текучести - 552-590 МПа ; временное сопротивление разрыву - 657-694 МПа ; относительное удлинение - 23,6-26,2%; ударные вязкости KCU-40 и KCV0 - 236-264 и 372-410 Дж/см2 соот-ветственно. Такие значения показателей механических свойств позволяют отнести данную сталь к категории прочности Х80 по стандарту API 5L.
4. Выполнен анализ возможных отклонений массовой доли основных химических элементов в стали Х80 от требуемых диапазонов :
- отклонения содержания в стали углерода, хрома и меди являются допустимыми, не требующими компенсации изменением тем -пературных режимов; механические свойства при этом не выходят за допустимые пределы;
- отклонения содержания в стали кремния, серы , фосфора, никеля являются допустимыми, но требующими компенсации снижением температуры конца прокатки до 730-750°С ;
- любые отклонения содержания в стали ванадия и ниобия являются не компенсируемым и. При содержании в стали ванадия менее 0,07% и ниобия менее 0,06% механические свойства не удовлетворяют требованиям, предъявляемым к категории прочности Х80 по стандарту API 5L.
List of literature
1. Khaikin S. Neural Networks: lull course.: Translated from Eng.2nd edition M.: Publishing House "Williams", 2006. 1104 p.
2. Traino A.I., Garber E.A., Yusupov V.S. Neural Networks for Mechanical Properties of Strip Rolling // Rolling Production. 2002. № 9. P. 18-20.
3. Kurban V.V. Higher Quality of Hot Rolled Pipe Steel in Mechanical Properties Using Neural Network Modeling: dissertation of candidate of science. Magnitogorsk, 2006. 165 p.
4. Salganik V.M., Denisov S.V. Wide Strip Rolling Technology with Higher Operational properties for Metal Structures. M agnitogorsk: M STU, 2008.81 p.
5. Kafarov V.V. Cybernetics methods in Chemistry and Chemical Technologies. 4th edition, new.M: Chemistry, 1985. 448 p.
