CC BY
27
МРНТИ 53.31.23
https://doi.org/10.48081/LXYR5029
*П. О. Быков1, М. ж. Тусупбекова2, Д. Р. Абсолямова3, и. Э. Дейграф4
1,2д4Торайгыров университет, Республика Казахстан, г. Павлодар
модифицирование стали для производства бесшовных труб
В работе исследована технология модифицирования низколегированной стали ванадием нефтяного сортамента для производства бесшовных труб группы прочности Е с целью исключения дальнейшего процесса термического упрочнения.
Экспериментальным путем выявлено, что модифицирование низколегированной стали типа 35Г2 ванадием при выплавке одношлаковым процессом в дуговой печи с доводкой на агрегате ковш-печь и ковшевом вакууматоре является наиболее оптимальной по сравнению с титаном или комплексом титан-ванадий по макро- и микроструктуре непрерывнолитых заготовок (НЛЗ).
Сравнительный анализ показал, что макроструктура НЛЗ (модифицирование ванадием, титаном и комплексом титан-ванадий) соответствуют СТО 007-2009, при этом значение освой химической неоднородности ОХН (1,5 балла) имеет одинаковое значение для всех образцов НЛЗ, ликвационные полоски и трещины ЛПТ по сечению заготовки имеет наименьшее значение (0 баллов) для НЛЗ модифицированной ванадием (наибольшее (1 балл) для НЛЗ модифицированной титаном), осевые ЛПТ имеют значение 1 балл для НЛЗ модифицированной как ванадием, так и комплексом Ti+V (для НЛЗ модифицированной Ti значение 0,5 балла), значение краевой точечной загрязненности КТЗ имеют значение 0,5 балла для НЛЗ модифицированной как ванадием, так и комплексом Ti+V (для НЛЗ модифицированной Ti значение 0 балла).
Ключевые слова: сталь, непрерывнолитая заготовка, модификатор, ванадий, бесшовная труба.
Введение
В Казахстане единственным производителем стальных бесшовных труб нефтяного сортамента является ТОО «KSP Steel».
В настоящее время технология производства бесшовных труб группы прочности Е ТОО «KSP Steel» предусмтривает термическую обработку горячекатанных труб, что в свою очередь требует дополнительного оборудования, времени, человеческих ресурсов и значительно увеличивает трудоемкость и себестоимость процесса [1-4].
Альтернативным вариантом получения требуемых свойств горячекатанных труб групп прочности Е является модифицирование трубных марок сталей различными химическими элементами (ванадий, ниобий, титан и другие).
В настоящее время в мире разработаны множество способов и устройств для проведения операции модифицирования жидкого стального расплава, и все они обладают теми или иными достоинствами и недостатками [3-10].
Модифицирование, микролегирование и инокулирование жидкого расплава во многом определяет окончательный уровень служебных свойств металлопродукции. Применение оптимальных режимов модифицирования позволяет существенно повысить физическую однородность металла, улучшить макроструктуру, повысить механические свойства и т.д. [3-5].
Основными критериями оценки модификаторов следует считать [3]:
- термодинамическую и кинетическую возможность реагирования с кислородом, серой, азотом и углеродом;
- растворимость в жидкой стали;
- давление пара при температурах сталеплавильных процессов;
- доступность к стоимости.
Многие элементы по механизму своего влияния на структуру металла могут быть условно объединены в две группы модификаторов [3]. К первой группе относятся тугоплавкие металлы (ванадий, ниобий, титан) или их соединения, вводимые в расплав (или образующиеся в расплаве) в высокодисперсном (или коллоидно-дисперсионном) состоянии. Образование большого числа центров кристаллизации обеспечивает получение мелкозернистой структуры и сопровождается повышением свойств металла. Происходит упрочнение металла при некотором снижении показателей, характеризующих пластические свойства металла (относительное удлинение и сужение). Получение необходимой прочности стали достигается благодаря введению одной или нескольких микродобавок V, МЬ, Т в суммарном количестве до 0,10 % - 0,15 %. Непременной особенностью модификаторов второго рода - ингибиторов состоит в том, что они имеют ограниченную растворимость в жидкой фазе. В процессе затвердевания они адсорбируются на поверхности растущих кристаллов, понижая скорость роста граней кристаллов металла. Действие малорастворимых модификаторов на структуру сводится к торможению скорости роста кристаллов вследствие образования концентрационного пограничного слоя. Однако скорость затвердевания стали не уменьшается. Это объясняется образованием дополнительных центров кристаллизации, неустойчивостью фронта растущих кристаллов. К этой группе относятся в первую очередь щелочноземельные элементы - кальций, магний, барий.
Таким образом, исследование влияния модифицирования стали различными химическими элементами на свойства бесшовных труб группы прочности Е, что позволит:
- определить оптимальный химический состав выплавляемой стали для производства труб группы прочности Е;
- обеспечить гарантированное получение физико-механических свойств труб группы прочности Е на линии горячего проката;
- снизить себестоимость продукции;
- исключить применение дополнительного оборудования для термообработки труб.
Материалы и методы
Объектом исследования являлась технология модифицирования стали различными модификаторами на основе ванадия и титана с целью снижения затрат на производство стальных бесшовных труб.
Для экспериментальных исследований использовалась низколегированная сталь следующего химического состава (таблица 1).
Таблица 1 - Химический состав стали, %
С Si Мп Р, тах тах Сг тах Мо А1 Си, тах
0,34 -0,37 0,15 -0,35 1,25 -1,50 0,020 0,020 <0,25 0,25 <0,08 0,0 1-0,05 0,25
В работе использовали следующие методы исследования:
- оптико-эмиссионная спектрометрия по ГОСТ 18895 на оптико-эмиссионном спектрометре ДФС-500;
- металлографический метод: макро-и микроструктурный анализы по ГОСТ 10243, ГОСТ 8233, СТО-002-2017, СТО-007-2015.
Выплавка стали осуществлялась в дуговой печи (ДСП) емкостью 60 тонн одношлаковым процессом с доводкой стали на агрегате ковш-печь (АКП) и ковшевом вакууматоре (КВ). Дуговые печи были оснащены стеновыми газокислородными горелками, углеродными инжекторами, системой эксцентричного донного выпуска, системой подачи ферросплавов. Установка АКП была предназначена: для окончательной доводки стали по химическому составу и температуре; десульфурации стали; удаления неметаллических включений и модифицирования; согласования работы агрегатов при разливке стали сериями на машинах непрерывного литья заготовок (МНЛЗ). КВ использовался для удаления растворенных газов из стали.
В качестве шихтовых материалов использовались:
- металлолом категории 1А, 2А, отходы передельных участков по ГОСТ 2787;
- для науглероживания - углеродсодержащий материал фракцией 0,5-2 мм, с содержанием углерода не менее 93 %;
- шлакообразующие материалы - известь свежеобожженная с содержанием активных окисей Ca0+Mg0 не менее 90 %, плавиковый шпат по ГОСТ 29220-91;
- раскислители, легирующие, модификаторы - ферросиликомарганец по ГОСТ 4756-91 (FeSiMn), ферросилиций по ГОСТ 1415-93 (FeSi - 65), силикокальций по ГОСТ 4762-71 (СК30), ферромарганец (БеМп - 80) по ГОСТ 4755-91, алюминий АВ - 87 ГОСТ 295-98 катанку алюминиевую ГОСТ 13843-78.
В экспериментах в качестве модификатора использовали модификаторы на основе Т^ V, а также комплекс Ti+V. Результаты и обсуждение
Количество материалов и параметры разливки указаны в таблицах 2-10.
Таблица 2 - Химический состав стали на выпуске из ДСП
Тип модификатора C Хш Si лически Mn [й состав P на выпус S же из ДСГ N I, % Cu Mo Температура на выпуске из ДСП, °С
Т1 0,07 0,01 0,05 0.009 0,040 0,0059 0,19 0,01 1619
Ti+V 0,06 0,01 0,06 0,005 0,035 0,0064 0,18 0,02 1625
V 0,09 0,01 0,05 0,007 0,028 0,0041 0,15 0,01 1625
Таблица 3 - Количество, присаживаемых материалов в ковш на выпуске из ДСП, кг
Тип модификатора CaO FeSiMn Al чушковый Науглероживатель
ТС 304 1002 52 126
Ti+V 304 988 51 128
V 304 1016 51 122
Таблица 4 - Количество материалов подаваемых на АКП, кг
Тип модификатора CaO CaF2 FeSiMn Науглеро-живатель Al катанка, м FeV
ТС 708 100 454 98 170 -
Ti+V 710 106 306 106 201 107
V 710 108 342 134 184 120
Таблица 5 - Параметры обработки на АКП
Тип модификатора длительность нахождения металла в ковше, мин. стойкость сталь-ковша, кол - во плавок температура металла перед отправкой на вакууматор, °С
Ti 69 55 1670
Ti+V 63 49 1678
V 71 8 1660
Таблица 6 - Параметры обработки в ковшевом вакууматоре
тип модификатора длительность вакуумирования, мин достигнутое разряжение, тЬаг кол-во присаживаемых материалов в ковш на вакууматоре, м общая длительность обработки на вакууматоре,
после вакуумирования
SiCa Бе^ мин
Т1 17 0,82 120 651 56
Ti+V 16 0,98 126 902 58
V 18 0,93 148 - 53
Таблица 7 - Химический состав стали после обработки на ковшевом вакууматоре,%
тип модификатора Химический состав стали после вакуумирования
С Si Мп Р S Сг V Са А1 N Т1
Т1 0,33 0,30 1,39 0,010 0,011 0,08 - 0,0028 0,033 0,0086 0,027
Ti+V 0,35 0,33 1,39 0,009 0,010 0,06 0,066 0,0032 0,032 0.0082 0,040
V 0,33 0,31 1,38 0,010 0,008 0,10 0,086 0,0036 0,036 0,0071 -
Таблица 8 - Параметры разливки на МНЛЗ
тип модификатора Температура пром. ковша, °С Температура ликвидуса, °С сечение заготовки D, мм Температура металла в промковше,°С время разливки, мин
начало разливки конец разливки ср.перегрев металла, над ^ ликвидус, °С
Т1 1200 1497 210 1525 1523 27 93
Ti+V 1178 1497 210 1521 1515 21 83
V 1212 1498 210 1524 1516 22 86
Таблица 9 - Химический состав стали, %
тип с Б1 Мп Р 8 Сг N1 А1 Си Т1 Мо V
модифи-
катора
Т1 0,34 0,31 1,37 0,010 0,009 0,10 0,12 0,028 0,17 0,028 0,018 0,001
Т1+У 0,34 0,32 1,38 0,010 0,007 0,12 0,11 0,029 0,14 0,0034 0,017 0,086
V 0,34 0,33 1,40 0,009 0,010 0,09 0,13 0,027 0,16 0,049 0,02 0,072
Таблица 10 - Описание макроструктуры заготовок
Тип модификатора Т1 Заключен СТО 0072009 соотв ие лабор № R 2 атории № заг 11 ЦП. До 4/ до 3 0 Анализ ОХН. До 3 1,5 макрострук Л по сеч-ю до 2 1 гуры, балл ТГ Осевые до 3/до 2 0,5 КГЗ. До 2 0
Ti+V соотв 3 10 3 1,5 0,5 1 0,5
V соотв 1 12 3 1,5 0 1 0,5
Анализ макроструктуры НЛЗ показывает, что все заготовки соответствуют СТО 007-2009, при этом значение ОХН (1,5 балла) имеет одинаковое значение для всех образцов НЛЗ, ЛПТ по сечению заготовки имеет наименьшее значение (0 баллов) для НЛЗ модифицированной ванадием (наибольшее (1 балл) для НлЗ модифицированной титаном), осевые лПТ имеют значение 1 балл для НЛЗ модифицированной как ванадием, так и комплексом Ti+V (для НЛЗ модифицированной ^ значение 0,5 балла), значение КТЗ имеют значение 0,5 балла для НЛЗ модифицированной как ванадием, так и комплексом Ti+V (для НЛЗ модифицированной ^ значение 0 балла).
Таким образом, анализ микроструктуры НЛЗ показывает, что НЛЗ из стали модифицированной ванадием имеет более мелкое и равномерное зерно феррита и перлита по сечению заготовки по сравнению с другими НЛЗ.
Выводы
1 Проведены экспериментальные исследования по выплавке низколегированной стали типа 35Г2 с применением в качестве модификаторов Т^ V и комплекса Ti+V.
2 Анализ макроструктуры непрерывнолитых заготовок показал, что все заготовки соответствуют СТО 007-2009, при этом значение ОХН (1,5 балла) имеет одинаковое значение для всех образцов НЛЗ, ЛПТ по сечению заготовки имеет наименьшее значение (0 баллов) для НЛЗ модифицированной ванадием (наибольшее (1 балл) для НЛЗ модифицированной титаном), осевые ЛПТ имеют значение 1 балл для НЛЗ модифицированной как ванадием, так и комплексом Ti+V (для НЛЗ модифицированной ^ значение 0,5 балла), значение КТЗ имеют значение 0,5 балла для НЛЗ модифицированной как ванадием, так и комплексом Ti+V (для НЛЗ модифицированной ^ значение 0 балла).
3 Таким образом, можно сделать выводы, что наиболее приемлемым модификатором для производства НЛЗ из низколегированной стали типа 35Г2 является ванадий. Количество присаживаемого ванадия составляет 0,5 кг/тонну стали.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1 Сержанов Р. И., Богомолов А. В., Быков П. О., Ыксан Ж. М. Повышение качества непрерывнолитых заготовок и термоупрочненного сортового проката / монография под общей редакцией Р. И. Сержанова. - Павлодар : Кереку, 2011. - 258 с.
2 Данченко В. Н. Технология трубного производства. - М. : Интерметинжиниринг, 2002. - 640 с.
3 Голубцов В. А. Теория и практика введения добавок в сталь вне печи. -челябинск, 2006. - 423 с.
4 Быков П. О. Совершенствование процессов выплавки стали и производства катанных помольных шаров в условиях электросталеплавильного производства Республики Казахстан : монография. - Павлодар : ПГУ имени С. Торайгырова, 2018. - 163 с.
5 Chaikin V. A., Chaikin A. V., Bykov P. O., Kasimgazinov A. D. The new
material for steel diffusive deoxidizing in the unit for complex steel treatment // Chernye Metally. - 2018. - №9 - P. 10-15.
6 Bykov P. O., Tussupbekova M. Z., Absolyamova D. R. Research of the Process of Production of Steel Square Continuous Billets for Rolling Balls of Large Diameter // Defect and Diffusion Forum. - 2021. - 410DDF. - P. 330-335.
7 Kanaev A. T., Bykov P. O., Bogomolov A. V., Reshotkina E. N. Reducing the Central Porosity of Continuous-Cast Billet by Modification of the Solidification Process. // Steel in Translation. - 2012. - № 8. - Vol. 42 - P. 643-645.
8 Spanov S. S., Zhunusov A. K., Tolymbekova L. B. Pilot Plant Melting of Steel Using Ferro-Silico-Aluminum at KSP Steel // Metallurgist, 2017. - 60(11-12). P. 1149-1154.
9 Umanskii A. A., Dumova L. V. Influence of Electrosmelting Conditions on Rail Quality and Production Costs // Steel in Translation. - 48(11). - 2018. P. 712-717.
10 Chubukov M. Y., Rutskiy D. V., Uskov D. P. Analyzing the features of non-metallic inclusion distribution in 0410 mm continuously cast billets of low carbon steel grades // Materials Science Forum. - 973 MSF. - 2019. P. 21-25.
REFERENCES
1 Serzhanov R. I., Bogomolov A.V., Bykov P.O., Yksan Zh. M. Povyshenie kachestva nepreryvnolityh zagotovok I termouprochnenogo sortovogo prokata / monografía pod obcshey redakciey R. I. Serzhanova. - Pavlodar : Kereku, 2011. - 258 p.
2 Danchenko V. N. Tehnologia trubnogo proizvodstva. - M. : Intermet Inzhiniring, 2002. - 640 p.
3 Golubtcov V. A. Teoria I praktika vvedenia dobavok v stal vne pechi. -Chelyabinsk, 2006. - 423 p.
4 Bykov P. O. Sovershenstvovanie procesov vyplavki stali i proizvodstva katannyh pomolnyh sharov v usloviyah elektrostaleplavilnogo proizvodstva Respubliki Kazakhstan : monografía. - Pavlodar : PGU imeni S. Toraighyrov, 2018. -163 p.
5 Chaikin V. A., Chaikin A. V., Bykov P. O., Kasimgazinov A. D. The new material for steel diffusive deoxidizing in the unit for complex steel treatment // Chernye Metally, 2018.- № 9. - P. 10-15.
6 Bykov P. O., Tussupbekova M. Z., Absolyamova D. R. Research of the Process of Production of Steel Square Continuous Billets for Rolling Balls of Large Diameter // Defect and Diffusion Forum, 2021. - 410DDF. - P. 330-335.
7 Kanaev A. T., Bykov P. O., Bogomolov A. V., Reshotkina E. N. Reducing the Central Porosity of Continuous-Cast Billet by Modification of the Solidification Process. // Steel in Translation. - 2012. - № 8. - Vol. 42 - P. 643-645.
8 Spanov S. S., Zhunusov A. K., Tolymbekova L. B. Pilot Plant Melting of Steel Using Ferro-Silico-Aluminum at KSP Steel // Metallurgist. - 2017. - 60(11-12). P. 1149-1154.
9 Umanskii A. A., Dumova L. V. Influence of Electrosmelting Conditions on Rail Quality and Production Costs // Steel in Translation. - 48(11). - 2018. P. 712-717.
10 Chubukov M. Y., Rutskiy D. V., Uskov D. P. Analyzing the features of non-metallic inclusion distribution in 0410 mm continuously cast billets of low carbon steel grades // Materials Science Forum. - 973 MSF. - 2019. P. 21-25.
Материал поступил в редакцию 17.03.22.
*П. О. Быков1, М. Ж. Тустбекова2, Д. Р. Абсолямова3, И. Э. Дейграф4 UA^opaftFbipoB университет^ Казахстан Республикасы, Павлодар к. Материал бaспaFa 17.03.22 тYстi.
Ж1КС1З Ц¥БЫРЛАРДЫ 0НД1РУ YШIН БОЛАТТЫ МОДИФИКАЦИЯЛАУ
Жумыста термиялъщ 6epiKmeHdipydщ одан dpi процест болдырмау ушт Е 6epiKmiK тобыныц кубырларын eHdipy ушт мунай сортыныц ванадий
темен легipленген болатты модификациялау технологиясы зерттелдь
Тэжipибелiк жолмен 35Mn2 m^mi темен легipленген болатты ванадиймен модификациялау догалы пеште бip шлакты процесспен балцыту кезнде, Шелек nешi мен Шелек вакууматорында уздтаз цуйылган дайындамалардыц макро-жэне микроцурылымы бойынша титанмен немесе титан-ванадий кешетмен салыстырганда негурлым оцтайлы болып табылатыны аныцталды.
Салыстырмалы талдау УКДмакроцурылымы (ванадиймен, титанмен жэне титан-ванадий кешетмен модификациялау) СТО 007-2009 сэйкес келеттт кеpсеmmi, бул ретте химиялыц бipmексiздiгiнiц освой мэт (1,5 балл) барлыц УКДyлгiлеpi ушш бipдей мэнге ие, дайындаманыц цимасы бойынша ликвациялыц жолацтар жарыцтары модификацияланган ванадий УКД ушш ец mеменгi мэнге (0 балл) ие (модификацияланган титанмен УКД ушт ец жогары (1 балл), осьтт ликвациялыц жолацтар мен жарыцтар ванадиймен де, ti+Vкешетмен де модификацияланган НЛЗ ушт 1 балл мэт бар (модификацияланган Ti НЛЗ ушт 0,5 балл мэш бар), шетт нуктелж ластану^гныц мэт 0,5 балл мэт бар.
Kinmmi сездер: Болат, узджЫз цуйылган дайындама, модификатор, ванадий,
^жькыз цубыр.
*P. O. Bykov1, M. Zh. Tussupbekova2, D. R. Absolyamova3, I. E. Deygraf
1,2,3,4Toraighyrov University, Republic of Kazakhstan, Pavlodar. Material received on 17.03.22.
MODIFICATION OF STEEL FOR THE PRODUCTION OF SEAMLESS PIPES
The paper studies the technology of modifying low-alloy steel with vanadium of oil grade for the production ofseamless pipes of strength group E in order to exclude the further process of thermal hardening.
It has been experimentally revealed that the modification of low-alloy steel type 35G2 with vanadium during smelting by a single-slag process in an arc furnace with finishing on a ladle-furnace unit and a ladle degasser is the most optimal in comparison with titanium or a titanium-vanadium complex in terms of the macro-and microstructure of continuously cast billets (CWB) .
Comparative analysis showed that the macrostructure of the CWB (modification with vanadium, titanium and titanium-vanadium complex) correspond to STO 0072009, while the value of the basic chemical inhomogeneity of the OHN (1.5 points) has the same value for all samples of the CWB, liquation stripes and cracks of the LPT across the workpiece section has the lowest value (0 points) for CW modified with vanadium (the highest (1 point) for CW modified with titanium), axial LPT have a value of 1 point for CW modified with both vanadium and the Ti + V complex (for CW modified with Ti, the value 0.5 points), the value of the edge point contamination of CTZ has a value of 0.5 points for the CW modified with both vanadium and the Ti + V complex (for the CW modified with Ti, the value is 0 points).
Keywords: steel, continuously cast billet, modifier, vanadium, seamless pipe.
