CC BY
29
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2006 р. Вип. №16
УДК 669.141.246.00457
РябикинаМ.А.1, Ткаченко К.И.2, Рябикина А.Е.3
ОПТИМИЗАЦИЯ СОСТАВА И ПАРАМЕТРОВ ПРОКАТКИ СТАЛИ 10Г2ФБ
С помощью электронных таблиц Excel построены статистические модели зависимости механических свойств листовой стали 10Г2ФБ от химического состава и параметров прокатки, которые могут быть использованы в научных и производственных целях.
Необходимость реконструкции старых и прокладки новых трубопроводов для транспортировки нефти и газа в значительной степени определяют направление развития отечественной металлургии. Используя новейшие достижения в области физического металловедения и металлургических технологий, за последнее время были выполнены существенные разработки новых систем легирования сталей для газонефтепроводных труб большого диаметра. Основным направлением в прокатном переделе явился переход к низкотемпературной контролируемой прокатке [1].
В СНиП 2.05.06-85 определены следующие требования к металлу труб [2]: отношение от/ов должно быть не более 0,90 для сталей после контролируемой прокатки; относительное удлинение 5>20 % в зависимости от марки стали.
Листовая сталь для магистральных газопроводов 10Г2ФБ, производимая в условиях ЛИЦ 3000 ОАО «ММК Ильича», поставляется потребителю по механическим свойствам. Химический состав листовой стали толщиной до 20 мм включительно следующий, %: С-0,08-0,13; Mn-1,56-1,76; Si-0,16-0,38; V-0,09-0,12; Nb-0,03-0,06; Al-0,02-0,05; P<0,020; S<0,006; Cr<0,25; Ni<0,25; Cu<0,35; Mo<0,08; Ti<0,01-0,035 N<0,012. Требуемые механические свойства после контролируемой прокатки: предел текучести Оо,2— 415 МПа, предел прочности О|>550 МПа. Переменными параметрами контролируемой прокатки являются: температура нагрева металла, температура окончания деформации, суммарные и однократные (за пропуск) обжатия, количество пропусков и длительность пауз между ними. Выбор оптимальной технологии производства и состава стали должен базироваться на информационных способах их прогнозирования путем математического моделирования изменяющихся параметров механических свойств.
Цель настоящей работы - построение и анализ уравнений зависимости механических свойств листовой стали 10Г2ФБ толщиной 18,4 мм от колебаний химического состава в пределах плавочного и параметров контролируемой прокатки.
В исходном состоянии после контролируемой прокатки структура листов из стали 10Г2ФБ представляет собой феррито-перлитную смесь (-85 % Ф + 15 % П), балл ферритного зерна 9-11. В микроструктуре, как правило, присутствуют два типа зерен феррита: в центре листа практически недеформированные, полигональные, а в поверхностной зоне и также в верхней четверти листа - деформированные, вытянутые вдоль направления прокатки. Микроструктура оси проката характеризуется несколько укрупненным зерном, здесь также наблюдаются участки продуктов промежуточного превращения аустенита (бейнит). Образование структуры бейнита объясняется протеканием ликвационных процессов, в результате чего металл обогащается углеродом, легирующими элементами и примесями [3, 4]. Такие элементы, как С, Mn, Cr, Mo, V и другие повышают устойчивость переохлажденного
1 ПГТУ, канд. техн. наук, доцент
2 ПГТУ, аспирант
3 ПГТУ, студентка
аустенита и смещают С - образные кривые вправо, тем самым способствуют протеканию бейнитного превращения.
В настоящее время сбор и накопление данных о химическом составе плавок и механических свойствах проката осуществляется по мере поступления соответствующей информации. Для статистического исследования, результаты которого представлены в таблице, была сформирована выборка объемом 120 плавок. Хром, никель, медь, титан, алюминий и кальций исключались из анализа из-за их незначительной вариабельности.
Таблица - Значения коэффициентов парной корреляции влияния химического состава и параметров контролируемой прокатки на механические свойства листовой стали 10Г2ФБ
Технологический Со,2, МПа ов, МПа б5,% Ударная вязкость, Дж/см2
фактор КСи.го КСи.бо
С, % 0,72 0,89 -0,31 -0,31 -0,41
Мп, % 0,26 0,27 -0,17 0,21 0,14
81, % 0,79 0,62 -0,25 -0,15 -0,18
8, % -0,01 -0,02 -0,15 -0,65 -0,52
Р, % 0,06 0,05 -0,04 0,008 0,053
К, % -0,15 -0,15 -0,08 0,17 0,13
Мо, % 0,14 0,17 0,12 0,11 0,07
V, % 0,47 0,22 0,09 -0,09 -0,13
% 0,4 0,38 0,25 0,18 0,31
Температура 0,74 0,52 о,з 0,17 0,2
нагрева металла
под прокатку, °С
Температура 0,30 0,35 -0,1 -0,15 -0,11
конца черновой
прокатки, °С
Температура ОД 0,24 0,17 0,15 0,02
начала чистовои
прокатки, °С
Температура -0,53 -0,68 0,84 0,48 0,53
конца чистовои
прокатки, °С
Наиболее значимое положительное влияние на прочностные свойства листовой стали 10Г2ФБ оказывают следующие элементы химического состава (в порядке убывания): С, 81, Мп, ЫЬ. V. Значения коэффициентов парной корреляции между этими параметрами составляют г>0,27, что превосходит положительную границу доверительного интервала истинного значения коэффициента корреляции для рассматриваемой выборки, при доверительной вероятности Р=0,95 [5]. Все рассмотренные элементы за исключением ЫЬ. V и Мо отрицательно влияют на величину относительного удлинения.
Из таблицы видно, что существует однозначная связь между ударной вязкостью и содержаниями углерода, серы и ниобия. Влияние серы на ударную вязкость удовлетворительно описывается степенной зависимостью вида: КСи_2о=82-(%8)~0'23, Я2=0,42 и КСи_бо=57-(%8)~0'27 Я2=0,28. Марганец, кремний и азот оказывают более слабое влияние на величину КС11 при отрицательных температурах испытания. Во всех уравнениях регрессии ниобий и молибден стоят со знаком «плюс», т.е. способствуют повышению комплекса механических свойств стали. Известно [6], что в феррито-перлитных сталях Мо находится преимущественно в твердом растворе и не оказывает существенного влияния на механические свойства. Положительное влияние микродобавок № на структуру и свойства малоперлитных сталей, подвергаемых контролируемой прокатке, обусловлено изменением структурного состояния
горячедеформированного аустенита, температурного интервала у^-а превращения, фазового состава стали и состояния твердого раствора. Ниобий замедляет рост зерна аустенита, способствует получению мелкозернистой структуры, повышению плотности дислокаций и сопротивления их передвижению.
Установлено, что более существенное влияние на механические свойства стали 10Г2ФБ оказывают температура нагрева металла под прокатку и температура конца прокатки. Увеличение температуры нагрева стали от 1120 до 1200 °С вызывает монотонное увеличение 0(¡ 2 и О];. В среднем, прирост прочностных свойств на 100 °С повышения температуры нагрева под прокатку составляет ~50 МПа. Прочностные свойства удовлетворительно описываются линейным трендом, коэффициент достоверности аппроксимации Я" составил соответственно -0,55 для Суд и ~0,27 для ов. Ударная вязкость характеризуется более существенным разбросом числовых значений, поэтому для аппроксимации была использована квадратичная модель. Известно, что температура нагрева под прокатку определяет исходное, перед прокаткой, состояние стали. Увеличение температуры нагрева слябов под прокатку повышает устойчивость переохлажденного аустенита в связи с более полным растворением в нем карбидов и нитридов м и к р о л с г и р у ю щ и х элементов [7-10]. Это, в свою очередь, обусловливает последующее превращение аустенита с образованием более дисперсных продуктов распада, что в сочетании с эффектом карбонитридного упрочнения обеспечивает оптимальные свойства стали 10Г2ФБ.
Рассмотрим влияние температуры деформации на заключительной стадии контролируемой прокатки, которая оказывает решающее влияние на формирование структуры и уровень механических свойств листового проката. В условиях ЛПЦ 3000 температура конца чистовой прокатки обычно составляет 720-725 °С, т.е. на границе двухфазной у+а области. Из графиков видно, что с понижением температуры конца прокатки предел текучести и временное сопротивление монотонно возрастают, а относительное удлинение падает. При температуре конца чистовой прокатки 750 °С о, а ~ 510 МПа и ов~ 600 МПа, а при температуре 700 °С о„2~ 525 МПа и Ов ~ 620 МПа. Снижение температуры конца прокатки вызывает уменьшение относительного удлинения от ~25 до ~17 %.
Влияние температуры конца прокатки на ударную вязкость описывается немонотонной зависимостью. С понижением температуры от 760 до 720 °С ударная вязкость возрастает в среднем на ~50 Дж/см\ а при дальнейшем понижении температуры конца прокатки до 700 °С -уменьшается. Экстремальный характер зависимости ударной вязкости следует учитывать при разработке оптимальных температурных параметров прокатки.
700 650
га
I 600
ш
° 550
см о"
о
500 450
"Г —
¡Й ® ^ т
-11___ тТгт ц ^т1 1Ш | Р5
Тал Ж ¡ц ;чдр £ I £
I ш 1
250
700 720 740 760
Температура конца чистовой прокатки, °С
700 720 740 760
Температура конца чистовой прокатки, °С
а0,2=803-0,4-1,п., Я2=0,28 ов =1090-0,67-Ъ п., Я2=0,47
Рис. - Влияние температуры конца чистовой прокатки на механические свойства стали 10Г2ФБ
КСи_2о=-0,05-1к.п2+79-1к.п-28390, Я2=0,24 КСи.2О=-0,05-1к.п2+67-1к.п-23650, Я2=0,28
Для решения задач, связанных с повышением надежности магистральных газопроводов,
дальнейшее развитие исследований будет продолжено в направлении разработки новых
составов сталей, технологии их производства, изучения процессов структурообразования,
обеспечивающих улучшение уровня механических и эксплуатационных свойств.
Выводы
1. Результаты выполненного анализа дают основание регламентировать содержание элементов химического состава стали 10Г2ФБ для магистральных газопроводов в пределах: С-0,08-0,09 %; 81-0,3 %; Мп-1,4-1,6 %; У-0,09-0,1 %; №-0,05-0,09 %. При этом необходимо строго ограничивать содержание серы и фосфора: 8 <0,005 %, Р<0,02 %.
2. Установлено, что повышение температуры нагрева слябов под прокатку вызывает монотонное увеличение прочностных свойств. Верхний предел температур следует ограничивать возможностью протекания собирательной рекристаллизации, что негативно влияет на ударную вязкость. Наиболее благоприятные температуры нагрева листовой стали 10Г2ФБ под прокатку - 1150-1200 °С.
3. Оптимальный интервал температур конца прокатки в чистовой клети определяется соотношением требуемого уровня прочности и хладостойкости стали 10Г2ФБ. Деформация в двухфазной у+а-области вызывает замедление процессов рекристаллизации в горячедеформированном аустените, способствует формированию при его распаде более мелкого зерна феррита, образованию полигональной субструктуры. Рекомендован интервал 1кп.~ 710-720 °С.
Перечень ссылок
1. Разработка и технологический процесс производства трубных сталей в XXI веке / Ю.И. Матросов [и др.] И Сталь. - 2001. - №4,- С. 58-62.
2. СНиП 2.05.06-85. Магистральные трубопроводы / Госстрой СССР.- М.: Госстрой СССР, 1985.- 52 с.
3. Исследование центральной неоднородности в непрерывнолитых трубных сталях / Ю.И. Матросов [и др.] И Сталь. - 2002. - №3. - С. 107-110.
4. Разработка и промышленное опробование трубной стали повышенной прочности и хладостойкости с преимущественно бейнитной структурой / Л. И. Эфрон [и др.]П Сталь. - 2003. - №9. - С.83-87.
5. Айвазян С.А. Прикладная статистика: Исследование зависимостей. Справ, издание / С.А. Айвазян, И. С. Енюков, Л.Д. Мешалкин. - М.: Финансы и статистика, 1985. - 487 с.
6. Матросов Ю.И. Сталь для магистральных газопроводов / Ю.И. Матросов, Д.А. Литвиненко С.А. Голованенко . - М.: Металлургия, 1989. - 288 с.
7. Перспективы развития производства штрипса класса прочности К60 для газопроводных труб диаметром 1420 мм в условиях ОАО НОСТА /Ю.Д. Морозов [и др.] II Металлург. -2000.-№ 2.-С. 33-36.
8. Контролируемая прокатка / В.И. Погоржелъский [и др.]. - М.: Металлургия, 1979,- 184 с.
9. Прокатка толстых листов / П.И. Полухин [и др.]. - М.: Металлургия, 1984. - 288 с.
10. Металловедческие основы получения хладостойких трубных сталей путем высокотемпературной контролируемой прокатки / Л. И. Эфрон [и др.] II Сталь. - 2003. -№6. - С. 69-72.
Статья поступила 14.02. 2006
