CC BY
19Д.Н.Чикишев
ФГБОУ ВО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И.Носова»
СНИЖЕНИЕ ЛЕГИРОВАНИЯ ТРУБНЫХ СТАЛЕЙ С СОХРАНЕНИЕМ ТРЕБУЕМЫХ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ТОЛСТЫХ ЛИСТОВ
Аннотация. В статье приводится анализ возможности снижения содержания ванадия в трубных сталях класса прочности К60 на основе разработки компенсирующих технологических воздействий.
Ключевые слова: толстый лист, трубный прокат, легирование, механические свойства, ванадий.
К современным микролегированным сталям для производства газонефтепроводных труб предъявляются самые жесткие требования. С одной стороны, трубная сталь должна обладать высокой прочностью, вязкостью и пластичностью, с другой - являться экономнолеги-рованной. Для производства таких сталей на толстолистовых станах применяется процесс контролируемой прокатки с ускоренным охлаждением.
В настоящее время одной из актуальных проблем является производство толстолистового проката толщиной 16,0-24,0 мм класса прочности К60 без использования такого микролегирующего элемента как ванадий. В трубных сталях ванадий используется для увеличения прочности путем дисперсионного твердения за счет выделения карбонитридов. Однако с экономической точки зрения ванадий может быть исключен и его роль компенсирована за счет дополнительного измельчения зерна и увеличения объемной доли бейнита [1]. Наиболее экономичным способом для этого является использование ускоренного охлаждения после деформации в аустенитной области. Применяя более высокие скорости охлаждения, можно достичь дальнейшего измельчения зерна, поскольку более низкая температура начала превращения обеспечивает больше зародышей в переохлажденном аустените. Кроме того, получение мелкого аустенитного зерна при проведении предварительной стадии контролируемой прокатки также является одним из главных условий формирования дисперсной конечной структуры в листе. Таким образом, упрочняющий эффект дисперсионного твердения ванадия можно компенсировать зернограничным упрочнением стали при контролируемой прокатке.
Целью работы является анализ возможности снижения содержания ванадия в трубных сталях класса прочности К60 (содержащих 0,04-0,06% ванадия) на основе разработки компенсирующих технологических воздействий.
Снижение содержания ванадия приводит, прежде всего, к снижению прочностных характеристик стали - предела текучести и временного сопротивления разрыву. Для того чтобы оценить влияние снижения ванадия на механические свойства, воспользуемся известными моделями:
- модель расчета предела текучести [2]:
аТ = 62,6 + 26,1 Мп + 60,2 8 + 759,0 Р + 212,9 Си +
19 7 (1)
+ 3286,0 + + , ()
где dа - размер зерна феррита, мм; Мп, Si, Р, Си - содержание элементов в стали, %; N0 -свободный азот, %; А&рр( - приращение прочности стали по механизму дисперсионного твердения, МПа;
- модель расчета временного сопротивления разрыву [2] :
(гВ = 164,9 + 634,7 C + 53,6 Mn + 99,7 Si + 651,9 P + 472,6 Ni +
+ 3339,4 Nsol + ^ + Aappt. (2)
Зависимости (1-2) учитывают взаимосвязь предела текучести и временного сопротивления разрыву с содержанием основных твердорастворных упрочняющих элементов, размером зерна феррита и дисперсионным твердением.
Приращение прочности стали по механизму дисперсионного твердения определяется по следующей зависимости [2] :
A^ppt = 57{\güOXJl ) + 700V + 7800NSoi +19, (3)
где Aappt - приращение прочности стали по механизму дисперсионного твердения, МПа;
üOXJ - скорость охлаждения, град/сек; V - содержание ванадия, %.
Размер зерна феррита после аустенит-ферритного превращения определяется по формуле [3]:
da=(l - 0,8s°-15 )(29 - 5ÜJ + 2oJ - е-°'0I5d)), (4)
где dy - размер зерна аустенита перед аустенит-ферритным превращением, мкм; S - суммарная степень деформации на чистовой стадии прокатки.
Из формул (1-4) следует, что снижение содержания ванадия в стали приводит к снижению величины Aappt, которое может быть компенсировано увеличением скорости охлаждения и/или измельчением зерна феррита.
Существенное влияние на размер зерна феррита, в свою очередь, оказывает размер аустенита перед чистовой стадией контролируемой прокатки. Методом конечных элементов с использованием программного комплекса DEFORM™ выполнили численное исследование влияния различных режимов, имитирующих предварительную стадию контролируемой прокатки на измельчение зерна аустенита. Для моделирования образования зародышей рекристаллизации и их роста использовали метод «Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov» (JMAK). В расчетах использовали уравнения из работы [4].
Моделирование проводили для трубной стали класса прочности К60 (0,07C-1,7Mn-0,06Nb-0,015Ti, %). Рассматривали два варианта черновой стадии прокатки (табл. 1): 1) прокатка сляба толщиной 250 мм за 6 черновых проходов; 2) прокатка сляба толщиной 300 мм за 8 черновых проходов.
Таблица 1
Режимы черновой прокатки
№ прохода Вариант 1 Вариант 2
Обжатие S, % Температура, °С Обжатие S, % Температура, °С
1 12,00 1042 9,52 1084
2 13,64 1037 9,29 1045
3 13,16 1033 9,88 1042
4 12,12 1023 10,77 1037
5 13,79 1049 11,33 1033
6 12,00 1038 11,72 1023
7 - - 15,31 1049
8 - - 16,30 1038
Температура нагрева сляба в печи одинакова в обоих вариантах и составляет 1220°С. Конечная толщина листа 24 мм. Решали неизотермическую задачу. При моделировании процесса прокатки учитывали влияние таких факторов как деформационный разогрев металла, теплопередача валкам в очаге деформации, потери тепла конвекцией и излучением. Начальный размер зерна аустенита в момент выдачи сляба из печи приняли равным 200 мкм.
Результаты моделирования показали (рис. 1 -4), что для более эффективного измельчения зерна аустенита черновую прокатку следует проводить за большее количество проходов (7-8) с частными обжатиями не менее 9%.
:. ............................................
г::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::;;;:::.
Рис. 1. Размер зерна аустенита после 1-го чернового прохода (при прокатке по варианту 1)
Рис. 2. Размер зерна аустенита перед чистовой стадией прокатки (при прокатке по варианту 1)
Рис. 3. Размер зерна аустенита после 1-го чернового прохода (при прокатке по варианту 2)
Рис. 4. Размер зерна аустенита перед чистовой стадией прокатки (при прокатке по варианту 2)
При этом в качестве исходной заготовки необходимо применять сляб максимальной толщины - 300-350 мм. Это позволяет более эффективно измельчать зерно за счет многократного прохождения статической рекристаллизации во время пауз между проходами. При прокатке по варианту 1 перед чистовой стадией размер зерна аустенита на поверхности раската составил 68,3 мкм, а в центре - 154 мкм (рис. 2). При прокатке по варианту 2 размер зерна на поверхности составил 59,6 мкм, а в центре - 108 мкм (рис. 4).
Влияние размера зерна аустенита и скорости охлаждения на размер зерна феррита после у ^ X превращения с использованием модели (4) представлено графически на рис. 5.
Рис. 5. Влияние размера зерна аустенита и скорости охлаждения на размер зерна феррита da после у ^ X превращения
Из графика следует, что при величине зерна аустенита 108 мкм в центре раската и 59,6 мкм - на поверхности, охлаждение со скоростью 10 град/сек. позволяет получать зерно феррита размером 6,7 мкм в центре листа и 5,7 мкм на его поверхности. Для получения более мелкозернистой конечной структуры необходимо дополнительное измельчение аусте-нита на предварительной стадии прокатки, а также применение более высоких скоростей охлаждения.
Расчеты с использованием модели (1) показали, что для получения стали класса прочности К60 с пределом текучести не менее 510 МПа необходимо, чтобы размер зерна феррита был не более 7 мкм, а величина приращения составляла не менее 110 МПа (рис. 6).
Приращение прочности стали А&рр( по механизму дисперсионного твердения в результате выпадения частиц V(C, К) определяется содержанием в стали ванадия, а также скоростью охлаждения (рис. 7). Расчеты с использованием модели (3) показали, что снижение содержания ванадия в стали с 0,06% до 0 приводит к снижению А&рр( на 42 МПа - со 112147 до 70-105 МПа в зависимости от скорости охлаждения.
Таким образом, снижение содержания ванадия с 0,06% до 0 в трубных сталях класса прочности К60 может быть компенсировано увеличением скорости охлаждения до 20-24 град/сек и измельчением зерна феррита до 5-6 мкм за счет более эффективной проработки аустенита на предварительной стадии прокатки. Промышленное опробование на стане 5000 ПАО «ММК» разработанных мероприятий показало высокую сходимость полученных результатов при производстве проката толщиной 16-24 мм.
В
h Ь и
£ U
и н
1=! и
ч
<и
650 630 610 590 570 550 530 510 490 470 450
<1„: -4 мкм
____«
-------
л
■
70
80
90
100
110
120
130
140
150
Приращение прочности стали по механизму дисперсионного твердения Ao[)|lt, МПа
Рис. 6. Влияние размера зерна феррита da и приращения прочности АСТр^ по механизму дисперсионного твердения на предел текучести
Рис. 7. Влияние содержания ванадия и скорости охлаждения на приращение прочности стали по механизму дисперсионного твердения
Выводы
С целью снижения содержания ванадия в трубных сталях класса прочности К60 при производстве проката толщиной 16-24 мм разработаны следующие компенсирующие мероприятия: 1) применение сляба максимальной толщины - 300-350 мм для увеличения количества черновых проходов с 5-6 до 7-8 с целью более эффективного измельчения зерна аустенита; 2) увеличение скорости охлаждения до 20-24 град/сек.
Библиографический список
1. Хайстеркамп Ф., Хулка К., Матросов Ю.И. Ниобийсодержащие низколегированные стали. М.: «СП ИНТЕРМЕТ ИНЖИНИРИНГ», 1999. 94 с.
2. Hodgson P.D., Gibbs R.K. A Mathematical Model to Predict the Mechanical Properties of Hot Rolled C-Mn and Microalloyed Steels // ISIJ International, 32:12, 1992. P. 1329-1338.
3. Gibbs R.K., Parker B.A., Hodgson P.D. Proc. of International Symposium on Low-Carbon Steels for the 90's. Pittsburgh, USA, 1993. 173 p.
4. Моделирование микроструктуры низколегированной конструкционной стали при черновой прокатке на стане 5000 ОАО «ММК» / В.М.Салганик, А.М.Песин, С.В.Денисов, Д.Н.Чикишев, Д.О.Пустовойтов, А.А.Перехожих // Моделирование и развитие процессов ОМД. 2011. №1. С. 4-11.
•- INFORMATION ABOUT THE PAPER IN ENGLISH -•
D.N.Chikishev
Nosov Magnitogorsk State Technical University
REDUCING THE ALLOYING OF PIPE STEELS WITH PRESERVATION OF THE REQUIRED MECHANICAL PROPERTIES IN THE PRODUCTION OF THICK PLATE
Abstract. The article analyzes the possibility of reducing the vanadium content in pipe steels of strength class K60 based on the development of compensating technological operations. Keywords: thick plate, rolled pipe, alloying, mechanical properties, vanadium.
