Влияние режимов термомеханической обработки на формирование ферритно-бейнитной микроструктуры и свойства рулонного проката из низколегированных трубных сталей (стр. 1 )

На правах рукописи

СОЯ СЕРГЕЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

ВЛИЯНИЕ РЕЖИМОВ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОЙ

ОБРАБОТКИ НА ФОРМИРОВАНИЕ ФЕРРИТНО-БЕЙНИТНОЙ МИКРОСТРУКТУРЫ И СВОЙСТВА РУЛОННОГО ПРОКАТА

ИЗ НИЗКОЛЕГИРОВАННЫХ ТРУБНЫХ СТАЛЕЙ

05.16.01 - «Металловедение и термическая обработка

металлов и сплавов»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва - 2012

Работа выполнена во

институт черной металлургии им. »

Научный руководитель: кандидат технических наук,

Официальные оппоненты:	, доктор технических наук, , научный руководитель инженерно-технологического центра
	, кандидат технических наук, », ведущий научный сотрудник лаборатории КС-МТ Института качественных сталей (ИКС)

Ведущая организация: Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС» (НИТУ «МИСиС»)

Защита диссертации состоится 24 октября 2012 г. в 14 часов

на заседании диссертационного совета Д 217.035.01, созданного на базе федерального государственного унитарного предприятия «Центральный научно-исследовательский институт черной металлургии им. » Москва, 2-я Бауманская ул., д. 9/23

С диссертацией можно ознакомиться в технической библиотеке

»

Автореферат разослан 21 сентября 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного

совета, доктор технических наук,

старший научный сотрудник

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время в мировой металлургической практике происходит расширение производства рулонного проката высоких классов прочности, который применяется как для изготовления труб газо - и нефтепроводов, так и для сварных конструкций. Рулонный прокат производится на непрерывных широкополосных станах горячей прокатки (НШС ГП) по высокопроизводительным технологиям, обеспечивающим конкурентное преимущество по сравнению с производством на толстолистовых станах. Прокат может поставляться как в виде рулонов, так и в листах, полученных порезкой рулонов на мерные длины.

Современной тенденцией является повышение требований, предъявляемых к высокопрочному прокату, особенно по величине ударной вязкости, хладостойкости и свариваемости, что имеет целью обеспечение надежности изделий. Это требует разработки составов стали и технологии производства, обеспечивающих формирование оптимальной микроструктуры проката. Для низколегированных высокопрочных сталей перспективной является ферритно-бейнитная микроструктура, получаемая в результате термомеханической обработки (ТМО), сочетающей высокотемпературную контролируемую прокатку (КП) с последующим ускоренным охлаждением (УО). Реализация технологии ТМО в условиях НШС ГП имеет ряд принципиальных особенностей, некоторые из которых до сих пор недостаточно исследованы. Поэтому работа, направленная на совершенствование технологии производства рулонного проката класса прочности К60 (σв ≥ 590 Н/мм2, в целом соответствующая стали категории прочности Х70) толщиной 12-16 мм с улучшенными характеристиками ударной вязкости, хладостойкости и свариваемости, является актуальной.

Целью диссертационной работы является установление закономерностей формирования ферритно-бейнитной микроструктуры низколегированной стали для повышения прочности и хладостойкости металла при производстве рулонного проката по технологии термомеханической обработки, и разработка на этой основе технологических схем производства хладостойкого рулонного проката толщиной 12-16 мм с гарантией уровня механических свойств и хладостойкости в условиях непрерывных широкополосных станов 2000.

Для достижения поставленной цели было необходимо решить следующие задачи:

- изучить влияние различных режимов ускоренного охлаждения, в том числе УО, производимого в две стадии, на формирование конечной микроструктуры низколегированной стали, в том числе наличия и объемных долей продуктов бейнитного превращения различной морфологии;

- определить оптимальные параметры ускоренного охлаждения для составов стали К60 (Х70) с различным уровнем легирования, позволяющие получать требуемый комплекс механических свойств проката в условиях НШС ГП 2000;

- исследовать влияние температуры начала деформации аустенита вблизи температуры торможения его рекристаллизации на формирование ферритно-бейнитной микроструктуры низколегированной ниобийсодержащей стали К60 (Х70);

- определить взаимосвязь параметров конечной микроструктуры, в том числе размера условного зерна и разнозернистости, а также наличия, количества и типа структурных составляющих, на хладостойкость низколегированной стали К60 (Х70);

- разработать с использованием результатов выполненных исследований режимы ТМО рулонного проката толщиной 12-16 мм класса прочности К60 (Х70) с гарантией уровня механических свойств и хладостойкости при ИПГ и осуществить опробование промышленного производства на НШС 2000 ГП .

Объектом исследования служили низколегированные трубные стали нескольких систем легирования: стали Х70 с пониженным содержанием углерода, увеличенным содержанием Nb и добавками Ni и Cu – сталь 06Г2НДБ без добавки ванадия и стали 08Г2НДФБ и 07Г2НДФБ с микролегированием V, а также известная сталь 10Г2ФБЮ (К60), но с пониженным содержанием V.

Научная новизна

1. Выявлены закономерности структурообразования в трубной стали класса прочности К60 (Х70) с добавками Ni и Cu при ускоренном охлаждении (УО), выполняемом в две стадии (с перегибом кривой охлаждения) на отводящем рольганге непрерывного широкополосного стана. Показано, что температура конца УО на первой стадии (Т1) в основном определяет тип и морфологию ферритной матрицы, а температура конца УО на второй стадии (Тсм) определяет тип и дисперсность углеродсодержащей фазы.

2. Формирование игольчатого феррита (ИФ) со значительной объемной долей (более 20-30%) обеспечивается при Т1 не выше температуры начала бейнитного превращения (Bsэ). Понижение Тсм в этом случае способствует увеличению объемной доли ИФ; низкая Тсм не является достаточным условием для получения значительной доли ИФ, так как при высоких Т1≥Bsэ даже в комбинации с низкими Тсм образование ИФ происходит на заключительной стадии УО из локальных участков аустенита.

3. Установлено, что структурными факторами, приводящими к снижению значений ударной вязкости и хладостойкости рулонного проката толщиной 12-16 мм из стали Х70 являются: наличие объемной доли продуктов бейнитного превращения реечной морфологии – бейнитного феррита (БФ), превышающей 10-15%, а также разнозернистость матрицы из квазиполигонального и полигонального феррита с долей зерен размером крупнее 10 мкм, превышающей 15%.

4. Показано, что причиной неоднородности микроструктуры и формирования областей БФ в границах бывших крупных зерен аустенита является наследование при фазовом превращении разнозернистости аустенита, возникающей вследствие частичной рекристаллизации аустенита при температуре начала прокатки в чистовой группе клетей стана (Тнчп) вблизи температуры торможения рекристаллизации (Тнчп ≥ TNR). Необходимым условием получения высокой хладостойкости рулонного проката является начало прокатки в группе чистовых клетей в температурной области отсутствия рекристаллизации аустенита при фактической Тнчп ≤ (TNR - 20 оС) для стали К60 (Х70) с данным содержанием Nb.

Практическая ценность

1. На основании проведенных исследований усовершенствована промышленная технология производства рулонного проката класса прочности К60 (Х70) толщиной 12-16 мм с гарантией уровня механических свойств и повышенной ударной вязкостью и хладостойкостью в условиях НШС ГП 2000 металлургический комбинат».

2. Разработаны научные рекомендации по выбору составов стали, обеспечивающих требуемые свойства рулонного проката класса прочности К60 (Х70) толщиной 12-16 мм при минимальном уровне легирования в условиях НШС ГП 2000.

3. С использованием разработанных технологических рекомендаций на стане 2000 произведены промышленные партии рулонного проката из стали 10Г2ФБЮ (К60) толщиной 10,3 мм и 12,3 мм для прямошовных труб , а также опытно-промышленные партии проката класса прочности К60 из стали типа (06-08)Г2НД(Ф)Б толщиной 16 мм для труб трубный завод» («Уралтрубпром»), получаемых сваркой токами высокой частоты (ТВЧ).

Основные научные положения, выносимые на защиту

1. Установленные закономерности влияния режимов ускоренного охлаждения, производимого по режиму в две стадии (с перегибом кривой охлаждения) и моделирующего охлаждение толстой полосы на отводящем рольганге стана 2000, на тип микроструктуры, объемные доли структурных составляющих и свойства низколегированной стали К60 (Х70).

2. Выбранные режимы двухстадийного ускоренного охлаждения, позволяющие обеспечить для низколегированной стали К60 (Х70) требуемый комплекс свойств при различном уровне ее легирования.

3. Полученную зависимость величины ударной вязкости и хладостойкости при ИПГ рулонного проката от разнозернистости матрицы и объемной доли структурных составляющих с реечной морфологией (бейнитного феррита).

4. Установленные взаимосвязи параметров микроструктуры рулонного проката из ниобийсодержащей стали К60 (Х70) температуры начала прокатки в чистовой группе клетей НШС 2000, в частности разнозернистости и наличия продуктов бейнитного превращения реечной морфологии.

5. Разработанные научные рекомендации по совершенствованию технологии производства рулонного проката из стали К60 (Х70) толщиной 12-16 мм с гарантией уровня механических свойств на стане 2000 металлургический комбинат».

Достоверность полученных результатов обеспечивается воспроизводимостью и согласованностью анализируемых данных, применением современных методов исследования микроструктуры и механических свойств стали, использованием программных пакетов обработки изображений, положительными результатами промышленного опробования разработанных на основании экспериментальных данных рекомендаций по совершенствованию технологии КП+УО для производства полосы.

Личный вклад автора

Автор лично разрабатывал методику лабораторного эксперимента, результаты которого изложены в диссертации, осуществлял подготовку образцов, участвовал в эксперименте, исследовал микроструктуру методом оптической микроскопии, производил обработку и анализ полученных результатов; разрабатывал схему промышленного эксперимента; участвовал в промышленном опробовании и механических испытаниях, исследованиях микроструктуры проката методами сканирующей и просвечивающей электронной микроскопии. Основные положения диссертационной работы сформулированы автором лично.

Соответствие содержания диссертации паспорту специальности, по которой она рекомендуется к защите. Работа соответствует формуле и пункту 3 области исследования специальности 05.16.01 – «Металловедение и термическая обработка металлов и сплавов»: «3. Теоретические и экспериментальные исследования влияния структуры (типа, количества и характера распределения дефектов кристаллического строения) на физические, химические, механические, технологические и эксплуатационные свойства металлов и сплавов».

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка цитируемой литературы из 130 наименований и приложения. Работа изложена на 141 странице машинописного текста, содержит 33 рисунка и 14 таблиц.

Апробация работы: Основные положения и результаты работы доложены и обсуждены на: I, II и III научно-технических конференциях молодых специалистов «Перспективы развития металлургических технологий», г. Москва (2008, 2010 и 2011 гг.); VI Евразийской научно-практической конференции «Прочность неоднородных структур ПРОСТ-2012», г. Москва (2012 г.).

Публикации: По теме диссертационной работы опубликовано шесть печатных работ, в том числе три – в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК РФ.

Автор выражает благодарность коллективу Центра сталей для труб и сварных конструкций » за ценные теоретические и практические советы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении раскрыта актуальность работы, обоснована цель и основные задачи, определены объект и предмет исследований, сформулированы научная новизна работы и практическая значимость полученных результатов.

В первой главе рассмотрено современное состояние вопроса производства рулонного проката категорий прочности Х70-Х80 по технологии ТМО. Проанализированы требования, предъявляемые к современным трубным сталям, в том числе для электросварных спиральношовных труб большого диаметра. Представлены основные процессы структурообразования, происходящие в низколегированной стали в ходе осуществления ТМО, смотки полос и охлаждения рулонов. Определены пути совершенствования микроструктуры стали К60 (Х70) с целью обеспечения требуемого уровня прочностных свойств, ударной вязкости и хладостойкости при экономном уровне легирования стали. Отмечено, что основными проблемами, требующими решения в условиях отечественных станов 2000 является управление формированием ферритно-бейнитной микроструктуры стали при повышенных температурах начала прокатки в чистовой группе клетей стана и УО толстых полос, производимом в двух группах секций УО (т. е. в две стадии) на отводящем рольганге стана 2000. Однако эти вопросы не нашли широкого освещения в литературе. Исходя из этого обоснован выбор направления и задач исследования.

Во второй главе обосновываются и описываются выбранные материалы и методы исследования. Экспериментальные исследования выполнены на материале низколегированных трубных сталей с содержанием углерода 0,06-0,08% и повышенным содержанием ниобия (0,06-0,07%), также содержавших добавку ≈ 0,20%Ni+0,20%Cu для получения ферритно-бейнитной микроструктуры (табл.1). Сталь 06Г2НДБ имела экономный уровень легирования, выражавшийся величиной Сэкв ≈ 0,36%, а сталь 08Г2НДФБ имела близкое к максимально допустимому для стали Х70 значение Сэкв ≈ 0,43%. Промышленное опробование производства рулонного проката с гарантией уровня механических свойств осуществляли на стали 10Г2ФБЮ-К60 и на сталях 06Г2НДБ и 08Г2НДФБ.

Сталь выплавляли в 350-тонных конвертерах , подвергали внепечной обработке, вакуумированию и разливали на установках непрерывной разливки. Слябы прокатывали на НШС ГП 2000 с ускоренным охлаждением полос в установке ламинарного типа, состоящей из двух групп секций, полосы сматывали в рулоны. Охлаждение рулонов производили на воздухе.

Таблица 1. Химический состав исследованных сталей. Массовая доля химических элементов, %

№№ п/п	Сталь	C	Mn	S	P	Cr	Ni	Cu	N	V	Ti	Nb	Сэкв	Рсm
1	06Г2НДБ	0,06	1,55	0,003	0,006	0,02	0,18	0,17	0,008	0,006	0,018	0,066	0,36	0,16
2	08Г2НДФБ	0,08	1,69	0,003	0,010	0,05	0,21	0,19	0,008	0,053	0,019	0,066	0,426	0,19
3	07Г2НДФБ	0,07	1,61	0,003	0,007	0,03	0,20	0,20	0,008	0,043	0,018	0,067	0,40	0,18
4	10Г2ФБЮ-К60	0,10-0,11	1,60-1,70	0,003	0,009-0,013	н. б. 0,10	н. б. 0,10	н. б. 0,10	0,008	0,03-0,05	0,015-0,030	0,03-0,05	0,40-0,41	0,20

Примечание: