Тема: Исследование влияния углерода на центральную химическую и структурную неоднородность и комплекс свойств низколегированных трубных сталей
Характеристики работы
Закажите новую по вашим требованиям
Представленный материал является образцом учебного исследования, примером структуры и содержания учебного исследования по заявленной теме. Размещён исключительно в информационных и ознакомительных целях.
Workspay.ru оказывает информационные услуги по сбору, обработке и структурированию материалов в соответствии с требованиями заказчика.
Размещение материала не означает публикацию произведения впервые и не предполагает передачу исключительных авторских прав третьим лицам.
Материал не предназначен для дословной сдачи в образовательные организации и требует самостоятельной переработки с соблюдением законодательства Российской Федерации об авторском праве и принципов академической добросовестности.
Авторские права на исходные материалы принадлежат их законным правообладателям. В случае возникновения вопросов, связанных с размещённым материалом, просим направить обращение через форму обратной связи.
📋 Содержание
Глава I. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 14
1.1. Формирование макроструктуры непрерывнолитых слябов и методы воздействия на процессы ликвации, протекающие в них при
затвердевании 14
1.1.1. Формирование структурных зон непрерывнолитого сляба и химической
неоднородности 14
1.1.2. Факторы, оказывающие влияние на центральную химическую и
структурную неоднородность 19
1.1.3. Методы и способы уменьшения интенсивности центральной
химической и структурной неоднородности 24
1.2. Структурные факторы, оказывающие влияние на стойкость малоуглеродистых низколегированных сталей против растрескивания в сероводородсодержащих средах 34
1.2.1. Механизм инициируемого водородом растрескивания 36
1.2.2. Адсорбция водорода 36
1.2.3. Контроль образования неметаллических включений 37
1.2.4. Предотвращение образования ликвации 38
1.3. Влияние базового состава и микролегирующих элементов на свариваемость малоуглеродистых низколегированных сталей 41
Заключение по главе 44
Глава II. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ 46
2.1. Обоснование выбора исследуемых сталей
2.2. Методы лабораторных и промышленных исследований
2.2.1. Методы изучения центральной химической и структурной
неоднородности металла опытных плавок
2.2.2. Определение механических свойств готового проката
2.2.3. Методы испытаний сталей на стойкость против разрушения в
сероводородсодержащих средах 55
2.2.4. Методы изучения свариваемости опытных сталей 62
Глава III. ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ СОДЕРЖАНИЯ УГЛЕРОДА НА ЦЕНТРАЛЬНУЮ ХИМИЧЕСКУЮ И СТРУКТУРНУЮ
НЕОДНОРОДНОСТЬ В НЕПРЕРЫВНОЛИТЫХ СЛЯБАХ И ЛИСТАХ ИЗ НИЗКОЛЕГИРОВАННЫХ ТРУБНЫХ СТАЛЕЙ 67
3.1. Влияние содержания углерода на макроструктуру слябов и готовых листов из низколегированных трубных сталей 67
3.2. Зависимость центральной химической неоднородности базовых элементов в слябах и листах от общего содержания углерода в
стали 72
3.3. Изучение структуры и свойств зоны центральной сегрегационной химической неоднородности в зависимости от содержания углерода 79
Выводы по главе 88
Глава IV. СРАВНИТЕЛЬНОЕ ИЗУЧЕНИЕ СТОЙКОСТИ ПРОТИВ РАСТРЕСКИВАНИЯ В СЕРОВОДОРОДСОДЕРЖАЩИХ СРЕДАХ НИЗКОЛЕГИРОВАННЫХ ТРУБНЫХ СТАЛЕЙ, С РАЗЛИЧНЫМ СОДЕРЖАНИЕМ УГЛЕРОДА 89
4.1. Исследование стойкости против водородного растрескивания (в.р.)...9О
4.2. Изучение сопротивления сероводородному растрескиванию под напряжением (с.р.н.) 92
Выводы по главе 101
Глава V. ИЗУЧЕНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ УЛУЧШЕНИЯ СВАРИВАЕМОСТИ ТРУБНЫХ СТАЛЕЙ ЗА СЧЕТ СНИЖЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ УГЛЕРОДА 102
5.1. Построение термокинетических диаграмм превращения аустенита при охлаждении после сварочного нагрева, сопоставление микроструктур ОШЗ, изучение сопротивления разрушению ОШЗ низколегированных
трубных сталей с различным содержанием углерода 105
Выводы по главе 119
Глава VI. РАЗРАБОТКА СТАЛИ КАТЕГОРИИ ПРОЧНОСТИ К52 (Х60) С ПОНИЖЕННЫМ СОДЕРЖАНИЕМ УГЛЕРОДА, МИКРОЛЕГИРОВАННОЙ НИОБИЕМ, ИЗГОТАВЛИВАЕМОЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОЙ ПРОКАТКИ, КАК АЛЬТЕРНАТИВЫ ТРАДИЦИОННОЙ СТАЛИ 17Г1С-У 120
6.1. Разработка химического состава 120
6.2. Разработка технологии производства, в частности термомеханической
прокатки, на толстолистовом стане 3600 124
6.3. Исследование комплекса свойств, микроструктуры и центральной
химической неоднородности трубной стали 08Г1Б 130
6.4. Исследование свойств металла газопроводных труб диаметром 720 мм,
изготовленных на ОАО «ВМЗ» 149
Выводы по главе 153
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 154
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 157
📖 Введение
Общая тенденция совершенствования низколегированных сталей для труб магистральных газопроводов включает в себя ряд металловедческих и технологических принципов, таких как создание мелкозернистой структуры готового проката, использование эффекта дисперсионного упрочнения, создание структуры с повышенной плотностью дислокаций, использование в качестве микролегирующей добавки ниобия, применение термомеханической прокатки, снижение содержания вредных примесей.
Большой вклад в создание высокопрочных низколегированных сталей для изготовления газопроводов внесли труды Д.А. Литвиненко, С.А. Голованенко, В.Н. Зикеева, П.Д. Одесского, Л.И. Эфрона, Ю.Д. Морозова и др. ученых.
Одним из наиболее перспективных и до настоящего времени недостаточно использованных путей совершенствования отечественных трубных сталей представляется снижение содержания в них углерода и замена упрочнения за счет перлита на более прогрессивные механизмы повышения прочности, прежде всего измельчение зерна и дисперсионное упрочнение, позволяющие в комплексе с другими мерами обеспечивать одновременное повышение ударной вязкости, пластичности, сопротивления хрупкому разрушению и свариваемости. Снижение содержания углерода в трубных сталях должно способствовать уменьшению сегрегационной химической и структурной неоднородности, требования в отношении которой в последнее время вводят в спецификации на поставку стальных листов для изготовления труб наиболее ответственных магистральных газопроводов.
Целью настоящей работы является установление закономерностей влияния снижения содержания углерода на сегрегационную химическую и структурную неоднородность, структуру и свойства непрерывнолитых, микролегированных ниобием сталей, изготавливаемых с применением термомеханической прокатки и предназначенных для изготовления газопроводных труб большого диаметра.
Актуальность исследований, проведенных в работе, обусловлена большой научной и практической значимостью проблемы снижения центральной сегрегационной неоднородности толстолистового проката, предназначенного для изготовления электросварных газопроводных труб большого диаметра.
Для достижения поставленной цели решали следующие задачи:
• исследовать влияние углерода на центральную химическую и структурную неоднородность непрерывнолитых слябов и листов из трубных сталей различных систем легирования;
• оценить влияние снижения содержания углерода и повышения при этом сегрегационной однородности проката на показатели стойкости против растрескивания в сероводородсодержащих средах;
• оценить поведение и свойства околошовной зоны (ОШЗ) при сварке трубных сталей в зависимости от содержания углерода;
• на основе концепции, предусматривающей снижение содержания углерода и замену перлитного упрочнения на более прогрессивные механизмы повышения прочности, создать новую высокоэффективную трубную сталь категории прочности К52, предназначенную для замены морально устаревшей стали 17Г1С-У.
Объектом исследований служили низколегированные стали для электросварных газопроводных труб большого диаметра, производимые на «МК Азовсталь». Для решения поставленной в диссертационной работе задачи в качестве материала исследования были выбраны стали, существенно отличающиеся между собой содержанием углерода: от 0,19% С в стали 17Г1С-У до 0,03% С в стали 03Г1Б. Опытные стали относятся к двум группам: 1 - углеродмарганцовистые стали 17Г1С-У и 13Г1С-У; 2 - микролегированные добавками ниобия, ванадия и титана стали 10Г2ФБ, 08Г2ФБ и 03Г1Б. Исследованные стали дополнительно можно классифицировать как изготавливаемые с применением термической обработки (нормализации) - сталь 17Г1С-У, и изготавливаемые без применения термической обработки, прокатываемые по технологии термомеханической (контролируемой) прокатки - стали, 13Г1С-У, 10Г2ФБ, 08Г2ФБ и 03Г1Б.
Предметом исследования служило установление химической и структурной неоднородности в слябах и листах опытных сталей, изготавливаемых с применением непрерывной разливки, обусловленной центральной сегрегацией углерода, марганца, серы, фосфора, ниобия и ванадия. В процессе выполнения работы использовали широкий спектр современных методов исследования, включая различные методы оценки макроструктуры непрерывнолитых слябов, химической неоднородности, металлографической оценки макро- и микроструктуры сегрегационной зоны, определения коэффициентов сегрегации химических элементов.
Испытания механических свойств опытных сталей предусматривали оценку временного сопротивления, ударной вязкости, сопротивления хрупкому разрушению, измерение микротвердости структурных составляющих.
Изучали влияние химического состава опытных сталей с различным содержанием углерода на сопротивление растрескиванию в сероводородсодержащих средах.
Значительное внимание было уделено исследованию влияния содержания углерода на характеристики свариваемости трубных сталей.
Диссертация содержит шесть глав и основные выводы.
Первая глава представляет собой литературный обзор, посвященный вопросу формирования макроструктуры непрерывнолитых слябов и методов снижения химической неоднородности. Рассмотрены различные методы уменьшения интенсивности центральной химической и структурной неоднородности, используемые на современных металлургических предприятиях, такие как электромагнитное перемешивание расплава в зоне вторичного охлаждения, импульсное воздействие ультразвуком, ударным импульсом или механической вибрацией на кристаллизующийся металл, введение в расплав микро- и макрохолодильников, «мягкое» обжатие. В тоже время отмечено недостаточное использование эффекта снижения содержания углерода до уровня <0,09%, при котором не наблюдается перитектическая реакция, на уменьшение ликвационной неоднородности непрерывнолитого металла.
Вторая глава посвящена обоснованию выбора исследуемых сталей, обоснованию и описанию методов лабораторных и промышленных исследований, проведенных автором при выполнении настоящей диссертационной работы, в том числе методов:
• изучения центральной химической и структурной неоднородности металла опытных плавок;
• испытаний на стойкость против разрушения в сероводородсодержащих средах;
• изучения свариваемости.
В третьей главе изложены результаты исследований влияния углерода на центральную химическую и структурную неоднородность в непрерывнолитых слябах и листах из низколегированных трубных сталей.
При этом изучали:
• влияние содержания углерода на макроструктуру слябов и готовых листов из низколегированных сталей;
• зависимость центральной химической неоднородности базовых элементов в слябах и листах от общего содержания углерода в стали;
• структуру и свойства зоны сегрегационной химической неоднородности в зависимости от содержания углерода.
Установлено возрастание склонности к сегрегации в осевой зоне слябов отдельных химических элементов в последовательности: Мп -^V —>С —>Nb —> Р —>S. По сравнению с неметаллами серой и фосфором - склонность к центральной сегрегации исследованных элементов, относящихся к металлам, значительно ниже и убывает по мере снижения разницы в величине атомных радиусов Fe и соответствующих химических элементов.
Показано, что интенсивность центральной сегрегации химических элементов в слябах и листах существенно снижается при уменьшении содержания углерода.
При снижении содержания углерода уменьшается различие в строении и микротвердости основного металла и осевой зоны листового проката, для характеристики которой введен коэффициент структурной неоднородности К(Н).
Четвертая глава содержит результаты сравнительного изучения стойкости против растрескивания в сероводородсодержащих средах низколегированных трубных сталей, различающихся содержанием углерода.
Испытание на стойкость против растрескивания в H2S - содержащих средах проводили двумя методами:
• по методике стандарта NACE ТМ 02-84 на стойкость против водородного растрескивания (HIC) (hydrogen induced cracking) с определением параметра длины трещины CLR;
• по методике стандарта NACE ТМ 01-77 (96) на стойкость против сероводородного растрескивания под напряжением (SSCC) (sulfur stress corrosion cracking) с определением показателя порогового напряжения (б„72°).
Показано существенное влияние уменьшения содержания углерода на увеличение стойкости трубных сталей против сероводородного разрушения. На основании этого сделан вывод о том, что одной из важных предпосылок создания трубных сталей стойких в H2S - содержащих средах является низкое содержание углерода (< 0,08%) и серы (< 0,002%).
В пятой главе изложены результаты изучения возможности улучшения свариваемости трубных сталей за счет снижения содержания углерода. Изучение свариваемости основывалось на моделировании физических процессов, протекающих в околошовной зоне (ОШЗ) при сварке. За основу принята взаимосвязь скорости охлаждения (тепловложения при сварке) со структурой и свойствами металла ОШЗ.
Представляемые результаты получены на основе комплексного анализа:
• кинетики фазовых превращений аустенита в условиях различных термических циклов сварки и связанных с ними изменений микроструктуры;
• механических свойств металла имитированной зоны термического влияния, включая хладостойкость локальных участков перегрева металла околошовной зоны;
• склонности стали к образованию холодных трещин с учетом воздействия мартенситных превращений.
При проведении сравнительных исследований свариваемости листов из сталей 17Г1С-У, 08Г1Б и 03Г1Б, установлено, что снижение содержания углерода от 0,19 до 0,03% в низколегированных трубных сталях расширяет температурный интервал скоростей охлаждения при сварке, при которых твердость имитированной ОШЗ не достигает критической величины Нкр = 350HV, выше которой наблюдается образование сварочных трещин и водородное охрупчивание: для стали 17Г1С-У - от 2 до 15°С/с, для стали 08Г1Б -от 15 до 100°С/с, для стали 03Г1Б без - ограничения. Одновременно с этим происходит расширение в сторону пониженных температур области гарантированного вязкого разрушения металла имитированной ОШЗ после охлаждения по режиму автоматической дуговой сварки (в скобках - по режиму ручной дуговой сварки): для стали 17Г1С-У > +20°С (+20°С), для 08Г1Б > 0°С (- 5°С), для 03Г1Б > - 30°С (- 40°С).
В главе шестой изложены результаты разработки стали 08Г1Б категории прочности К52 (Х60) с пониженным содержанием углерода, микролегированной ниобием и изготавливаемой с применением термомеханической прокатки, как альтернативы традиционной стали 17Г1С- У, и широкого ее промышленного опробования в металлургическом и трубном переделах. Новая сталь 08Г1Б значительно превосходит применяемую в настоящее время сталь 17Г1С-У в отношении ударной вязкости, сопротивления хрупкому разрушению, свариваемости, сегрегационной химической и структурной неоднородности, стойкости против растрескивания в сероводородсодержащей среде. Сталь 08Г1Б рекомендована в качестве материала для изготовления электросварных газопроводных труб категории прочности К52. Оформлены постоянно действующие технические условия на поставку стали 08Г1Б ТУ 14-1-5443- 2002, «Прокат толстолистовой категории прочности К52 из низколегированной стали марки 08Г1Б для сварных прямошовных труб магистральных газонефтепроводов».
Автор выражает глубокую благодарность и признательность научному руководителю доктору технических наук Ю.И. Матросову за большую помощь оказанную при определении направлений исследований, обобщении полученных данных, написании и оформлении диссертации, а также научному консультанту кандидату технических наук О.Б. Исаеву за ценные теоретические и методические советы в области способов снижения центральной сегрегационной неоднородности непрерывнолитых слябов.
Диссертант благодарит научных сотрудников Центра Трубных Сталей ЦНИИЧермета им. И.П. Бардина Ю.Д. Морозова, Л.И. Эфрона, О.Н. Невскую, Т.С. Кирееву, А.В. Назарова и других коллег за товарищеское содействие и советы, полученные при выполнении настоящей диссертационной работы.
Автор выражает признательность сотрудникам Центральной Лаборатории «МК Азовсталь» за помощь в проведении экспериментов и исследований по диссертационной работе.
Автор выражает благодарность докторам Ф. Хайстеркампу и К. Хулке (Niobium Products Company, Германия) и Д.М. Грею (Microalloying International, США) за содействие в выполнении работы и ценные замечания по содержанию диссертации.
По представленной работе на защиту выносятся:
1. Количественная оценка интенсивности центральной сегрегации химических элементов (С, Мп, V, Nb, S, Р) в слябах и листах и структурной неоднородности листов из непрерывнолитых низколегированных сталей различных систем легирования в зависимости от содержания углерода.
2. Эффект ослабления центральной сегрегационной химической и структурной неоднородности непрерывнолитого металла при снижении содержания углерода, особенно ниже концентрации, необходимой для протекания перитектической реакции при охлаждении из жидкой фазы.
3. Зависимость стойкости непрерывнолитых трубных сталей различных систем легирования производства меткомбината «Азовсталь» против водородного растрескивания (HIC)и сероводородного растрескивания под напряжением (SSCC)от содержания углерода и серы.
4. Механизм влияния снижения содержания углерода на поведение околошовной зоны (ОШЗ) опытных сталей в условиях охлаждения после сварочного нагрева.
5. Новая малоуглеродистая сталь марки 08Г1Б для газопроводных труб категории прочности К52 с повышенными характеристиками вязкости, сопротивления хрупкому разрушению, свариваемости и стойкости против разрушения в Н2Б-содержащих средах.
На основании результатов исследования создана и внедрена в металлургическое и трубное производство новая высокоэффективная малоуглеродистая сталь марки 08Г1Б для электросварных газопроводных труб большого диаметра категории прочности К52, характеризующаяся значениями вязкости, пластичности, сопротивления хрупкому разрушению, свариваемости и сегрегационной однородности, значительно превышающими соответствующие показатели ранее применявшихся листовых сталей для труб аналогичного уровня прочности. Сталь 08Г1Б прошла широкое промышленное опробование на металлургическом комбинате «Азовсталь» и на Выксунском металлургическом заводе при изготовлении промышленной партии газопроводных труб.
✅ Заключение
2. Установлено значительное снижение центральной химической сегрегационной неоднородности химических элементов по мере снижения общего содержания углерода в стали. Для оценки интенсивности центральной сегрегационной химической неоднородности слябов и листов дополнительно к общепринятым критериям предложена оценка коэффициентов сегрегации химических элементов К(С), K(Mn), K(Nb), K(S), К(Р) и др., соответствующих отношению содержания данного элемента в центральной сегрегационной зоне к его содержанию в ковшевой пробе. При переходе от стали 17Г1С-У с 0,19% С к стали 03Г1Б с 0,03%С коэффициенты сегрегации отдельных химических элементов в слябах уменьшились: K(S) ~ в 3 раза, К(Р) ~ в 2 раза, K(Nb), К(С), К(Мп) ~ в 1,5 раза.
3. Установлено, что по степени склонности к центральной сегрегации в слябах и листах исследованных сталей химические элементы располагаются в последовательности: Мп ->V -> С ->Nb -> Р ->S.
4. Структурная неоднородность, выраженная с помощью коэффициента К(Н), равного отношению средних микротвердостей осевой зоны и основного металла в исследованных сталях, снижается по мере уменьшения содержания углерода от значения 1,79 (сталь 17Г1С-У) до 1,06 (сталь 03Г1Б). Это обусловлено снижением интенсивности сегрегации химических элементов за счет ускорения процессов гомогенизации, протекающих при нахождении металла в области 5-феррита со скоростями на несколько порядков большими, чем при нахождении металла в области аустенита. Дополнительным фактором является изменение типа микроструктуры в осевой зоне.
5. Стойкость исследованных сталей против разрушения в серово-дородсодержащей среде (CLR и б720ПОр.) существенно улучшается при снижении содержания углерода и серы, уменьшении степени химической и структурной неоднородности листов, а также при определенных схемах прокатки толстого листа.
6. Снижение содержания углерода от 0,19% до 0,03% в низколегированных трубных сталях расширяет температурный интервал скоростей охлаждения при сварке, при которых твердость имитированной околошовной зоны (ОШЗ) не достигает критической величины Нкр = 350HV, выше которой наблюдается образование сварочных трещин и водородное охрупчивание. Критическая скорость охлаждения не должна превышать 15°С/с для стали 17Г1С-У и 100°С/с для стали 08Г1 Б; для стали марки 03Г1Б она составляет больше 300°С/с. После охлаждения по режиму, соответствующему автоматической и ручной дуговой сварки, происходит расширение области гарантированного вязкого разрушения металла имитированной ОШЗ (в скобках - для ручной сварки) в сторону пониженных температур: для стали 17Г1С-У > +20°С (+20°С), для 08Г1Б > 0°С (- 5°C), для 03Г1Б>-30°С (- 40°С).
7. Разработаны рекомендации по содержанию углерода, марганца и серы в трубных сталях, обеспечивающие повышенную химическую и структурную однородность, хладостойкость, свариваемость и стойкость к сероводородному растрескиванию: < 0,08 % С; 1,25-1,55 % Мп; <0,003 % S.
8. Разработана новая толстолистовая сталь 08Г1Б для газопроводных труб категории прочности К52. Сталь отличается пониженным содержанием углерода (< 0,09%) и серы (< 0,008%), микролегирована ниобием (0,015- 0,035%). Листы производятся по технологии термомеханической прокатки. На ОАО «МК «Азовсталь» отработана технология производства и изготовлена промышленная партия листов толщиной 19 мм, из которых на Выксунском металлургическом заводе изготовлены газопроводные трубы диаметром 720 мм. Разработаны и оформлены технические условия ТУ 14-1- 5443-2002 «Прокат толстолистовой категории прочности К52 из низколегированной стали марки 08Г1Б для сварных прямошовных труб магистральных газонефтепроводов».
9. Новая сталь 08Г1Б характеризуется следующими свойствами: бв = 510
4- 545 Н/мм2; бт= 435 4- 460 Н/мм2; 5(2") = 32 м 48 %; KCV при -20 °C = 233
4- 364 Дж/см2; С,= 0,28 4- 0,31%; РСМ = 0,13 4- 0,16%; % В на образцах ИПГ (DWTT) при -20°С = 804-100%. Разработанная сталь обладает повышенной стойкостью к растрескиванию в среде Н28-содержащего природного газа: CLR не более 6%; CTR не более 3%; ап72° не менее 0,6ат.



