Украинская Ассоциация Сталеплавильщиков

Повышение качества конструкционных сталей категории прочности Х70 путем оптимизации технологических процессов ковшевой обработки высокоактивными элементами

Бабанин А.Я., Дюдкин Д.А., Пенчук В.А., Кислица В.В., Жукова С.А., Косинов А.С.
ДонНАСА, ДонНТУ, ОАО МК «Азовсталь»
УДК 669.18

За последние годы, в связи с реформированием мирового рынка природного газа, интенсивно строятся новые газотранспортные системы, работающие как в суровых климатических условиях Севера (при значительных минусовых температурах) так а в средах с повышенным влиянием на коррозию и внешним давлением металл ( дно морей, озер, рек) [1].

Основным элементом газотранспортной системы является металл трубопровода, который одновременно должен обеспечивать следующие высокие механические свойства: прочность и пластичность, ударную вязкость и хладостойкость, хорошую свариваемость как в заводских так и в «полевых» условиях, изотропию механических свойств по всему трубопроводу, стойкость к образованию трещин [2,3].

В настоящее время для магистральных газо- нефтетрубопроводов наиболее широко применяется сталь категории прочности Х70. Однако, в мире уже более 10 лет применяется сталь более высокой категории прочности Х80 и уже разработана и исследована сталь категории прочности Х100. Сталь категории прочности Х70 по зарубежным стандартам близка по химическому составу конструкционной стали отечественного производства марки 10Г2ФБ.

Традиционно листовой прокат для труб большого диаметра из стали категории прочности Х70 производится методом термо-механической прокатки (ТМП) с последующим охлаждением на воздухе. Для обеспечения требуемой прочности помимо ниобия, характерного и обязательного элемента, в состав стали, в качестве микролегирующего элемента, входит и ванадий, повышающий прочность за счет усиления дисперсного упрочнения. В структуре трубной стали Х70 бейнит является основной структурой составляющей, при этом более мелкое зерно способствует повышению прочности и вязкости, в то время как повышенная плотность дислокаций приводит к дополнительному повышению прочности стали [4].

Чтобы избежать растрескивания, инициированного водородом, для уменьшения возможности преобразования атомарного водорода в молекулярный, вызываемого высоким внутренним давлением в микропоре, необходимо обеспечить низкое содержание в стали серы (< 0,0001%) и модифицировать сульфиды путем обработки стали кальцием.

Кроме того, достижение высокой ударной вязкости и низкой доли хрупкой составляющей в изломе в значительной мере зависит от чистоты металла по вредным примесям (т.е. от содержания серы) и неметаллическим включениям. Для снижения их влияния и повышения качества металла также необходимо производить обработку стали кальцием.

Таким образом, оптимизация технологического процесса обработки стали высокоактивными элементами, наиболее распространенными из которых являются кальций и алюминий , является актуальной задачей.

В результате выполненных исследований проведена обработка технологических параметров внепечной обработки стали на установке ковш-печь массива из 120 плавок текущего производства стали марки Х70, выплавляемой по стандарту США ASTME 45-97 в условиях конверторного цеха ОАО «МК «Азовсталь». Обработку технологических параметров проводили методом статистического анализа.

Технологический процесс обработки стали на установке ковш-печь производили в следующей последовательности:

  • после подачи сталеразливочного ковша на установку ковш-печь производили отбор проб металла и шлака (проба 2-1) на химический анализ;
  • затем в сталеразливочный ковш присаживали твердую шлакообразующую смесь (ТШC), инжекционную рафинировочную смесь для десульфурации стали (ИРС–2) и гранулированный алюминий;
  • производили усреднительную продувку металла аргоном через донные продувочные пробки в течение 5-8 мин.;
  • по результатам анализа пробы металла 2-1 производили его корректировку по химическому составу присадками ферросплавов и алюминия;
  • далее проводили обработку стали порошковыми проволоками и, в случае необходимости, алюминиевой катанкой, ввод порошковой проволоки с силикокальцием проводили в последнюю очередь;
  • затем короткая «мягкая» усреднительная продувка металла аргоном в течение 2-3мин.;
  • отбор проб металла и шлака 2-2;
  • - по результатам химического анализа металла (если проба металла 2-2 соответствует требованиям стандарта, а температура металла – технологическим параметрам разливки), в сталеразливочный ковш присаживали ТИС-3П (теплоизолирующая смесь для утепления зеркала металла гранулированная) и сталеразливочный ковш передавали для разливки на МНЛЗ.

Таким образом внепечная обработка стали на установке ковш-печь включает комплекс последовательно выполняемых технологических операций, направленных на обеспечение требуемого химического состава стали, чистоты металла по неметаллическим включениям и вредным примесям, что в конечном итоге позволяет обеспечить заданные высокие механические свойства толстого листа.

К наиболее сложным технологическим операциям, обеспечивающим заданные положительные результаты, следует отнести обработку стали химически активными элементами, такими как кальций и алюминий, и обеспечение их заданного остаточного содержания в готовом металле Установлено, что на технологическом участке УКП (проба 2-2) – МНЛЗ (проба 3-2) наблюдается снижение содержания кальция и алюминия в стали, что обусловлено протеканием рафинировочных процессов при которых кальций, взаимодействуя с неметаллическими включениями и с кислородом стали, переходит в шлак. А также обусловлено процессами вторичного окисления от взаимодействия стали с футеровкой, шлаком и атмосферой, которые приводят к дополнительному окислению кальция, алюминия и переходу их в шлак.

Снижение содержания кальция в стали на технологическом участке УКП –МНЛЗ от его содержания на УКП после ввода порошковой проволоки с силикокальцием

Рис. 1 - Снижение содержания кальция в стали на технологическом участке УКП –МНЛЗ от его содержания на УКП после ввода порошковой проволоки с силикокальцием (проба 2-2)

Оценку снижения содержания кальция и алюминия в стали осуществляли по содержанию высокоактивного элемента в пробе металла на УКП, отобранной из сталеразливочного ковша после окончания обработки (проба 2-2) минус содержание высокоактивного элемента в средней пробе металла на МЗЛЗ , отобранной из промежуточного ковша в середине разливаемой плавки (проба 3-2).

В результате выполненных исследований установлено, что в период от окончания обработки стали на УКП (проба 2-2) до ее разливки на МНЛЗ (проба 3-2) содержание кальция снижается. Общая закономерность представлена на рис. 1 и описывается уравнением:

Таким образом, в результате выполненных исследований определены основные закономерности изменения содержания кальция и алюминия в стали на технологическом участке УКП-МНЛЗ в результате протекающих процессов рафинирования и вторичного окисления, Полученные закономерности могут быть применимы для оптимизации технологических процессов по обеспечению минимального снижения кальция и алюминия в стали и, следовательно, по снижению их потерь от вторичного окисления, обеспечения необходимого остаточного содержания в готовом металле с целью увеличения эффективности положительного их действия на качество и механические свойства стали.

Зависимость снижения содержания кальция в стали в период от окончания обработки на УКП (проба 2-2) до разливки на МНЛЗ (проба 3-2) при различном содержании Са в пробе 2-2

Рис. 2 - Зависимость снижения содержания кальция в стали в период от окончания обработки на УКП (проба 2-2) до разливки на МНЛЗ (проба 3-2) при различном содержании Са в пробе 2-2

Снижение содержания кальция в стали на технологическом участке УКП –МНЛЗ от его содержания на УКП после ввода порошковой проволоки с силикокальцием (проба 2-2) при различном времени выдержки Т2 в сталеразливочном ковше

Рис 3 - Снижение содержания кальция в стали на технологическом участке УКП –МНЛЗ от его содержания на УКП после ввода порошковой проволоки с силикокальцием (проба 2-2) при различном времени выдержки Т2 в сталеразливочном ковше

Рис. 4 - Зависимость снижения содержания кальция в стали в период от окончания обработки на УКП до разливки на МНЛЗ от соотношения Са/Al

Библиографический список:

  1. Нуриахметов Д. Тенденции развития производства электросварных труб большого диаметра для магистральных трубопроводов// Бюллетень. Черная металлургия. -2001.-№5.-С.7-14.
  2. Хулка К., Александров С. Перспективные трубные стали для газопроводов // Металлург.-2006.-№3.- С.52-55
  3. Оценка анизотропии механических свойств и трешиностойкости листов и труб большого диаметра / В.М. Дорохин, В.П. Горбатенко, Ю.Д. Морозов и др. // Сталь.-2001.-№1.- С.- 65-69.
  4. Graf M.K., Hillendrand H.G. and Peters P.A. Acceler-ated cooling of steel. TMS. Warrendale (Pa). 1986. P.165.

© Бабанин А.Я., Дюдкин Д.А., Пенчук В.А., Кислица В.В., Жукова С.А., Косинов А.С., 2011