Ментюков Кирилл Юрьевич. Влияние термомеханической обработки при производстве проката и трубного передела на структуру и механические свойства низколегированных сталей для труб большого диаметра

Краткое описание

Ментюков Кирилл Юрьевич. Влияние термомеханической обработки при производстве проката и трубного передела на структуру и механические свойства низколегированных сталей для труб большого диаметра: диссертация ... кандидата Технических наук: 05.16.01 / Ментюков Кирилл Юрьевич;[Место защиты: ФГУП Центральный научно-исследовательский институт черной металлургии им. И.П. Бардина], 2017

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ УНИТАРНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ
«ЦЕНТРАЛЬНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЧЕРНОЙ
МЕТАЛЛУРГИИ ИМ. И.П. БАРДИНА»
МЕНТЮКОВ КИРИЛЛ ЮРЬЕВИЧ
ВЛИЯНИЕ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОИ ОБРАБОТКИ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ПРОКАТА
И ТРУБНОГО ПЕРЕДЕЛА НА СТРУКТУРУ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
НИЗКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ ДЛЯ ТРУБ БОЛЬШОГО ДИАМЕТРА
Специальность 05.16.01 -
«Металловедение и термическая обработка металлов и сплавов»
Диссертация на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Научный руководитель: к.т.н., А.Н. Борцов
Москва 
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 9
1.1 Основные требования, предъявляемые современным трубам для магистральных
газопроводов 9
1.2 Структурные особенности сталей для труб 12
1.3 Влияние структуры на изменение механических свойств 17
1.4 Влияние холодной деформации на стали с различными структурами 21
1.5 Технологически способы производства труб большого диаметра (общий обзор) 24
1.5.1 Способы формовки их технологические особенности 24
1.5.1.1 Вальцевая формовка 24
1.5.1.2 JCOE формовка 25
1.5.1.3 UOE формовка 26
1.5.2 Преимущества и недостатки каждого способа 26
1.5.3 Экспандирование 27
1.6 Методы испытаний механических свойств труб большого диаметра, их особенности 28
1.7 Подходы к моделированию изменения механических свойств при формовке труб
большого диаметра 30
Заключение по главе 1 31
ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 33
2.1 Материалы исследований 33
2.2 Методы исследований 35
ГЛАВА 3. АНАЛИЗ ПРОМЫШЛЕННОЙ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ТРУБНОЙ ЗАГОТОВКИ 39
Заключение по главе 3 52
ГЛАВА 4. АНАЛИЗ ИЗМЕНЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПРИ ТРУБНОМ ПЕРЕДЕЛЕ 53
4.1 Анализ изменения прочностных свойств 53
4.2 Анализ влияния технологических параметров 63
4.3 Анализ изменения ударной вязкости 67
Заключение по главе 4 
ГЛАВА 5. АНАЛИЗ МИКРОСТРУКТУРЫ И МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПО
ТОЛЩИНЕ ПРОКАТА 72
5.1 Исследование микроструктуры проката 72
5.2 Исследование анизотропии механических характеристик по толщине проката сталей различного класса прочности (с различным микроструктурным состоянием) в процессе
трубного передела 77
Заключение по главе 5 85
ГЛАВА 6. ВЛИЯНИЕ ЗНАКОПЕРЕМЕННОЙ ДЕФОРМАЦИИ НА ПОВЕДЕНИЕ
ОСНОВНОГО МЕТАЛЛА 86
Заключение по главе 6 99
ГЛАВА 7. МОДЕЛИРОВАНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МЕТАЛЛА ТРУБ 100
7.1 Разработка имитационной модели определения механических свойств трубы в
зависимости от свойств листа и режимов его формовки 100
7.2 Результаты проверки работы модели 110
Заключение по главе 7 112
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 113
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 115
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность проблемы. Интерес к особенностям структуры и механическим свойствам основного металла высокопрочных труб объясняется интенсивным развитием газодобывающей отрасли, ростом требований по качеству и надежности толстолистового проката, применяемого для изготовления газопроводных магистральных толстостенных труб большого диаметра, а также его массовым выпуском. Объем производства в России проката на толстолистовых станах 5000 за 2015 год приблизительно составил 2,9 млн. т.
При изготовлении листа для газопроводных труб с толщиной стенки до 21,6 мм по технологии контролируемой прокатки с окончанием при температуре в у-a области и последующим естественным охлаждением, считалось, что материал трубы по толщине обладает однородными свойствами. При данной технологической схеме производства и толщине проката был установлен факт снижения предела текучести в основном металле (ОМ) труб.
Повышение требований к механическим свойствам листа обусловило широкое внедрение технологии контролируемого охлаждения стали после окончания прокатки в у - области. При изготовлении труб большого диаметра из листов, произведенных по этой технологии, изменение предела текучести основного металла труб относительно предела текучести в листе может носить разнонаправленный характер.
Современные публикации, посвященные исследованию формирования структуры и свойств высокопрочных сталей для труб, содержат общую оценку воздействия систем контролируемого охлаждения после завершения прокатки. При этом недостаточно освещено влияние градиента скоростей охлаждения по толщине проката в процессе контролируемого охлаждения.
По мере увеличения толщины проката увеличивается градиент скорости охлаждения по его толщине, что приводит к неравномерности свойств по толщине трубной заготовки. Градиент пластических деформаций по толщине стенки при формовке трубы ещё больше повышает эту неравномерность.
Понимание различных факторов, влияющих на формирование механических свойств металла при изготовлении проката в современных промышленных условиях, является актуальной практической задачей. Изучение закономерностей изменения механических свойств в процессе производства трубы с учетом толщины ее стенки являются базовой основой для предъявления обоснованных требований к трубной заготовке при создании нормативно-технической документации, прогнозирования поведения металла при формовке и достижения требуемого комплекса механических свойств.
Объектом исследования были микролегированные ферритно-перлитные и ферритно- бейнитные стали промышленного производства классов прочности К52, К60 и К65.
Предметом исследований было изучение формирования свойств металла в процессе термомеханической контролируемой прокатки листа и деформирования при формовке трубы.
Целью диссертационной работы являлось установление закономерности формирования механических свойств электросварных труб большого диаметра на основании анализа условий охлаждения после прокатки и микроструктурного состояния толстолистового проката, а также воздействия на него малых пластических деформаций до 5% (формовка + экспандирование) в процессе трубного передела по технологии формовки труб пошаговым или вальцевым методом.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Установление особенностей формирования микроструктуры и механических свойств металла по толщине в процессе производства трубной заготовки классов прочности К52, К60 и К65.
2. Изучение влияния малых пластических деформаций при формовке и экспандировании трубы на изменение механических характеристик ОМ.
3. Выявление особенностей влияния способа формовки на изменение свойств ОМ на этапах изготовления труб.
4. Разработка и опробование в промышленных условиях программного продукта для прогнозирования механических свойств ОМ труб исходя из механических свойств металла проката.
5. Применение выявленных в работе закономерностей при корректировке нормативно-технической документации для трубной заготовки.
В работе получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:
1. Установлено, что в результате воздействия пластической деформации при производстве труб большого диаметра происходит изменение распределения механических свойств по толщине стенки трубы относительно листа таким образом, что наибольшие значения предела текучести соответствуют внутренней поверхности трубы, а минимальные - наружной.
2. Показано, что снижение предела текучести и предела упругости для сталей класса прочности К52-К65 под воздействием малых (менее 1,5%) знакопеременных пластических деформаций при трубном переделе определяется уровнем прочности.
3. Обнаружено, что при среднемассовой скорости контролируемого охлаждения трубной стали класса прочности К65 более 16-18 оС/с наблюдается образование 1,5-2,0% остаточного аустенита высокой устойчивости, количество которого после обработки холодом остается неизменным.
4. Выявлена закономерность в формировании прочностных свойств в процессе трубного передела для сталей с ферритно-перлитной и ферритно-бейнитной структурами; разработана новая методика прогнозирования свойств основного металла при формовке труб большого диаметра для классов прочности К52-К65.
Практическая ценность работы.
1. На основании проведенных экспериментов по определению механических свойств материала труб в зависимости от свойств проката разработана физическая модель, учитывающая параметры формовки и экспандирования трубы.
2. Применение разработанного программного продукта для прогноза механических свойств основного металла труб в зависимости от сортамента трубы и класса прочности стали позволило внести изменения в технические условия на прокат ПАО «Северсталь» в части повышения верхней границы отношения предела текучести к временному сопротивлению разрыву с 0,90 до 0,92 для классов прочности К54-К60.
3. Обосновано снижение среднемассовой скорости охлаждения при контролируемом охлаждении высокопрочного листа по мере увеличения его толщины во избежание образования неблагоприятных микроструктур.
По представленной работе на защиту выносятся следующие положения:
1. Установленные закономерности распределения температурных полей в процессе контролируемого охлаждения высокопрочного проката, а также их влияние на формирование микроструктуры и свойств в трубных сталях.
2. Зависимость изменения механических свойств основного металла трубы при формовке от величины пластической деформации.
3. Зависимость снижения предела упругости и текучести трубных сталей при воздействии малых знакопеременных пластических деформаций от уровня прочности трубных сталей.
4. Методика расчета изменения механических свойств «лист - труба» в процессе формовки и экспандирования трубы.
Достоверность результатов.
Достоверность полученных результатов исследований обеспечивается их проведением на современном оборудовании, прошедшем сертификацию и аттестацию, применением современной исследовательской техники, а также подтверждается данными, полученными в промышленных условиях.
Личный вклад соискателя.
Автор непосредственно участвовал в постановке задач, планировании и проведении экспериментов. Лично проводил испытания механических свойств и исследование микроструктуры металла. Осуществил обработку, анализ и интерпретацию экспериментальных данных. Участвовал во внедрении разработок.
Апробация работы. Основные результаты и положения работы были доложены и обсуждены на следующих научных конференциях:
- III конференция молодых специалистов «Перспективы развития металлургических технологий» (14-15 декабря 2011 года, Москва);
- IV Евразийская научно-практическая конференция «Прочность неоднородных структур» (17-19 апреля 2012 года, Москва);
- Международная молодежная научно-техническая конференция «Новые материалы и технологии глубокой переработки сырья - основа инновационного развития экономики России» (10-12 июля 2012 года, Геленджик);
- III Всероссийская молодежная школа-конференция "Современные проблемы металловедения» (10-13 сентября 2013 года, г. Пицунда, р. Абхазия);
- Международная конференция «Технологии и оборудование для прокатного производства» (29-29 октября 2014 года, Москва);
- VII конференция молодых специалистов «Перспективы развития металлургических технологий» (17-18 февраля 2016 года, Москва).
Получен диплом лауреата конкурса «Молодые ученые» 20-й Международной промышленной выставки «Металл-Экспо 2014», 11-14 ноября 2015 г., Москва.
Соответствие содержания диссертации паспорту специальности.
Диссертационная работа по целям, задачам, содержанию, методам исследования и полученным результатам соответствует пунктам «2. Теоретические и экспериментальные исследования фазовых и структурных превращений в металлах и сплавах, происходящих при различных внешних воздействиях» и «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» паспорта специальности 05.16.01 - «Металловедение и термическая обработка металлов и сплавов» (технические науки).
Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 8 публикациях, в том числе пяти статьях в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, основных выводов, списка литературы из 108 наименований. Работа изложена на 122 страницах машинописного текста, содержит 78 рисунков и 24 таблицы.

Список литературы

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ
1. Изучены основные закономерности формирования микроструктуры по толщине листовой стали после термомеханической обработки с использованием систем контролируемого охлаждения; исследовано изменение механических свойств после деформационного воздействия при производстве газопроводных труб большого диаметра классов прочности К52-К65; разработана и апробирована новая методика прогнозирования механических свойств в зависимости от уровня прочности, толщины стенки и диаметра трубы.
2. Показано, что при контролируемом охлаждении высокопрочных сталей в промышленных условиях со среднемассовой скоростью 20 оС/с скорость охлаждения в середине проката толщиной 27,7^33,4 мм составляет 8^5 оС/с, в то время как в поверхностном слое она в 5^6 раз выше, что приводит к неравномерности структуры и свойств по толщине листа; установлена необходимость снижения среднемассовой скорости контролируемого охлаждения по мере увеличения толщины листа в промышленном производстве для исключения образования неблагоприятных закалочных микроструктур в поверхностных областях проката.
3. Установлено, что при среднемассовой скорости контролируемого охлаждения проката класса прочности К65 более 16-18 оС/с наблюдается образование 1,5-2,0% остаточного аустенита высокой устойчивости, количество которого после обработки холодом остается неизменным.
4. В результате послойного изучения механических свойств металла в поперечном направлении по толщине листа и стенки трубы после пошаговой, а также вальцевой формовки на разных стадиях трубного передела сталей класса прочности К60 и К65 установлено:
- временное сопротивление разрыву и предел текучести имеют близкое к симметричному распределение по толщине листа, при этом временное сопротивление разрыву практически не меняется в процессе трубного передела для стали класса прочности К60 и увеличивается для стали класса прочности К65;
- в процессе изготовления трубы распределение предела текучести по толщине стенки трубы относительно листа изменяется таким образом, что его наибольшие значения соответствуют внутреннему слою, наименьшие - наружному, вследствие чего разница максимального значения предела текучести на внутренней и минимального на наружной поверхности трубы достигает 200 и 120 Н/мм2 для труб К60 0142Ох37,9 и К65 0142Ох27,7 мм соответственно.
5. Выявлено, что при воздействии малых (менее 1,5%) знакопеременных пластических деформаций в сталях класса прочности К52, К60 и К65 наблюдается снижение предела текучести и предела упругости, величина которого определяется временным сопротивлением разрыву; максимальное снижение предела текучести при повторном нагружении обратного знака на 100^110 Н/мм наблюдали для стали класса прочности К65.
6. Показано, что увеличение пластической деформации при формовке труб из листов класса прочности К60 различной толщины диаметром 1420 мм сопровождается снижением величины ударной вязкости (KCV" ) с 301 до 205 Дж/см пропорционально увеличению толщины стенки от 18,7 до 32 мм.
7. Разработана новая методика расчета механических свойств металла трубы в зависимости от временного сопротивления разрыву листа, а также толщины стенки и диаметра трубы. Разработан программный продукт «Северсталь-ЦНИИчермет» для прогноза механических свойств в зависимости от сортамента трубы и уровня временного сопротивления разрыву стали.