Структурные факторы упрочнения и технология термомеханической обработки насосно-компрессорных труб

Технический прогресс топливно-энергетического комплекса, машиностроения, строительной индустрии требует постоянного увеличения эффективности производства труб, повышения их потребительских свойств и конкурентоспособности.

В экономике России нефть является одним из главных источников национального дохода и в перспективе ее роль будет непрерывно возрастать. Поэтому значительный объем выпускаемой трубными заводами продукции традиционно занимают трубы для нефтедобывающей промышленности. В последние годы особенно возросла потребность в насосно-компрессорных трубах групп прочности К и Е по ГОСТ 633–80. Вместе с тем, дальнейшее развитие производства таких труб не может быть эффективно обеспечено при использовании традиционных технологических приемов — горячей деформации и последующего термического упрочнения с отдельного нагрева в специализированных термических отделениях.

В течение последних десяти лет автором выполнялся широкий комплекс работ, направленный на разработку наиболее рациональной энергосберегающей технологии термической обработки насосно-компрессорных труб в линии трубопрокатной установки с непрерывным станом — ТПА-80. Цель таких разработок — создание технологического процесса, позволяющего решить не только текущие, но и перспективные задачи упрочнения методом термомеханической обработки насосно-компрессорных труб умеренных групп прочности (К и Е), при производстве которых по ГОСТ 633–80 требуется термическая обработка, резко повысить объем выпускаемых упрочненных труб и ликвидировать существенную диспропорцию между производительностью ТПА-80 и термического отделения.

При выполнении работы были решены научные и технические задачи, позволяющие реализовать процесс термической обработки в линии ТПА-80 и обеспечить выпуск насосно-компрессорных труб групп прочности К и Е в требуемых объемах.

Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:

— установлены основные принципы структурообразования при ТМО ферритно-перлитных сталей.

— показаны закономерности и связи изменения механических свойств от параметров основных структурных составляющих: удельного содержания перлита, размера субколоний, межпластинчатого расстояния, толщины цементитных пластин, типа границ между кристаллами феррита и дислокационной структуры перлитной колонии.

— разработана методика количественной оценки морфологии цементита в перлите по специальному коэффициенту. 5.

В ходе выполнения работы были решены следующие технические задачи, реализация которых позволила создать первую в России линию термомеханической обработки труб (ТМО) и организовать промышленное производство насосно-компрессорных труб групп прочности К и Е:

— разработан принципиально новый способ охлаждения, при котором вместо традиционного вращения трубы организуется вращение струй охладителя, созданы вращающиеся охлаждающие устройства и за редукционным станом ТПА-80 смонтирована линия ускоренного регулируемого охлаждения труб, состоящая из девяти раздельно управляемых вращающихся спрейеров;

— разработана система управления темпом прокатки, система автоматического регулирования температуры трубы в линии индукционного подогрева, устройства, исключающие попадание воды внутрь трубы, обеспечивающие стабильность процесса ТМО;

— определены оптимальные режимы ускоренного регулируемого охлаждения насосно-компрессорных труб для достижения требуемого по ГОСТ 633–80 комплекса свойств и геометрических параметров;

— разработана и утверждена технологическая инструкция на серийное производство насосно-компрессорных труб группы прочности К из стали 37Г2С и Е из стали 45ГБ методом ТМО.

1. Перспективные технологические схемы упрочнения металлопродукции.

Основным направлением развития металлургической промышленности в условиях рыночной экономики является повышение эксплуатационной надежности металлопродукции и снижение ее себестоимости. Для достижения требуемого комплекса свойств труб нефтяного сортамента традиционно применяется технология термической обработки с отдельного нагрева в специализированных отделениях [1−6]. Наиболее широкое распространение получили два вида термической обработки труб — нормализация и улучшение (закалка с последующим отпуском). Нормализация применяется для труб с высаженными концами и гладких группы прочности К по ГОСТ 673–80. Для получения свойств более высоких групп прочности Е, Л, М, и Р применяется закалка с отпуском. Закалка в большинстве случаев производится с температуры выше Асз, а отпуск при температуре ниже Ас]. Улучшение позволяет, используя недорогие и низколегированные стали, в 1,5. .2 раза увеличить прочностные характеристики металла при высокой пластичности и хладостойкости. Вместе с тем, эксплуатация специализированных отделений термической обработки труб выявила следующие принципиальные недостатки:

— сложность и многооперационность технологии с повторением ряда операций и части оборудования трубопрокатной установки;

— малая маневренность при изменении сортамента труб и значительно более низкая производительность, чем у установок горячей прокатки;

— большая затрата энергетических и трудовых ресурсов;

— дополнительный значительный угар и повышенный расходный коэффициент металла.

В связи с этим термоупрочнение постепенно исчерпывает свои возможности и становится все более дорогостоящей операцией, что заставляет искать новые, более экономичные пути упрочнения, основанные на современных достижениях науки. т-ч и о.

В настоящее время в мировой практике сделан однозначный вывод в пользу как упрочняющей, так и умягчающей термомеханической обработки (ТМО) металлургической продукции. ТМО отвечает наиболее современным тенденциям развития технологии производства, так как обеспечивает: значительное ресурсосбережение, резкое сокращение длительности процесса, улучшение экологических условий. Многообразие возможных схем термомеханической обработки позволяет упрочнять широкий спектр типоразмеров проката и труб из различных марок сталей, выбирая в каждом конкретном случае наиболее рациональные варианты.

Термомеханическая обработка представляет собой совокупность операций нагрева, деформации и охлаждения (в различной последовательности), в результате которых формирование окончательной структуры стали, а, следовательно, и ее свойств, происходит в условиях наследования повышенной плотности несовершенств строения, созданных пластической деформацией [7−14]. В настоящее время известно несколько разновидностей термомеханической обработки: высокотемпературная (ВТМО), низкотемпературная (НТМО), механико-термическая (МТО), предварительная (ПТМО) и др. Получившая в последнее время довольно широкое распространение термомеханическая прокатка (в отечественной литературе чаще используется термин контролируемая прокатка) также считается разновидностью ТМО [13−14].

Контролируемая (термомеханическая) прокатка представляет собой технологический процесс, включающий нагрев заготовки, предварительную деформацию при температуре выше температуры рекристаллизации аустенита, окончательную деформацию в области торможения рекристаллизации аустенита, либо в двуфазной у+а области и охлаждение на воздухе. Контролируемая прокатка с ускоренным охлаждением (в зарубежной литературе-термомеханический контролируемый процесс) объединяет контролируемую прокатку с завершением деформации в аустенитной области вблизи точки Асз с последующим регламентированным ускоренным охлаждением и позволяет управлять структурообразованием в процессе как деформации, так и последеформационного охлаждения.

В последние годы и в отечественной литературе стал использоваться термин термомеханическая прокатка [14], а поскольку он более полно отражает сущность процесса, то в дальнейшем мы также будем использовать этот термин.

Процесс упрочнения непосредственно в линиях прокатных агрегатов в последнее время становится преобладающим для массовых видов металлопродукции, при этом используются наиболее экономичные варианты, органично вписывающиеся в действующие технологические линии. Внедряемые процессы не всегда можно отнести к определенным классическим схемам, поэтому в подобных случаях будем использовать обобщающий термин — термомеханическая обработка [7].

Научные и технологические основы многообразных видов термомеханической обработки хорошо изучены и изложены в фундаментальных работах [7−14], мы же, в основном, остановимся на наиболее интересующем нас вопросе практического применения ТМО, а необходимые для анализа собственных результатов литературные данные рассмотрим в главах 3, 4.

1.1. Термомеханическая обработка сортового проката.

В 1967 г. впервые в мировой практике была введена в эксплуатацию установка для термомеханического упрочнения арматурной стали на стане 250−1 металлургического комбината «Криворожсталь». При прокатке арматуры № 10 из стали 20ГС со скоростью 15 м/с, степени деформации в последней клети стана 18,8%, температуре конца прокатки 950 °C и паузе между концом прокатки и началом охлаждения 0,1с путем закалки со средней скоростью охлаждения 350°С/с в металле формировалась структура реечного дислокационного мартенсита со следующими свойствами: ав=1600 МПа, oxAA1350 МПа, 85 = 10% [16−22]. Специальные охлаждающие устройства, расположенные в линии прокатного стана, обеспечивали наряду с закалкой движущегося со скоростью прокатки металлопроката его гидротранспортирование. Они выполнены таким образом, что подаваемая в них под давлением охлаждающая жидкость (техническая вода), затягивая воздух, образует во до-воздушную смесь [21].

Дальнейшее распространение получили наиболее экономичные варианты упрочнения проката в линии стана — эффективное применение операции прерванной закалки с самоотпуском вместо отпуска со специального нагрева, требующего капитальных вложений и энергозатрат [19]. Изменяя температуру отпуска путем управления среднемассовой температурой конца ускоренного охлаждения проката, можно изменять степень упрочнения стали и уровень пластических свойств. Это происходит вследствие изменения характера распада аустенита внутренних слоев металла после завершения ускоренного охлаждения. В настоящее время установки упрочнения арматуры и фасонного проката по такому варианту работают на Криворожском, Череповецком, Западно-Сибирском, Узбекском и других заводах [22].

Термомеханическая обработка проката из малоуглеродистой и низколегированной стали по технологии прерванной закалки с прокатного нагрева с последующим самоотпуском при 580−650*аС обеспечивает высокий комплекс свойств [22]. В таблице 1.1 приведены механические свойства фасонного проката после упрочнения в потоке непрерывного стана 450 Западно-Сибирского металлургического комбината.

Таблица 1.1.

Механические свойства стали после прерванной закалки с самоотпуском при 580−650АС.

Марка Ов, МПа От, МПа 5,% КСи-'", Дж/см'.

СтЗпс 500.640 400.570 25.20 80.225.

09Г2 560.610 450.690 28.16 115.240.

В европейских странах наибольшее распространение получили способы упрочнения проката за счет создания тонкого поверхностного слоя отпущенного мартенсита и повышения дисперсности структуры в сердцевине [23−25].

Технология упрочнения по методу «Темпкор» [24, 25] была разработана в Бельгии в Центре металлургических исследований CRM (ЦРМ) в 1972 г. Сущность этого процесса заключается в целенаправленном получении заданного распределения различных структур по сечению проката путем прерванной закалки. Схематически процесс охлаждения по данному способу и вид структурной неоднородности по сечению показан на рисунке 1.

В условиях кратковременного интенсивного охлаждения закалка распространяется только на поверхностную зону, причем глубина закаленного слоя пропорциональна длительности охлаждения. После прекращения интенсивного охлаждения аустенит, контактирующий с закаленным слоем, начинает разогреваться за счет отбора тепла от объемов аустенита, расположенных ближе к центру. Превращение в поверхностных слоях описывается обычной термокинетической диаграммой, а в центральных — изотермической диаграммой распада аустенита. В процессе разогрева и последующего медленного охлаждения на воздухе в поверхностном слое происходит самоотпуск мартенсит, а в сердцевине развивается ферритно-перлитное превращение, дисперсность и объемное соотношение образующихся структур определяется температурой превращения. Изменяя параметры охлаждения и температуру самоотпуска можно получать различные комбинации макроструктуры по сечению проката и соответственно уровень упрочнения.

Типичной сталью, используемой для упрочнения по способу «Темпкор» является полуспокойная, содержащая 0,13. 0,28% С, 0,90. 1,20% Мп и 0,5%)Si. За рубежом в настоящеее время процесс термического упрочнения арматуры по способу «Темпкор» освоен на 25 металлургических предприятиях 13 стран и объем производства арматуры уже к 1984 г. был доведен до 1,6 млн. т.

На рисунке 2 показаны установки двух типов, рекомендуемые разработчиками процесса для внедрения. Первая установка (I) расположена в линии прокатного стана стационарно, а вторая (II) может перемещаться относительно оси стана, что позволяет оперативно (в течение 3.5 мин.) включать ее в технологический процесс. В связи с необходимостью жесткой экономии энергоресурсов в технологическом потоке станов производят не только упрочняющие виды обработки, но и разупрочнение, а также подготовку структуры для последующего передела изделий как из малоуглеродистой, так и высокоуглеродистой стали [26−32]. Так, например, промышленную реализацию получили различные способы («Стилмор», «Шлеманн», «Демаг», «Скет» и др.) [30−32] для повышения технологической пластичности катанки путем образования сорбитизированного перлита в условиях непрерывной прокатки, что позволило исключить перед волочением операцию патентирования. Суть этих процессов заключается в активном регулируемом охлаждении раската при движении его от чистовой клети до моталки. Необходимым условием этого процесса является исключение образования мартенсита в поверхностных слоях катанки и обеспечение перлитного распада при температуре 660.550°С. К наиболее распространенному способу сорбитизации перлита относится способ «Стилмор», особенно его.

АЛШТ млрт? иснт отлтенный .

1 10.

Время.с.

Рис. 1.1 Схема структурных превращений по методу «Темкор» [25] нжиы хадоднАьнику.

Нжим.

— А .

ТЯНУЩИЕ Боковая выдача РОАИКИ 1 J, а 1.

32 000 к.

ЖЩРЪЧМКУ.

2Л500.

Рис. 12 Принципиальные схемы расположения оборудования двух установок (I, II) для упрочнения арматуры по способу «Темпкор» [25' И модификация, предусматривающая возможность регулируемого охлаждения разложенных витков катанки [32].

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ:

1. Сформулированы основные принципы формирования структуры и свойств труб из среднеуглеродистых сталей в процессе горячей деформации и охлаждения на воздухе, которые заключаются в следующем:

— свойства стали зависят в первую очередь от объемной доли перлита и его структурных особенностей, для оценки которых предложена новая методика использования морфологического коэффициента км.

— при понижении температуры деформации в аустенитной области увеличивается количество центров зарождения феррита и повыщается его объем в продуктах распада аустенита, измельчаются размеры ферритных кристаллов и перлитных колоний, в результате компенсации этих упрочняющих и разупрочняющих факторов не происходит заметного упрочнения стали.

— при деформации в области субкритических температур в доэвтектоидном и перлитном феррите стали 37Г2С образуется развитая субструктура с размером субзерен 6,1 и 2,2 мкм соответственно, в результате субструктурного упрочнения свойства стали повыщается до группы прочности Е при одновременном повышении пластичности и хладостойкости, но при этом нагрузки на стан могут превысить допустимые нормы.

2. Определены оптимальные режимы циклического охлаждения насосно-компрессорых труб для достижения групп прочности К и Е и требуемого по ГОСТ 633–80 комплекса свойств и геометрических параметров:

— проведен количественный анализ структурного состояния металла, исследовано распределение структурных составляющих по сечению, характеризующееся наличием поверхностного слоя отпущенного мартенсита, переходного слоя и основной структуры, определяемой температурой переохлаждения.

— установлено, что нижней границей переохлаждения является температура, обеспечивающая получение максимального объема (95−98%) перлита с высокой степенью дисперсности.

— показано, что ускоренное циклическое охлаждение позволяет добиться одновременного прироста как прочностных, так и пластических характеристик и повысить механические свойства труб из стали 45 до группы прочности К, и стали 37Г2С-Е.

3. Разработана и успешно прошла промышленное опробование новая низкомарганцовистая микролегированная ниобием сталь 45ГБ и определены параметры горячей деформации и охлаждения, позволяющие добиться эффективного измельчения зерна и дисперсионного упрочнения карбонитридами, что надежно обеспечило получение уровня свойств группы прочности Е.

4. Для реализации процесса ТМО разработан принципиально новый способ охлаждения, при котором вместо традиционного вращения охлаждаемой трубы.

Организуется вращение струй охладителя. Создано охлаждающее устройство, содержащее последовательно установленные камеры охлаждения. За редукционным станом ТПА — 80 смонтирована линия ускоренного регулируемого охлаждения, состоящая из девяти вращающихся спрейеров, установленных по три на отдельных площадках с возможностью ввода в линию транспортировки труб необходимого количества спейерных установок в любом наборе.

5. Для обеспечения стабильного качества труб при промышленной реализации ТМО разработан комплекс систем и устройств: система управления темпом прокаткисистема автоматического регулирования температуры трубы в линии индукционного подогрева, устройства, исключающие попадание воды внутрь трубы и переохлаждения концевых участков.

6. Разработан способ расчета, алгоритм и программа определения температурных полей по толщине стенки трубы при регламентированном ускоренном охлаждении. С использованием математической модели получена картина распределения температуры по толщине стенки и температура сомоотпуска для труб размером 73,0×5,5 мм из стали 37Г2С в заданных условиях охлаждения.

7. В результате выполненных исследований создана и освоена первая в России линия термической обработки насосно-компрессорных труб, разработана технология упрочнения в линии ТПА-80, утверждена технологическая инструкция на серийное производство труб групп прочности К из стали 37Г2С и Е из стали 45ГБ. Годовой экономический эффект от внедрения линии ТМО В ОАО «Синарский трубный завод» составил 45,8 млн. рублей.