Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Металловедение и термическая обработка металлов

Диссертационная работа:

Носоченко Александр Олегович. Исследование влияния углерода на центральную химическую и структурную неоднородность и комплекс свойств низколегированных трубных сталей : Дис. ... канд. техн. наук : 05.16.01 : Москва, 2003 180 c. РГБ ОД, 61:03-5/2593-X

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

ВВЕДЕНИЕ 5

Глава I. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 14

1.1. Формирование макроструктуры непрерывнолитых слябов и методы
воздействия на процессы ликвации, протекающие в них при
затвердевании 14

  1. Формирование структурных зон непрерывнолитого сляба и химической неоднородности 14

  2. Факторы, оказывающие влияние на центральную химическую и структурную неоднородность 19

  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. Механизм инициируемого водородом растрескивания 36

  2. Адсорбция водорода 36

  3. Контроль образования неметаллических включений 37

  4. Предотвращение образования ликвации 38

1.3. Влияние базового состава и микролегирующих элементов на

свариваемость малоуглеродистых низколегированных сталей 41

Заключение по главе 44

Глава П. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ 46

  1. Обоснование выбора исследуемых сталей 46

  2. Методы лабораторных и промышленных исследований 52

2.2.1. Методы изучения центральной химической и структурной
неоднородности металла опытных плавок 52

2.2.2. Определение механических свойств готового проката 55

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

  1. Влияние содержания углерода на макроструктуру слябов и готовых листов из низколегированных трубных сталей 67

  2. Зависимость центральной химической неоднородности базовых элементов в слябах и листах от общего содержания углерода в стали 72

  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

  1. Исследование стойкости против водородного растрескивания (в.p.)...90

  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

  1. Разработка химического состава 120

  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 к работе:

Одним из наиболее перспективных направлений в развитии черной металлургии является производство толстолистового проката для электросварных газопроводных труб большого диаметра. На протяжении многих лет наблюдается постоянный рост требований газовой и трубной промышленности к комплексу механических и технологических свойств газопроводных труб большого диаметра и листовой стали для их изготовления. Некоторые из ранее разработанных сталей не в полной мере удовлетворяют современным требованиям в отношении величины ударной вязкости при температурах эксплуатации трубопроводов, сопротивления хрупкому разрушению, сегрегационной химической и структурной однородности. В новых требованиях большая роль отводится также улучшению свариваемости металла в заводских и полевых условиях.

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, 08Г2ФБиОЗГ1Б.

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 ликвационнои 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 (НІС) (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

п )

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 15С/с, для стали 08Г1Б -от 15 до 100С/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 > +20С (+20С), для 08Г1Б > 0С (- 5С), для ОЗПБ > - 30С (- 40С).

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 (НІС) 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 НгБ-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.

Подобные работы
Грюнвальд Татьяна Михайловна
Термомеханическое упрочнение сталей для металлических конструкций с деформацией в межкритическом интервале с целью повышения комплекса их механических свойств
Шкурков Андрей Юрьевич
Исследование усталостных свойств сталей для прямоточных клапанов поршневых компрессоров
Кисин Виктор Иванович
Исследование физических свойств сталей пониженной и регламентированной прокаливаемости и разработка на этой основе средств контроля качества поверхностной закалки с глубинным индукционным нагревом
Скрипко Алексей Леонидович
Исследование влияния термической предыстории машиностроительных сталей на долговечность металлоконструкций
Цыганова Мария Сергеевна
Исследование влияния пористости на кинетические параметры распада аустенита порошковых сталей с целью прогнозирования структуры после термообработки
Коновальцев Владислав Иванович
Изменение фазового состава и свойств сталей в процессе азотирования и его влияние на работоспособность деталей резинотехнического машиностроения
Матросов Максим Юрьевич
Влияние ускоренного охлаждения после термомеханической обработки на структурообразование и свойства сталей для труб большого диаметра
Марченко Валерий Николаевич
Особенности изменения свойств конструкционных сталей, полученных из продуктов прямого восстановления железа
Ложников Юрий Игоревич
Горячая деформация, структура и свойства азотсодержащих сталей различного назначения
Худорожкова Юлия Викторовна
Структура и свойства валковых сталей с 5% хрома и выбор рациональных режимов их термообработки

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net