МЕТОДЫ УПРОЧНЕНИЯ ТРУБНЫХ СТАЛЕЙ

Филипенко Елизаветы Владимировны

студент гр. 3 курса, ГБОУ СПО СО «Первоуральский металлургический колледж» г. Первоуральск

E-mail: cher-ev@mail.ru

Щербинина Е.В.

преподаватель спец. дисциплин ВКК, руководитель г. Первоуральск

Металлургическая промышленность — одна из крупнейших отраслей народного хозяйства и находится на втором месте после нефтегазового комплекса по объему экспортной выручки.

В последние годы уровень развития черной металлургии России значительно повысился. Это связано, прежде всего, со значительными объемами финансовых инвестиций, направляемых на модернизацию производства крупнейшими предприятиями отрасли [1].

Одной из основных отраслей металлургического комплекса является трубное производство.

Трубы изготавливаются промышленным способом, из металлов и сплавов, органических материалов (пластмасс, смол), бетона, керамики, стекла, древесины и их композиций.      

Трубы применяются для транспортировки различных сред, изоляции или группировки иных проводов. Металлическая труба широко применяется в строительстве, как конструкционный профиль, в механизмах — как вал для передачи вращения и т. д.

Трубы классифицируются по способу производства (прокатные-бесшовные, прессованные, сварные стальные и литые).

Широкое применение в промышленности нашли трубы, изготовленные из разных марок сталей.

Существует несколько способов упрочнения трубной стали, которые имеют широкое применение в производстве:

1.  Термомеханическая обработка заключается в пластическом деформировании аустенита с последующей закалкой на мартенсит и низким отпуском.

2.  Поверхностная закалка состоит в нагреве поверхностного слоя стали выше точки Ас₃ с последующим охлаждением для получения высокой твердости и прочности в поверхностном слое детали в сочетании с вязкой сердцевиной. Нагрев под закалку производят токами высокой частоты, пламенем газовых или кислородно-ацетиленовых горелок, а также лазерным излучением.

3.  Обработка холодом  проводится для повышения твёрдости стали путем перевода остаточного аустенита закаленной стали в мартенсит. Это выполняется при охлаждении стали до температуры нижней мартенситной точки.

4.  Упрочнение поверхности методом пластического деформирования — происходит наклеп поверхности детали в результате холодной деформации, позволяющий повысить ее усталостную прочность.

5.  Химико-термическая обработка — тепловая обработка металлов в различных химически активных средах с целью изменения химического состава и структуры поверхностного слоя металла, повышающих его свойства. К этой обработке относятся цементация, нитроцементация азотирование, цианирование — цель: твёрдости, износостойкости и предела выносливости на поверхности детали; диффузионная металлизация (алитирование, силицирование, хромирование и т. д.) — цель: повышение коррозионной стойкости поверхности при работе в разных коррозионных средах [5].

Инновационные методы, применяемые для упрочнения трубной стали.

Контролируемая прокатка.

Это разновидность процесса высокотемпературной термомеханической обработки сталей и сплавов, характеризующегося регламентированным, в зависимости от химического состава, условиями нагрева металла, температурными и деформационными параметрами процесса и заданными режимами охлаждения металла на различной стадии пластической обработки.

В результате: эта технология позволяет получать оптимальные сочетания прочностных и вязких свойств готового проката без использования термической обработки и при более низком расходе дефицитных легирующих добавок.

Основной принцип контролируемой прокатки заключается в измельчение аустенитного, а, следовательно, и ферритного зерна, что приводит к одновременному повышению прочности и вязкости стали.

Контролируемая прокатка имеет 3 стадии получения трубной стали: деформация в зоне рекристаллизации аустенита, деформация некристаллизующегося аустенита и деформация в двухфазной аустенитно-ферритной области. Исследования показали, что в процессе прокатки в чистовой клети при температуре ниже Аr₃ на механические свойства оказывает влияние дислокационное, субструктурное и текстурное упрочнение. Основные различия между обычной и контролируемой прокаткой состоит в том, что при контролируемой прокатке деформационные полосы разделяют аустенитные зерна на несколько блоков. Граница каждого блока является источником зарождения ферритных зерен. В результате из аустенитного зерна одинаковой величины при контролируемой прокатке образуются более мелкие ферритные зерна, чем при обычной горячей прокатке, когда зарождение ферритных зерен осуществляется на границах аустенитных. Кроме того, увеличение числа активных центров зарождения феррита ускоряет процесс — превращения, в результате чего снижается вероятность выделения бейнитной структуры, придающей низкую вязкость стали   ^[4].  

В практике прокатного производства осуществляются мероприятия, повышающие точность размеров детали:

1)  применение жестких клетей, обеспечивающих минимальные упругие деформацииппрокатнойкклети;

2) улучшение конструкции нагревательных печей и качества нагрева, позволяющие поддерживать равномерную температуру по сечению заготовки и разныххзаготовок;

3)  применение оптимального охлаждения полос, компенсирующего повышение температуры валков под действием тепла нагретых полос и тепла, выделяющегося при пластической деформации;

4)  увеличение твердости рабочей поверхности валка;

5)  равномерная деформация металла в калибрах и уменьшение давления при прокатке применением оптимальных калибровок прокатных валков, использованием в прокатных клетях современных подшипников качения и жидкостного трения, оснащением станов непрерывной прокатки постоянно действующими устройствами для контроля межклетевого натяжения проката и т. д.

Рисунок 1 Схема влияния температуры деформации при контролируемой прокатке на морфологию аустенитного зерна и ферритно-перлитную структуру в малоуглеродистых микролегированных сталях.

Малоуглеродистые стали с комплексным упрочнением и гетерофазной структурой, содержащей продукты низкотемпературного распада аустенита.

Стали со структурой, содержащей полигональный феррит, бейнит и мелкие островки мартенсита (остаточного аустенита), имеют непрерывную диаграмму растяжения без площадки текучести. В противоположность сталям с ферритно-перлитной структурой это может обеспечивать заметное деформационное упрочнение в процессе производства, обнаруживая увеличение прочности металла трубы по сравнению с заготовкой, что расширяет перспективы применение сталей данного класса. Уменьшить площадку текучести и усилить тенденцию к образованию плавной диаграммы растяжения можно в результате замены перлита бейнитом при наличии мартенситно-уастенитной составляющей. Следует отметить, что в значительной степени снижение передела связано с действием остаточных напряжений на макроуровне. В связи с этим влияние микроструктуры проявляется более сложно, что требует отдельного рассмотрения. В листах толщиной до 12—15 мм площадку текучести можно устранить при условии выполнения соотношения:

32,5 Mo + 10 (Mn + Cr) +2.5 Ni > 23

К сожалению, российские металлурги пока ещё не полностью готовы к промышленному производству листа и рулона из сталей данного класса, в то время как в мировую практику строительства трубопроводов уже входит применение труб класса точности Х100 и Х120.

Очевидно, что малоуглеродистые стали нового поколения, прочность которых обеспечивается за счёт формирования низкотемпературных продуктов превращения, отличаются уникальным комплексом свойств по сравнению с феррито — перлитными с дисперсионным и субструктурными упрочнениями. Уровень свойств ферритно-перлитных (малоперлитных) сталей в значительной степени определяется степенью упрочнения феррита вследствие создания субструктуры и выделения в нём карбидонитридов, главным образом ванадия [3].

Заключение.

В последнее время в России наблюдается стабильный рост производства стальных труб. В потреблении отдельных видов стальных труб сохраняются тенденции предыдущих лет: снижение потребления сварных труб малого и среднего диаметра и увеличение потребления сварных труб большого диаметра и бесшовных труб нефтяного сортамента, используемых для добычи и транспортировки газа и нефти; будет продолжаться вытеснение бесшовных труб сварными, производство которых уже сегодня достигло 64 % общего объёма производства труб.

В ближайшие годы российские производители будут активно модернизировать оборудование, вводить в эксплуатацию новые мощности по производству качественной заготовки и по выпуску труб, отвечающих мировым стандартам.

Будущее мировой российской промышленности — за внешним и внутренним рынками. На внешнем рынке уровень уже достигает до 25 % производимых в стране труб; на внутреннем рынке тоже хорошие перспективы с учётом лидирующих позиций России в области запасов нефти и газа, больших расстояний их транспортировки и реализации ряда крупных трубопроводных проектов.

Необходимость повышения конструктивной прочности сталей определяет переход к высокоточным, наукоёмким металлургическим технологиям. Для труб высоких классов прочности очевидна перспектива малоуглеродистых сталей с комплексным упрочнением и гетерофазной структурой, содержащей продукты низкотемпературного распада аустенита и применение технологии контролируемой прокатки, которая позволяет получать оптимальные сочетания прочностных и вязких свойств готового проката без использования термической обработки и при более низком расходе дефицитных легирующих добавок.

Освоение производства такой продукции требует качественного изменения основных мощностей отечественных металлургических предприятий на основе использования современных технологий, получивших широкое применение в мировой практике.

Список литературы:

1.Агентство экономической информации «Прайм»

2.Аналитический портал «Мониторинг цен»

3.Бронфин Б.М., Емельянов А.А., Швейкин В.П. Двухфазные феррито-мартенситные стали, упрочненные карбидами ванадия / Химия, технология и применение ванадиевых соединений: Тезисы докладов IV Всесоюзного совещания. Нижний Тагил, 1982. С. 106.

4.Бронфин Б.М., Емельянов А.А., Швейкин В.П. Субструктурное упрочнение двухфазных феррито-мартенситных сталей // Субструктурное упрочнение металлов и дифракционные методы исследования. Киев: Наукова Думка. 1985. С. 133—135.

5.Грачёв С.В., Бараз В.Р., Богатов А.А., Швейкин В.П. Физическое металловедение. Учебник для вузов. Екатеринбург. Изд. 2, доп. И испр. Изд-во УГТУ-УПИ, 2001, с. 534.