DE112013006498T5 - Längsgeschweißtes Stahlrohr der 500 MPa-Güteklasse mit einem niedrigen Streckgrenzenverhältnis und Herstellungsverfahren dafür - Google Patents

Längsgeschweißtes Stahlrohr der 500 MPa-Güteklasse mit einem niedrigen Streckgrenzenverhältnis und Herstellungsverfahren dafür Download PDF

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Abstract

Längsgeschweißtes Stahlrohr der 500 MPa-Güteklasse mit einem niedrigen Streckgrenzenverhältnis und Herstellungsverfahren hierfür, wobei die Bestandteile des Stahlrohrs in Gewichtsprozente 0,11 %–0,16 % C, 0,15 %–0,35 % Si, 0,8 %–1,5 % Mn, 0,06 %–0,15 % V, 0,002 %–0,04 Al, 0 %–0,05 % Ti und 0 %–0,05 % Nb sind sowie der Rest Fe und unvermeidbare Unreinheiten, wobei das Kohlenstoffäquivalent Ceq nicht größer als 0,4 % ist. Gemäß der obigen Komponentenzusammensetzung wird geschmolzener Stahl in einem Konverter oder elektrischem Brennofen verhüttet und zu einer Platte geformt. Die Platte wird auf 1200 °C bis 1300 °C erhitzt und zu einem Blechstreifen gewalzt, wobei die Walztemperatur des Blechstreifens am Ende 840 °C bis 940 °C beträgt. Der gewalzte Blechstreifens wird einer laminaren Fließkühlung mit einem Wasservorhang zugeführt, wobei die laminare Fließkühlung eine rückseitige Kühlung anwendet und wird, wenn er auf einen Temperaturbereich von 500 °C bis 560 °C abgekühlt ist, zu einer Blechrolle gewickelt, wobei die Schweißnähte nach einer Schweißformung bei einer Heiztemperatur von 950 °C ± 50 °C wärmebehandelt werden. Das Stahlrohr gemäß der vorliegenden Erfindung weist hervorragende Schweißeigenschaften, eine hohe Festigkeit und Widerstandfähigkeit, ein niedriges Streckgrenzenverhältnis, usw. auf, wobei die Streckgrenze des Stahlrohrs größer als 500 MPa und dessen Streckgrenzenverhältnis kleiner 0,85 ist.

Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Stahlkonstruktionsrohrs und insbesondere betrifft sie ein längsgeschweißtes Stahlrohr mit einem niedrigen Streckgrenzenverhältnis, wobei dessen Streckgrenze einer Güteklasse von 500 MPa entspricht, und mit hervorragenden Schweißeigenschaften, sowie ein Herstellungsverfahren hierfür.
  • Stand der Technik
  • Kohlenstoffarme Stähle und niedriglegierte Stähle mit einer Streckgrenze von 235–345 MPa wurden seit langem in Stahlkonstruktionsstrukturen in China verwendet. Gegenwärtig wurde die Streckgrenzengüteklasse von niedriglegiertem Stahl durch „Ministry of Construction of the Peoples Republic of China: Code for design of steel structures“ GB 500 17-2003 auf 460 MPa ausgedehnt. Ein Stahlkonstruktionsrohr mit einer hohen Streckgrenzengüteklasse wird verwendet um die Wandstärke der Stahlstruktur zu verkleinern und Kosten zu sparen, aber eine Stahlstruktur mit einer niedrigen Wandstärke neigt zu lokalen bzw. insgesamt zu Festigkeitsinstabilitäten, die folglich das Verringern der Wandstärke einer Stahlstruktur begrenzen. Die Vorteile eines Stahlkonstruktionsmaterials mit einer hohen Festigkeitsgüteklasse können deswegen nicht voll ausgenutzt werden. Eine dringende Aufgabe beim Entwickeln von Konstruktionsstahl mit einer hohen Festigkeitsklasse ist es daher, das Problem von Festigkeitsinstabilitäten bei einer Stahlstruktur mit einer niedrigen Wandstärke zu lösen. Ein Stahlrohr mit einer niedrigen Wandstärke und einer hohen Festigkeitsgüteklasse wird mit Beton gefüllt, um eine hochfeste Stahlrohr-Betonstruktur zu bilden, bei der das Stahlrohr und der Beton zusammenwirken, wobei der Beton dessen Festigkeit signifikant erhöht und das Problem der Festigkeitsstabilität der Struktur löst. Weil eine hochfeste Stahlrohr-Betonstruktur die Vorteile eines hochfesten Stahlmaterials und eines hochfesten Betons voll ausnutzen kann, Kosten spart und den Bauablauf beschleunigt, ist es ein technischer Wachstumsfaktor, der das Entwicklungspotential zum Ausbauen des Marktes für Konstruktionsstähle mit hohen Festigkeitsgüteklassen aufweist.
  • Im Vergleich mit nahtlosen Rohren hat ein geschweißtes Rohr die hervorragenden Merkmale einer hohen Produktionseffizienz, einer guten Maßgenauigkeit, einem großen Bereich von technischen Eigenschaften, niedriger Kosten, etc. und ist daher die von Herstellern und Ölbohrfeldarbeitern bevorzugte Art und wird von dem Markt bevorzugt. Der Herstellungsprozess für ein widerstandsgeschweißtes (ERW)-Rohr umfasst: Stahl herstellen, kontinuierliches Formen, Warmwalzen zu einer Blechrolle, Biegen und Stoßschweißen der Enden der Blechrolle, Formen zu einem Blechband, mitlaufendes Schweißen, Wärmebehandeln der Schweißnähte oder Wärmebehandeln des ganzen Rohres, Weiterverarbeiten des Rohres, Durchführen der Endkontrolle usw. Der Verarbeitungsschritt des Biegens und Stoßschweißens der Enden der Blechrolle ist der Schlüsselschritt in der Herstellung zum Verwirklichen einer kontinuierlichen Herstellung mit mehreren Rollen, der die Herstellungseffizienz von widerstandsgeschweißten (ERW) Rohren wiederspiegelt. Allerdings setzt das Stoßschweißen der Enden von Blechrollen voraus, dass der Kohlenstoffanteil in dem Material niedrig ist. Anderenfalls würde es dazu neigen, Streifenabrisse eines Stahlblechs zu verursachen, die die Produktionseffizienz ernsthaft beeinflussen. Darüber hinaus geht die Verwendung eines hochfesten Stahlrohrzentrifugalbetonelements als eine Pfahlgründungskonstruktion mit einer großen Druckbelastung einher, die es erforderlich macht, dass das Stahlrohr gleichzeitig eine hervorragende Festigkeit, Härte und eine niedrige Streckgrenzengüteklasse aufweist. Auch erfordert es, dass die Schweißnähte des Stahlrohrs hervorragende mechanische Eigenschaften haben. Folglich ist es erforderlich, dass das Kohlenstoffäquivalent Ceq des Materials nicht größer als 0,4 ist.
  • Das japanische Patent JP 56035749 A schlägt ein Verfahren für ein ERW-Mantelrohr vor, wobei die Komponenten des Mantelrohrs keine verstärkenden Elemente aus Ti, Nb, V, Cr oder ähnlichem enthält. Obwohl die Hochfestigkeitsanforderung erfüllt werden konnte, erreichte der Si-Anteil bis zu 1 Prozent, sodass sich graue Punkte beim Schweißen auf der Schweißnaht auszubilden neigten, die ernsthaft die Qualität der Schweißnähte beeinträchtigen. Der Kohlenstoffanteil erreichte bis zu 0,8, was ein Biegen und Stoßschweißen unmöglich macht.
  • In den japanischen Patenten JP 09029460 A , JP 54097523 A , JP 56069354 A und JP 59047364 A wurde Cu hinzugefügt und die Herstellungsvoraussetzungen eines hochfesten Mantelrohrs können auch erfüllt werden. Da Cu aber bei Zimmertemperatur in Ferrit im Wesentlichen unlöslich ist und in der Form von ε-Cu oder flächenzentriertes kubisches α-Cu ausfällt, hat der Festigungseffekt von Stahl eine hohe Sensibilität gegenüber der Kühlrate, was es schwierig macht, die Eigenschaften des heißgewalzten Bleches in dem kontrollierten Walz- und Abkühlprozess bei der Herstellung eines heißgewalzten Bleches stabil zu steuern.
  • Das japanische Patent JP 57131346 A stellt ein geschweißtes Rohr mit einer Widerstandsfähigkeit gegenüber einer auskehlenden Korrosion bereit, wobei, um die Erzeugung von MnS zu reduzieren und basierend auf dem Einstellen des S-Anteils auf ein niedriges Niveau, wurden mehr als ein Element aus Cu, Ni, Al und Cr und sogar noch schädigenderen Elemente aus As, Sb, Sn, Bi oder Ähnlichem hinzugefügt, oder mehr als ein Element aus Ti, Nb, Zr, V oder Ähnlichem weiter hinzugefügt, sodass die Anforderung einer hohen Festigkeit und Steifigkeit von 500 MPa der vorliegenden Erfindung nicht annähernd erreicht werden kann. Die japanischen Patente JP 58093855 A und JP 59096244 A beinhalten beide einen teuren Ni-Anteil, was relative hohe Legierungskosten verursacht. Zusätzlich haben die japanischen Patente JP 57131346 A und JP 58093855 A relativ hohe Si-Anteile, die ein Erreichen von hervorragenden Schweißnahteigenschaften schwierig machen.
  • Obwohl die in den chinesischen Patenten CN 200710038400.1 und CN 200310104863 enthaltenen die Leistungsanforderungen einer hohen Festigkeit und eines niedrigen Streckgrenzenverhältnisses erreichen können, können diese aufgrund des hohen Anteils von C und einem Kohlenstoffäquivalents von größer als 0,4 nur die Anforderungen des Biegens und des Stoßschweißens erfüllen und ein kontinuierliches Fortschreiten der Herstellung ermöglichen, aber es ist schwierig, hervorragende Schweißnahteigenschaften zu erzielen, sodass es der großen Druckbelastung, die einem Pfahlrohr ausgesetzt ist, nicht standhalten kann. Die in dem chinesischen Patent CN 200310104863 bereitgestellte Stahlart kann auch die 500 MPa Anforderung erfüllen. Da die Komponenten jedoch zu einfach sind, kann es nur die erforderlichen mechanischen Eigenschaften unter einer Wickeltemperatur von 430°C–470°C erzielen. Bei einer solch niedrigen Wickeltemperatur ist es umso schwieriger, die stabile Kontrolle der Eigenschaften eines heißgewalzten Bleches zu verwirklichen.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein längsgeschweißtes Stahlrohr der 500 MPa-Güteklasse mit einem niedrigen Streckgrenzenverhältnis sowie ein Herstellungsverfahren hierfür bereitzustellen, welches die Eigenschaften einer Pfahlgründungskonstruktion erfüllt, die eine Belastung aushält und die Merkmale einer hervorragenden Schweißeigenschaft, einer hohen Festigkeit und Härte, eines niedrigen Streckgrenzenverhältnisses, usw. aufweist, wobei dessen Streckgrenze größer als 500 MPa und das Streckgrenzenverhältnis kleiner als 0,85 ist.
  • Zum Erfüllen der obigen Aufgabe liegt die technische Lösung der vorliegenden Erfindung darin, dass:
    Bei der Materialzusammensetzung wendet die vorliegende Erfindung einen niedrigen Kohlenstoffanteil an, behält einen geeigneten Mn-Anteil bei und fügt eine geeignete Mengen von Mikrolegierungselementen aus V, Ti, Nb und Ähnlichem hinzu, durch deren Effekte in dem kontrollierten Walz- und Kühlprozess die Festigkeit gesteigert wird, um so ein Stahlrohr mit einer hohen Festigkeit und Härte sowie einem niedrigen Streckgrenzenverhältnis zu erhalten.
  • Insbesondere für das längsgeschweißte Stahlrohr der 500 MPa-Güteklasse mit einem niedrigen Streckgrenzenverhältnis gemäß der vorliegenden Erfindung sind die Gewichtsprozente der Bestandteile wie folgt:
    C 0,11 %–0,16 %
    Si 0,15 %–0,35 %
    Mn 0,8 %–1,5 %
    V 0,06 %–0,15 %
    Al 0,002 %–0,04 %
    Ti 0 %–0,05 %
    Nb 0 %–0,05 %,
  • sowie der Rest Fe und unvermeidbare Unreinheiten, wobei das Kohlenstoffäquivalent Ceq nicht größer als 0,4 % ist.
  • In der Materialzusammensetzung der vorliegenden Erfindung:
    ist vorgesehen, dass das Kohlenstoffäquivalent Ceq der Komponenten nicht größer als 0,4 % ist, was nicht nur die Anforderungen des Biegens und Stoßschweißens erfüllt, sondern auch das Erreichen von hervorragenden Schweißnahteigenschaften ermöglicht.
  • Für C, da der C-Gehalt zunimmt, sinkt die Schweißfähigkeit und konsequenterweise sollte der C-Anteil in Gewichtsprozent nicht größer als 0,16 % sein, wobei ein allzu niedriger C-Anteil der Festigkeit des Materials entgegenwirken wird, sodass der Kohlenstoffanteil 0,11 %–0,16 % sein sollte.
  • Si wird in Ferrit feststoffgelöst, um die Streckgrenze des Stahls zu verbessern und der Anteil hiervon sollte nicht zu hoch und auf 0,15 % bis 0,35 % eingestellt werden.
  • Mn wird in Ferrit weitgehend aufgelöst für das Stärken und für das Verbessern der Festigkeit des Ferrits verwendet, aber wenn der Mn-Anteil zu hoch ist, wird eine Ausfällung kritisch und es bildet sich lokal Martensit, sodass der Mn-Anteil 0,8 Gew.-%–1,5 Gew.-% betragen sollte.
  • Für V fallen Vanadiumkohlenstoffnitride aus Ferrit aus mit den Funktionen der Ferritstabilisierung und der Verzögerung der Bainit-Phasenumwandlung, die zum Verbessern der Festigkeit des Materials in dem gesteuerten Kühlprozess geeignet sind, während sie die mechanischen Eigenschaften der Schweißnähte verbessern und daher sollte der V-Anteil 0,06 Gew.-%–0,15 Gew.-% betragen.
  • Al ist ein traditionelles Element zum Deoxidieren und Fixieren von Stickstoff; es bildet AlN und kann austenitische Körner verfeinern. Es ist vorteilhaft zum Verbessern der Widerstandsfähigkeit des Materials und daher sollte ein Anteil von 0,002 Gew.-% bis 0,04 Gew.-% angewandt werden.
  • Ti ist ein starkes Carbonnitrid bildendes Element, wobei das gebildete TiN und TiC austenitische Körner sowohl beim Durchwärm- als auch beim Wiederaufwärmprozess verfeinern kann. Es verbessert die mechanischen Eigenschaften der Schweißnähte und falls der Anteil hiervon zu hoch ist, neigt es dazu, grobkörniges TiN zu bilden, das nicht die Zwecke seines Hinzufügens erfüllt. Der Ti-Gehalt sollte 0 Gew.-%–0,05 Gew.-% betragen.
  • Nb ist ein stark Carbonnitrid bildendes Element, was die Rekristallisierung von Austenit beim Warmwalzen verzögert, um Körner zu verkleinern. Es kann das Wachstum von austenitischen Körnern in dem Wiederaufwärmprozess verhindern und so die Festigkeit und Widerstandsfähigkeit des Materials verbessern. Es sollte bei mit einem Gehalt von 0 Gew.-% bis 0,05 Gew.-% angewendet werden.
  • Gemäß dem obigen Zusammensetzungsschema der Legierung wird geschmolzener Stahl einer Verhüttung in einem Konverter oder elektrischem Brennofen unterzogen und zu einer Platte geformt. Die Platte wird auf 1200 °C bis 1300 °C erhitzt und zu einem Blechstreifen gewalzt, wobei die Walztemperatur des Blechstreifens am Ende 840 °C bis 940 °C beträgt. Der gewalzte Blechstreifen wird einer laminaren Fließkühlung mit einem Wasservorhang unterzogen, wobei die laminare Fließkühlung eine rückseitige Kühlung anwendet, wobei die Anzahl von geschlossenen Kühlwasserventilen in dem vorderen Bereich, die 15 % bis 40 % der Gesamtanzahl von Kühlwasserventilen beträgt, sodass der gewalzte Blechstreifen innerhalb von 30 Sekunden auf einen Temperaturbereich von 500 °C bis 560 °C gekühlt wird, wobei er zu einer Blechrolle gewickelt und zum langsamen Kühlen gestapelt wird, wobei die Schweißnähte nach einer Schweißformung bei einer Heiztemperatur von 950 °C ± 50 °C wärmebehandelt werden.
  • Die chemischen Komponenten der vorliegenden Erfindung gehören zu mikrolegiertem Kohlenstoffmanganstahl. Legierungskomponenten sind in Austenit bei einem Walztemperaturbereich von 1300 °C bis 840°C vollständig festkörperlösbar. Die rückseitige Kühlweise ist für das Wachstum von Austenitkörnern zu bevorzugen und das rasche Abkühlen mit einem Wasservorhang unterdrückt das Ausfällen von Karbiden und das Auftreten von Phasenübergängen von Austenit zu Ferritperlit, sodass der Phasenübergang und Ausfällung von Carbiden in dem supergekühlten Austenit bei einer Wickeltemperatur von 500 °C bis 560 °C gebündelt wird, wodurch eine Mikrostruktur aus Ferrit und feinen Karbiden mit einer zerstreuten Verteilung erzeugt wird und so gewährleistet, dass das Material die Merkmale einer hohen Festigkeit und auch eines niedrigen Streckgrenzenverhältnisses aufweist.
  • Die vorliegende Erfindung hat die nachfolgend aufgeführten vorteilhafte Wirkungen:
    Das Kohlenstoffäquivalent der Legierungskomponente der vorliegenden Erfindung und der Legierungsanteil sind niedrig; sie enthält keine teuren Legierungselemente aus Mo, Ni oder Ähnlichem; nur eine Wärmebehandlung der Schweißnähte wird benötigt und die Herstellungskosten eines Stahlrohrs ist weniger kostenintensiv, was signifikante ökonomische und soziale Vorteile hat.
  • Detaillierte Beschreibung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend weiter im Zusammenhang mit einigen Ausführungsformen beschrieben.
  • Die Komponenten der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können der Tabelle 1 aus 1 entnommen werden, wobei der Rest Fe ist. Die Herstellungsverfahren und Eigenschaften der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können der Tabelle 2 aus 2 entnommen werden.
  • Wie in Tabelle 2 gezeigt waren durch die Übernahme Zusammensetzung der chemischen Komponenten und des Herstellungsprozesses gemäß der vorliegenden Erfindung die Streckgrenze des Materials größer als 500 MPa, das Streckgrenzenverhältnis kleiner als 0,85, die gesamte Aufprallenergie größer als 100 J und dessen mechanischen Eigenschaften stabil.
  • Nach dem Biegen, Stoßschweißen, Blechrollen bilden und den ERW-Rohr-Herstellen, wurde ein hochfestes ERW-Stahlrohr durch den Produktionsprozess einer Wärmebehandlung der Schweißnähte oder Ähnlichem hergestellt, wobei die Festigkeit aller Beispiele 1 bis 5 die Anforderung an die Streckgrenze von größer 500 MPa erfüllt. Vergleichsbeispiel 1 wies einfache Komponenten auf und enthielt nicht das Element V, sodass es zum Erreichen der Anforderung der Streckgrenze von größer 500 MPa bei der Wickeltemperatur gemäß der vorliegenden Erfindung ungeeignet ist. Vergleichsbeispiel 2 wies einen höheren C-Anteil auf und die Auftreffwiderstandsfähigkeit des Materials nahm signifikant ab. Vergleichsbeispiel 2 ist zum Erreichen der strengen Anforderungen an die Druckbelastung des Stahls für eine Pfahlgründungskonstruktion ungeeignet. Man kann erkennen, dass mit den entwickelten chemischen Komponenten und dem Herstellungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ERW-Stahlrohre, die die hohen Eigenschaftsanforderungen an die Streckgrenze von größer 500 MPa erfüllen, stabil hergestellt werden können.

Claims (2)

  1. Längsgeschweißtes Stahlrohr der 500 MPa-Güteklasse mit einem niedrigen Streckgrenzenverhältnis, dessen Bestandteile in Gewichtsprozent die Nachfolgenden sind: C 0,11 %–0,16 % Si 0,15 %–0,35 % Mn 0,8 %–1,5 % V 0,06 %–0,15 % Al 0,002 %–0,04 % Ti 0 %–0,05 % Nb 0 %–0,05 %, sowie der Rest Fe und unvermeidbare Unreinheiten, wobei das Kohlenstoffäquivalent Ceq ≤ 0,4 % ist, und wobei das Stahlrohr mit dem folgenden Verfahren hergestellt wird: Verhütten von geschmolzenem Stahl in einem Konverter oder elektrischem Brennofen und Formen von diesem zu einer Platte, Erhitzen der Platte auf 1200 °C bis 1300 °C und Walzen von dieser zu einem Blechstreifen, wobei die Walztemperatur des Blechstreifens am Ende 840 °C bis 940 °C beträgt, Abkühlen des gewalzten Blechstreifens in einer laminaren Fließkühlung mit einem Wasservorhang, wobei die laminare Fließkühlung eine rückseitige Kühlung anwendet und die Anzahl von geschlossenen Kühlwasserventilen in dem vorderen Bereich 15 % bis 40 % der Gesamtanzahl von Kühlwasserventilen beträgt, und wobei der gewalzte Blechstreifen innerhalb von 30 s auf einen Temperaturbereich von 500 °C bis 560 °C gekühlt wird, Wicklen des Blechstreifens zu einer Blechrolle und, nach einer Schweißformung, Wärmebehandeln der Schweißnähte bei einer Heiztemperatur von 950 °C ± 50 °C, wobei die Streckgrenze des Stahlrohrs größer als 500 MPa und dessen Streckgrenzenverhältnis kleiner als 0.85 ist.
  2. Verfahren zum Herstellen eines längsgeschweißten Stahlrohrs der 500 MPa-Güteklasse mit einem niedrigen Streckgrenzenverhältnis, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: Verhütten von geschmolzenem Stahl in einem Konverter oder elektrischem Brennofen und Formen von diesem zu einer Platte, dessen Komponenten in Gew.-%: 0,11 %–0,16 % C, 0,15 %–0,35 % Si, 0,8 %–1,5 % Mn, 0,06 %–0,15 % V, 0,002 %–0,04 % Al, 0 %–0,05 % Ti und 0 %–0,05 % Nb sind sowie der Rest Fe und unvermeidbare Unreinheiten, wobei das Kohlenstoffäquivalent Ceq nicht größer als 0,4 % ist, Erhitzen der Platte auf 1200 °C bis 1300 °C und Walzen von dieser zu einem Blechstreifen, wobei die Walztemperatur des Blechstreifens am Ende zwischen 840 °C bis 940 °C beträgt, Abkühlen des gewalzten Blechstreifens in einer laminaren Fließkühlung mit einem Wasservorhang, wobei die laminare Fließkühlung eine rückseitige Kühlung anwendet und die Anzahl von geschlossenen Kühlwasserventilen in dem vorderen Bereich 15 % bis 40 % der Gesamtanzahl von Kühlwasserventilen beträgt, wobei der gewalzte Blechstreifen innerhalb von 30 s auf einen Temperaturbereich von 500 °C bis 560 °C gekühlt wird, Wickeln des Blechstreifens zu einer Blechrolle und, nach einer Schweißformung, Wärmebehandeln der Schweißnähte bei einer Heiztemperatur von 950 °C ± 50 °C, wobei die Streckgrenze des Stahlrohrs größer als 500 MPa und dessen Streckgrenzenverhältnis kleiner als 0,85 ist.
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