EP0370588B1 - Verfahren zur Herstellung hochfester nahtloser Stahlrohre - Google Patents
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Classifications
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- C21—METALLURGY OF IRON
- C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
- C21D9/00—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
- C21D9/08—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for tubular bodies or pipes
Definitions
- the invention relates to a method for producing high-strength seamless steel tubes by hot rolling and subsequent accelerated cooling from the rolling heat.
- These pipes should be used as oilfield and line pipes and at least comply with API quality level X70.
- Seamless tubes are usually manufactured by hot rolling steel blocks that have been heated to around 1200 - 1250 ° C.
- the main forming of the rolling process takes place just below the block drawing temperature, i.e. at very high temperatures.
- the recrystallization of the structure caused by the deformation leads to strong grain growth due to these high temperatures and consequently to a corresponding deterioration in the toughness behavior of the materials. It has therefore always been considered necessary to connect a separate heat treatment in the form of a normalization or tempering treatment to the rolling process, in which a finer structure and thereby an improvement in the toughness properties is achieved by re-grain.
- Such heat treatment requires a significant amount of time and money, so it is desirable to find a way to avoid this additional treatment.
- a bainitic structure provides good toughness properties.
- this route has so far not been practical for large-scale use because the temperature control during the accelerated cooling could not take place in such a way that the bainite region was reached safely.
- the object of the invention is therefore to provide a method of the generic type with which seamless tubes with high yield strengths and high tensile strengths can be produced with good toughness properties (A v + 20 ° C > 60 J) (API quality level X70 or higher), without having to undergo additional heat treatment after rolling.
- a v + 20 ° C > 60 J API quality level X70 or higher
- temperature differences in the rolled tube of at least 100-150 K should be permissible without the required properties being called into question, and the material used should be inexpensive to produce, ie it should not require large amounts of expensive alloying elements.
- the solution according to the invention essentially consists of a targeted selection of materials with narrow limits for the individual alloy elements and predetermined design rules for individual elements with one another, and a quenching treatment tailored to this material. It was possible to find a steel which is not only inexpensive to produce because it does not require large amounts of expensive alloying elements, but which surprisingly ensures the formation of bainite over a wide temperature interval (e.g. 150 K) of the cooling (trapping temperature). The formation of ferrite can easily be limited to uncritical values of less than 10% structure. It was found that the ratio of the elements copper and nickel to one another and the sum of the contents of Cr and Mo are extremely important for the cooling behavior with regard to achieving uniform strength and toughness values. This also applies to the narrowly limited content of carbon.
- the measured values of the yield strength and the tensile strength are almost at a constant level in an interception temperature range of 350-520 ° C.
- the yield point ratios R t0.5 / R m are consistently below 80%.
- the steel with the cooling treatment according to the invention provides good impact energy values (FIG. 2). In the interval of the interception temperature of 350 - 520 ° C, this is always significantly more than 60 J at a test temperature of + 20 ° C.
- the method according to the invention enables the production of high-strength steel pipes as oilfield and conduit pipes using an inexpensive alloy and in spite of the absence of a (costly) separate heat treatment, and by accelerated cooling from the rolling heat even on pipes that have an uneven temperature distribution, certainly a bainitic Microstructure with good toughness properties is generated over the entire pipe length. Differences in the interception temperature of up to 150 K and, depending on the setting of the alloy, also beyond do not have a critical effect on the strength and toughness properties.
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Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung hochfester nahtloser Rohre aus Stahl durch Warmwalzen und anschließendes beschleunigtes Abkühlen aus der Walzhitze. Diese Rohre sollen als Ölfeld- und Leitungsrohre einsetzbar sein und mindestens der API-Gütestufe X70 entsprechen.
- Die Herstellung nahtloser Rohre erfolgt üblicherweise durch Warmwalzen von Stahlblöcken, die auf etwa 1200 - 1250°C erwärmt wurden. Die Hauptumformung des Walzprozesses findet dicht unterhalb der Blockziehtemperatur, also bei sehr hohen Temperaturen statt. Die durch die Verformung verursachte Rekristallisation des Gefüges führt aufgrund dieser hohen Temperaturen zu einem starken Kornwachstum und infolge dessen zu einer entsprechenden Verschlechterung des Zähigkeitsverhaltens der Werkstoffe. Es ist daher bisher stets als erforderlich angesehen worden, an den Walzprozeß eine gesonderte Wärmebehandlung in Form einer Normalisierungs- oder Vergütungsbehandlung anzuschließen, bei der durch Umkörnung ein feineres Gefüge und dadurch eine Verbesserung der Zähigkeitseigenschaften erreicht wird.
- Eine solche Wärmebehandlung erfordert einen erheblichen Aufwand an Zeit und Kosten, so daß es wünschenswert ist, einen Weg zu finden, diese Zusatzbehandlung zu vermeiden. Grundsätzlich bietet es sich an, durch eine gezielte Abkühlung nach dem Warmwalzen im Rohr ein bainitisches Gefüge zu erzeugen, also sowohl die Ferritbildung als auch die Martensitbildung weitestgehend zu vermeiden. Ein bainitisches Gefüge liefert neben hohen Festigkeitskennwerten gute Zähigkeitseigenschaften. Dieser Weg ist jedoch bisher für einen großtechnischen Einsatz nicht praktikabel gewesen, weil die Temperaturführung während der beschleunigten Abkühlung nicht so erfolgen konnte, daß das Bainitgebiet sicher erreicht wurde.
- Dies liegt daran, daß die einzelnen Stahlrohre unvermeidbar am Ende der letzten Walzstufe stets nicht nur untereinander unterschiedliche Temperaturen aufweisen; es bestehen auch erhebliche Temperaturdifferenzen über die Rohrlänge und sogar über den Rohrumfang. Diese Temperaturdifferenzen betragen typischerweise bis zu 100°C und lassen sich am Ende der beschleunigten Abkühlung in nahezu unveränderter Größe auf dem Rohr wiederfinden. Es kann also praktisch keine fixe Abkühltemperatur angestrebt werden. Das aber bedeutet, daß durch die Abkühlung nur in einzelnen Zonen des Rohres das Bainitgebiet in der gewünschten Weise erreicht wird, während in anderen Zonen Ferrit (durch zu langsame bzw. nicht ausreichend tiefe Abkühlung) oder Martensit (durch zu tiefe Abkühlung) entsteht. Insgesamt weisen solche Rohre örtlich außerordentlich stark abweichende Zähigkeits- und Festigkeitseigenschaften auf und sind für die vorgesehene Verwendung nicht geeignet.
- Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren der gattungsgemäßen Art anzugeben, mit dem nahtlose Rohre mit hohen Streckgrenzen und hohen Zugfestigkeiten bei gleichzeitig guten Zähigkeitseigenschaften (Av+20°C > 60 J) (API-Gütestufe X70 oder höher) herstellbar sind, ohne daß diese nach dem Walzen einer zusätzlichen Wärmebehandlung unterzogen werden müssen. Dabei sollen Temperaturunterschiede im gewalzten Rohr von mindestens 100 - 150 K zulässig sein, ohne daß die geforderten Eigenschaften in Frage gestellt werden, und der verwendete Werkstoff soll preiswert herstellbar sein, also keine größeren Mengen an teuren Legierungselementen erfordern.
- Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1; vorteilhafte Weiterbildungen dieses Verfahrens sind in den Unteransprüchen 2 und 3 angegeben.
- Die erfindungsgemäße Lösung besteht im wesentlichen aus einer gezielten Werkstoffauswahl mit enggesetzten Grenzen für die einzelnen Legierungselemente und vorgegebenen Bemessungsregeln für einzelne Elemente untereinander sowie einer auf diesen Werkstoff abgestimmten Abschreckbehandlung. Es konnte ein Stahl gefunden werden, der nicht nur preiswert herstellbar ist, weil er keine größeren Mengen teurer Legierungselemente erfordert, sondern der überraschenderweise über ein breites Temperaturintervall (z.B. 150 K) der Abkühlung (Abfangtemperatur) die Bildung von Bainit gewährleistet. Die Entstehung von Ferrit kann problemlos auf unkritische Werte von unter 10 % Gefügeanteil beschränkt werden. Es wurde festgestellt, daß dem Verhältnis der Elemente Kupfer und Nickel untereinander sowie der Summe der Gehalte an Cr und Mo für das Abkühlverhalten hinsichtlich der Erzielung gleichmäßiger Festigkeits- und Zähigkeitswerte eine außerordentliche Bedeutung zukommt. Dies gilt ebenfalls für den engbegrenzten Gehalt an Kohlenstoff. Bei Einhaltung der vorgegebenen Analyse erhält man einen Stahl, der hinsichtlich der Endtemperatur der Abschreckbehandlung in einem breiten Temperaturintervall praktisch gleichmäßig gute Werte liefert. Dabei ist es gleichgültig, in welchem Zustand die Einsatzblöcke vorliegen (z.B. Gußblöcke, Rundstrangguß, gerundeter Vierkantstrangguß, gewalzter Rundstahl).
- Die Wirksamkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens wird anhand der für ein Ausführungsbeispiel in den Figuren 1 und 2 dargestellten Werte der Zugfestigkeit Rm und der Streckgrenze Rt0,5 bzw. der Kerbschlagarbeit Av+20°C in Abhängigkeit von der Abfangtemperatur der beschleunigten Abkühlung deutlich erkennbar. Die ermittelten Werte beziehen sich auf einen Stahl mit folgender Zusammensetzung:
0,09 % C
1,5 % Mn
0,25 % Cr
0,06 % V
0,04 % Nb
0,016 % P
0,003 % S
Rest Eisen und übliche Verunreinigungen - Wie aus Figur 1 hervorgeht, liegen die Meßwerte der Streckgrenze und der Zugfestigkeit in einem Abfangtemperaturbereich von 350 - 520°C nahezu auf gleichbleibendem Niveau. Die Streckgrenzenverhältnisse Rt0,5/Rm liegen durchweg unter 80 %. Trotz des groben Ausgangsgefüges liefert der Stahl mit der erfindungsgemäßen Abkühlbehandlung gute Kerbschlagarbeitswerte (Figur 2). Im Intervall der Abfangtemperatur von 350 - 520°C beträgt diese bei einer Prüftemperatur von +20°C stets deutlich mehr als 60 J.
- Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht unter Verwendung einer preiswerten Legierung und trotz Verzichts auf eine (kostenaufwendige) gesonderte Wärmebehandlung die Herstellung hochfester Stahlrohre als Ölfeld- und Leitungsrohre, wobei durch beschleunigte Abkühlung aus der Walzhitze auch an solchen Rohren, die eine ungleichmäßige Temperaturverteilung aufweisen, sicher ein bainitisches Gefüge mit guten Zähigkeitseigenschaften über die gesamte Rohrlänge erzeugt wird. Unterschiede in der Abfangtemperatur von bis zu 150 K und je nach Einstellung der Legierung auch darüber hinaus wirken sich dabei nicht kritisch auf die Festigkeits- und Zähigkeitseigenschaften aus.
Claims (3)
- Verfahren zur Herstellung hochfester nahtloser Rohre aus Stahl durch Warmwalzen und anschließendes beschleunigtes Abkühlen, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Maßnahmen:a) Verwendung von Einsatzblöcken aus einem mit Aluminium und/oder Silizium beruhigten Stahl mit folgender Zusammensetzung (Gewichts-%):
0,08 - 0,13 % C
1,40 - 1,90 % Mn
0 - 0,50 % Cr
0 - 0,50 % Mo
0 - 0,70 % Ni
0 - 0,40 % Cu
0,04 - 0,13 % V
max. 0,020 % P
max. 0,010 % S
Rest Eisen und übliche Verunreinigungen,
wobei die Summe der Gehalte an Cr und Mo im Bereich 0,20 bis 0,70 % liegt und das Mengenverhältnis Cu/Ni bei Vorhandensein beider Elemente auf maximal 1 beschränkt ist.b) Die Einsatzblöcke werden auf eine Temperatur von 1150 bis 1280°C erwärmt und in bekannter Weise zu Rohren warmgewalzt.c) Nach Verlassen der letzten Warmwalzstufe werden die eine Temperatur oberhalb Ar3 aufweisenden Rohre direkt aus der Walzhitze in 5 - 50 Sekunden unter weitgehender Vermeidung von Ferritbildung (max. 10 %) bis auf einen Temperaturbereich von 340 - 560°C abgeschreckt und anschließend weiter an Luft abgekühlt. - Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß dem Stahl maximal 0,04 % Nb zu Lasten des Restelementes zugesetzt wird. - Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß dem Stahl maximal 0,04 % Ti zu Lasten des Restelementes zugesetzt wird.
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