18. ‐ 20. 5. 2010, Rožnov pod Radhoštěm, Česká Republika
OVĚŘENÍ VÝROBY BEZEŠVÝCH TRUBEK JAKOSTNÍHO STUPNĚ P11 DLE ASTM A335 VERIFICATION PRODUCTION OF SEAMLESS PIPES GRADE P11 ACCORDING TO ASTM A335 Josef BÁR a, Jozef MASARYK b a
ArcelorMittal, a. s.,Vratimovská 689, 707 02 Ostrava - Kunčice, Česká republika,
[email protected] b ArcelorMittal Tubular Products Ostrava a.s., Vratimovská 689, 707 02 Ostrava - Kunčice, Česká republika,
[email protected] Abstrakt Zákazníci požadují velmi často bezešvé trubky se zaručenými vlastnostmi při zvýšených teplotách až do hodnot 550°C. Na základě těchto požadavků společnost ArcelorMittal Ostrava ve spolupráci s dceřinou společností ArcelorMittal Tubular Products Ostrava postupně rozšiřuje výrobu tohoto sortimentu. V článku je prezentován projekt, který zahrnoval řešení problematiky vývoje a ověření výroby bezešvých trubek jakostního stupně P11 dle ASTM A335. Autoři referátu popisují hlavní etapy řešení projektu: návrh chemického složení oceli, výrobu oceli, odlévání do plynule litých polotovarů a výrobu
trubek.
Vyválcované
trubky
byly
tepelně
zpracovány
izotermickým
žíháním
nebo
normalizačním žíháním a popouštěním tak, jak je požadováno normou. Konečné vlastnosti trubek (mez kluzu, pevnost, tažnost, vrubová houževnatost, odolnost při zvýšených teplotách) byly ověřeny. Všechny hodnoty mechanických zkoušek splňovaly požadavky pro jakostní stupně P11 dle ASTM A335. Dosažené výsledky z hlediska odolnosti při zvýšených teplotách byly vyhovující s velmi vysokou jistotou. V současné době byla úspěšně realizována první obchodní zakázka pro španělského zákazníka. Realizace výroby tohoto sortimentu trubek umožní společnosti naplnit volné výrobní kapacity a zvýšení zisku v důsledku vyšší užitné hodnoty trubek a tímto i jejich vyšší ceny. Abstract Customers very often require seamless pipes with specified elevated temperature properties in range from 100 to 550°C. On basis of these requirements company ArcelorMittal Ostrava in cooperation with subcompany ArcelorMittal Tubular Products Ostrava implements production of that assortment step by step. This paper presents the project, which solved development and verification of production of seamless pipes grade P11 according to ASTM A335. The authors describe basic periods of solution: design chemical composition of steel, steel making, continuous casting and pipes production. The rolled pipes were heat treated by isothermal annealing or normalizing and tempered according to requirements of standard. Final properties of pipes (yield strength, tensile strength, ductility, notch toughness, testing at elevated temperature) were attested. All mechanical values matched the requirements for grade P11 according to ASTM A335. Specified elevated temperature properties were suitable with guaranteed reliability. It was realized the first commercial order for Spanish customer at present. Realization of production these pipes make possible to use free industrial production capacity of the company and gain enhancement in consequence of higher added value of pipes and higher price.
18. ‐ 20. 5. 2010, Rožnov pod Radhoštěm, Česká Republika
1. ÚVOD Společnost ArcelorMittal Tubular Products Ostrava je největším výrobcem trubek v České republice. Vyrábí svařované a bezešvé trubky pro stavebnictví, strojírenství, těžbu a dopravu plynných a kapalných médií, energetiku a pro další průmyslová odvětví. Nosným výrobním programem závodu jsou bezešvé trubky válcované na dvou tratích typu Stiefel v průměrech od 21,3 mm do 273 mm a tloušťkou stěny až 25 mm. V posledním čtvrtletí roku 2008 a v roce 2009 došlo v důsledku celosvětové ekonomické krize k poklesu poptávky po hutních výrobcích a taky po bezešvých trubkách. V tomto směru musí společnost ArcelorMittal Tubular Products Ostrava hledat možnosti rozšíření výrobního sortimentu cestou vývoje a osvojení nových jakostních stupňů trubek s cílem vyššího využití volných kapacit výrobních zařízení. Pozornost je zaměřena zejména na výrobky s vyšší přidanou hodnotou, což přinese společnosti i vyšší zisky. Jedním s vývojových projektů, který v současném období probíhá je ověření výroby bezešvých ocelových trubek pro tlakové nádoby a zařízení z legovaných ocelí se zaručenými vlastnostmi při zvýšených teplotách. V předmětném článku je prezentováno ověření výroby bezešvých trubek jakostního stupně P11 dle ASTM A335 [1]. 2. VÝROBA OCELI A ODLÉVÁNÍ Při volbě oceli se vycházelo z požadavku normy ASTM A335 a z publikovaných poznatků uznávaných výrobců bezešvých trubek a také ze zkušeností aplikace nízkolegovaných Cr-Mo ocelí ve výrobních podmínkách společnosti. Požadované chemické složení oceli jakostního stupně P11 dle ASTM A335 je uvedeno v tabulce 1. Tab. 1. Chemické složení oceli Table 1 Chemistry of steel
Jakostní stupeň C [ hm. % ] Mn [ hm. % ] Si [ hm. % ] P [ hm. % ] S [ hm. % ] Alcelk [ hm. % ] Cu [ hm. % ] Ni [ hm. % ] Cr [ hm. % ] Mo [ hm. % ] Sn [ hm. % ] Cu + 8Sn [ hm. % ]
P11 dle ASTM A335 0,05 – 0,15 0,30 – 0,60 0,50 – 1,00 max. 0,025 max. 0,025 – – – 1,00 – 1,50 0,44 – 0,65 – –
Výroba ocelí probíhala v tandemových pecích, rafinace a mimopecní zpracování na pánvové peci. Ocel byla vyráběna jako uklidněná, s intenzívním dmýcháním argonu při zpracování na pánvové peci a s modifikací vměstků CaSi. Legování chrómem bylo prováděno z převážné části v průběhu odpichu a molybdenem výhradně při mimopecním zpracování na pánvové peci. Tavby byly odlévány do kruhových polotovarů ∅210 mm při uzavřeném lití pomocí ponorných výlevek. S
ohledem
na
zvýšené
nároky
na
vlastnosti
vyráběných trubek byly zpřísněné požadavky na výrobní obsahy síry (do 0,010 hm. %) a fosforu (do 0,017 hm. %). Z tohoto důvodu byla věnována
zvýšená pozornost rafinaci oceli struskou s cílem docílit co nejlepší termodynamické a kinetické podmínky pro odsíření a odfosfoření oceli, jak při výrobě oceli v tandemové peci, tak při mimopecním zpracování na pánvové peci. Tradičně byl důraz kladen na minimalizaci nákladů na dezoxidační a legující přísady, čemuž odpovídala optimalizace technologie legování za účelem minimalizace propalů jednotlivých prvků, resp. jejich maximální využití. Z tohoto důvodu bylo legování prováděno ve větším podílu na pánvové peci. Z hlediska tavebních analýz bylo dosaženo požadované chemické složení oceli s dostačující provozní jistotou.
18. ‐ 20. 5. 2010, Rožnov pod Radhoštěm, Česká Republika
3. VÝROBA TRUBEK 3.1 Válcování trubek Válcování trubek v rourovně byla realizována z kruhových kontislitků ∅ 210 mm na válcovací trati Stiefel 4-10”. Rozměrový sortiment reprezentoval bezešvé trubky vnějšího průměru od 168 mm do 273 mm. Ohřev vsázkového materiálu na tvářecí teplotu byl prováděn v karuselové peci, následoval proces děrování, elongování dutého předvalku na elongátoru, válcování na stolici automatik, válcování na hladicí stolici a kalibrování. Rovnání trubek bylo prováděno za studena na rotační rovnačce. Sázení trubek do karuselové pece bylo prováděno standardním postupem pro příslušný rozměrový sortiment válcovaných trubek. Ohřev byl veden tak, aby teplota za děrovací stolici měřena provozním měřičem teplot byla udržována v rozmezí 1170 až 1190°C. Seřízení stolic při válcování bylo dodržováno dle platných předpisů pro příslušný rozměr válcovaných trubek. Ochlazování trubek po vyválcování bylo prováděno běžným postupem volně na vzduchu na chladníku. Trubky tohoto sortimentu jsou dodávány ve stavu normalizačně žíhaném (případně normalizačně tvářeném) a popouštěném nebo izotermicky žíhaném. 3.2 Tepelné zpracování Tepelné zpracování bylo prováděno ve vlastní zušlechťovně, přičemž byly pro ověřovací výrobu stanoveny dva alternativní postupy tepelného zpracování v souladu s požadavky norem: -
Izotermické žíhání: žíhání v článkové průběžné peci na teplotu nad AC3, intenzivní ochlazení na teplotu pod AC1 a následné bezprostřední žíhání v krokové peci s výdrži na teplotě pod AC1.
-
Normalizační žíhání a popouštění: žíhání v článkové průběžné peci na teplotu nad AC3, ochlazení volně na vzduchu na teplotu pod 100°C a následné popouštění v krokové peci s výdrži na teplotě pod AC1.
Charakteristická mikrostruktura trubek po izotermickém žíhání a po normalizaci a popouštění je uvedena na obr. 1. Mikrostruktura po izotermickém žíhání vykazuje poněkud jemnozrnnější strukturu, což zřejmě souvisí s větší intenzitou ochlazování přes oblast překrystalizace oceli.
Isothermal annealing
Normalizing and tempering
Obr. 1. Mikrostruktura po izotermickém žíhání a po normalizaci a popuštěním Fig. 1. Microstructure after isothermal annealing and after normalizing and tempering
18. ‐ 20. 5. 2010, Rožnov pod Radhoštěm, Česká Republika
Po provedeném tepelném zpracování byly trubky rovnány na rotačním rovnacím stroji za studena. Na konci linky byl proveden odběr vzorků pro zkoušky konečných vlastností a trubky byly označeny dle požadavků norem. 4. FINÁLNÍ VLASTNOSTI TRUBEK Odběr zkoušek pro hodnocení finálních vlastností trubek a samotné hodnocení bylo prováděno dle příslušných norem. Vzhledem k tomu, že se jednalo o ověřovací výrobu byla poněkud zvýšená četnost odběru zkoušek. Sledovány byly zejména tyto vlastnosti trubek: -
Výsledky zkoušek tahem.
-
Výsledky zkoušek rázem v ohybu.
-
Odolnost při technologických zkouškách.
-
Výsledky zkoušek tahem za zvýšených teplot.
-
Zkoušení vnitřním vodním tlakem.
-
Nedestruktivní a rozměrová kontrola trubek.
V tabulce 2 jsou informativně shrnuty výsledky zkoušek tahem dosažené při výrobě trubek ∅168,3 x 11,0 mm a ∅273,0 x 12,7 mm. V tabulce jsou uvedeny i použité režimy tepelného zpracování. Z výsledků vyplývá, že bylo s dostatečnou rezervou dosaženo požadovaných hodnot pro jakostní stupeň P11 dle ASTM A335 pro oba režimy tepelného zpracování. Tab. 2. Výsledky zkoušek tahem dle ČSN EN 10 002-1 Table 2 Results of tensile tests according to ČSN EN 10 002-1 Vnější průměr
Tloušťka stěny
Tavba
Vzorek číslo
Rt0,5
Rm
A5 *)
A2“
ReH / Rm
%
% min 30
− −
28,5 27,9 29,4 28,6
36,6 35,9 37,8 36,7
0.70 0.70 0.71 0.70
493 492 494 495
29,0 29,7 29,9 31,2
37,3 38,1 38,4 40,1
0.69 0.68 0.68 0.68
486 472 467 483 480 487 472 487
32,2 31,9 31,2 32,6 30,8 34,6 33,2 32,2
46,1 45,7 44,7 46,7 44,1 49,6 47,6 46,9
0,714 0,669 0,640 0,725 0,644 0,727 0,682 0,721
mm mm − − MPa MPa Požadavek pro stupeň P11 dle ASTM A335 min 205 min 415 Normalizace a popouštění 98146K 21 336 483 168,3 11,0 98146K 22 347 493 168,3 11,0 98146K 23 344 486 168,3 11,0 98146K 24 339 486 168,3 11,0 168,3 168,3 168,3 168,3
11,0 11,0 11,0 11,0
98146K 98146K 98146K 98146K
Izotermické žíhání 41 338 42 336 43 336 44 336
Izotermické žíhání 12091K 22746 347 273,0 12,7 12091K 22751Z 316 273,0 12,7 12091K 22771Z 299 273,0 12,7 12091K 22781 350 273,0 12,7 12091K 22791Z 309 273,0 12,7 12091K 22801 354 273,0 12,7 12091K 22811Z 322 273,0 12,7 12091K 22821 351 273,0 12,7 Pozn.: *) přepočet tažnosti dle ČSN EN ISO 2566-1
18. ‐ 20. 5. 2010, Rožnov pod Radhoštěm, Česká Republika
Zkouška rázem v ohybu není přímo předepsána pro daný jakostní stupeň normou ASTM A335, nicméně byla informativně provedena a hodnocena podle požadavku EN 10216-2 [2] pro ekvivalentní stupeň 10CrMo5-5. Výsledky jsou uvedeny v tabulce 3. Dosažené hodnoty splňují požadavky normy s dostatečnou rezervou. Tab. 3. Výsledky zkoušek rázem v ohybu Table 3 Results Charpy V – notch tests Vnější průměr
Tloušťka stěny
mm
mm
Tavba orientace Vzorek Vrub
Teplota
Zkouška rázem v ohybu [J]
Vzorek plný **)
−
− mm − °C A B C průměr 20 1x min 28 min 40 Požadavek dle EN 10216-2 pro podélná 10 x 10 V2 stupeň 10CrMo5-5 příčná 10 x 10 V2 20 1x min 19 min 27 Normalizace a popouštění 98146K podélná 10 x 7,5 V2 20 265 264 264 264 168,3 11,0 98146K příčná 10 x 7,5 V2 20 258 244 247 250 168,3 11,0 Izotermické žíhání 98146K podélná 10 x 7,5 V2 20 264 264 268 265 168,3 11,0 98146K příčná 10 x 7,5 V2 20 257 255 260 257 168,3 11,0 Pozn.: **) přepočet absorbované energie na plný vzorek 10 x 10 mm
J min 40 min 27 352 333 353 343
Z trubek byly provedeny technologické zkoušky: zkoušky smáčknutím dle ČSN EN ISO 8492 a zkoušky trubek tahem prstence dle ČSN EN ISO 8496. Všechny technologické zkoušky vyhověly požadavkům. Tahové zkoušky za zvýšených teplot byly provedeny v laboratoři únavových a křehkolomových vlastností ve firmě Materiálový a metalurgický výzkum s.r.o. – Vítkovice [3]. Zkoušení bylo provedeno podle ČSN EN 10002-5 [4]. Tahové zkoušky byly provedeny na zkušebním zařízení INOVA TSM 100 kN,
v režimu
příčníku,
konstantního
rychlostí
pohybu
0,2
mm/min,
v intervalu teplot +20°C až +600°C. V průběhu každé zkoušky byla digitálně snímána závislost síla versus pohyb příčníku.
Ze
získaných
dat
byly
vyhodnoceny: pevnost, mez kluzu a tažnost Závislost
při
zkušebních
meze
kluzu
teplotách. na
teplotě
zkoušení je znázorněna na obr. 2. Z obrázku je zřejmé, že hodnoty meze Obr. 2. Mez kluzu za zvýšených teplot
kluzu za zvýšených teplot vyhovují
Fig. 2. Yield strength at elevated temperature
požadavkům EN 10216-2, které platí
18. ‐ 20. 5. 2010, Rožnov pod Radhoštěm, Česká Republika
pro ekvivalentní jakostní stupeň 10CrMo5-5 (pro P11 dle ASTM A335 nejsou pevnostní hodnoty za zvýšených teplot specifikovány). Trubky byly podrobeny kontrolním postupům – vizuální kontrole, kontrole průměru a tloušťky stěny, kontrole vířivými proudy a kontrole ultrazvukem. Úroveň přijatelnosti byla s hloubkou vady maximálně 5 %. Celková dosažená předváha pro tento náročný sortiment byla na velmi dobré úrovni, srovnatelná s hodnotami dosahovanými při výrobě bezešvých trubek jiných jakostních stupňů. Na dokončujícím provoze byly všechny trubky podrobeny zkoušce vnitřním vodním tlakem na hodnotu 60% meze kluzu s minimální výdrži 5 sekund. Všechny zkoušené trubky vyhověly tomuto požadavku norem. 5
ZÁVĚR
Řešením výzkumného projektu byla ověřena možnost výroby bezešvých trubek jakostního stupně P11 dle ASTM A335 ve společnosti ArcelorMittal Tubular Products Ostrava. Výroba byla ověřena v celém výrobním cyklu – od návrhu chemického složení, přes výrobu oceli a odlévání až po finální zpracování trubek. Dosažené vlastnosti trubek splňovaly požadavky norem: v parametrech mechanických vlastností, odolnosti za zvýšených teplot, technologických zkoušek a dalších vlastnostech. Z pohledu některých doplňkových požadavků norem a některých specifických požadavků zákazníků bude potřeba provést některá další ověření. Vzhledem k náročnosti značky bylo úspěchem dosažení velmi dobré předváhy. Úspěšně byla realizována první obchodní zakázka pro španělského zákazníka. Výsledky prezentovaného aplikovaného výzkumu přispějí k využití volných kapacit výrobních zařízení v době ekonomické krize a navýšení zisku společnosti, neboť se jedná o výrobu trubek s vysokou přidanou hodnotou. PODĚKOVÁNÍ Tato práce vznikla díky finanční podpoře MPO v rámci programového projektu ev.č. FT-TA5/143 „Optimalizace technologických parametrů a chemického složení legovaných ocelí s vysokými užitnými charakteristikami“. LITERATURA [1] [2]
ASTM A335: Standard Specification for Seamless Ferritic Alloy-Steel Pipe for High-Temperature Service. EN 10216-2: Bezešvé ocelové trubky pro tlaková namáhání – Technické dodací podmínky – Část 2: Trubky z nelegovaných a legovaných ocelí se zaručenými vlastnostmi za zvýšených teplot.
[3]
ČÍŽEK, P. a kol.: Vliv teploty na vybrané mechanické parametry ocelí pro výrobu trubek. Technická zpráva č. T-61/2008, Ostrava, 2008.
[4]
ČSN EN 10002-5: Kovové materiály – Zkouška tahem – Část 5: Zkouška tahem za zvýšené teploty.
