REALIZATION OF PRODUCTION OF SEAMLESS PIPES GRADE 16Mo3 ACCORDING TO EN

ZAVEDENÍ VÝROBY BEZEŠVÝCH TRUBEK JAKOSTNÍHO STUPNĚ 16Mo3 DLE EN 10216-2 REALIZATION OF PRODUCTION OF SEAMLESS PIPES GRADE 16Mo3 ACCORDING TO EN 10216-2 Josef BÁR a, Jozef MASARYK b a ArcelorMittal Ostrava, a. s., Vratimovská 689, 707 02 Ostrava - Kunčice, Česká republika, josef.bar@arcelormittal.com b ArcelorMittal Tubular Products Ostrava, a.s., Vratimovská 689, 707 02 Ostrava - Kunčice, Česká republika, jozef.masaryk@arcelormittal.com Abstrakt Zákazníci požadují velmi často bezešvé trubky s odolností při zvýšených teplotách v oblasti 100 až 550 C. Na základě těchto požadavků společnost ArcelorMittal Ostrava ve spolupráci s dceřinou společností ArcelorMittal Tubular Products Ostrava postupně rozšiřuje výrobu tohoto sortimentu. Kromě výroby standardních trubek pro použití za zvýšených teplot z nelegovaných oceli, společnost nově zavádí výrobu trubek tohoto sortimentu z nízko legovaných ocelí. Realizace tohoto nového sortimentu vyžaduje realizovat úpravy technologických postupů v celém výrobním cyklu od ocelárny až po rourovnu. V článku je prezentován projekt, který zahrnoval řešení problematiky vývoje a ověření výroby bezešvých trubek jakostního stupně 16Mo3 dle EN 10216-2. Autoři referátu popisují hlavní etapy řešení projektu: návrh chemického složení oceli, výrobu oceli, odlévání do plynule litých polotovarů a výrobu trubek. Ověřen byl režim tepelného zpracování normalizačním žíháním. Hodnoty mechanických zkoušek (mez kluzu, pevnost, tažnost, vrubová houževnatost) splňovaly požadavky pro jakostní stupně 16Mo3 dle EN 10216-2. Dosažené výsledky z hlediska odolnosti při zvýšených teplotách byly vyhovující s dostatečnou spolehlivostí. V současné době je technologie výroby připravena k realizaci obchodních zakázek. Abstract Customers very often require seamless pipes with specified at properties elevated temperature properties in range from 100 to 550 C. On basis of these requirem ents company ArcelorMittal Ostrava in cooperation with subsidiary ArcelorMittal Tubular Products Ostrava step by step implements production of that assortment. Till now were produced only unalloyed steel tubes with specified at properties elevated temperature and currently production of low alloyed steel tubes has been launched. Realization of new assortment requires set up of technologic process throughout production cycle from steel works up to tubular mill. This paper presents the project, which solved development and verification of production of seamless pipes grade 16Mo3 according to EN 10216-2. The authors describe basic periods of solution: design of steel chemical composition, steel making, continuous casting and pipes production. The pipes were treated by normalizing. Mechanical properties (yield strength, tensile strength, ductility, notch toughness) matched the requirements for grade 16Mo3 according to EN 10216-2. Specified elevated temperature properties were suitable with guaranteed reliability. Technology of production is ready for realization of commercial order's at present. Klíčová slova: bezešvé ocelové trubky, válcování, tepelné zpracování, mechanické vlastnosti, specifické vlastnosti za zvýšených teplot Key words: seamless steel pipes, rolling, heat treatment, mechanical properties, specified elevated temperature properties

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 důsledku celosvětové ekonomické krize došlo 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. Tab. 1. Výroba trubek dle EN 10216-2 Table 1 Production of pipes according to EN 10216-2 Jakostní stupeň Výrobní možnosti v AMTPO dle EN 10216-2 195GH běžně vyráběno P235GH běžně vyráběno P265GH běžně vyráběno 16Mo3 nově zavedeno do výroby 10CrMo5-5 nově zavedeno do výroby 10CrMo9-10 připravováno do výroby 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 zavádění výroby bezešvých ocelových trubek pro tlakové nádoby a zařízení z legovaných ocelí se zaručenými vlastnostmi při zvýšených teplotách. V tab. 1 jsou uvedeny jakostní stupně bezešvých trubek pro tlakové účely se zaručenými vlastnostmi za zvýšených teplot dle EN 10216-2, které jsou v současnosti vyráběny anebo připravovány k výrobě ve společnosti ArcelorMittal Tubular Products Ostrava. Jakostní stupně 195GH, P235GH, P265GH z nelegovaných ocelí dle EN 10216-2 jsou vyráběny již řadu let. Náročnější jakostní stupně z legovaných ocelí jsou nově zaváděny do výroby. Předmětem článku je prezentace ověření výroby bezešvých trubek jakostního stupně 16Mo3 dle EN 10216-2. Řešení projektu zahrnovalo celý výrobní cyklus od výroby oceli až po expedici trubek se zaručenými vlastnostmi za zvýšených teplot dle požadavků normy. 2. VÝROBA OCELI A ODLÉVÁNÍ Při volbě oceli se vycházelo z požadavku normy EN 10216-2 a z publikovaných poznatků uznávaných výrobců bezešvých trubek a také ze zkušeností aplikace nízkolegovaných ocelí ve výrobních podmínkách společnosti. Požadované chemické složení oceli jakostního stupně 16Mo3 je uvedeno v tab. 2. Tab. 2 Chemické složení oceli Table 2 Chemistry of steel Jakostní stupeň 16Mo3 dle EN 10216-2 C [ hm. % ] 0,12 0,20 Mn [ hm. % ] 0,40 0,90 Si [ hm. % ] max. 0,35 P [ hm. % ] max. 0,025 S [ hm. % ] max. 0,020 Alcelk [ hm. % ] max. 0,040 Cu [ hm. % ] max. 0,30 Ni [ hm. % ] max. 0,30 Cr [ hm. % ] max. 0,30 Mo [ hm. % ] 0,25 0,35 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 molybdenem bylo prováděno 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 hlediska tavebních analýz bylo dosaženo požadované chemické složení oceli s dostačující provozní jistotou. 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 159 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. Obr. 1 Schéma válcování bezešvých trubek Fig. 1 Plant flow diagram of seamless pipes 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 nebo normalizačně tvářeném. Trubky na válcovací trati St 4-10 jsou v konečné fázi válcování tvářeny pod teplotou A C3 a proto je nezbytné provést finální tepelné zpracování. Důvodem proč nelze trubky vyválcovat při teplotě nad A C3 a splnit podmínku stavu normalizačně tvářeného materiálu, je nevybavení tratě pecí pro dohřev trubek před finálním tvářením v kalibrovací stolici.

18. - 20. 5. 2011, Brno, Czech Republic, EU 3.2 Tepelné zpracování Tepelné zpracování bylo prováděno na vlastním provoze pro tepelné zpracování. Režim normalizačního žíhání byl stanoven v souladu s požadavky norem: - Normalizační žíhání: žíhání v průběžné článkové peci na teplotu nad AC3 (cca 910 C), ochlazení voln ě na vzduchu na chladníku a následné rovnání za studena na rotační rovnačce. Charakteristické mikrostruktury trubek ve stavu po válcování a po normalizačním žíhání jsou uvedeny na obr. 2. Mikrostruktura po normalizačním žíhání vykazuje rovnoměrnější a jemnozrnnější strukturu, což bezesporu má příznivý na užitné vlastnosti trubek. 100 µm 100 µm After rolling Normalizing Obr. 2. Mikrostruktura po válcování a po normalizačním žíhání Fig. 2. Microstructure after rolling and after normalizing Na konci linky byl proveden odběr vzorků pro zkoušky konečných vlastností a trubky byly označeny dle požadavků norem. Trubky byly podrobeny zkoušce vodním tlakem na požadovaný tlak a zpracovány na dokončujícím provoz (úprava konců, povrchová ochrana, svazkování atd.). 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 3 jsou informativně shrnuty výsledky zkoušek tahem dosažené při výrobě trubek 168 x 4,5 mm a 244,5 x 10,0 mm. Z výsledků vyplývá, že bylo dosaženo požadovaných hodnot pro jakostní stupeň 16Mo3 dle EN 10216-2 po normalizačním žíhání. Vzhledem k nižším hodnotám pevnosti, poblíž spodní hranice dovoleného rozsahu, byla provedena korekce chemického složení oceli.

Tab. 3 Výsledky zkoušek tahem dle ČSN EN 10 002-1 po normalizačním žíhání Table 3 Results of tensile tests according to ČSN EN 10 002-1 after normalizing Vnější průměr Tloušťka stěny Tavba Vzorek číslo R t0,5 R m A 5 *) R eh / R m mm mm MPa MPa % Požadavek pro stupeň 16Mo3 dle EN 1021-2 min 280 450-600 22 168 4,5 19896K 11 335 471 34,0 0.71 168 4,5 19896K 12 340 469 33,5 0,73 168 4,5 19896K 13 332 469 33,6 0.71 168 4,5 19896K 14 337 472 33,3 0.71 168 4,5 19896K 15 337 470 33,5 0.72 168 4,5 19896K 16 328 464 33,1 0.71 168 4,5 19896K 21 315 464 27,1 0,68 168 4,5 19896K 22 306 459 25,8 0.67 168 4,5 19896K 23 317 462 27,8 0.69 168 4,5 19896K 24 317 456 27,8 0.70 168 4,5 19896K 25 316 461 28,0 0,68 168 4,5 19896K 26 322 454 26,5 0,71 168 4,5 19896K 31 330 466 34,4 0,71 168 4,5 19896K 32 324 470 32,2 0,69 168 4,5 19896K 33 327 466 32,0 0,70 168 4,5 19896K 34 326 464 30,7 0,70 244,5 10,0 19896K 35024 324 451 27,8 0,72 244,5 10,0 19896K 35025 318 455 31,3 0,70 Zkouška rázem v ohybu byla hodnocena podle požadavku EN 10216-2 pro ekvivalentní stupeň 16Mo3. Výsledky jsou uvedeny v tabulce 4. Dosažené hodnoty splňují požadavky normy s dostatečnou rezervou. Průměrná hodnota přepočtené absorbované energie na plný vzorek činí asi 125 J v porovnání s požadavkem min. 40 J. Tab. 4 Výsledky zkoušek rázem v ohybu Table 4 Results Charpy V notch tests Vnější průměr Tloušťka stěny Tavba orientace Vzorek Vrub Teplota Zkouška rázem v ohybu [J] mm mm mm C A B C průměr J Vzorek plný *) Požadavek dle EN 10216-2 pro podélná 10 x 10 V2 20 1x min 28 min 40 stupeň 16Mo3 příčná 10 x 10 V2 20 1x min 19 min 27 168 4,5 19896K podélná 10 x 3,3 V2 20 42 41 41 41 124 168 4,5 19896K podélná 10 x 3,3 V2 0 39 40 40 40 121 168 4,5 19896K podélná 10 x 3,3 V2 20 40 41 41 41 124 168 4,5 19896K podélná 10 x 3,3 V2 0 38 40 39 39 118 244,5 10,0 19896K podélná 10 x 7,5 V2 0 101 100 107 103 137 244,5 10,0 19896K podélná 10 x 7,5 V2 0 100 81 101 94 125 Pozn.: *) přepočet absorbované energie na plný vzorek 10 x 10 mm

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 bez porušení a splnily požadavky normy. R p0,2 [MPa] 400 350 300 250 200 150 100 50 0 po normalizačním žíhání min. požadavek EN 10216-2 Tahové zkoušky za zvýšených teplot byly provedeny v laboratoři únavových a křehkolomových vlastností ve firmě Materiálový a metalurgický výzkum s.r.o. Vítkovice. Zkoušení bylo provedeno dle ČSN EN 10002-5. Tahové zkoušky byly provedeny na zkušebním zařízení INOVA TSM 100 kn, v režimu konstantního pohybu příčníku, rychlostí 0,2 mm/min, v intervalu teplot +20 C až +550 C. V průběhu každé zkoušky byla digitálně snímána závislost síla versus pohyb příčníku. Ze získaných dat byly vyhodnoceny: pevnost, mez kluzu a tažnost při jednotlivých zkušebních teplotách. Závislost meze kluzu na teplotě zkoušení je znázorněna na obr. 3. Z obrázku je zřejmé, že hodnoty meze kluzu za zvýšených teplot vyhovují požadavkům pro stupeň 16Mo3 dle EN 10216-2. 0 100 200 300 400 500 600 Všechny trubky ověřovací série byly podrobeny Teplota zkoušení [ C] kontrolním postupům vizuální kontrole, Obr. 3 Mez kluzu za zvýšených teplot kontrole průměru a tloušťky stěny, kontrole Fig. 3 Yield strength at elevated temperature 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. 5. ZÁVĚR Řešením výzkumného projektu byla ověřena možnost výroby bezešvých trubek jakostního stupně 16Mo3 dle EN 10216-2 ve společnosti ArcelorMittal Tubular Products Ostrava. Výroba byla ověřena v celém výrobním cyklu od návrhu chemického složení, přes výrobu oceli a odlévání až po válcování a finální zpracování trubek. Dosažené vlastnosti trubek splňovaly požadavky norem v parametrech mechanických vlastností, odolnosti za zvýšených teplot, technologických zkoušek a dalších vlastnostech. Vzhledem k náročnosti značky bylo úspěchem dosažení velmi dobré předváhy, srovnatelné s výsledky dosahovanými u jiného sortimentu trubek z nízkolegovaných ocelí. Technologie výroby je připravena k realizaci prvních obchodních zakázek. 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.