MX2011005110A - Procedimiento y dispositivo para la fabricacion de tubos de acero con caracteristicas especiales. - Google Patents

Abstract

La invención se refiere a un método y a un aparato para producir tubos realizados en acero. De acuerdo con la invención, en un periodo de tiempo no mayor de 20 segundos tras la última deformación a una temperatura mayor de 700 °C, pero menor de 1050º, se somete a un agente refrigerante aplicado con presión elevada sobre la circunferencia exterior del tubo sobre una longitud mayor de 400 veces el grosor de la pared, en una cantidad que durante el enfriamiento rápido proporciona una velocidad de enfriamiento equivalente de mas de 1 ºC/segundo en la pared del tubo sobre la longitud enfriada del tubo, hasta una temperatura de 500 °C a 250 °C, tras lo cual el enfriamiento del tubo hasta la temperatura ambiente tiene lugar por exposición al aire.

Description

PROCEDIMIENTO Y DISPOSITIVO PARA LA FABRICACION DE TUBOS DE ACERO CON CARACTERISTICAS ESPECIALES Descripción de la Invención La invención se refiere a un procedimiento para la fabricación de tubos de acero de una mayor solidez y una resistencia mejorada del material.

Además, la invención concierne a un dispositivo para la fabricación de tubos con propiedades con un perfil especial, que consta de un mecanismo para la aplicación de agente refrigerante en una superficie del tubo.

En la producción de tubos sin soldadura, las propiedades del material de la pared del tubo pueden presentar considerables diferencias dependiendo del punto y del lote. Estas diferencias de propiedades se deben en su mayor parte a una microestructura irregular y a una composición de acero desfavorable o bien a una proporción elevada de elementos accidentales e impurezas.

Para tubos sometidos a una elevada solicitación, por los motivos arriba mencionados, debería darse una microestructura adecuada a los requisitos, con una uniformidad dada dentro de unos márgenes estrechos a lo largo de la longitud del tubo así como coaxialmente en la pared del tubo y una composición de material exenta de elementos nocivos.

Ref.: 218872 Los tubos de una longitud de 7 m y más y un diámetro exterior inferior a 200 mm con un espesor de pared inferior a 25 mm únicamente se pueden someter con dificultad a un tratamiento térmico que aporte una microestructura fina y uniforme con la estructura deseada en todo el volumen del tubo y minimice el alabeo vertical en dirección longitudinal .

Se conocen procedimientos en los que un tubo se hace girar en torno a su eje y se enfría por la superficie exterior y/o interior. Sin embargo, para estos procedimientos de tratamiento térmico es requisito previo que la temperatura del material sea aproximadamente igual a lo largo de la longitud del tubo, a fin de obtener una composición estructural homogénea en las paredes.

El cometido de la invención es indicar un procedimiento con el que durante la producción de un tubo mediante conformación en caliente, en particular mediante reducción por estiramiento, se realice un tratamiento subordinado que produzca un incremento de la solidez y mejore la resistencia del material del tubo.

Además, también es cometido de la invención crear un dispositivo para producir tubos con el cual, tras la conformación en caliente, puedan elaborarse tubos con el perfil de propiedades deseado a lo largo de la longitud completa del tubo.

El objetivo se consigue con un procedimiento genérico en el que se efectúa un enfriamiento rápido inmediatamente después de la conformación en caliente, especialmente tras el conformado mediante reducción por estiramiento, aplicándose de forma pasante respectivamente dentro de un lapso de tiempo máximo de 20 s tras la conformación final a una temperatura superior a 700° C, si bien inferior a 1050° C, un agente refrigerante circunferencialmente con presión elevada sobre la superficie exterior del tubo, en una longitud superior a 400 veces el espesor de la pared del tubo, en una cantidad que genere en el enfriamiento rápido una velocidad de enfriamiento constante superior a 1° C/s de la pared del tubo a lo largo de la longitud de la misma, a una temperatura de entre 500° C y 250° C, produciéndose después otro enfriamiento del tubo en el aire a temperatura ambiente .

Conforme al procedimiento según la invención, se pueden alcanzar valores mecánicos del material especialmente elevados y uniformes, en particular valores de resistencia, cuando el inicio del enfriamiento rápido de la superficie exterior del tubo se efectúa a una temperatura inferior a 950° C.

Para un tratamiento de revenido integrado, también puede ser ventajoso que tras el enfriamiento rápido, en un enfriamiento adicional en aire, se realice un retrocalentamiento específico de la zona de la superficie de la pared de tubo.

Para optimizar la calidad del tubo o mejorar la calidad del material del tubo, puede ser esencial para la invención, en un perfeccionamiento del procedimiento, que para la producción de tubos se emplee acero con una concentración de los respectivos elementos de aleación, elementos accidentales o impurezas en porcentaje en peso de carbono (C) entre 0,03 y 0,5 silicio (Si) entre 0,15 y 0,65 manganeso entre 0,5 y 2,0 (Mn) fósforo (P) máx. 0,03 azufre (S) máx. 0,03 cromo (Cr) máx. 1,5 níquel (Ni) máx. 1,0 cobre (Cu) máx. 0,3 aluminio (Al) entre 0,01 y 0,09 titanio (Ti) máx. 0,05 molibdeno máx. 0,8 (Mo) vanadio (V) entre 0,02 y 0,2 nitrógeno (N) máx. 0,04 niobio (Nb) máx. 0,08 hierro (Fe) resto Si el procedimiento se emplea para la fabricación de tubos sin soldadura con una longitud superior a 7 m, en particular de hasta 200 m, un diámetro exterior superior a 20 mm pero inferior a 200 mm, un espesor de pared superior a 2,0 mm pero inferior a 25 mm, la calidad más elevada del tubo permite reducir el almacenaje, lo cual representa una considerable ventaja, y minimizar los casos de daños por rotura, ahorrando considerablemente en gastos de reparación.

Con un contenido de carbono limitado, es ventajoso en cuanto a una calidad de tubo elevada y homogénea que al menos un elemento del acero puede presentar contenidos en porcentaje en peso de: carbono (C) entre 0,05 y 0,35 fósforo (P) máx. 0,015 azufre (S) máx. 0,005 cromo (Cr) máx. 1,0 titanio (Ti) máx. 0,02 El otro objeto de la invención, el crear un dispositivo para la producción de tubos de acero con una solidez más elevada y un resistencia mejorada del material mediante enfriamiento rápido tras la conformación, que consta de un mecanismo para la aplicación de agente refrigerante en una superficie del tubo, se resuelve porque en sentido de laminado, tras el último grupo de conformación, está formado un tramo de enfriamiento continuo conmutable con múltiples anillos de distribución concéntricos para el agente refrigerante, dispuestos en torno al material laminado y susceptibles de emplazamiento en distintas posiciones en dirección longitudinal, respectivamente con al menos 3 toberas orientadas respectiva y básicamente hacia el eje, pudiéndose alimentar cada anillo de distribución o cada grupo de ellos con el agente refrigerante con un caudal regulado.

Resulta ventajoso que el mecanismo conforme a la invención permite someter tubos de diversos tamaños de extensión longitudinal y de distintos diámetros y espesores de pared a un tratamiento térmico específico mediante el calor de laminación, pudiendo conseguir con ello la microestructura deseada, la cual se obtiene uniformemente a lo largo de la longitud del tubo.

En cuanto a la uniformidad de la estructura del acero bonificado tanto circunferencialmente como también en dirección longitudinal de la pared del tubo, ha resultado ser especialmente ventajoso que las toberas generen respectivamente una corriente de refrigerante en forma de pirámide que se amplía en la dirección de pulverización.

La corriente de agente refrigerante puede estar formada aquí por una corriente de pulverización de refrigerante, generalmente de agua, y/o por una corriente de niebla de pulverización de agente refrigerante y aire y/o por una corriente de gas .

También se ha logrado obtener resultados ventajosos en cuanto a una calidad elevada y uniforme del tubo cuando la corriente de agente refrigerante presenta una sección transversal con forma rectangular y el eje más largo del rectángulo está orientado transversalmente hacia el eje del tubo .

También son esenciales en la invención que las corrientes de agente refrigerante se puedan conmutar y su caudal se pueda regular en el tramo de enfriamiento continuo .

Cuando la alimentación de agente refrigerante para el tramo de enfriamiento continuo se puede conmutar en función de la posición de los extremos del tubo en el tramo, se puede evitar ventajosamente la penetración de agente refrigerante en el hueco del tubo, lo que permite eludir un enfriamiento interior en sección transversal básicamente unilateral e impedir el alabeo y una formación irregular de la microestructura .

Ventajosamente, conforme a la invención se emplean sistemas de regulación para el enfriamiento de tubos con sensores de posición y de temperatura para el control de las corrientes de refrigerante.

A continuación se describe más detalladamente la invención sobre la base de ejemplos que representan meramente una posibilidad de ejecución.

Ejemplo 1: De un material de partida para tubos de la misma masa fundida madre con una composición química en porcentaje en peso conforme a la tabla 1 DenorriB n C S IVki P S Cr N CU Al o Fe Remedo ??G 0,1819 02910 1,4231 0,0146 0,0065 0,0415 0,0275 0,0211 0,0274 0,0126 resto se fabricaron finalmente tubos mediante reducción por estiramiento con las siguientes dimensiones: longitud de tubo (producto laminado) 19.300,00 mm (L) diámetro de tubo (0) 146,00 mm espesor de pared de tubo 9,70 mm Tras la última pasada o bien después de una conformación final en el grupo de salida de la instalación de reducción por estiramiento, se introdujo el tubo tras un periodo de 12 s a una temperatura de 880° C en un tramo de enfriamiento continuo.

Sobre la base del comportamiento de transformación detectado en el acero, en el marco de análisis de lotes sueltos en la producción de tubos, estos se sometieron a un enfriamiento específico, meramente en la superficie exterior del tubo, midiéndose en éstas al crear la corriente de agente refrigerante una velocidad de enfriamiento de aprox. 6° C/s en las siguientes temperaturas finales: Temperatura Denominación de la muestra TI = 850° C Pl T2 = 480° C P2 T3 = 380° C P3 T4 = 300° C ?4 Una vez alcanzadas estas temperaturas de enfriamiento finales previstas se efectuó una desconexión de la alimentación de agente refrigerante y, de ese modo, un enfriamiento adicional del tubo con menor intensidad básicamente en aire estático a temperatura ambiente.

De los tubos sometidos a distintos tratamientos térmicos se tomaron respectivamente muestras, con las denominaciones de Pl a P4, y se realizaron análisis de material.

El análisis de la microestructura dio respectivamente como resultado en todo caso una microestructura venta osamente orientada en el mismo sentido, básicamente sin textura, si bien con un tamaño de grano y una distribución de la microestructura dependiente de la temperatura final de enfriamiento.

La fig. 1 muestra la microestructura de la muestra Pl, siendo el tamaño de grano de entre 20 y 30 µp? con un alto contenido de ferrita. El otro componente de la microestructura fue básicamente perlita.

En la fig. 2 puede verse un tamaño de grano medio básicamente más reducido de la muestra P2 , de aprox. entre 5 y 8 µt?, lo cual está relacionado con una temperatura final de enfriamiento más baja, de T2 = 480° C. Además, el contenido de perlita en la ferrita era más fino y ligeramente más elevado.

En la fig. 3 puede verse que el material de la muestra P3 presenta un grano fino mediante un índice de germinación elevado con una transformación y recristalización de la microestructura a una temperatura final de enfriamiento de T3 = 380° C y zonas de ferrita que aumentan la solidez y cuya distribución es ampliamente homogénea. La perlita y la microestructura de la fase intermedia superior o bainita superior fueron los otros componentes de la microestructura de bonificado.

La microestructura de la pared del tubo P4 , que se formó mediante un enfriamiento rápido tras la conformación a una temperatura final de enfriamiento de T4 = 300° C, se muestra en la fig. 4. Con un grano extremadamente fino y mediante fases de ferrita globulíticas estrictamente limitadas con perlita laminar fina y componentes de fase intermedia en la zona de bainita inferior se obtienen elevados valores de solidez y una extensión mejorada del material.

Con un enfriamiento de la pared de tubo a una velocidad superior a 1° C/s inmediatamente después de la conformación en caliente del material con base de hierro, una estructura austenítica formada de ese modo, como se ha comprobado, se puede subenfriar ampliamente frente al equilibrio, produciéndose a continuación una transformación de la microestructura en función del grado de subenfriamiento y del estado de germinación. Ventajosamente, mediante el procedimiento conforme a la invención se puede establecer en toda la longitud de un tubo y, sorprendentemente, también en la sección transversal la microestructura deseada y uniforme, determinando la microestructura también las propiedades del material. Dicho de otro modo: si se exigen en un tubo propiedades de material fundamentales debe emplearse una aleación. Se puede lograr un perfil de propiedades previsto, ventajoso y propicio mediante el procedimiento conforme a la invención en el dispositivo según la invención.

La fig. 5 muestra en un gráfico de barras los valores de medición de límite elástico (Rp) (0,2) [Mpa] , resistencia a la tracción (Rm) [Mpa] , contracción (Ac) [%] y resistencia (KV450) [J] de las muestras Pl a P4 , es decir, en función de las propiedades mecánicas del material logradas mediante los distintos parámetros de enfriamiento en la tecnología de bonificación .

Con la misma composición de acero, tras una reducción por estiramiento, se puede aumentar el límite elástico del material de la pared del tubo de 424 [MPa] a 819 [MPa] mediante un procedimiento conforme a la invención y minimizar simultáneamente la caída de los valores de elasticidad de 26 [%] a 10 [%] , reduciéndose la resistencia del material de 170 [J] a 160 [J] .

En temperaturas finales de enfriamiento elevadas, como es el caso por ejemplo en el material de la muestra Pl, se produce un alto grado de recristalización y formación de grano grueso, lo cual si bien proporciona al material una elevada resistencia y contracción, produce sin embargo valores de solidez relativamente bajos.

Un enfriamiento a temperaturas más bajas de transformación aumenta los valores de solidez de la pared del tubo y disminuye naturalmente también levemente la contracción y resistencia del material, lo cual puede verse sobre la base de las muestras P2 , P3 y P4.

Con el procedimiento conforme a la invención pueden seleccionarse también microestructuras específicas en el material, lo que da como resultado el perfil de propiedades de la pared del tubo. Por ejemplo, en el tubo de muestra P4 se pudo conseguir mediante una temperatura baja de transformación un alto grado de transformación en una estructura bainítica inferior de la microestructura, con lo que se pudo alcanzar un aumento de la resistencia del material .

La fig. 6 muestra los valores de dureza medidos a lo largo de la longitud del tubo en los tubos de los ensayos Pl y P . Con un aumento de la dureza [HRB] y de los valores de solidez del material mediante la intensificación de la aplicación de agente refrigerante, se reduce también, como se ha comprobado, la dispersión S de la dureza del material a lo largo de la longitud de los tubos.

En la fig. 7 está representado el desarrollo de la dureza del material en los cuadrantes, en el espesor de la pared del tubo del tubo del ensayo P2.

Los resultados de medición de los cuatro cuadrantes Ql a Q4 son promedios de respectivamente cuatro mediciones espaciadas por cuadrante en la zona exterior, media e interior de la pared del tubo.

Como puede verse en la comparación de los respectivos valores de dureza en las secciones transversales de la pared del tubo en los cuadrantes, las diferencias en la solidez del material son solo leves, lo cual demuestra la calidad de producto alcanzable mediante el uso del procedimiento conforme a la invención o un dispositivo de la misma.

Se hace constar que con relación a esta fecha, el mejor método conocido por la solicitante para llevar a la práctica la citada invención, es el que resulta claro de la presente descripción .

Claims (10)

REIVINDICACIONES Habiéndose descrito la invención como antecede, se reclama como propiedad lo contenido en las siguientes reivindicaciones:

1. Procedimiento para la fabricación de tubos de acero de una mayor solidez y una resistencia mejorada del material caracterizado porque mediante un enfriamiento rápido inmediatamente después de una conformación en caliente, en particular tras una conformación mediante reducción por estiramiento, aplicándose, dentro de un lapso de tiempo de máximo 20 s tras la conformación final a una temperatura superior a 700° C pero inferior a 1050° C, de forma pasante sobre la superficie exterior del tubo circunferencialmente en una longitud 400 veces mayor que el espesor de la pared del tubo un agente refrigerante con presión elevada en una cantidad que produzca en el enfriamiento rápido una velocidad de enfriamiento constante superior a 1° C/s en la pared del tubo a lo largo de la longitud del tubo a una gama de temperatura de entre 500 y 250° C, tras lo cual tiene lugar un enfriamiento adicional del tubo en el aire a temperatura ambiente.

2. Procedimiento de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el inicio del enfriamiento rápido de la superficie exterior del tubo se produce a una temperatura inferior a 950° C.

3. Procedimiento de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 o 2, caracterizado porque, tras el enfriamiento rápido, durante el enfriamiento adicional del tubo en el aire se realiza un retrocalentamiento específico de la pared de tubo.

4. Procedimiento de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones l a 3, caracterizado porque se aplica para la producción de tubos de acero con una concentración de los respectivos elementos de aleación, elementos accidentales o impurezas en porcentaje en peso de carbono (C) entre 0, 03 y 0,5 silicio (Si) entre 0, 15 y 0,65 manganeso (Mn) entre 0,5 y 2,0 fósforo (P) máx . 0, 03 azufre (S) má . 0, 03 cromo (Cr) máx . 1,5 níquel (Ni) máx . 1,0 cobre (Cu) máx . 0,3 aluminio (Al) entre 0, 01 y 0, 09 titanio (Ti) máx . 0, 05 molibdeno (Mo) máx . 0, 8 vanadio (V) entre 0, 02 y 0,2 estaño (Sn) máx . 0,08 nitrógeno (N) máx . 0, 04 niobio (Nb) máx . 0, 08 calcio (Ca) máx. 0,005 hierro (Fe) resto

5. Procedimiento de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a la 4, caracterizado porque la producción de tubos para yacimientos petrolíferos de una longitud superior a 7 m, en particular de hasta 200 m, un diámetro exterior superior a 20 mm pero inferior a 200 mm y un espesor de pared superior a 2,0 mm pero inferior a 25 mm.

6. Procedimiento de conformidad con la reivindicación 4, caracterizado porque presenta el acero para la fabricación de tubos, al menos un elemento con un contenido en porcentaje en peso de: carbono (C) entre 0,05 y 0,35 fósforo (P) máx. 0,015 azufre (S) máx. 0,005 cromo (Cr) máx. 1,0 titanio (Ti) máx. 0,02

7. Dispositivo para la fabricación de tubos de acero de una mayor solidez y una resistencia mejorada del material mediante un enfriamiento rápido después de una conformación, en particular tras una conformación mediante reducción por estiramiento, que consta de un mecanismo para la aplicación de agente refrigerante en una superficie del tubo, caracterizado porque en el sentido de laminación, tras el último grupo de conformación, está dispuesto un tramo de enfriamiento continuo conmutable con múltiples anillos de distribución concéntricos, dispuestos en torno al material laminado y susceptibles de emplazamiento en distintas posiciones en dirección longitudinal, para el agente refrigerante, respectivamente con al menos 3 toberas orientadas básicamente hacia el eje, pudiéndose alimentar cada anillo de distribución o cada grupo de ellos con el agente refrigerante con un caudal regulado.

8. Dispositivo de conformidad con la reivindicación 7, caracterizado porque las toberas generan respectivamente una corriente de refrigerante en forma de pirámide que se amplía en la dirección de pulverización.

9. Dispositivo de conformidad con la reivindicación 8, caracterizado porque la corriente de agente refrigerante presenta una sección transversal con forma rectangular y por que el eje más largo del rectángulo está orientado transversalmente hacia el eje del tubo.

10. Dispositivo de conformidad con la reivindicación 7, caracterizado porque una alimentación de agente refrigerante para el tramo de enfriamiento continuo se puede conmutar en función de la posición de los extremos del tubo en el tramo.