Коррозионностойкая сталь

 

Изобретение относится к металлургии, в частности к легированной стали, и предназначено для использования в энергетическом машиностроении при производстве теплообменного оборудования АЭС. Целью изобретения является создание коррозионностойкой стали улучшенным комплексом механических, технологических и служебных свойств по сравнению с известными конструкционными материалами, что обеспечивает повышение эксплуатационной надежности и ресурса работы охлаждающих труб конденсаторов АЭС. Сталь содержит компоненты, мас. углерод 0,01 0,03; кремний 0,3 0,8; марганец 0,8 1,2; хром 24 26; никель 6 - 8; молибден 3,5 4,5; алюминий 0,01 0,2; ванадий 0,01 0,1; азот 0,1 0,3; иттрий 0,005 0,04; магний 0,001 0,02; кальций 0,001 - 0,01; железо остальное, при выполнении следующих условий: сумма ванадия и алюминия ≅ 0,25, сумма итррия, магния, кальция ≅ 0,05 2 табл.

Изобретение относится к металлургии легированных сталей и сплавов и может быть использовано при производстве труб различного назначения для машиностроительных отраслей промышленности.

Известны коррозионностойкие металлы и сплавы, применяемые как конструкционный материал в нефтехимической и газовой промышленности (см. стали марок 08Х22Н6Т, 08Х21Н6М2Т, 03Х23Н6 и др. по ГОСТ 5632-72). Однако известные стали не обеспечивают требуемого уровня механических, технологических и служебных свойств и не отвечают современным требованиям, предъявляемым к конструкционным материалам для трубных изделий теплообменного оборудования и, в частности, охлаждающих трубок конденсаторов АЭС.

Наиболее близкой по технической сущности и составу компонентов к заявляемой является аустенитно-ферритная сталь марки 08Х26Н6М, содержащая, мас. Углерод 0,05-0,10 Кремний 0,3-0,9 Марганец 0,8-2,0 Хром 24,0-27,0 Никель 4,5-6,0 Молибден 1,3-1,8 Алюминий 0,005-0,2 Магний 0,002-0,2 Иттрий 0,005-0,1 Железо Остальное Данный материал рекомендуется как заменитель стали марок 08Х18Н10Т и 12Х18Н10Т для изготовления оборудования в химической, газовой и др. отраслях промышленности, работающего при температурах до 300^оС. Однако известная сталь не обладает требуемой стойкостью против локальных видов коррозии в широком диапазоне рабочих сред и не обеспечивает необходимую технологичность при производстве прямошовных сварных труб, получаемых из листового проката.

Целью изобретения является создание новой марки стали, имеющей сбалансированной химический и фазовый составы и обладающей более высоким уровнем коррозионных и сварочно-технологических свойств по сравнению с известными аналогами, что обеспечивает повышение работоспособности и эксплуатационной надежности теплообменных труб конденсаторов АЭС.

Поставленная задача достигается введением в состав заявляемой композиции оптимальных количеств ванадия, азота и кальция. Содержание серы и фосфора в стали соответствует требованиям ГОСТ 5632-72 и не превышает, соответственно, 0,025 и 0,035% Предлагается сталь, содержащая, мас. Углерод 0,01-0,03 Кремний 0,3-0,8 Марганец 0,8-1,2 Хром 24,0-21,0 Никель 6,0-8,0 Молибден 3,5-4,5 Азот 0,1-0,3 Ванадий 0,01-0,1 Алюминий 0,01-0,2 Магний 0,001-0,02 Кальций 0,001-0,01 Иттрий 0,005-0,04 Железо Остальное Соотношение легирующих и модифицирующих элементов в заявляемой стали выбрано таким, чтобы структура и основные свойства металла полуфабрикатов обеспечивали требуемый комплекс служебных и эксплуатационных характеристик создаваемого теплообменного оборудования.

Введение в заявляемую сталь легирующих добавок ванадия и азота в указанном соотношении с другими элементами улучшает ее структурную стабильность и обеспечивает заданный уровень прочностных и пластических свойств сортового проката, что увеличивает выход годного на стадии металлургического передела и повышает работоспособность материала в конструкции. Обладая способностью увеличивать дисперсность зерна, ванадий в заданном соотношении с азотом существенно повышает предельное сопротивление упругой деформации и, в первую очередь, такую важную расчетную характеристику как предел текучести, улучшает сварочно-технологические свойства, благотворно влияет на процессы теплового и деформационного старения металлов в условиях длительной эксплуатации.

При содержании ванадия в сочетании с алюминием, как сильно нитридообразующих элементов, выше указанного в формуле изобретения пределов, дальнейшего эффективного измельчения зерна не происходит, однако увеличивается размер и неоднородность распределения нитридных фаз с одновременным снижением основных физико-механических и сварочно-технологических свойств металла, что требует строго ограничения и контроля за оптимальным содержанием этих элементов в заявляемой стали.

Введение в сталь модифицирующих добавок щелочноземельных и редкоземельных металлов (кальция, магния и иттрия) в указанных пределах обусловлено, главным образом, тем, что обладая высокой термодинамической активностью, эти элементы являются энергичным раскислителем и дегазатором стали. Обработка выплавляемого металла кальцием в сочетании с указанными элементами способствует общему повышению качества стали и ее литейно-технологических свойств.

Наиболее эффективно этот процесс протекает в комплексно-легированных хромистых сталях и сплавах. При этом повышается плотность и однородность металла, уменьшается общее количество охрупчивающих примесных элементов и фаз, происходит очищение границ зерна от неметаллических включений, что в целом в 1,5-2 раза снижает анизотропию механических свойств, предотвращает образование кристаллизационных трещин при сварке и уменьшает брак на трубных заготовках почти в 1,5 раза.

Фрактографический анализ поверхности излома образцов методом сканирования на электронном микроскопе показал, что в заявляемой стали доля вязкой составляющей в зоне разрушения заметно возрастает по сравнению с известным материалом.

Для хромомолибденовых сталей с азотом и модифицированных кальцием характерно также значительное повышение критической температуры питтингообразования и смешение анодной кривой пассивации в область более положительных значений, что делает заявляемый материал весьма устойчивым к щелевой и питтинговой коррозии и повышает его эксплуатационную надежность при длительном взаимодействии с коррозионно-активными средами.

Введение микродобавок кальция вне указанного в формуле изобретения пределов не приводит к заметному улучшению технологических и служебных характеристик заявляемой стали, что вызвано образованием и выделением охрупчивающих избыточных фаз и неметаллических включений.

В качестве отличительного признака заявляемой композиции по сравнению с известным аналогом следует рассматривать также и боле высокое содержание в стали никеля и молибдена, что обеспечивает необходимый уровень пластичности и вязкости как основного металла, так и металла сварных соединений. Увеличение вводимого количества молибдена до 3,5-4,5% улучшает общую коррозионную стойкость стали в широком диапазоне температур и рабочих сред, увеличивает пассивацию и стойкость против локальных видов коррозии в средах повышенной агрессивности и, в частности, повышает потенциал питтингообразования в водных растворах хлоридов и щелочей.

Введение рассматриваемых элементов в количестве менее указанного в формуле изобретения пределов легирования практически не дает требуемого положительного эффекта, а увеличение их содержания свыше заявляемого предела приводит к ухудшению и снижению ряда важнейших характеристик, определяющих работоспособность материала в условиях длительной эксплуатации теплообменного оборудования.

Полученный более высокий уровень основных механических, технологических и служебных свойств заявляемой стали обеспечивается комплексным легированием композиции в указанном соотношении с другими элементами.

В ЦНИИ КМ "Прометей" совместно с Челябинским металлургическим комбинатом в сочетании с планом научно-исследовательских работ отрасли проведен комплекс опытно-промышленных работ по выплавке, пластической и термической обработкам осваиваемой марки стали. Металл выплавлялся в плазменной печи с керамическим тиглем на чистых шихтовых материалах с разливной в слитки массой до 10 т с последующей обработкой давлением на кузнечно-прессованном оборудовании.

Химический состав исследованных материалов, а также результаты определения необходимых механических, сварочно-технологических и коррозионных свойств представлены в табл.1,2.

Ожидаемый технико-экономический эффект использования новой стали выразится в повышении эксплуатационной надежности и ресурса работы трубных систем подогреваемой низкого давления энерготурбин типа К 300-170, а также в освоении промышленного производства прямошовных сварных труб для теплообменного оборудования АЭС.

Формула изобретения

КОРРОЗИОННОСТОЙКАЯ СТАЛЬ, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, алюминий, иттрий, магний, железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит ванадий, азот и кальций при следующем соотношении компонентов, мас.

Углерод 0,01 0,03 Марганец 0,8 1,2 Кремний 0,3 0,8 Хром 24 26 Никель 6 8 Молибден 3,5 4,5
Алюминий 0,01 0,2
Ванадий 0,01 0,1
Азот 0,1 0,3
Иттрий 0,005 0,04
Магний 0,001 0,02
Кальций 0,001 0,01
Железо Остальное
при выполнении следующих условий: ванадий + алюминий ≅ 0,25 мас. иттрий + магний + кальций ≅ 0,05 мас.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2