Коррозионностойкий сплав для энергетического и химического машиностроения

 

Изобретение относится к металлургии легированных сталей и сплавов и предназначено для использования в энергетическом и химическом машиностроении при производстве сварного теплообменного оборудования, сосудов и трубопроводов высокого давления. Предлагается сплав, содержащий в вес. %: углерод - 0,02-0,05; кремний - 0,05-0,3; марганец - 1,0-2,0; хром - 19,0-22,0; никель - 33,0-35,0, титан - 0,3-0,6; ниобий - 0,3-0,5; алюминий - 0,02-0,5; азот - 0,01-0,03, церий - 0,005-0,01; кальций - 0,001-0,01; железо - остальное. Предлагаемое техническое решение может быть также использовано в различных отраслях машиностроения при производстве современного промышленного и технологического оборудования. 2 табл.

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

Известны коррозионностойкие металлы и сплавы, применяемые как конструкционный материал в нефтехимической и газовой промышленности (см.сплавы марок ХН35ВТ, ХН38ВТ, ХН32Т и др. по ГОСТ 5632-72). Однако известные сплавы не обеспечивают требуемого уровня механических, технологических и служебных свойств и не отвечают современным требованиям, предъявляемым к конструкционным материалам для теплообменного оборудования, сосудов и трубопроводов высокого давления и, в частности, трубных систем парогенераторов ядерных установок типа ВВЭР нового поколения.

Проведенный анализ отечественной и зарубежной патентной литературы показал, что наиболее близким по технической сущности и составу компонентов к заявляемой композиции является аустенитный сплав на железоникелевой основе марки ХН32Т (1), содержащий в мас.

углерод ≅0,05 кремний ≅0,7 марганец ≅0,7 хром 19,0-22,0 никель 30,0-34,0 титан 0,25-0,6 алюминий ≅0,5 железо остальное.

Данный материал рекомендуется для изготовления газоотводящих труб и листовых деталей высокотемпературных нефтехимических установок, работающих при температурах до 850^oС (1, 2).

Однако известный сплав не обладает требуемой стойкостью против локальных видов коррозии в широком диапазоне рабочих хлоридсодержащих сред и не обеспечивает необходимую технологичность при производстве трубных изделий на стадии металлургического передела и сварки.

Целью настоящего изобретения является создание новой марки сплава, имеющего сбалансированный химический и фазовый составы и обладающий более высоким уровнем коррозионно-механических и сварочно-технологических свойств по сравнению с известным аналогом, что обеспечивает повышение работоспособности и эксплуатационной надежности теплообменных труб парогенераторов реакторных установок нового поколения.

Поставленная задача достигается введением в состав заявляемой композиции оптимального количества ниобия, азота, церия и кальция. Содержание серы и фосфора в стали соответствует требованиям ГОСТ 5632-72 и не превышает соответственно 0,020 и 0,030 Предлагается сплав, содержащий в мас.

углерод 0,02-0,05 кремний 0,05-0,3
марганец 1,0-2,0
хром 19,0-22,0
никель 33,0-35,0
титан 0,3-0,6
ниобий 0,3-0,5
алюминий 0,02-0,5
азот 0,01-0,03
церий 0,005-0,01
кальций 0,001-0,01
железо остальное.

Соотношение легирующих и модифицирующих элементов в заявляемом составе выбрано таким, чтобы структура и основные свойства металла обеспечивали требуемый комплекс служебных и эксплуатационных характеристик создаваемого теплообменного оборудования.

Введение в заявляемый сплав легирующих добавок ниобия 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 в условиях статического и динамического нагружения. Обладая способностью твердорастворного упрочнения и увеличивать дисперсность зерна, указанные элементы существенно повышают предельное сопротивление упругой деформации и в первую очередь такую важную расчетную характеристику, как предел текучести, благотворно влияют на процессы теплового и деформационного старения металла в условиях длительной эксплуатации.

Увеличение содержания ниобия, как сильного карбидообразующего и нитридобразующего элемента, выше указанного в формуле изобретения не приводит к требуемому измельчению зерна, однако увеличивается размер и неоднородность распределения карбонитридных фаз с одновременным снижением основных физико-механических свойств металла, что требует строгого ограничения и контроля за оптимальным содержанием этих элементов в заявляемом сплаве.

Несоблюдение указанных в формуле изобретения пределов по суммарному содержанию примесей внедрения (С+N) приводит к увеличению загрязненности металла неметаллическими включениями по всему сечению полуфабрикатов и повышает процент отбраковки на стадии получения трубной заготовки.

Введение в заявляемый сплав модифицирующих добавок щелочноземельных и редкоземельных металлов (кальция и церия) в указанных в заявке пределах обусловлено главным образом тем, что обладая высокой термодинамической активностью, эти элементы являются энергичными раскислителями и дегазаторами сплава. Обработка выплавляемого металла в сочетании с указанными элементами способствует общему повышению качества сплава и его литейно-технологических свойств.

Наиболее эффективно этот процесс протекает в комплекснолегированных хромоникелевых аустенитных сталях и сплавах. При этом повышается плотность и однородность металла, уменьшается общее количество охрупчивающих избыточных фаз, происходит очищение границ зерен 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 заявляемом сплаве доля вязкой составляющей в зоне разрушения заметно возрастает по сравнению с известными материалами.

Для хромоникелевых сталей и сплавов аустенитного класса, модифицированных церием и кальцием, характерно также значительное повышение сопротивления основного металла и сварных соединений против межкристаллитной коррозии (МКК) и коррозионного растрескивания (КР) под напряжением, что делает заявляемый сплав практически невосприимчивым к локальным видам коррозионного разрушения и повышает его эксплуатационную надежность при длительном взаимодействии с коррозионно-активными средами.

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

Введение рассматриваемых элементов в количестве менее указанного в формуле изобретения предела легирования практически не дает 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 заявляемого сплава обеспечивается легированием композиции в указанном соотношении с другими элементами.

В ЦНИИ КМ "Прометей" совместно с Челябинским металлургическим комбинатом в соответствии с планом научно-исследовательских работ выполнен комплекс опытно-промышленных работ по выплавке, пластической и термической обработке, а также сварке осваиваемой марки сплава. Металл выплавлялся в вакуумно-индукционной печи с керамическим тиглем на чистых шихтовых материалах. 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 нового технического решения выразится в повышении эксплуатационной надежности и ресурса работы трубных систем парогенераторов высокотемпературных реакторных установок типа ВВЭР нового поколения, а также в освоении промышленного производства труб различного сортамента для энергетического и химического машиностроения.

Формула изобретения

Коррозионностойкий сплав для энергетического и химического машиностроения, содержащий углерод, кремний, марганец, хром, никель, титан, алюминий и железо, отличающийся тем, что он дополнительно содержит ниобий, азот, церий и кальций при следующем соотношении компонентов, мас.

Углерод 0,02 0,05
Кремний 0,05 0,3
Марганец 1,0 2,0
Хром 19,0 22,0
Никель 33,0 35,0
Титан 0,3 0,6
Ниобий 0,3 0,5
Алюминий 0,02 0,5
Азот 0,01 0,03
Кальций 0,001 0,01
Церий 0,005 0,01
Железо Остальное
при этом суммарное содержание углерода и азота не должно превышать 0,06% а (CE + Ca)≅0,015.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2