Высокохромистая сталь для роторов паровых турбин
Владельцы патента RU 2328547:
Общество с ограниченной ответственностью "ОМЗ-Спецсталь" (RU)
Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано для изготовления роторов, валов и других деталей паровых турбин высокого и среднего давления. Высокохромистая сталь содержит углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, ванадий, ниобий, азот, кальций, серу и фосфор при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,10-0,18, кремний 0,05-0,10, марганец 0,1-0,7, хром 9,5-11,0, никель 0-0,7, молибден 1,0-2,0, ванадий 0,15-0,30, ниобий 0,02-0,08, азот 0,01-0,05, кальций 0,001-0,05, сера 0,002-0,012, фосфор 0,002-0,012, железо остальное, при этом суммарное содержание серы и фосфора не превышает 0,020%. Повышается качество стали и ее технологичность. 2 табл.
Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано для изготовления роторов, валов и других деталей паровых турбин высокого и среднего давления, работающих при суперсверхкритических параметрах пара.
Известна жаропрочная сталь мартенситно-ферритного класса марки 15Х12ВМФ ("Марочник стали и сплавов"), содержащая компоненты в следующем соотношении, мас.%:
| Углерод | 0,12-0,18 |
| Кремний | не более 0,40 |
| Марганец | 0,50-0,90 |
| Хром | 11,0-13,0 |
| Никель | 0,40-0,80 |
| Молибден | 0,50-0,70 |
| Ванадий | 0,15-0,30 |
| Вольфрам | 0,70-1,10 |
| Сера | не более 0,025 |
| Фосфор | не более 0,030 |
Данная марка стали рекомендована для производства различных деталей паровых турбин: пароперепускных устройств, лопаток паровых турбин, трубопроводов высокого давления, роторов.
Однако известная сталь, легированная вольфрамом и молибденом, характеризуется невысоким уровнем длительной прочности.
Наиболее близкой по химическому составу к заявляемой стали является жаропрочная сталь для роторов паровых турбин (RU, патент №2272852, МПК С22С 38/48, С22С 38/54, оп. 27.03.2006, бюл. №9), содержащая компоненты в следующем соотношении, мас.%:
| Углерод | 0,11-0,20 |
| Кремний | 0,03-0,1 |
| Марганец | 0,1-0,3 |
| Хром | 9,0-12,0 |
| Никель | 0-0,7 |
| Молибден | 0,9-1,6 |
| Ванадий | 0,15-0,30 |
| Вольфрам | 0-2,0 |
| Ниобий | 0,02-0,06 |
| Бор | 0-0,02 |
| Азот | 0,005-0,05 |
| Олово | 0-0,006 |
| Сурьма | 0-0,005 |
| Мышьяк | 0-0,007 |
| Сера | не более 0,015 |
| Фосфор | не более 0,020 |
| Железо | остальное |
Данная марка стали обладает более высоким сопротивлением воздействию суперсвехкритических температур пара и длительной прочностью, что обеспечивает возможность применения ее при суперсверхкритических параметрах пара и повышает эксплуатационную надежность и ресурс работы турбинного оборудования.
Однако рассматриваемая сталь легирована вольфрамом и бором, что делает ее менее технологичной в производстве.
Задачей настоящего изобретения является создание стали, обладающей такими же свойствами, как и сталь-прототип, но более высоким качеством и технологичностью, позволяющей отливать слитки массой до 200-290 т как с использованием, так и без использования электрошлакового переплава и других видов переплавных процессов, ковать слитки указанной массы на прессах методами свободной ковки и ковки в контейнерах, выполнять термообработку с использованием скоростного нагрева и программируемого охлаждения.
Поставленная задача решается за счет ограничения содержания серы, фосфора и углерода, что снижает степень дендритной и зональной неоднородности и повышает вязкость и трещиностойкость металла; введения в состав стали кальция или других щелочно-земельных и редкоземельных элементов, обеспечивающих получение тугоплавких сульфидов и оксисульфидов, как в жидкой, так и в кристаллизующейся стали, что расширяет диапазон ковочного нагрева; увеличения содержания марганца, что снижает склонность стали к образованию межкристаллитных трещин за счет повышения соотношения Mn/S и повышает прокаливаемость крупногабаритных заготовок.
Для достижения поставленной задачи в сталь, содержащую углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, ванадий, ниобий, азот, серу, фосфор, дополнительно вводят кальций при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Углерод | 0,10-0,18 |
| Кремний | 0,05-0,10 |
| Марганец | 0,1-0,7 |
| Хром | 9,5-11,0 |
| Никель | 0, -0,7 |
| Молибден | 1,0-2,0 |
| Ванадий | 0,15-0,30 |
| Ниобий | 0,02-0,08 |
| Азот | 0,01-0,05 |
| Кальций | 0,001-0,05 |
| Сера | 0,002-0,012 |
| Фосфор | 0,002-0,012 |
| Железо | остальное |
При этом суммарное содержание серы и фосфора не превышает 0,020%.
Выбор элементов для легирования выбранной марки стали определялся требуемыми свойствами и стоимостью.
Углерод в стали в количестве С=0,10-0,18% выбран с целью обеспечения высокой пластичности, снижения хрупкости.
Кремний в количестве Si=0,05-0,10% является активным раскислителем стали и понижает чувствительность к перегреву.
Содержание марганца в количестве Мп=0,1-0,7% выбрано из условия улучшения прокаливаемости стали и предотвращения образования горячих трещин при отливке слитков и ковке. Хром в стали в количестве Cr=9,5-11,0% повышает ее жаростойкость.
Содержание молибдена в стали Мо=1,0-2,0% обеспечивает повышение ударной вязкости и уменьшает чувствительность к отпускной хрупкости, повышает сопротивление ползучести.
Содержание ванадия в количестве V=0,15-0,30% способствует образованию мелкодисперсных карбидов и карбонитридов, измельчению зерна и стабилизации структуры при длительной высокотемпературной эксплуатации
Основной отличительной особенностью новой стали является легирование кальцием в пределах 0,001-0,05% и повышенное содержание молибдена (до 2%) и марганца (до 0,7%) при отсутствии W и В. Также в предлагаемой стали контролируемое содержание серы и фосфора (не более 0,012% каждого при суммарном содержании не более 0,02%) обеспечивает высокую пластичность, вязкость и трещиностойкость, а также хорошую обрабатываемость резанием.
Кальций вводится в металл для обеспечения более полной раскисленности и получения модифицированных глобулярных неметаллических включений, не образующих пленочных и строчечных выделений.
С целью экспериментальной проверки заявляемого состава стали в индукционных печах было выплавлено 3 лабораторных слитка с вариацией химического состава по азоту, ниобию, хрому.
В табл.1 приведены химические составы опытных слитков предлагаемой стали.
| Таблица | ||||||||||||
| N плавки | Содержание химических элементов, % | |||||||||||
| С | Si | Mn | Cr | Ni | Mo | V | Nb | N | Ca | S | P | |
| I | 0,14 | 0,10 | 0,56 | 9,5 | 0,7 | 1,52 | 0,22 | 0,08 | 0,050 | 0,001 | 0,01 | 0,008 |
| II | 0,11 | 0,10 | 0,50 | 10,0 | 0,53 | 1,41 | 0,17 | 0,06 | 0,041 | 0,03 | 0,01 | 0,007 |
| III | 0,12 | 0,06 | 0,50 | 10,31 | 0,6 | 1,44 | 0,20 | 0,05 | 0,03 | 0,05 | 0,006 | 0,008 |
Опытные слитки были откованы и термообработаны. В рамках работы был определен интервал пластической деформации, проведено исследование термокинетического и изотермического превращения аустенита, на основе которых выбраны основные параметры пластической деформации и термообработки изготовления роторов из предлагаемой марки стали. Предварительная термообработка состояла из перлитизации, проведенной при охлаждении после ковки. Окончательная термообработка состояла из нормализации и двойного отпуска.
Исследование кратковременных свойств проходило на металле, термообработанном на КП 600-770, при высоких пластических свойствах (δ>10%, ϕ>55%). При этом энергия удара +20°С составляла КС=40-100 Дж, переходная температура хрупкости была не выше +30°С.
Введение легирующих добавок улучшает структурную стабильность стали, способствует измельчению зерна и образованию при отпуске достаточного количества мелкодисперсных карбидных и нитридных фаз, устойчивых к эксплуатационным нагревам.
При этом повышается длительная прочность, пластичность и сопротивление ползучести. При оптимальном составе стали прогнозируемый ресурс металла при температуре испытания 600°С и напряжении 100 МПа составляет 100000-200000 час.
При легировании стали вне заданных пределов в соответствии с заявленными состав стали становится неоптимальным, что проявляется в снижении длительной прочности при некотором снижении характеристик прочности, пластичности и вязкости в исходном состоянии, а также в ухудшении ее технологичности.
Результаты определения необходимых механических и служебных свойств представлены в табл.2.
| Таблица 2 | |||||||
| N плавки | Предел текучести, МПа | Предел прочности, МПа | Ψ, % | δ, % | KCV, Кдж/м | Т, °С | t, час |
| I | 730 | 920 | 63,0 | 16,0 | 760 | 0 | 100000 |
| 750 | 930 | 65,0 | 18,0 | 800 | |||
| II | 740 | 930 | 61,0 | 16,5 | 445 | 30 | 200000 |
| 760 | 930 | 62,0 | 18,5 | 600 | |||
| III | 720 | 900 | 60,0 | 16,8 | 700 | -10 | 100000 |
| 740 | 940 | 65,0 | 19,0 | 800 | |||
| Примечание: t, час - прогнозируемый ресурс (время до разрушения) при напряжении 100 МПа и температуре 600°С. |
Термическая обработка была произведена по разработанным для данных составов режимам и с учетом реальных технологических нагревов при изготовлении паровых турбин.
Представленные результаты подтверждают оптимальность заявляемого химического состава.
Сталь может выплавляться процессами:
ЭДП+ВДП
ЭДП+УВРВ
ЭДП+УВРВ+ЭШП; ЭДП+ЭШП,
где ЭДП - электродуговой переплав,
ВДП - вакуумно-дуговой переплав,
УВРВ - установка внепечного рафинирования и вакуумирования,
ЭШП - электрошлаковый переплав.
Высокохромистая сталь для роторов паровых турбин, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, ванадий, ниобий, азот, серу, фосфор и железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит кальций при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Углерод | 0,10-0,18 |
| Кремний | 0,05-0,10 |
| Марганец | 0,1-0,7 |
| Хром | 9,5-11,0 |
| Никель | 0-0,7 |
| Молибден | 1,0-2,0 |
| Ванадий | 0,15-0,30 |
| Ниобий | 0,02-0,08 |
| Азот | 0,01-0,05 |
| Кальций | 0,001-0,05 |
| Сера | 0,002-0,012 |
| Фосфор | 0,002-0,012 |
| Железо | Остальное, |
при этом суммарное содержание серы и фосфора не превышает 0,020%.
