Сталь

Изобретение относится к области металлургии, а именно к составу жаропрочной стали для тепловых энергетических установок с рабочей температурой пара до 620°С. Сталь содержит углерод, кремний, марганец, хром, молибден, ванадий, ниобий, кальций, церий, азот, вольфрам, бор, серу, фосфор и железо при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,08-0,12, кремний 0,15-0,20, марганец 0,40-0,60, хром 8,0-9,5, молибден 0,4-0,6, вольфрам 1,0-2,0, ванадий 0,15-0,30, ниобий 0,04-0,09, кальций 0,005-0,05, церий 0,02-0,05, азот 0,03-0,07, бор 0,001-0,006, сера - не более 0,01, фосфор - не более 0,015, железо - остальное. Повышаются жаропрочность, длительные прочность и пластичность. 2 табл.

 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к составу жаропрочной стали для тепловых энергетических установок с рабочей температурой пара до 620°С.

Известна сталь, содержащая 0,10-0,16% углерода; 0,17-0,37% кремния; 0,4-0,7% марганца; 1,10-1,40% хрома; 0,9-1,1% молибдена; 0,20-0,35% ванадия (РУ, вып. 16, «Свойства сталей и сплавов, применяемых в котлотурбиностроении» ЦКТИ, 1966 г.», стр.92).

Указанная сталь, имея 40-летний опыт эксплуатации в теплоэнергетике в качестве материала трубопроводов и других элементов вследствие низкой жаропрочности не обеспечивает возможности повышения параметров пара тепловых энергоблоков свыше 560°С.

Известна также сталь, выбранная в качестве прототипа, содержащая углерод; кремний; марганец; хром; молибден; ванадий; ниобий; церий; кальций; азот; фосфор; серу и железо (см. патент №2229532 RU 2229532 С2 7 С22С 38/26). Однако эта сталь также не обладает необходимой жаропрочностью при температурах до 620°С.

Одной из базовых проблем при создании тепловых энергоблоков с суперсверхкритическими параметрами уровня температур 620°С и давления 30-35 МПа является необходимость разработки более жаропрочных и относительно экономичных конструкционных материалов и в том числе для пароперегревателей и паропроводов. В связи с этим поставлена задача разработки новой жаропрочной стали, обеспечивающей требуемый уровень длительной прочности σ₁₀ ⁵ не менее 98 Н/мм² при температуре 620°С и длительной пластичности не менее 10%. За основу разработки была принята сталь с 8-10% хрома и 0,08-0,12% углерода.

В результате применения оптимизированного комплексного легирования базового состава молибденом, вольфрамом, ванадием, ниобием, микролегирования кальцием, церием, азотом и бором при ограничении содержания марганца, кремния, фосфора и серы была разработана новая жаропрочная сталь, отвечающая заданным требованиям.

Предложена сталь, содержащая углерод; кремний; марганец; хром; молибден; ванадий; ниобий; кальций, церий, азот; фосфор; серу и железо, отличающаяся тем, что дополнительно содержит вольфрам и бор при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,08-0,12%; кремний 0,15-0,20%; марганец 0,4-0,6%; хром 8,0-9,5%; молибден 0,4-0,6%; вольфрам 1,0-2,0%; ванадий 0,15-0,30%; ниобий 0,04-0,09%; кальций 0,005-0,05%; церий 0,02-0,05%; азот 0,03-0,07%; бор 0,001-0,006%; фосфор - не более 0,015%; сера - не более 0,010%, железо - остальное.

Технический результат предложенной стали заключается в том, что достигнут требуемый уровень характеристик жаропрочности (длительная прочность длительная пластичность при вышеуказанном содержании компонентов.

Введение вольфрама в количестве 1,0-2,0% повышает жаропрочность стали за счет упрочнения твердого раствора и карбида Ме₂₃С₆, присутствующего в стали, и выделения фазы Лавеса Fe₂W.

Введение бора в количестве 0,001-0,006% повышает длительную прочность и длительную пластичность за счет растворения бора как поверхностно-активного элемента, в граничных зонах, упрочняя границы зерен и замедляя протекание диффузионных процессов в этих участках.

Ограничение содержания ниобия до 0,04-0,09% способствует получению более мелких карбидов NbC и, как следствие, повышению длительной прочности.

Ограничение содержания фосфора до 0,015%, серы до 0,010% способствует получению более высоких характеристик пластичности стали.

Содержание углерода 0,08-0,12% обеспечивает требуемый уровень заданных свойств. Содержание углерода менее 0,08% не обеспечивает необходимого уровня кратковременных механических свойств и длительной прочности. Повышение содержания углерода свыше 0,12% нецелесообразно, т.к. ухудшает свариваемость стали.

Кремний в количестве 0,15-0,20% и марганец в количестве 0,4-0,6% использованы для раскисления стали. При содержании кремния менее 0,15% образуются плохо удаляемые жидкие силикаты, при содержании 0,15-0,20% образуются твердые хорошо удаляемые включения кремнезема, при содержании кремния более 0,20% усиливается склонность стали к тепловой хрупкости.

При введении марганца менее 0,4% - низкая раскислительная способность кремния, более 0,6% - практически не влияет на раскислительную способность, поэтому нецелесообразно.

Содержание хрома 8,0-9,5% обеспечивает заданное количество, не более 10%, структурно-свободного феррита, технологичность стали в трубном производстве, высокую жаропрочность и ударную вязкость стали. При содержании менее 8,0% хрома понижается жаропрочность стали, при содержании более 9,5% хрома в структуре стали возрастает доля структурно-свободного феррита, понижаются ударная вязкость и технологические свойства.

Содержание молибдена 0,4-0,6% обеспечивает жаропрочные свойства стали. Содержание молибдена менее 0,4% не обеспечивает нужной степени легирования твердого раствора, карбидной фазы и жаропрочности, свыше 0,6% - экономически не целесообразно.

Содержание ванадия в количестве 0,15-0,30% способствует повышению длительной прочности. При содержании ванадия менее 0,15% не обеспечивается нужная жаропрочность, при содержании более 0,30% его влияние отрицательно, т.к. ванадий, находясь в твердом растворе, уменьшает силы межатомных связей.

Содержание кальция 0,005-0,05% повышает изотропность свойств, снижая вторичное окисление стали и способствуя равномерному распределению сульфидных и оксидных включений. Содержание кальция в количестве менее 0,005% нецелесообразно в связи с отсутствием влияния малых концентраций этого элемента на характер неметаллических включений и изотропных свойств стали. Введение кальция в количестве более 0,05% вызывает технологические трудности. В случае применения металлического кальция эти трудности выражаются в сильном пироэффекте и выбросах жидкой стали. В случае применения силикокальция недопустимо увеличивается содержание кремния в стали.

Содержание церия в количестве 0,02-0,05% способствует глобуляризации неметаллических включений, уменьшает количество оксидных включений типа глинозема и шпинелей, очищает границы зерен и повышает ударную вязкость. При содержании церия менее 0,02% указанный эффект не достигается. Содержание церия более 0,05% может привести к повышению загрязненности стали сложными включениями.

Азот в количестве 0,03-0,07% вводится в сталь с целью повышения жаропрочности за счет образования тугоплавких и мелкодисперсных соединений типа карбонитридов V(C,N). При содержании менее 0,03% азота образование карбонитридов не наблюдается. Введение азота более 0,07% может способствовать образованию в слитках раковин и пузырей.

Применение принципа поликомпонентного легирования при совокупном влиянии перечисленных элементов позволило получить сталь с высоким уровнем служебных и экономических характеристик, как-то: жаропрочность, пластичность, ударная вязкость, стабильность при длительных изотермических выдержках, технологичность и экономичность в металлургическом производстве.

Произведено опробование производства из предлагаемой стали трубной продукции. На ОАО «Златоустовский металлургический завод» выплавлена промышленная плавка весом 20 т способом электроплавки с последующим электрошлаковым переплавом. На ОАО «Челябинский трубопрокатный завод» изготовлены трубы размером 377×50 мм и 465×75 мм. Изготовленная продукция соответствовала заданным требованиям и признана годной.

Химический состав предложенной стали приведен в таблице 1, а механические свойства - в таблице 2.

Испытания проводили на материалах, выплавленных в электродуговых печах с последующим электрошлаковым переплавом. Испытания на растяжение проводили на образцах с диаметром рабочей части 6 мм по ГОСТ 1497 и ГОСТ 9651, испытания на жаропрочность проводили на образцах с диаметром рабочей части 10 мм по ОСТ 108.901.102-78.

Из таблицы 2 видно, что жаропрочность предлагаемой стали по сравнению с известной существенно возрастает. Если предел длительной прочности известной стали составляет то предлагаемой стали - а

Сталь рекомендуется для изготовления трубопроводов и пароперегревателей котлов со сверхкритическими параметрами. Использование стали в теплоэнергетике позволит увеличить до 200000 часов ресурс изготавливаемого оборудования и повысить расчетные параметры котла до Т=620°С и Р=300 ата.

Таблица 1
Химический состав исследованных плавок
Плавка	Содержание элементов
С	Si	Mn	Cr	Mo	W	V	Nb	Се	Са	S	Р	N	В	Fe
1	0,08	0,15	0,40	8,05	0,41	1,05	0,15	0,04	0,022	0,006	0,008	0,009	0,03	0,0015	Остальное
2	0,097	0,17	0,54	8,75	0,51	1,50	0,23	0,07	0,025	0,003	0,004	0,007	0,04	0,0030	Остальное
3	0,12	0,20	0,59	9,50	0,60	1,98	0,30	0,09	0,048	0,045	0,009	0,010	0,07	0,0057	Остальное
4	0,097	0,17	0,54	8,75	0,51	1,60	0,23	0,07	0,025	0,037	0,004	0,007	0,04	0,0030	Остальное
5	0,10	0,36	0,56	9,50	1,10	-	0,25	0,17	0,035	0,003	0,010	0,021	0,07	-	Остальное
Плавки 1-3 - предложенные лабораторные плавки
Плавка 4 - предложенная промышленная плавка производства ОАО «Златоустовский металлургический завод»
Плавка 5 - известная

Таблица 2
Свойства стали
Плавка	Кратковременные механические свойства	Длительная прочность, Н/мм2, за время 105 час при температурах
	Температура испытания 20°С	Температура испытания 600°С	600°С	620°С
σВ, Н/мм2	σ0,2, Н/мм2	δ, %	ψ, %	σВ, Н/мм2	σ0,2, Н/мм2	δ, %	ψ, %
1	760	590	22,8	75,1	430	350	23,2	74,6	115	90
2	807	617	20,6	75,0	445	370	21,7	76,5	120	96
3	817	630	20,5	72,3	480	385	20,5	75,0	125	100
4	810	635	20,0	70,5	437	380	24,1	75,8	135	110
5	790	603	20,5	75,0	350	330	27,0	76,2	98	-
Плавки 1-3 - предложенные лабораторные плавки
Плавка 4 - предложенная промышленная плавка, металл труб размером 377×50 мм производства ОАО «Челябинский трубопрокатный завод»
Плавка 5 - известная

Сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, молибден, ванадий, ниобий, кальций, церий, азот, серу, фосфор и железо, отличающаяся тем, что дополнительно содержит вольфрам и бор при следующем соотношении компонентов, мас.%:

углерод	0,08-0,12
кремний	0,15-0,20
марганец	0,40-0,60
хром	8,0-9,5
молибден	0,4-0,6
вольфрам	1,0-2,0
ванадий	0,15-0,30
ниобий	0,04-0,09
кальций	0,005-0,05
церий	0,02-0,05
азот	0,03-0,07
бор	0,001-0,006
фосфор	не более 0,015
сера	не более 0,01
железо	остальное