Жаропрочная сталь

Изобретение относится к области металлургии, а именно к составу жаропрочной стали, предназначенной для изготовления элементов тепловых энергоблоков, работающих при температуре до 650°С, в частности труб поверхностей нагрева пароперегревателей и паропроводов. Сталь содержит углерод, кремний, марганец, хром, вольфрам, молибден, ванадий, ниобий, кальций, церий, азот, бор, кобальт, алюминий, никель, фосфор, серу, свинец, олово, мышьяк и железо при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод от 0,08 до 0,12, кремний от 0,15 до 0,20, марганец от 0,4 до 0,6, хром от 8,0 до 9,5, кобальт от 3,0 до 4,0, молибден от 0,4 до 0,6, вольфрам от 1,8 до 3,0, ванадий от 0,15 до 0,30, ниобий от 0,04 до 0,09, алюминий не более 0,015, никель не более 0,2, кальций от 0,005 до 0,05, азот от 0,03 до 0,07, церий от 0,02 до 0,05, бор от 0,001 до 0,006, фосфор не более 0,015, сера не более 0,010, свинец не более 0,006, олово не более 0,006, мышьяк не более 0,006, железо остальное. Сталь обладает высоким уровнем жаропрочности, пластичности, ударной вязкости, стабильностью при длительных изотермических выдержках, а также технологичностью и экономичностью в производстве. 2 табл.

 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к составу жаропрочной стали для тепловых энергетических установок с рабочей температурой пара до 650°C.

Известна сталь, содержащая от 0,08% до 0,12% углерода; от 0,17% до 0,37% кремния; от 0,3% до 0,6% марганца; от 8,0% до 10,0% хрома; от 0,6% до 2,0% молибдена; от 0,15% до 0,35% ванадия, от 0,10% до 0,20% ниобия; от 0,02% до 0,05% церия; от 0,005% до 0,05% кальция; от 0,03% до 0,07% азота; не более 0,03% фосфора; не более 0,015% серы (см. патент RU №2229532 С2, C22C 38/26).

Указанная сталь имеет 20-летний опыт эксплуатации в теплоэнергетике в качестве материала трубопроводовов и других элементов, работающих при температурах до 600°C включительно, но не обеспечивает возможность повышения параметров пара тепловых энергоблоков свыше 600°C.

Известна также сталь, выбранная в качестве прототипа, содержащая углерод; марганец; кремний; хром; вольфрам, молибден; ванадий; ниобий; церий; кальций; азот; бор; серу; фосфор и железо (см. патент РФ №2233285 С2, C22C 38/32). Однако эта сталь не обладает необходимой жаропрочностью при температурах до 650°C.

Одной из базовых проблем при создании тепловых энергоблоков с суперсверхкритическими параметрами уровня температур 650°C и давления от 30 до 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 650°C и длительной пластичности не менее 10%. За основу разработки была принята сталь с содержанием хрома от 8% до 10% и углерода от 0,08% до 0,12%.

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

Предложена сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, вольфрам, молибден, ванадий, ниобий, кальций, церий, азот, бор, фосфор, серу и железо, отличающаяся тем, что дополнительно содержит кобальт, алюминий и никель при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод от 0,08% до 0,12%; кремний от 0,15% до 0,20%; марганец от 0,4% до 0,6%; хром от 8,0% до 9,5%; кобальт от 3,0% до 4,0%; молибден от 0,4% до 0,6%; вольфрам от 1,8% до 3,0%; ванадий от 0,15% до 0,30%; ниобий от 0,04% до 0,09%; алюминий не более 0,015%; никель не более 0,2%; кальций от 0,005% до 0,05%, азот от 0,03% до 0,07%; церий от 0,02% до 0,05%; бор от 0,001% до 0,006%; фосфор не более 0,015%, сера не более 0,010%, свинец, олово, мышьяк не более 0,006% каждого; железо - остальное.

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

Введение кобальта в количестве от 3,0% до 4,0% способствует уменьшению скорости диффузии легирующих элементов и, как следствие, увеличению дисперсности упрочняющих карбидных и интерметаллидных частиц, а также уменьшению количества δ-феррита в структуре стали, что приводит к увеличению характеристик длительной прочности.

Введение алюминия способствует эффективному раскислению стали. Содержание алюминия более 0,015% приводит к образованию нитридов AlN и резкому снижению длительной прочности стали.

Введение вольфрама в количестве от 1,8% до 3,0% повышает жаропрочность стали за счет упрочнения твердого раствора и карбида М₂₃С₆, присутствующего в стали, и выделения фазы Лавеса Fe₂W. При введении вольфрама менее 1,8% не достигается нужный эффект повышения длительной прочности, при введении вольфрама более 3% образуется недопустимое количество δ-феррита в стали и снижается ударная вязкость.

Введение бора в количестве от 0,001% до 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. Содержание бора ниже нижнего предела в количестве менее 0,001% неэффективно, а выше 0,006% может привести к образованию бористых включений (боридов), которые ухудшают пластичность стали.

Ограничение содержания ниобия до 0,04%-0,09% способствует получению более мелких карбонитридов Nb(C, N) и, как следствие, повышению длительной прочности.

Ограничение содержания никеля до 0,2% и легкоплавких элементов Sn, Pb, As не более 0,006% каждого способствует повышению длительной прочности.

Содержание углерода в количестве от 0,08% до 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, так как ухудшает свариваемость стали.

Кремний в количестве от 0,15% до 0,20% и марганец в количестве от 0,4% до 0,6% использованы для раскисления стали. При содержании кремния менее 0,15% образуются плохо удаляемые жидкие силикаты, при содержании кремния от 0,15% до 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 от 8,0% до 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 от 0,4% до 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 нецелесообразно.

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

Содержание кальция от 0,005% до 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 от 0,02% до 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 от 0,03% до 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.

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

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 из предлагаемой стали трубной продукции. На Челябинском филиале ОАО «Уральская кузница» выплавлена промышленная плавка весом 6 тонн способом электроплавки с последующим электрошлаковым переплавом. На ОАО «Челябинский трубопрокатный завод» изготовлены трубы размером 325×34 мм, на ОАО «Первоуральский новотрубный завод» - трубы размером 32×6 мм. Изготовленная продукция соответствовала заданным требованиям и признана годной.

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

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

Из таблицы 2 видно, что минимальные значения длительной прочности предлагаемой стали превышают значения известной стали. Если предел длительной прочности известной стали составляет , то предлагаемой стали - а

Сталь рекомендуется для изготовления трубопроводов и пароперегревателей котлов со сверхкритическими параметрами (температура до 650°C, давление до 35 МПа).

Жаропрочная сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, вольфрам, молибден, ванадий, ниобий, кальций, церий, азот, бор, фосфор, серу, свинец, олово, мышьяк и железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит кобальт, алюминий и никель при следующем соотношении компонентов, мас.%:

углерод	от 0,08 до 0,12
кремний	от 0,15 до 0,20
марганец	от 0,4 до 0,6
хром	от 8,0 до 9,5
кобальт	от 3,0 до 4,0
молибден	от 0,4 до 0,6
вольфрам	от 1,8 до 3,0
ванадий	от 0,15 до 0,30
ниобий	от 0,04 до 0,09
алюминий	не более 0,015
никель	не более 0,2
кальций	от 0,005 до 0,05
азот	от 0,03 до 0,07
церий	от 0,02 до 0,05
бор	от 0,001 до 0,006
фосфор	не более 0,015
сера	не более 0,010
свинец	не более 0,006
олово	не более 0,006
мышьяк	не более 0,006
железо	остальное