Высокохромистая сталь для роторов паровых турбин

Высокохромистая сталь для роторов паровых турбин

Реферат

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%.