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.
Реферат
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 |