ЖАРОСТОЙКАЯ, ЖАРОПРОЧНАЯ СТАЛЬ Российский патент 2000 года по МПК C22C38/58 

Изобретение относится к металлургии, в частности к аустенитным жаростойким, жаропрочным сталям, используемым в качестве труб поверхностей нагрева высокотемпературных пароперегревателей в тепловой энергетике, нефтеперерабатывающей, нефтехимической и других отраслях промышленности.

Известен состав аустенитной жаростойкой, коррозионно-стойкой стали, содержащей, мас.%: углерод 0,1; кремний 2,0; марганец 4,0 - 15,0; никель 4,0 - 10,0; хром 15,0-23,0; молибден 0,2 - 4,0; азот 0,1 - 0,4; остальное - железо.

Эта сталь может содержать один или два элемента из: 3% меди; 3% вольфрама; 3% кобальта; 2% ниобия и 0,5% титана (см.: C 22 C 38/00, JP 07070700, 1995, Nishi Koji, Matsushima Masahiro, High proof stress and high corrosion resistant austenitic stainless cast steel).

Указанное соотношение элементов, а также наличие в стали молибдена, вольфрама и высокого содержания (более 4%) никеля резко ограничивает возможность применения этой стали вследствие недостаточной жаростойкости в продуктах сгорания высокоагрессивных органических топлив (мазуты, угли разных месторождений, сланцы и пр.).

При указанном соотношении компонентов известной стали не обеспечивается необходимый уровень жаростойкости в условиях частых пусков - остановов, а также длительной пластичности. В результате наблюдается преждевременный выход отдельных труб, в частности гибов, из строя вследствие локального утонения стенок и образования трещин.

Цель изобретения - повышение жаростойкости стали при рабочих температурах ≈650^oC в условиях частых пусков - остановов и повышение длительной пластичности.

Цель достигается тем, что жаростойкая, жаропрочная сталь, содержащая углерод, хром, марганец, кремний, никель, медь, титан, ниобий и железо, дополнительно содержит алюминий, цирконий, церий и бор при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,05 - 0,15; кремний 1,0 - 2,0; марганец 8,0 - 16,0; хром 8,0 - 15,0; никель 0,5 - 3,8; медь 0,5 - 6,0; цирконий 0,01 - 0,09; церий 0,01 - 0,15; титан 0,04 - 0,1; ниобий 0,2 - 3,0; алюминий 0,01 - 0,25; бор 0,001 - 0,08. Железо и неизбежные примеси - остальное.

Введение алюминия в указанном соотношении совместно с цирконием обеспечивает повышение жаростойкости стали при температуре 650^oC, особенно в условиях пусков - остановов, за счет того что алюминий в указанных количествах не образует своей собственной пленки, а входит в твердый раствор других оксидов, уменьшая параметр их решеток и делая их более защитными, табл. 1.

При введении в сталь алюминия менее 0,01% его недостаточно для заполнения твердого раствора других оксидов.

При введении в сталь алюминия более 0,25% он также не образует своей самостоятельной оксидной фазы, а входит в твердый раствор других оксидных пленок. Однако характер распределения легирующих элементов и оксидных пленок с увеличением содержания в стали алюминия становится совершенно иным. Если введение алюминия в количествах до 0,25% не влияет на характер распределения оксидных фаз, то увеличение его концентрации в хромомарганцевых сталях приводит практически к отсутствию внутреннего защитного барьерного слоя оксидов типа CR₂O₃•3SiO₂ и жаростойкие свойства сталей в данном случае определяются уже защитными способностями только шпинельной пленки, которая весьма слабо защищает сталь от локальных процессов окисления.

Введение бора в указанных соотношениях совместно с церием обеспечивает повышение долговечности хромомарганцевой стали и, в первую очередь, длительность пластичности.

В табл. 2 представлен химический состав исследованных хромомарганцевых сталей с бором, а в табл. 3 результаты испытания их на длительную прочность.

Это связано с тем, что легирование стали бором делает ее более мелкозернистой (8 - 10 баллов по сравнению с 5-7 баллами в стали без бора) и в структуре стали отсутствуют мелкодисперсные частицы карбида ниобия (NbC) на дислокациях, что увеличивает подвижность последних и способствует рассасыванию пиков напряжений в районе пор.

При введении в сталь бора менее 0,001% балл зерна стали не уменьшается и это содержание бора не способно предотвратить наличие первичных карбидов ниобия на дислокациях, в результате чего длительная пластичность стали практически не отличается от исходной. Как показал анализ структуры металла, разрушение происходит по границам зерен, а микроочагами разрушения становятся поры. Местами зарождения пор в металле являются, главным образом, полосы скольжения.

При введении в сталь бора более чем 0,08% длительная пластичность сохраняет еще несколько более высокие значения (на 18%), чем у стали без бора, но для практического использования в трубном и котельном производствах превышение данной концентрации вызывает большие затруднения вследствие ликвации механических свойств стали.

Выплавка стали проводится в открытой дуговой электропечи с использованием чистых шихтовых материалов со следующими особенностями. За 10-15 минут до выпуска, после раскисления шлака порошком алюминия и анализа его остаточного содержания в металле, вводится кусковой алюминий. Ферробор дается в ковш и металл продувается аргоном.

Ковку слитков на трубную заготовку производят на молотах полностью по технологии получения трубной заготовки для широко освоенной на всех заводах аустенитной нержавеющей стали 12Х18Н12Т.

Изготовление труб производится методом тепловой прокатки в соответствии с требованиями на котельные трубы. Трубы поставляются в термически обработанном состоянии (аустенизация при температуре 1050 - 1080^oC).

Из труб вырезают образцы для испытания длительной прочности и жаростойкости.

В табл.4 представлен химический состав сталей.

Испытания на жаростойкость проводили в соответствии с ГОСТ 6130 - 71, а испытания на длительную прочность проводили в соответствии с ГОСТ 32-60 с замером деформации на трубчатых образцах.

Результаты оценки жаростойкости сталей в условиях, имитирующих продукты сгорания мазутов (табл. 1), показали, что в изотермических условиях при температуре 650^oC за 1000 часов испытаний потеря массы образцов, не содержащих алюминий и бор (состав 1 табл.4) составляет 4,70 мг/см², в то время как составы 2, 3 и 4, легированные алюминием и бором, имеют соответственно 2,3; 2,25 и 2,3 мг/см².

В условиях пусков - остановов (табл. 1) жаростойкие свойства сталей, легированных алюминием и бором (составы 2, 3 и 4 табл.4), также заметно отличаются от стали, не содержащей этих элементов (состав 1 табл.4).

Оценка жаропрочности этих сталей за 1000 часов испытаний показала, что если потеря массы состава 1 составляет 16,8 мг/см², то составов 2, 3 и 4 - 2,87; 2,93 и 3,01 мг/см² соответственно.

Оценка длительной прочности образцов хромомарганцевых сталей (табл.4) при напряжениях от 80 до 140 МПа при температуре 700^oC показали, что длительная пластичность составов 2,3 и 4 на 35- 40% выше, чем состава 1.

Таким образом, очевидно, что жаростойкость, особенно в условиях частых пусков - остановов, и долговечность предлагаемой стали (составы 2-4) имеют значительно более высокие значения по сравнению с известной сталью, что позволяет повысить ресурс работы не менее чем в 2-3 раза при использовании агрессивных органических топлив (высокосернистые мазуты, угли, сланцы и т.д.).

Изобретение относится к металлургии, в частности к жаростойкой, жаропрочной аустенитной стали, предназначенной для изготовления изделий, работающих в продуктах сгорания высокоагрессивных органических топлив, например: высокосернистых мазутов, углей, сланцев, продуктов крекинга нефти и др., при температурах до 650° С. Из предложенной стали изготавливают, в частности, трубы, являющиеся поверхностями нагрева пароперегревателей. Предложенная сталь, содержащая углерод, хром, марганец, кремний, никель, медь, титан, ниобий, железо и неизбежные примеси, дополнительно содержит алюминий, цирконий, церий и бор при следующем соотношении компонентов, в мас.%: углерод 0,05 - 0,15, кремний 1,0 - 2,0, марганец 8,0 - 16,0, хром 8,0 -15,0, никель 0,5 - 3,8, медь 0,5 - 6,0, цирконий 0,01 - 0,09, церий 0,01 - 0,15, титан 0,04 - 0,1, ниобий 0,2 - 3,0, алюминий 0,01 - 0,25, бор 0,001 - 0,08, железо и неизбежные примеси - остальное. Техническим результатом изобретения является повышение служебных характеристики стали, а именно: жаростойкости при рабочих температурах до 650°С, особенно в режиме частых пусков - остановов, более чем в два раза, длительной пластичности на 35 - 40%, надежности и ресурса работы не менее чем в 2-3 раза. 4 табл.

Аустенитная жаростойкая, жаропрочная сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, медь, титан, ниобий, железо и неизбежные примеси, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит алюминий, цирконий, церий и бор при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод - 0,05 - 0,15
Кремний - 1,0 - 2,0
Марганец - 8,0 - 16,0
Хром - 8,0 - 15,0
Никель - 0,5 - 3,8
Медь - 0,5 - 6,0
Цирконий - 0,01 - 0,09
Церий - 0,01 - 0,15
Титан - 0,04 - 0,1
Ниобий - 0,2 - 3,0
Алюминий - 0,01 - 0,25
Бор - 0,001 - 0,08
Железо и неизбежные примеси - Остальное