ВЫСОКОХРОМИСТАЯ СТАЛЬ ДЛЯ РОТОРОВ ПАРОВЫХ ТУРБИН Российский патент 2008 года по МПК C22C38/48 C22C38/26 

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.%:

Углерод0,12-0,18Кремнийне более 0,40Марганец0,50-0,90Хром11,0-13,0Никель0,40-0,80Молибден0,50-0,70Ванадий 0,15-0,30Вольфрам0,70-1,10Серане более 0,025Фосфорне 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.%:

Углерод0,11-0,20Кремний0,03-0,1Марганец0,1-0,3Хром9,0-12,0Никель0-0,7Молибден0,9-1,6Ванадий0,15-0,30Вольфрам0-2,0Ниобий0,02-0,06Бор0-0,02Азот0,005-0,05Олово0-0,006Сурьма0-0,005Мышьяк0-0,007Серане более 0,015Фосфорне более 0,020Железоостальное

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.%:

Углерод0,10-0,18Кремний0,05-0,10Марганец0,1-0,7Хром9,5-11,0Никель0, -0,7Молибден1,0-2,0Ванадий0,15-0,30Ниобий0,02-0,08Азот0,01-0,05Кальций0,001-0,05Сера0,002-0,012Фосфор0,002-0,012Железоостальное

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.

ТаблицаN плавкиСодержание химических элементов, %СSiMnCrNiMoVNbNCaSPI0,140,100,569,50,71,520,220,080,0500,0010,010,008II0,110,100,5010,00,531,410,170,060,0410,030,010,007III0,120,060,5010,310,61,440,200,050,030,050,0060,008

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 2N плавкиПредел текучести, МПаПредел прочности, МПаΨ, %δ, %KCV, Кдж/мТ, °Сt, часI73092063,016,07600100000 75093065,018,0800  II74093061,016,544530200000 76093062,018,5600  III72090060,016,8700-10100000 74094065,019,0800  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.

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано для изготовления роторов, валов и других деталей паровых турбин высокого и среднего давления. Высокохромистая сталь содержит углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, ванадий, ниобий, азот, кальций, серу и фосфор 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%. Повышается качество стали и ее технологичность. 2 табл.

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.%:

Углерод0,10-0,18Кремний0,05-0,10Марганец0,1-0,7Хром9,5-11,0Никель0-0,7Молибден1,0-2,0Ванадий0,15-0,30Ниобий0,02-0,08Азот0,01-0,05Кальций0,001-0,05Сера0,002-0,012Фосфор0,002-0,012ЖелезоОстальное,

при этом суммарное содержание серы и фосфора не превышает 0,020%.