СТАЛЬ Российский патент 2008 года по МПК C22C38/32 

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 1Химический состав исследованных плавокПлавкаСодержание элементовСSiMnCrMoWVNbСеСаSРNВFe10,080,150,408,050,411,050,150,040,0220,0060,0080,0090,030,0015Остальное20,0970,170,548,750,511,500,230,070,0250,0030,0040,0070,040,0030Остальное30,120,200,599,500,601,980,300,090,0480,0450,0090,0100,070,0057Остальное40,0970,170,548,750,511,600,230,070,0250,0370,0040,0070,040,0030Остальное50,100,360,569,501,10-0,250,170,0350,0030,0100,0210,07-ОстальноеПлавки 1-3 - предложенные лабораторные плавкиПлавка 4 - предложенная промышленная плавка производства ОАО «Златоустовский металлургический завод»Плавка 5 - известная

Таблица 2Свойства сталиПлавкаКратковременные механические свойстваДлительная прочность, Н/мм², за время 10⁵ час при температурахТемпература испытания 20°СТемпература испытания 600°С600°С620°Сσ_В, Н/мм²σ_0,2, Н/мм²δ, %ψ, %σ_В, Н/мм²σ_0,2, Н/мм²δ, %ψ, %176059022,875,143035023,274,611590280761720,675,044537021,776,512096381763020,572,348038520,575,0125100481063520,070,543738024,175,8135110579060320,575,035033027,076,298-Плавки 1-3 - предложенные лабораторные плавкиПлавка 4 - предложенная промышленная плавка, металл труб размером 377×50 мм производства ОАО «Челябинский трубопрокатный завод»Плавка 5 - известная

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.

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.%:

углерод0,08-0,12кремний0,15-0,20марганец0,40-0,60хром8,0-9,5молибден0,4-0,6вольфрам1,0-2,0ванадий0,15-0,30ниобий0,04-0,09кальций0,005-0,05церий0,02-0,05азот0,03-0,07бор0,001-0,006фосфорне более 0,015серане более 0,01железоостальное