ТЕПЛОСТОЙКАЯ СТАЛЬ Российский патент 2012 года по МПК C22C38/46 

Описание патента на изобретение RU2441092C1

Изобретение относится к области металлургии, а именно к теплостойким сталям, в частности к созданию сталей, которые могут быть использованы для отливок деталей турбин, деталей арматуры и другого оборудования в других отраслях промышленности.

Изобретение наиболее эффективно может быть использовано при изготовлении методом электрошлакового переплава (ЭШП) деталей арматуры, а также центробежно-литых труб и деталей для паровых турбин мощностью 300-1200 МВт с рабочими режимами при температурах 540-580°С и давлении от 2,5 до 5,0 МПа. Изобретение может быть также использовано для нефтехимического оборудования.

Известна сталь, применяемая для таких целей, состоящая из следующих компонентов, (мас.%):

Углерод 0,10-0,28 Кремний 0,05-0,37 Марганец 0,17-0,50 Хром 2,50-3,30 Молибден 0,60-0,80 Ванадий 0,20-0,40 Никель 0,05-0,40 Медь 0,03-0,30 Алюминий 0,01-0,10 Азот 0,005-0,02 Кальций 0,001-0,005 Сера 0,002-0,015 Фосфор 0,002-0,015 Олово 0,001-0,004 Мышьяк 0,002-0,005 Сурьма 0,001-0,005 Цирконий 0,003-0,010 Ниобий 0,001-0,030 Натрий 0,001-0,005 Железо остальное

(см. Патент РФ RU 2241061 С2, кл. С22С 38/60)

Недостатком данной стали являются плохие литейные характеристики и нестабильность ударной вязкости из-за разброса интервала легирования, особенно по содержанию углерода.

Известна также литейная сталь следующего состава, (мас.%):

Углерод 0,11-0,13 Кремний 0,17-0,37 Марганец 0,90-1,40 Хром 0,80-2,50 Никель 0,20-0,60 Молибден 0,10-0,80 Ванадий 0,03-0,14 Окислы редкоземельных металлов 0,10-0,50 Ниобий 0,01-0,06 Железо остальное

(см. Патент РФ RU 2083716 С1, кл. С22С 38/48)

Недостатком данной стали является отсутствие регламентации по примесям (S,P и др.), что существенно снижает качество отливок и разброс данных по механическим свойствам из-за большого интервала легирования по хрому и молибдену. Данная сталь обладает также пониженной жаростойкостью, особенно при содержании ингредиентов на нижнем уровне.

Наиболее близкой к предложенному сплаву по технической сущности и достигаемому результату является сталь (см. Патент Великобритании 1558731, кл. С22С 38/60,) следующего состава, (мас.%):

Углерод 0,05-0,20 Кремний 0,01-0,50 Марганец 0,60-2,00 Хром ≤0,80 Никель 0,10-0,60 Молибден 0,10-0.80 Ванадий 0,01-0,15 Ниобий 0,01-0,15 Цирконий 0,01-0.10 Титан 0,01-0,10 Бор 0,0005-0,005 Медь 0,20-0,60 Алюминий 0,01-0,10 Сера ≤0,002 РЗМ 0,008-0,03 Железо остальное

Недостатками данной стали являются низкие пределы текучести и прочности и низкая окалиностойкость при содержании ингредиентов на нижнем уровне. Кроме того, при содержании углерода на верхнем уровне стали-прототипа (0,20 мас.%) сталь склонна к образованию горячих трещин в процессе производства заготовок труб методом ЭШП.

Технический результат - получение теплостойкой стали с высокими механическими свойствами и окалиностойкостью, что обеспечивает повышение рабочей температуры турбин до 580°С. Этот результат достигается тем, что предлагаемая сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, ванадий, медь, алюминий, серу, церий и железо, согласно предложению дополнительно содержит фосфор, азот и кальций при следующем соотношении компонентов, (мас.%):

Углерод 0,11-0,15 Кремний 0,17-0,37 Марганец 0,40-0,70 Хром 1,10-2,00 Никель ≤0,30 Молибден 0,80-1,10 Ванадий 0,20-0,35 Алюминий 0,001-0,008 Медь ≤0,30 Сера ≤0,006 Фосфор ≤0,008 Азот 0,005-0,012 Кальций 0,005-0,02 Церий 0,005-0,03 Железо остальное

При этом суммарное содержание остаточного алюминия, кальция и церия составляет 0,010-0,05 мас.%.

Предлагаемая сталь характеризуется оптимальным содержанием углерода 0,11-0,15 мас.%, против 0,05-0,20 мас.% в прототипе, что обеспечивает высокую технологичность при ЭШП, центробежном литье и сварке. Вместе с тем такое содержание углерода в предлагаемой стали обеспечивает необходимую прочность и окалиностойкость.

При содержании углерода ниже нижнего предела его воздействие на служебные свойства стали малоэффективно, так как при содержании углерода 0,05 мас.% (как у прототипа) снижаются механические свойства и усложняется технология при центробежном литье, а при содержании углерода на верхнем уровне стали прототипа (0,20 мас.%) происходит повышение прочностных характеристик с одновременным резким снижением ударной вязкости за счет увеличения количества карбидов и их коалесценции и обеднения твердого раствора Mo, Сr и V, что снижает окалиностойкость стали. Кроме того, такое содержание углерода приводит к образованию горячих трещин в процессе производства заготовок труб методом ЭШП.

Предлагаемая сталь характеризуется оптимальным содержанием кремния 0,17-0,37 мас.%, против 0,01-0,50 мас.% в известной стали, что вполне достаточно для раскисления стали.

При содержании кремния ниже нижнего предела его воздействие на свойства стали малоэффективно, а при содержании кремния выше верхнего предела прочность и окалиностойкость повышаются, но снижается ударная вязкость и технологичность в процессе ЭШП.

Предлагаемая сталь отличается от известной большим содержанием хрома 1,10-2,00 мас.%, против не более 0,80 мас.%, что обеспечивает высокую прокаливаемость и более высокую окалиностойкость.

При содержании хрома ниже нижнего предела его действие на прокаливаемость менее эффективно, а при содержании хрома выше верхнего предела прокаливаемость и окалиностойкость несколько увеличивается, но также повышается стоимость.

Предлагаемая сталь отличается от известной повышенным содержанием молибдена (0,80-1,10 мас.%), против 0,10-0,80 мас.%, что способствует повышению прокаливаемости, прочности и окалиностойкости, не снижая пластичности и препятствуя развитию отпускной хрупкости.

При содержании молибдена ниже нижнего предела его воздействие на прочность, пластичность и окалиностойкость менее эффективно, а при содержании молибдена выше верхнего предела некоторое повышение прочности, пластичности и окалиностойкости вступает в противоречие с экономической целесообразностью.

Предлагаемая сталь отличается от известной тем, что суммарное содержание алюминия, кальция и церия составляет 0,010-0,05 мас.%.

Введение в состав стали лимитированного содержания активных элементов кальция и церия в сочетании со сбалансированным содержанием остаточного алюминия благоприятно изменяет форму неметаллических включений, очищает и упрочняет границы зерен, повышает пластичность, ударную вязкость и окалиностойкость, что приводит к повышению служебных и технологических свойств стали. Нижний уровень содержания алюминия определяется требованием обеспечения раскисляемости стали, а верхний уровень - требованием обеспечения заданного уровня пластичности стали.

Церий в присутствии кальция улучшает стойкость против окисления. При суммарном введении церия и кальция в указанных пределах повышается окалиностойкость предложенной стали.

При содержании кальция и церия ниже нижнего предела суммарного содержания их воздействие на теплостойкость малоэффективно, а при содержании их выше верхнего предела суммарного содержания снижается стойкость к окислению и уменьшается теплостойкость предложенной стали.

Остаточное содержание алюминия в стали составляет 0,001-0,008 мас.%. При содержании остаточного алюминия ниже нижнего предела не обеспечивается эффективное раскисление стали, что приводит к увеличению количества оксидных включений и снижению прочностных свойств стали. При увеличении содержания остаточного алюминия выше верхнего предела снижаются характеристики теплостойкости и ударной вязкости стали, что обусловлено дополнительным выделением на границе зерен нитридов алюминия.

Предлагаемая сталь отличается от известной ограничением содержания примесей фосфора до 0,008 мас.%, против нет ограничений в стали-прототипе, что способствует получению более высоких значений пластичности и ударной вязкости; При повышении содержания легкоплавких примесей серы и фосфора выше заявленных пределов резко увеличивается неоднородность структуры стали, что в свою очередь снижает теплостойкость стали. При увеличении содержания углерода в стали выше заявленного происходит более интенсивное образование сегрегации фосфора, которые объединяются и образуют сетку по границам первичных аустенитных зерен, что приводит к ослаблению межкристаллитных связей. Марганец также способен усиливать охрупчивающее действие фосфора, поэтому при производстве сталей, содержащих марганец, необходимо стремиться к обеспечению в стали минимальных концентраций фосфора. Наличие в составе предлагаемой стали никеля и молибдена значительно ослабляет вредное влияние фосфора на свойства стали.

Предлагаемая сталь отличается от известной дополнительным содержанием азота 0,005-0,012 мас.%, что способствует увеличению прочности за счет образования нитридов и карбонитридов ванадия и хрома. Высокодисперсные нитриды и карбонитриды этих элементов тормозят рост зерен при нагревании, что способствует сохранению высокой ударной вязкости.

При содержании азота ниже нижнего предела его воздействие на прочность и ударную вязкость данной стали малоэффективно, а при содержании азота выше верхнего предела несколько повышается прочность, но снижается ударная вязкость, что связано с обогащением границ зерен карбидами и карбонитридами.

Предлагаемая сталь отличается от известной повышенным содержанием ванадия 0,20-0,35 мас.%, против 0,01-0,15 мас.%. Ванадий способствует измельчению зерна, уменьшает склонность стали к перегреву и увеличивает устойчивость мартенсита против отпуска. Ванадий способствует повышению характеристик прочности и теплостойкости. Верхняя граница содержания ванадия - 0,35 мас.%, обусловлена необходимостью требуемого уровня пластичности стали, а нижняя - соответственно 0,20 мас.% - обеспечением требуемого уровня прочности данной стали.

При содержании ванадия ниже нижнего предела его воздействие на прочность и ударную вязкость данной стали малоэффективно, а при содержании ванадия выше верхнего предела снижается прочность и ударная вязкость, что связано с обогащением границ зерен карбидами и карбонитридами ванадия.

В таблице 1 приведены химический состав предлагаемой стали трех плавок(1,2,3), а также состав стали прототипа (4).

Выплавку проводили в 150-кг индукционной печи, с разливкой металла на литые электроды с последующим переплавом ЭШП на заготовки труб диаметром 180 мм, длиной 350 мм на лабораторной установке, из которых изготавливались образцы для определения механических свойств и окалиностойкости.

В таблице 2 приведены механические свойства, полученные после термообработки: гомогенизация 1000°С, охлаждение на воздухе, закалка от 980°С в масле, отпуск при температуре 650°С, охлаждение на воздухе.

Испытания на растяжение проводили на цилиндрических образцах пятикратной длины с диаметром расчетной части 6 мм в соответствии с ГОСТ 1497-84.

Определение ударной вязкости при нормальной температуре производилось на образцах Менаже по ГОСТ 9454-78.

Испытания на жаростойкость (окалиностойкость) проводились по общепринятым методикам (таблица 3).

Как видно из таблицы 2 и 3, предлагаемая сталь имеет более высокие механические свойства и окалиностойкость, чем сталь-прототип. Кроме того, предлагаемая сталь после проведенной термообработки имеет мартенситную (мартенсит отпуска) структуру, что положительно сказывается на теплостойкости стали.

Использование предложенной стали в качестве материала для отливок ЭШП тепловых турбин позволяет повысить рабочую температуру турбин до 580°С.

Предлагаемая сталь прошла широкие лабораторные исследования в ОАО НПО «ЦНИИТМАШ» и рекомендована к промышленному опробованию.

Литература:

1. RU 94018908 А1, С22С 38/00, 05.05.1994.

2. RU 93025219 A, C22C 38/28, 28.04.1993.

3. RU 2081199 C1, C22C 38/26, 19.07.1995.

4. RU 2336330 C1, C21D 8/10, C22C 38/60, C22C 38/48, 25.12.2006.

5. RU 2338796 C2, C21D 8/10, C22C 38/60, C22C 38/48, 18.12.2006.

6. RU 2083716 C1, C22C 38/48, 10.02.1993.

7. RU 2241061 C2, кл. С22С 38/60, 07.09.2001.

8. Патент Великобритании 1558731, кл. С7А.

9. Патент Японии JP 2010209471 (А).

10. ЕР 2192203 (A1).

Таблица 2 Механические свойства предлагаемой и известной сталей Состав стали Тисп., °C σ0,2, σb, δ, φ, KCU Н/мм2 % Дж/см2 1 20 550 750 22,0 55,0 130,0 2 20 560 770 21,0 52,0 1250 3 20 555 765 24,0 53,0 125,0 4 20 520 655 18,0 60,0 95,0

Таблица 3 Жаростойкий предлагаемой и известной сталей Состав стали Среда Tисп., °С Скорость коррозии, мм/год База испытаний, ч 1 Пар 610 0,09 3000 2 0,05 3 0,06 4 0.28 1 Воздух 600 0,16 3000 2 0,15 3 0,16 4 0,41

Похожие патенты RU2441092C1

название год авторы номер документа
ТЕПЛОСТОЙКАЯ СТАЛЬ ДЛЯ ВОДООХЛАЖДАЕМЫХ ИЗЛОЖНИЦ 2012
  • Володин Алексей Михайлович
  • Сорокин Владислав Алексеевич
  • Дегтярев Александр Федорович
  • Мирзоян Генрих Сергеевич
RU2494167C1
ЖАРОПРОЧНАЯ СТАЛЬ 2006
  • Дуб Алексей Владимирович
  • Скоробогатых Владимир Николаевич
  • Дуб Владимир Семенович
  • Рябов Александр Николаевич
  • Куликов Анатолий Павлович
  • Ломакин Петр Александрович
  • Рыбин Валерий Васильевич
  • Карзов Георгий Павлович
  • Филимонов Герман Николаевич
  • Теплухина Ирина Владимировна
  • Петреня Юрий Кириллович
  • Дурынин Виктор Алексеевич
  • Уточкин Юрий Иванович
  • Батов Юрий Матвеевич
  • Баландин Сергей Юрьевич
  • Чижик Татьяна Александровна
  • Лисянский Александр Степанович
  • Титова Татьяна Ивановна
  • Черняховский Сергей Александрович
  • Колпишон Эдуард Юльевич
RU2333287C2
МАЛОАКТИВИРУЕМАЯ ЖАРОПРОЧНАЯ РАДИАЦИОННОСТОЙКАЯ СТАЛЬ 2013
  • Дуб Алексей Владимирович
  • Скоробогатых Владимир Николаевич
  • Дегтярев Александр Федорович
  • Орлов Александр Сергеевич
  • Ершов Николай Сергеевич
RU2515716C1
ВЫСОКОПРОЧНАЯ КОРРОЗИОННО-СТОЙКАЯ СТАЛЬ 2012
  • Дегтярев Александр Федорович
  • Дуб Алексей Владимирович
  • Скоробогатых Владимир Николаевич
  • Шепилов Николай Борисович
RU2493285C1
МАРТЕНСИТНАЯ СТАЛЬ ДЛЯ КРИОГЕННОЙ ТЕХНИКИ 2015
  • Дегтярев Александр Федорович
  • Скоробогатых Владимир Николаевич
RU2594572C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ БЫСТРОРЕЖУЩЕЙ СТАЛИ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОМПОЗИТНЫХ ВАЛКОВ 2019
  • Дегтярев Александр Федорович
  • Скоробогатых Владимир Николаевич
  • Михеев Василий Анатольевич
  • Юргина Жанна Владимировна
  • Матыцина Галина Ивановна
RU2750257C2
ЖАРОПРОЧНАЯ СТАЛЬ 2011
  • Дуб Алексей Владимирович
  • Скоробогатых Владимир Николаевич
  • Дуб Владимир Алексеевич
  • Ригина Людмила Георгиевна
  • Щенкова Изабелла Алексеевна
  • Козлов Павел Александрович
  • Фёдоров Александр Анатольевич
  • Сафьянов Анатолий Васильевич
  • Фирсов Борис Николаевич
RU2448192C1
ЖАРОПРОЧНАЯ СТАЛЬ МАРТЕНСИТНОГО КЛАССА 2013
  • Скоробогатых Владимир Николаевич
  • Дегтярев Александр Федорович
  • Дуб Алексей Владимирович
RU2524465C1
ТОЛСТОЛИСТОВАЯ ХЛАДОСТОЙКАЯ СТАЛЬ 2017
  • Скоробогатых Владимир Николаевич
  • Дегтярев Александр Федорович
  • Орлов Александр Сергеевич
  • Ершов Николай Сергеевич
RU2665854C1
ЖАРОСТОЙКАЯ СТАЛЬ 2009
  • Дегтярев Александр Федорович
  • Егорова Марина Александровна
  • Орлов Александр Сергеевич
  • Ершов Николай Сергеевич
  • Михайлов Алексей Геннадьевич
  • Белявский Павел Борисович
  • Кнохин Валерий Георгиевич
RU2415963C2

Реферат патента 2012 года ТЕПЛОСТОЙКАЯ СТАЛЬ

Изобретение относится к области металлургии, а именно к теплостойким сталям, используемым для отливки деталей паровых турбин, заготовок труб и деталей арматуры методом ЭШП и центробежным литьем, работающих при температурах 540-580°С. Сталь содержит углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, ванадий, медь, алюминий, серу, фосфор, азот, кальций, церий и железо при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,11-0,15, кремний 0,17-0,37, марганец 0,40-0,70, хром 1,10-2,00, никель ≤0,30, молибден 0,80-1,10, ванадий 0,20-0,35, алюминий 0,001-0,008, медь ≤0,30, сера ≤0,006, фосфор ≤0,008, азот 0,005-0,012, кальций 0,005-0,02, церий 0,005-0,03, железо остальное. Повышаются механические свойства стали и окалиностойкость. 1 з.п. ф-лы, 3 табл.

Формула изобретения RU 2 441 092 C1

1. Теплостойкая сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, ванадий, медь, алюминий, серу, церий и железо, отличающаяся тем, что дополнительно содержит фосфор, азот и кальций при следующем соотношении компонентов, мас.%:
углерод 0,11-0,15 кремний 0,17-0,37 марганец 0,40-0,70 хром 1,10-2,00 никель ≤0,30 молибден 0,80-1,10 ванадий 0,20-0,35 алюминий 0,001-0,008 медь ≤0,30 сера ≤0,006 фосфор ≤0,008 азот 0,005-0,012 кальций 0,005-0,02 церий 0,005-0,03 железо остальное

2. Сталь по п.1, отличающаяся тем, что суммарное содержание остаточного алюминия, кальция и церия составляет 0,010-0,05 мас.%.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2012 года RU2441092C1

СТАЛЬ ДЛЯ КОРПУСНЫХ КОНСТРУКЦИЙ АТОМНЫХ ЭНЕРГОУСТАНОВОК ПОВЫШЕННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ И НАДЕЖНОСТИ 1998
  • Горынин И.В.
  • Карзов Г.П.
  • Цуканов В.В.
  • Филимонов Г.Н.
  • Богданов В.И.
  • Грекова И.И.
  • Бережко Б.И.
  • Яновский Г.В.
  • Повышев И.А.
  • Орлова В.Н.
  • Панов Ю.К.
  • Носов Г.Ф.
  • Романцов А.А.
  • Васильев В.Г.
  • Соболев Ю.В.
  • Петров В.В.
  • Сулягин В.Р.
  • Ильин Ю.В.
RU2139952C1
ТРУБНАЯ ЗАГОТОВКА ИЗ НИЗКОУГЛЕРОДИСТОЙ ТЕПЛОСТОЙКОЙ СТАЛИ 2006
  • Бобылев Михаил Викторович
  • Гонтарук Евгений Иванович
  • Лехтман Анатолий Адольфович
  • Угаров Андрей Алексеевич
  • Фомин Вячеслав Иванович
  • Шляхов Николай Александрович
RU2338796C2
СТАЛЬ ДЛЯ КОРПУСОВ РЕАКТОРОВ ГИДРОКРЕКИНГА И ДРУГОГО НЕФТЕХИМИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ 2001
  • Карзов Г.П.
  • Филимонов Г.Н.
  • Цуканов В.В.
  • Грекова И.И.
  • Богданов В.И.
  • Симонов П.А.
  • Бережко Б.И.
  • Галяткин С.Н.
  • Михалева Э.И.
  • Гущин Ю.А.
  • Петров В.В.
  • Батов Ю.М.
  • Баландин С.Ю.
  • Титова Т.И.
  • Шульган Н.А.
RU2241061C2
Грузоподъемный борт транспортного средства 1988
  • Баршев Анатолий Владимирович
  • Шиманович Владимир Яковлевич
  • Данюшевский Михаил Гилевич
SU1558731A1
Разборный с внутренней печью кипятильник 1922
  • Петухов Г.Г.
SU9A1

RU 2 441 092 C1

Авторы

Скоробогатых Владимир Николаевич

Дегтярев Александр Федорович

Мирзоян Генрих Сергеевич

Тыкочинская Татьяна Васильевна

Дуб Владимир Семенович

Кригер Юрий Николаевич

Тарараксин Геннадий Константинович

Козьминский Александр Николаевич

Дудка Григорий Анатольевич

Немыкина Татьяна Ивановна

Егорова Марина Александровна

Матыцин Николай Федотович

Даты

2012-01-27Публикация

2011-02-15Подача