ЖАРОПРОЧНАЯ СТАЛЬ ДЛЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Изобретение относится к области металлургии, в частности к выбору состава жаропрочной стали, которая может быть использована для изготовления рабочих лопаток, роторов и других деталей паровых турбин, работающих при суперсверхкритических параметрах пара.

Известны стали, применяемые в указанной области техники в России и за рубежом 15Х1М1Ф, ЭП 450, 12Cr-WCo-NiVNb; 12Cr-WCo-VNb [1, 2]. Следует отметить, что известные материалы обладают комплексом достаточно высоких механических и эксплуатационных свойств.

Однако известные стали не обеспечивают требуемого уровня длительной прочности и стабильности основных физико-механических и служебных характеристик, что снижает работоспособность и промышленную безопасность теплообменного оборудования, работающего в условиях длительной эксплуатации и воздействия пара высоких параметров.

Наиболее близкой по химическому составу и техническим характеристикам к предлагаемой стали является сталь по патенту RU 2272852 С1 [3], в которой содержатся легирующие элементы в следующем соотношении, мас.%:

при этом должны соблюдаться следующие соотношения:

0,12≤C+N≤0.22;

0.9≤Mo+0.5W≤2.0;

0.15≤V+Nb≤0.3;

Cr_экв=Cr+6Si+4Mo+1.5W+llV+5Nb-40C-2Mn-4Ni-30N≥6.5;

P≤[0.12-5(Sb+Sn)-As]/10;

10S≤Mn≤20S.

Недостатками известной стали являются низкий уровень и недостаточная стабильность характеристик жаропрочности в условиях длительной высокотемпературной эксплуатации 10⁵ часов (σ⁶⁰⁰ ₁₀ ⁵=100 МПа).

Техническим результатом настоящего изобретения является создание жаропрочной стали, обладающей высоким уровнем и стабильностью характеристик жаропрочности при суперсверхкритических параметрах пара, что обеспечивает повышение эксплуатационной надежности и общего ресурса работы современного паросилового оборудования тепловых энергоблоков и электростанций.

Технический результат достигается за счет дополнительного введения в состав известной стали (содержащей углерод, азот, марганец, хром, никель, молибден, вольфрам, ванадий, ниобий, бор, кремний, олово, сурьму, мышьяк, серу, фосфор и железо) титана, кобальта, алюминия, а также значительного снижения содержания углерода, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

при этом должны соблюдаться следующие соотношения:

молибденовый эквивалент: Мо_экв=(Мо+0.5W)≤0.85%

суммарное соотношение примесных элементов (P+Sn+Sb+As) не должно превышать 0.025%.

Соотношение указанных легирующих элементов и принятые ограничения суммарного содержания некоторых из них выбраны таким образом, чтобы сталь после соответствующей термической обработки обеспечивала требуемый уровень физико-механических свойств и длительной прочности. Термическая обработка заявляемой стали представляет собой аустенитизацию при температуре 1100-1150°С и отпуск при температуре 750-780°С длительностью 10 ч. После аустенитизации и отпуска структура стали представляет собой отпущенный мартенсит с высокой плотностью дислокаций. В заявляемой стали реализован механизм наноразмерного саморегулирования структуры в условиях длительной эксплуатации, заключающийся в закреплении дислокаций наноразмерными выделениями (размером не более 20-30 нм), обладающими и высокой стабильностью при воздействии повышенных температур и высоких напряжений.

Минимальное содержание углерода (до 0.02%) при выплавке в вакуумно-индукционной печи позволяет подавить выделение неустойчивых карбидов и активизировать действие азота, образующего нитриды и карбонитриды, более термодинамически устойчивые и потому более благоприятно действующие на длительную прочность, чем карбиды.

Повышение содержания углерода и хрома выше указанного в формуле изобретения способствует выделению карбидов типа М₂₃С₆ и ускоренной их коагуляции по границам зерен, уменьшению дисперсности выделяющихся фаз, обеднению твердого раствора, что ведет к снижению характеристик кратковременной и длительной прочности.

Содержание азота выбрано таким образом, чтобы оно было достаточным для образования мелкодисперсных нитридов и, в то же время, не приводило к образованию Z-фазы, быстро коагулирующей при высоких температурах и приводящей при длительной работе к снижению жаропрочности.

Для повышения теплостойкости и улучшения длительной прочности, а также для подавления образования δ-феррита в заявляемую сталь было введено 2.5-3.0% кобальта, также с этой целью было увеличено содержание марганца по сравнению с известной сталью.

Сталь имеет пониженное содержание молибдена по сравнению с известной сталью для подавления выделения фаз Лавеса, которые так же, как и Z-фаза, быстро коагулируют при высоких температурах, что приводит к снижению характеристик жаропрочности.

В связи с тем, что современное оборудование должно эксплуатироваться при температурах до 620°С, для повышения жаропрочности заявляемого материала в его составе обеспечивается следующее соотношение молибдена и вольфрама: Mo_экв=(%Mo+0,5%W)≤0.85%, при данном соотношении подавляется интенсивное выделение и коагуляция фаз Лавеса и сохраняется упрочнение твердого раствора матрицы вольфрамом и молибденом в течение длительного срока эксплуатации.

Пределы содержания никеля в заявляемой композиции сужены до 0.05-0.15% для повышения отпускоустойчивости и уменьшения чувствительности стали к отпускной хрупкости. Увеличение содержания никеля сверх установленного предела приведет к увеличению чувствительности к отпускной и тепловой хрупкости, в результате чего может значительно снизиться эксплуатационная надежность. Критическая температура хрупкости, низкие значения которой являются критерием высокого сопротивления хрупкому разрушению, при значительных содержаниях никеля может повыситься не только в результате длительной работы при повышенной температуре, но и при медленном охлаждении с температуры отпуска [4].

Для повышения длительной прочности при эксплуатации в условиях сверхкритических температур и возможности реализации упрочнения мелкодисперсными частицами в заявленную марку стали был введен титан в количестве 0.03-0.05%, который является чрезвычайно сильным карбидообразователем. Карбид титана (размер выделения 20-30 нм) отличается высокой стабильностью и переходит в твердый раствор только при очень высоких температурах. Повышение содержания титана выше указанного предела нецелесообразно, т.к. может привести к ухудшению технологичности стали, затрудняя проведение горячей пластической обработки, и усложнению выплавки сложнолегированных сплавов.

Для повышения окалиностойкости, измельчения зерна в заявляемую марку стали был дополнительно введен алюминий в количестве 0.010-0.015%, который также является хорошим раскислителем и десульфуратором. Содержание алюминия выше заданных пределов может привести к снижению жаропрочности, т.к. на границах зерен образуются грубые частицы Al-N. На границах этих частиц, в свою очередь, инициируются пустоты при ползучести, а также снижается содержание азота, способного образовывать карбонитриды ванадия и других элементов, которые более термодинамически стойкие, чем карбиды, и обеспечивают высокое сопротивление ползучести [7].

Для достижения максимальной прочности сталь должна быть целиком мартенситной после охлаждения на воздухе, любое содержание δ-феррита снижает ее прочность: с увеличением количества δ-феррита увеличивается охрупчивание стали при длительном воздействии повышенной температуры [5]. Чтобы предсказать количество сформировавшегося δ-феррита в высокохромистых сталях было введено понятие хромового эквивалента, который точно согласуется с эквивалентным количеством Cr в Fe-Cr бинарной системе. Формула выражает хромовый эквивалент как линейную зависимость различных легирующих элементов посредствам регрессионного анализа. Коэффициенты перед элементами являются оценкой их влияния на γ-область, которая связана с образованием δ-феррита. Критерием отсутствия δ-феррита является значение хромового эквивалента, не превышающее 10%: Cr_экв=Cr+6Si+4Mo+1.5W+11V+5Nb-40C-2Mn-4Ni-2Co-30N≤10% [6].

При длительном воздействии повышенных рабочих температур до 620°С возможна сегрегация примесных элементов, таких как Sb, Р, Sn, и As на границах зерен, что приводит к появлению участков межзеренного разрушения в изломах образцов. При этом наблюдается снижение сопротивления хрупкому разрушению, повышение критической температуры хрупкости стали. В связи с этим было введено ограничение на содержание примесных элементов: Σ(Р+Sn+Sb+As)≤0.025%.

На ООО «Ласмет» при участии ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей» были выполнены 3 опытно-промышленных плавки весом по 100 кг. Металл выплавлялся в вакуумно-индукционных печах. Разливка в слитки производилась в вакууме. Полученный металл подвергался обработке давлением на промышленном кузнечно-прессовом и прокатном оборудовании.

Из термически обработанного материала были изготовлены образцы на статическое растяжение, удар и длительную прочность.

Химический состав исследованных материалов и результаты определения механических и служебных свойств приведены в таблицах 1-3.

Результаты сравнительных испытаний показывают преимущество стали заявленного состава по механическим свойствам и существенное преимущество заявленного состава по служебным характеристикам, что обеспечивает повышение эксплуатационной надежности и общего ресурса работы современного и перспективного паросилового оборудования тепловых энергоблоков и электростанций, в частности для оборудования, работающего при суперсверхкритических параметрах пара.

Таблица 1 Химический состав заявляемой и известной марок стали Сталь Условный номер плавки Содержание элементов в мас.% Углерод Крем-ний Марга-нец Хром Никель Молибден Ванадий Ниобий Кобальт Сера Фосфор предлагаемая 1 0.017 0.25 0.5 11.0 0.10 0.50 0.16 0.05 2.5 0.007 0.005 2 0.015 0.30 0.6 12.0 0.15 0.60 0.12 0.06 3.0 0.005 0.010 3 0.020 0.20 0.4 11.5 0.05 0.40 0.20 0.04 2.8 0.010 0.015 известная 4 0.150 0.07 0.2 10.0 0.35 1.30 0.23 0.04 - 0.011 0.010 Продолжение таблицы 1 Химический состав заявляемой и известной марок стали Сталь Условный номер плавки Содержание элементов в мас.% Вольфрам Азот Алюминий Титан Бор Сурьма Мышьяк Олово предлагаемая 1 0.5 0.05 0.015 0.04 0.0010 0.003 0.007 0.005 2 0.4 0.04 0.012 0.03 0.0020 0.005 0.001 0.003 3 0.6 0.06 0.012 0.05 0.0015 0.001 0.004 0.001 известная 4 1.0 0.02   - 0.01 0.003 0.005 0.003 Продолжение таблицы 1 Химический состав заявляемой и известной марок стали Сталь Условный номер плавки Содержание элементов в мас.% Моэкв * предлагаемая 1 0.75 3.73 14.95 3.79 0.020 2 0.80 3.81 15.23 4.17 0.019 3 0.70 3.63 16.77 4.58 0.021 известная 4 1.80 1.59 5.71 - 0.021

Таблица 3 Результаты испытаний на длительную прочность заявляемой и известной стали Сталь Условный номер плавки Предел длительной прочности на базе 105 часов при температуре 600°С , МПа предлагаемая 1 114 2 113 3 115 известная 4 100

Примечание:

1) результаты механических испытаний усреднены по трем образцам на точку;

2) механические свойства представлены после отпуска;

3) предел длительной прочности определен на основании результатов ускоренных испытаний при более высоких температурах.

Источники информации

1. В.Ю.Скульский, А.К.Царюк. Проблемы выбора свариваемой стали для высокотемпературных компонентов энергоблоков ТЭС (обзор). // Автоматическая сварка. - 2004. - №3.

2. В.Ю.Скульский, А.К.Царюк. Новые теплоустойчивые стали для изготовления сварных узлов энергоблоков (обзор). // Автоматическая сварка. - 2004. - №4.

3. Патент RU 2272852 С1.

4. К.А.Ланская. Жаропрочные стали. - "Металлургия" - Москва, 1969. - 246 с.

5. Ф.Б.Пикеринг. Физическое металловедение и разработка сталей. Перевод с английского. Под редакцией д.ф-м.н. Г.В. Щебердинского // Москва "Металлургия". - 1982. - 182 с.

6. S.H.Ryu and Jin Yu. A New Equation for the Cr Equivalent in 9 to 12 Pct Cr Steels. // Metallurgical and Materials Transactions A. - vol. 29A, June 1998, p.1573 - 1578.

7. R.L.Bodnar and R.F. Capellini. Effects of residual elements in heavy forgings: past, present and future.// ASTM STP 979. - Philadelphia. - 1988. - p.47-82.