Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА НЕСТАБИЛИЗИРОВАННОЙ АУСТЕНИТНОЙ КОРРОЗИОННО-СТОЙКОЙ СТАЛИ

Изобретение относится к области черной металлургии, в частности к производству и применению нестабилизированной аустенитной коррозионно-стойкой стали с повышенным комплексом служебных свойств. Изобретение может быть использовано в электросталеплавильных цехах металлургических и машиностроительных заводов.

Способ основан на том, что широко используемые в мировой экономике нестабилизированные коррозионно-стойкие стали легируются одновременным введением небольших количеств азота и редкоземельных элементов (Се, Y, La, Pr) или их соединений (мишметалла).

Так, широко используемые в мировой экономике, аустенитные коррозионно-стойкие стали (типа 304L AISI, отечественный аналог 03X18H11), обладая достаточно хорошим комплексом физико-механических свойств, имеют ряд недостатков, основными из которых являются: низкая гарантированная прочность (σ₀₂ - расчетный параметр) при комнатной температуре и высокая склонность к росту зерна при нагреве под горячую деформацию, что приводит к снижению технологической пластичности.

Известны способы повышения прочности хромоникелевых коррозионно-стойких сталей легированием карбидообразующими элементами, которые позволяют не только устранить склонность к межкристаллитной коррозии (МКК), но и одновременно на 10-20 Н/мм² повысить гарантированный уровень прочности (σ₀₂), о чем свидетельствуют данные [1].

Гарантированные в ГОСТ 5949 свойства двух марок коррозионно-стойкой стали: 08X18H10 и 08X18H10T, т.е. нестабилизированной (08X18H10) и стабилизированной (08X18H10T) приведены в таблице 1.

Приведенные данные показывают, что гарантированные свойства прочности стабилизированной стали σ_в на 20 Н/мм² превышают те же свойства нестабилизированной стали.

Известен также способ производства широко используемой для сильных окислительных сред нестабилизированной коррозионно-стойкой стали марки 03X18H11, включающий расплавление легированных хромом и никелем отходов, окислительное обезуглероживание в вакууматорах различной конструкции [2], прототип.

Указанный способ обеспечивает в стали стабильность аустенита (парамагнитность), отсутствие склонности к МКК, отличную пластичность в холодном состоянии (δ₅≥40%), но довольно низкие значения гарантированной прочности после закалки (σ_в=440 Н/мм², σ₀₂=155 Н/мм²), что является главным недостатком этого способа. При этом сталь обладает пониженной технологической пластичностью при горячей обработке давлением. Другим недостатком известного способа является отсутствие в технологическом цикле производства стали приемов, позволяющих:

- повысить расчетные (гарантированные) параметры прочности стали без снижения показателей физических и пластических свойств горячекатаного (г/к) и холоднокатаного (х/к) листа, сортового металла, ленты, труб и др. при температурах эксплуатации готовой металлопродукции;

- улучшить технологическую пластичность стали при горячей деформации: ковке, прокатке, прошивке, прессовании и т.п. операциях.

Задачи, на решение которых направлено предлагаемое изобретение:

- установить технологические приемы производства нестабилизированной коррозионно-стойкой стали, обеспечивающие повышение на 25-30% гарантированной прочности по сравнению с гарантированной прочностью сталей марок 03X18H11, 04X18H10, 08X18H10 [1];

- повысить технологическую пластичность стали при горячей деформации.

Технический результат изобретения заключается в повышении прочности при сохранении пластичности в широко используемых коррозионно-стойких низкоуглеродистых хромоникелевых сталях типа 18-10-11, что обеспечивает уменьшение веса конструкций, в т.ч. сварных, увеличение надежности работы и срока их службы, а также в снижение потерь металла при производстве металлопродукции за счет повышения технологической пластичности при горячей деформации.

Заявленный технический результат достигается тем, что в способе производства нестабилизированной коррозионно-стойкой стали, включающем расплавление шихтовых материалов и получение легированного хромом и никелем полупродукта, внепечную обработку полупродукта до получения заданного химического состава по основным легирующим элементам, отличающийся тем, что в расплав стали последовательно вводятся азот в количестве 0,08÷0,30% и один или несколько элементов редкоземельной группы в количестве 0,05÷0,35%. При этом РЗМ в расплав вводится в количестве в 1,5÷3,5 раза большем, чем суммарное содержание серы и фосфора и других контролируемых вредных примесей.

Сущность изобретения заключается в том, что предложенные технологические приемы производства стали вкупе с основной технологией выплавки, позволяют сформировать в стали микроструктуру, обеспечивающую повышение гарантированной прочности производимой металлопродукции, улучшение технологической пластичности при горячей обработке давлением. Увеличение гарантированной прочности в стали (σ₀₂≥285 Н/мм²) достигается введением азота. Наиболее полно упрочнение нестабилизированной стали азотом происходит, когда его содержание составляет 0,08÷0,30%. Азот - элемент внедрения, находясь в твердом γ-растворе, вызывает упрочнение матрицы, которое начинается при его содержании в стали не менее 0,08%. Верхний предел по содержанию азота (0,30%) ограничивается пределом его растворимости в жидком металле во избежание появления несплошностей в слитках при кристаллизации.

Положительное действие РЗМ основано на том, что они образуют с рядом входящих в сталь вредных примесей, в том числе и цветных металлов, достаточно прочные и тугоплавкие соединения, температура плавления которых намного выше температуры плавления железа: CeS - 2450, Ce₄Bi₂ - 1630, СеО₂ - 1930°C. РЗМ, в т.ч. церий, обладая большим сродством к сере, образуют очень стойкие и тугоплавкие химические соединения (сульфиды) со структурными формулами MeS, Me₃S₄, Me₂S₃, MeS₂, температура плавления которых составляет 2450, 2050, 1890 и 1700°C, соответственно. Эти соединения достаточно дисперсны и создают барьерный эффект для роста зерен при нагреве под горячую деформацию, что положительно сказывается на технологической пластичности стали.

Легирование аустенитных хромоникелевых сталей РЗМ на 0,05% существенно улучшает технологическую пластичность при горячей прокатке. РЗМ, растворяясь в пограничных зонах кристаллитов, упрочняют границы зерен и замедляют диффузионные процессы в этих местах. А механические свойства при высоких температурах главным образом определяются именно состоянием границ зерен. Введение в сталь РЗМ менее 0,05% не дает должного эффекта, введение РЗМ в количествах более 0,35% не только экономически нецелесообразно, но может привести к обратному эффекту по причине образования и скопления по границам зерен и в межзеренных пространствах чрезмерного количества соединений и оксидов РЗМ, которые вызовут ухудшение разливочных свойств стали и снижение пластичности при горячей деформации.

Выполнение соотношения РЗМ/S+P=1,5÷3,5 обусловлено с одной стороны техническими требованиями, которые обеспечивают устранение вредного влияния сопутствующих примесей: серы, фосфора и, возможно, цветных металлов. И с другой стороны экономическими соображениями, когда в сталь достаточно ввести минимальное количество РЗМ. Если сталь относительно чистая по сере и фосфору достаточно ввести РЗМ в количестве ближе к минимальному пределу. Когда сталь загрязнена вредными примесями значительно, РЗМ вводятся в количестве ближе к верхнему уровню. Примеры осуществления изобретения.

Предлагаемый способ опробован на примере производства 3-х марок стандартных нестабилизированных сталей 03X18H11, 04X18H10 и 03X18H10 ГОСТ 5949. Результаты исследований опытного металла представлены в табл. 2 и 3.

Пример 1. Опробование способа при производстве стали марки 03X18H11.

В электродуговой печи выплавляется полупродукт стали, содержащий хром, никель, продувкой кислородом окисляют углерод до содержания 0,2-0,3%. Расплав переливают в ковш и подают в агрегат аргоно-кислородного рафинирования (АКР). В агрегате АКР расплав обезуглероживают продувкой кислорода до содержания углерода ≤0.02%. При температуре металла 1680-1700°C вакуумирование и продувку кислородом заканчивают. После вакуумной обработки ковш с металлом передается на установку «ковш-печь», где осуществляется: десульфурация (при необходимости), введение азотированного феррохрома (марки ФХ003 по ГОСТ 4757) в количестве из расчета заданного содержания азота в пределах 0,08-0,30%, введение РЗМ (мишметалла) из расчета его содержания от 0,05 до 0,35%, окончательная корректировка химсостава и температуры металла перед подачей на разливку (см. таблицы 2 и 3).

Пример 2. Опробование способа при производстве стали марки 04X18H10.

Расплавление шихтовых материалов и производство полупродукта, внепечная обработка в АКР осуществляется по той же схеме, что в примере 1. Доводка химического состава, легирование азотом и РЗМ (мишметаллом) производится в АКР, где посредством дозаторов вводятся последовательно азотированный феррохром и РЗМ (мишметалл) в заданных количествах (см. таблицы 2 и 3).

Пример 3. Опробование способа при производстве стали марки 08X18H10.

Расплавление шихтовых материалов и производство полупродукта для стали 08X18H10 осуществляется по той же схеме, что в примере 1. Полученный полупродукт выливают в ковш, передают на агрегат «ковш-печь», где расплав раскисляют, вводят легирующие элементы и получают заданный химический состав стали. После получения заданного химического состава, расплав через донные пористые фурмы, последовательно продувают газообразным азотом до заданной концентрации (в пределах 0,08-0,30%) с интенсивностью порядка 630 л/мин·т в течение 5-10 мин, и вводят РЗМ (мишметалл) из расчета, чтобы его содержание в стали составляло (1,5-3,0)·(P+S + контролируемые примеси) (см. таблицы 2 и 3).

Химический состав стандартных и сталей, выполненных по предлагаемому способу, представлен в таблице 2.

Анализ данных таблицы 2 показывает, что химический состав всех выплавленных сталей соответствует марочному составу по ГОСТ 5632 «Стали высоколегированные и сплавы коррозионно-стойкие, жаростойкие и жаропрочные». Следует отметить, что по контролируемым вредным примесям, в частности сере и фосфору, стали, легированные азотом и РЗМ, существенно чище.

Результаты исследований комплекса механических свойств при комнатной температуре и технологической пластичности при высоких температурах представлены в таблице 3.

Данные таблицы 3 показывают, что параметры прочности сталей, легированных азотом и РЗМ, превышают те же показатели сталей, которые азотом и РЗМ не легированы: по временному сопротивлению разрыву (σ_в) на 25-40%, по пределу текучести (σ₀₂) на 32-48%. При этом необходимо отметить, что пластичность при комнатной температуре в упрочненных сталях остается на высоком уровне.

Технологическая пластичность упрочненных по способу сталей при высоких температурах, оцениваемая по числу скручиваний до разрушения, также значительно выше в сталях, легированных азотом и РЗМ.

Таким образом, заявленный способ производства нестабилизированной аустенитной коррозионно-стойкой стали позволяет повысить на 25-35% показатели прочности и существенно, более чем на 40%, увеличить технологическую пластичность при температурах горячей деформации. Следует отметить, что при этом отпадает необходимость легирования сталей дорогостоящими карбидообразующими элементами (Ti, Nb и др.) для предотвращения склонности к МКК, которое обеспечивается низким (не более 0,03%) содержанием углерода.

Внедрение способа в промышленность дает возможность увеличить уровень гарантированной прочности готовой металлопродукции, и тем самым, создаются предпосылки для снижения металлоемкости конструкций, в т.ч. сварных, повышения надежности и срока службы металлоизделий.

Использование изобретения позволяет устранить указанные недостатки и обеспечить:

а) повышение на 20-30% параметров гарантированной прочности (σ_в и σ₀₂);

в) повысить технологическую пластичность стали при горячей обработке давлением (прокатке, ковке, прессовании и др.) за счет устранения склонности к чрезмерному росту зерна при высоких температурах 900-1250°C.

Источники информации

1. ГОСТ 5949-75. Сталь сортовая и калиброванная коррозионно-стойкая, жаростойкая и жаропрочная. Технические условия.

2. Каблуковский А.Ф., Молчанов О.Е., Каблуковская М.А. Краткий справочник электросталевара. М.: «Металлургия», 1994, с. 150-152.