Патент на изобретение №2328547
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
(54) ВЫСОКОХРОМИСТАЯ СТАЛЬ ДЛЯ РОТОРОВ ПАРОВЫХ ТУРБИН
(57) Реферат:
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.
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.%:
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.%:
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.%:
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.
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 ( 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.
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.
Формула изобретения
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.%:
при этом суммарное содержание серы и фосфора не превышает 0,020%.
MM4A – Досрочное прекращение действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе
Дата прекращения действия патента: 21.07.2008
Извещение опубликовано: 10.07.2010 БИ: 19/2010
NF4A – Восстановление действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение
Дата, с которой действие патента восстановлено: 10.09.2010
Извещение опубликовано: 10.09.2010 БИ: 25/2010
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
>10%, 
>55%). При этом энергия удара +20°С составляла КС=40-100 Дж, переходная температура хрупкости была не выше +30°С.
, %