КОРРОЗИОННО-СТОЙКАЯ АУСТЕНИТНАЯ СТАЛЬ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТРУБ
CORROSION-RESISTANT AUSTENITE STEEL FOR FABRICATION OF TUBES

Изобретение относится к области электрометаллургии черных сплавов, в частности к производству аустенитных хромоникелевых сталей, используемых как конструкционный материал для изготовления труб, а также различного оборудования, эксплуатируемого в агрессивных средах, и может быть использована в химическом машиностроении, энергетике, автомобильной, пищевой и других областях промышленности.
Из аустенитных хромоникелевых сталей наибольшее распространение в промышленности получили стали типа 0Х18Н10Т, 08Х18Н10Т и 12Х18Н12Т. Эти стали относительно жаростойкие и жаропрочные, имеют высокое сопротивление общей коррозии и коррозионному растрескиванию, они не склонны к межкристаллитной коррозии. Стали довольно технологичны, удовлетворительно деформируются при высоких и нормальных температурах (прокатка, прошивка, ковка и др.), а также выдерживают холодную гибку, развальцовку и др., хорошо свариваются. Однако достижение вышеуказанных свойств этих сталей достигается за счет оптимального легирования их такими элементами, как никель и хром, что значительно удорожает их применение.
6
Известна коррозионно-стойкая сталь (см. патент РФ №2035524, МПК С22С 38/58, заявл. 16.11.1992 г., опубл. 20.05.1995 г.), содержащая следующие компоненты, мас.%:
углерод
0,06-0,08
кремний
0,6-0,8
марганец
1,5-2,0
хром
18,0-19,0
никель
10,0-11,0
титан
0,5-0,7
молибден
0,1-0,3
вольфрам
0,1-0,2
ванадий
0,1-0,2
медь
0,1-0,3
кобальт
0,001-0,025
железо
остальное
Известная сталь обладает удовлетворительными прочностными и пластическими свойствами, однако содержит повышенное содержание дефицитных и дорогостоящих компонентов, таких как хром и никель. Кроме того, для достижения необходимой технологической пластичности стали ее подвергают вакуумно-дуговому переплаву для снижения количества неметаллических включений, а также других примесей. Все это значительно повышает удельные расходы на производство стали и увеличивает ее стоимость.
Наиболее близкой к заявляемой стали по совокупности существенных признаков и достигаемому техническому результату является коррозионно-стойкая сталь (охр. док. Великобритании №7669719 (А), заявл. 30.01.1957 г.), которая содержит следующие компоненты, мас.%:
углерод
0,07-0,2
кремний
0,2-2,0
марганец
0,4-2,0
хром
14,0-20,0
никель
7,0-12,0
титан
≤1,0
молибден
0-4,0
вольфрам
≤1,0
ванадий
≤1,0
медь
≤1,0
алюминий
≤1,0
азот
0-0,1
кобальт
0-10,0
тантал
≤1,0
железо
остальное.
Известная сталь имеет низкие пластические свойства и является дорогостоящим продуктом. Относительно высокое содержание углерода способствует образованию карбидов хрома по границам зерен. В местах скопления карбидов хрома образуются трещины, что приводит не только к снижению вязкопластических свойств сталей аустенитного класса, но и к потере газоплотности, особенно тонкостенных конструкций, например труб, а также выкрашиванию карбидов. Низкая пластичность стали требует высоких сопротивлений деформации при последующих термомеханических переделах, например при производстве труб методом прошивки. Это приводит к дополнительным удельным затратам при производстве труб. Кроме того, при наличии кобальта и тантала в известной стали получают класс сталей специального функционального назначения.
В основу изобретения поставлена задача оптимизации химического состава коррозионно-стойкой стали, в которой благодаря оптимальному количественному соотношению аустенито- и ферритообразующих компонетов, обеспечивается регулируемый процесс α-γ-превращений, позволяющий получить стабильность структуры металла на последующих стадиях технологического передела и в процессах эксплуатации изделий из стали данного класса, что позволит значительно снизить удельные расходы на производство стали при одновременном обеспечении высокого уровня пластических и прочностных свойств металла.
Поставленная задача решается тем, что в известной коррозионно-стойкой аустенитной стали для труб, содержащей углерод, кремний, марганец, хром, никель, титан, молибден, вольфрам, ванадий, медь, алюминий, азот и железо, новым согласно техническому решению, является то, что компоненты содержатся в следующем соотношении, мас.%: С - 0,06-0,069; Si - 0,3-0,6; Mn - 1,0-1,5; Cr - от более 17,0 до 18,0; Ni - от более 9,0 до 9,98, Ti - 0,25-0,7; Mo - 0,08-0,3; W - 0,07-0,2; V - 0,07-0,2; Cu - 0,08-0,3; Al - от более 0,005 до 0,15; N - 0,007-0,03; Fe - остальное.
Причинно-следственная связь между совокупностью существенных признаков устройства и достигаемым техническим результатом состоит в следующем.
Пониженное содержание углерода в стали при оптимальном количественном соотношении в ней α и γ-образующих элементов позволяет обеспечить процесс регулируемого фазового превращения в металле и получить стабильную аустенитную структуру металла, обеспечивающую высокие пластические свойства металла. Кроме того, это позволит обеспечить высокий уровень прочностных свойств металла, его высокую технологическую пластичность на стадиях металлургического передела, при этом значительно снизить удельные расходы на производство аустенитных хромоникелевых сталей данного класса. Пониженное содержание углерода в сталях аустенитного класса способствует уменьшению выделения карбидов хрома по границам зерен. В стали образуются преимущественно карбиды титана, которые располагаются в центре зерна, улучшая макроструктуру стали. Такая кинетика фазообразования способствует снижению необходимого содержания титана в сталях данного класса для достижения требуемых физико-механических свойств. Кроме того, пониженное содержание углерода обуславливает увеличение стойкости стали к МКК и обеспечивает долговечность работы изделий (труб) в различных кислых средах. Пониженное содержание углерода и титана в сталях данного класса повышает технологическую пластичность стали, снижает отбраковку металла как по поверхностным, так и по внутренним дефектам. Таким образом, пониженное содержание углерода в заявленной стали (0,06 - ниже 0,7%), а также оптимальное соотношение количественного содержания аустенито- и ферритообразующих элементов позволяют получить коррозионно-стойкие стали определенного назначения типа 0Х18Н10, 06Х18Н10. Эти стали обладают высокими пластическими свойствами, необходимыми при производстве коррозионно-стойких труб методом прошивки, что значительно снижает удельные затраты на производство сталей данного класса. Заявленная сталь обладает также высокими прочностными и корозионно-стойкими свойствами.
Способ получения заявляемой стали осуществляется следующим образом.
На ОАО «Днепроспецсталь» совместно с другими предприятиями и заводами проведен комплекс опытно-промышленных работ по выплавке, пластической и термической обработке паковок из заявляемой стали. Выплавка стали проводилась в 50-тонных электродуговых печах с последующей обработкой металла на установках внепечного рафинирования. Обработка слитков давлением с целью получения крупногабаритных поковок и крупных заготовок проводилась на кузнечно-прессовом и прокатном оборудовании завода «Днепроспецсталь».
3
3
Химический состав заявленных и известной сталей представлен в таблице 1, а результаты определения физико-механических свойств металла представлены в таблице 2. Определение механических свойств металла (предела прочности и относительного удлинения) проводилось при нормальной температуре на стандартных образцах, выполненных из кузнечных поковок массой 71 т и термически обработанных по следующему режиму: аустенизация - 1050°С, выдержка - 40 мин, охлаждение водой по ГОСТ 1497-73. Результаты испытаний усреднены по трем образцам на точку. Склонность металла к межкристаллитной коррозии определяли по характеру поверхности изгиба образца, выдержанного в течение 8 часов в кипящем растворе агрессивной среды: серная кислота - 250 см, медный купорос - 50 г, вода - 1000 см (по ГОСТ 6032-89).
Испытание образцов стали на горячее кручение проводили при 1100°С согласно методике, разработанной в Министерстве промышленной политики Украины №33-03-2005 г. от 10.08.2005 г. (химический состав сталей приведен в таблице 1, результаты испытаний приведены в таблице 2).
Как видно из таблицы 2, пластические характеристики (количество скручиваний до разрушения) заявляемой стали (составы 2, 3, 4) превышают на 5-10% уровень
Таблица 1
Условный № состава стали
Химический состав, мас.%
С
Si
Mn
Cr
Ni
Ti
Mo
W
V
Cu
Al
N
Fe
1
0,04
0,25
0,90
16,2
8,4
0,20
0,06
0,05
0,05
0,06
0,002
0,005
ocт.
2
0,06
0,30
1,00
17,0
9,0
0,25
0,08
0,07
0,07
0,08
0,005
0,007
ocт.
3
0,065
0,50
1,20
17,5
9,5
0,50
0,15
0,12
0,12
0,15
0,08
0,020
ocт.
4
0,069
0,60
1,50
18,0
10,0
0,70
0,30
0,20
0,20
0,30
0,15
0,030
ocт.
5
0,075
0,80
2,00
18,5
10,5
0,80
0,35
0,25
0,27
0,37
0,21
0,037
ocт.
по прототипу
0,13
1,20
1,40
18,0
11,0
0,70
0,80
0,40
0,40
0,50
0,20
0,05
ocт.
Таблица 2
Условный № состава стали
Механические свойства
Стойкость против коррозионного растрескивания
Количество скручиваний до разрушения (горячее кручение)
Удельные расходы (в условных единицах)*
Предел прочности σ<sub>в</sub>, МПа
Относительное удлинение φ, %
1
500
44
отсутствие трещин
21
0,65
2
540
50
-"-
24
0,70
3
542
53
-"-
24
0,73
4
545
57
-"-
24
0,78
5
545
57
-"-
25
0,78
по прототипу
550
42
-"-
23
1,00
Примечание. * Удельные расходы по производству стали по прототипу приняты за единицу
соответствующих значений аналогичных характеристик известной стали. При этом удельные расходы по производству тонны заявляемой стали уменьшились в 1,2-1,3 раза.
На основании результатов всего комплекса испытаний видно, что заявляемая сталь не уступает известным сталям того же назначения. Заявляемая сталь более дешевая и относится к группе стойких и высокостойких к коррозии сталей.
Заявляемая коррозионно-стойкая сталь может быть изготовлена на существующем оборудовании с использованием известных материалов и средств, что подтверждает ее промышленную применимость.