СЛИТОК ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КРУПНЫХ ЦЕЛЬНОКОВАНЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ СТАЛИ
INGOT FOR MANUFACTURE OF LARGE UNIT-FORGED STEEL ITEMS

Изобретение относится к области металлургии, в частности к изготовлению слитков для крупных цельнокованых изделий из стали, например валов, роторов паровых турбин высокого, среднего и низкого давления, работающих в стационарных режимах при температурах до 550°С.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является слиток для изготовления кованых крупногабаритных изделий из стали, содержащей углерод, кремний, марганец, никель, хром, молибден, ванадий, сурьму, кислород, азот и железо при следующих соотношениях компонентов, мас.%:
углерод
0,21-0,29,
кремний
0.17-0,37,
марганец
0,30-0,60,
никель
0,01-0,40,
хром
1,5-1,8,
молибден
0,9-1,05,
ванадий
0,22-0,32,
сурьма
0,0005-0,008,
кислород
0,001-0,008,
азот
0,001-0,012
железо и примеси, в том
числе сера и фосфор
остальное
(SU 1742351, С22С 38/60, опубликовано 23.06.1992 г.).
Недостатком слитков из известной стали является ограниченный ресурс работы крупных цельнокованых изделий, изготовленных из известного слитка. Это связано с недостаточной стойкости к хрупким разрушениям и тепловой хрупкости изделия при эксплуатации из-за повышенного содержания в слитке таких вредных примесей, как сера и фосфор.
Задачей и техническим результатом изобретения является повышение эффективности производства слитка для изготовления крупных цельнокованых изделий и увеличение надежности изделий из слитка по изобретению при температурах эксплуатации до 550°С за счет повышения вязкопластических свойств стали.
Технический результат достигается тем, что слиток для изготовления крупных цельнокованых изделий из стали, содержит углерод, кремний, марганец, никель, хром, молибден, ванадий, сурьму, кислород, азот, серу, фосфор и железо, причем сталь слитка содержит компоненты при следующий соотношениях, мас.%:
углерод
0,21-0,29,
кремний
0.17-0,37,
марганец
0,30-0,60,
никель
0,01-0,40,
хром
1,5-1,8,
молибден
0,9-1,05,
ванадий
0,22-0,32,
сурьма
0,0005-0,008,
кислород
0,001-0,008,
азот
0,001-0,012
железо
остальное
а содержание примесей серы и фосфора в стали слитка регламентировано в зависимости от массы слитка следующим соотношением [i]≤0,006-0,001 lgM, где [i] - минимально допустимое содержание серы и фосфора в мас.%, а М - масса слитка, т.
Существующий уровень развития технологии внепечной обработки слитков позволяет снизить содержание серы до концентрации менее 0,0005%, однако столь низкое содержание серы требуется очень редко, например при производстве стали для магистральных трубопроводов, транспортирующих сероводород, содержащий газ. В большинстве случаев экономический эффект от такой стали намного меньше производственных затрат. Поэтому при регламентировании содержания серы и фосфора требуется учитывать параметры будущего изделия и условия его эксплуатации.
Одним из параметров, существенным образом связанным с допустимым содержанием серы и фосфора, является размер изделия: чем оно больше, тем меньше концентрация серы и фосфора в нем должна быть. Такое ограничение содержания этих примесей обусловлено необходимостью учета развития ликвационных процессов при кристаллизации слитка. Сера и фосфор при кристаллизации стали склонны к неравномерному перераспределению между жидкой и твердой фазами. При затвердевании стали в слитке сера и фосфор вытесняются в расплав вследствие их большой растворимости в жидком металле, что обуславливает повышение их содержания в последних порциях отвердевшего металла. При затвердевании слитком массой в несколько сотен тонн концентрация серы и фосфора в центральной зоне слитка может в сотни раз превышать их содержание в ковшовой пробе. Понятно, что такое различие значимо и может привести к коренному изменению свойств какой-то части изделия, прежде всего вязкопластических свойств. Данное обстоятельство и обуславливает необходимость регламентировать содержание серы в зависимости от массы слитка.
Изобретение может быть проиллюстрировано следующим примером.
Сталь состава по изобретению рациональнее выплавлять в основной электропечи. Пять плавок стали были выплавлены в электродуговой печи. Масса каждого слитка составила 150 т. В соответствии с регламентом содержание серы и фосфора с зависимости от массы не превышала [i]=0,006-0,001 lgl50=0,006-0,001×2,176=0,004 мас.%.
Химический состав плавок приведен в таблице 1. В таблице 2 приведены механические и служебные свойства изделия после оптимальных режимов термообработки (числитель - минимальные, знаменатель - максимальные значения). Данные получены на образцах, имитирующих центральную зону крупного цельнокованого ротора среднего давления сечением 120 мм. Приведены также механические и служебные свойства изделий из слитков, химический состав которых выходит за пределы предлагаемого состава стали.
50
50
Из представленных данных следует, что образцы из слитков по изобретению имеют более низкую критическую температуру хрупкости Т и, соответственно, большую стойкость к хрупким разрушениям. Кроме того, образцы из слитка по изобретению показали большую стойкость к тепловой хрупкости в процессе длительной изотермической выдержки 3000 ч (ΔТ составляет 13-30°С против 70-80°С у образцов из известного слитка).
Таким образом, слиток по изобретению обеспечивает достижение поставленного технического результата: повышение эффективности производства слитка и увеличение надежности изделий из него при температурах эксплуатации до 550°С за счет повышения вязкопластических свойств стали по всему объему слитка.
Таблица 1
Химический состав металла опытных слитков
Плавка
С
Si
Mn
S
Р
Cr
Ni
Мo
V
1
0,23
0,31
0,51
0,0035
0,004
1,58
0,12
0,61
0,23
2
0,25
0,25
0,55
0,0035
0,004
1,60
0,11
0,63
0,22
3
0,22
0.29
0,42
0,0035
0,004
1,61
0,11
0,62
0,25
4
0,21
0,38
0,63
0,005
0,006
1,43
0,10
0,58
0,20
5
0,27
0,37
0,49
0,0035
0,004
1,52
0,12
0,61
0,22
6
0,29
0,31
0,48
0,006
0,007
1,55
0,12
0,60
0,21
Таблица 2
Свойства металла опытных слитков*
Плавка
σ<sub>в</sub>, Н/мм<sup>2</sup>
σ<sub>0,2</sub>, Н/мм<sup>2</sup>
δ, %
ψ, %
KCV, Дж/см<sup>2</sup>
Т<sub>50</sub>,°С
ΔТ<sub>50</sub>, °С
1
500/520
620/630
14/18
38/43
60/80
20/30
15/20
2
510/550
620/660
15/17
39/45
60/70
25/40
15/25
3
540/610
630/660
14/16
40/43
50/70
30/40
20/30
4
480/500
600/520
15/17
40/42
55/70
20/40
10/20
5
550/620
640/660
14/16
36/41
15/25
70/80
60/80
6
500/600
630/650
13/1
35/40
20/30
60/70
70/80
* - свойства образцов определяли после термической обработки по следующей схеме: нормализация 960°С + отпуск 690°С 30 ч, охлаждение с печью