Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка новых высокопрочных коррозионностойких наноструктурированных плакированных сталей и технологий изготовления из них сварных конструкций, химического, нефтехимического и другого оборудования с улучшенными в 2-2,5 раза эксплуатационными характеристиками при общем снижении затрат, металлоемкости

Докладчик: Зайцев Александр Иванович

Должность: директор Центра физической химии, материаловедения, биметаллов и специальных видов коррозии, директор Центра физической химии, материаловедения, биметаллов и специальных видов коррозии, директор Центра физической химии, материаловедения, биметаллов и специальных видов коррозии, Директор Центра физической химии, материаловедения, биметаллов и специальных видов коррозии , директор

Цель проекта:
Агрегаты, узлы, оборудование в энергетике, химической, нефтехимической, коксохимической нефтеперерабатывающей и ряде других отраслей промышленности функционируют в условиях все более экстремального воздействия агрессивных сред, высоких температур, давлений, знакопеременных механических, термических нагрузок и т.п. Для их изготовления необходимы хорошо свариваемые металлические материалы, одновременно обладающие предельно высокими трудно сочетаемыми показателями коррозионной стойкости, прочности, пластичности, хладостойкости и ряда других характеристик, что не достижимо в одном монометалле. Поэтому оптимальным для этих целей является использование плакированных сталей. Однако, производимые в настоящее время в России и за рубежом все их типы не обеспечивают необходимые показатели указанных свойств, а также прочности и сплошности соединения слоев. Это сдерживает или делает невозможным создание новых объектов техники, снижает производительность, ресурс работы существующего оборудования, что, особенно актуально для труднодоступных районов, сопряжено со значительным экономическим и экологическим ущербом. Поэтому, одной из важных для экономики страны задач с высокой экологической ответственностью, является разработка новых высокопрочных коррозионностойких наноструктурированных плакированных сталей и технологий изготовления из них сварных конструкций, химического, нефтехимического и другого оборудования с увеличенным в 2-2,5 раза ресурсом эксплуатации, при снижении металлоемкости на 15-20%, материальных и энергетических затрат на – не менее 30-35%, расхода дорогих, остродефицитных легирующих компонентов в 2-3 раза, аварийности и объем ремонтных работ до 40%, повышении безопасности жизнедеятельности человека, улучшении экологии, импортозамещении, укреплении конкурентоспособных позиций отечественных производителей на мировом рынке.

Основные планируемые результаты проекта:
Показана перспективность использования для создания новых объектов техники в химической, нефтехимической и других отраслях промышленности плакированных сталей, а для их производства оригинального, не только в России, но и за рубежом, метода широкослойной электрошлаковой наплавки. Он, кроме существенного снижения затрат на 30-35%, металлоемкости на 15-20%, обеспечивает получение предельно высоких показателей прочности и сплошности соединения слоев и возможность улучшения до 2-2,5 раз показателей технологических, служебных свойств, ресурса эксплуатации плакированного проката, сварных конструкций и оборудования.
Однозначно установлено, что, для создания нового поколения плакированных сталей с принципиально улучшенными свойствами, ключевое значение имеет предупреждение образования хрупких фазовых и структурных составляющих, а также управление формами присутствия примесей, неметаллическими включениями, выделениями избыточных фаз. Обоснована перспективность и разработаны принципы создания нового поколения низкоуглеродистых высокопрочных микролегированных сталей плакированных аустенитными коррозионностойкими сталями. Впервые, для одновременного достижения высоких показателей прочности (пределы текучести – более 700 МПа, прочности – более 850 МПа), пластичности (относительное удлинение – более 17%) и других служебных свойств, использованы процессы наноструктурирования стали, реализуемые при относительно не высоких скоростях охлаждения металла характерных для производства плакированного проката.
На базе оригинальных способов представления термодинамических функций в рамках теории нескольких подрешеток, ассоциированных растворов разработаны методы термодинамического, физико-химического моделирования и расчета состава, структурного состояния стали основного слоя. С их использованием, впервые, выполнен адекватный анализ совместного выделения всех возможных избыточных фаз, условий наноструктурирования, вкладов различных механизмов упрочнения для достижения необходимого комплекса свойств стали.
Разработаны оригинальные методы моделирования и расчета процессов взаимодействия в системе металл-шлак-газ при электрошлаковой наплавке. С их использованием, впервые, определены условия достижения высоких показателей, не только прочности (450 Н/см2) и сплошности соединения, но и однородности толщин слоев. Созданы методы прогнозирования и расчета фазового состава стали плакирующего слоя, обеспечивающие адекватный выбор режимов горячей прокатки для получения необходимых показателей технологической пластичности и качественных характеристик плакированного проката. С использованием оригинальных расчетных и экспериментальных методов установлен ряд, важных для моделирования исследованных материалов и процессов, данных о термодинамических, физико-химических свойствах.
Выполненные разработки и полученные результаты свидетельствуют о правильности выбранного направления исследований и гарантированной возможности достижения поставленной цели проекта по созданию эффективных технологий производства методом электрошлаковой наплавки новых высокопрочных, коррозионностойких плакированных сталей с предельно высокой прочностью и сплошностью соединения слоев и изготовления из них сварных конструкций, оборудования для нефтехимической, химической и других отраслей промышленности с увеличенным в 2-2,5 раза ресурсом эксплуатации, при снижении металлоемкости на 15-20%, материальных и энергетических затрат не менее 30-35%, расхода дорогих, остродефицитных легирующих компонентов в 2-3 раза, аварийности и объема ремонтных работ до 40%, повышении безопасности жизнедеятельности человека, улучшении экологии, импортозамещении, укреплении конкурентоспособных позиций отечественных производителей на мировом рынке. Возможные риски являются минимальными, что обеспечивается использованием ряда новых научных, технологических решений, не имеющих аналогов в мире. Они состоят в использовании для получения плакированного проката оригинального (не только в России, но и в мире) метода широкослойной электрошлаковой наплавки, гарантированном обеспечении уникального комплекса механических, других технологических, служебных свойств, а также химической совместимости с материалом плакирующего слоя высокопрочной конструкционной стали основного слоя за счет процессов наноструктурирования, при низком содержании углерода. Не менее оригинальными являются методы повышения коррозионной стойкости плакирующего слоя и плакированного проката, в целом, путем управления содержанием и формами присутствия примесей, неметаллических включений. Использование таких подходов позволит достичь комплекса показателей технологических, служебных свойств, качественных характеристик, разрабатываемого плакированного проката, в целом, не менее чем в 1,5-2 раза превышающем лучшие мировые аналоги.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Результаты выполненных исследований, будут иметь большое значение для развития, как фундаментальных, так и прикладных областей науки, многих отраслей техники, промышленности. Получаемые фундаментальные знания найдут широкое использование во многих российских и зарубежных университетах, научных центрах, в том числе МГУ им. М.В.Ломоносова, ИМЕТ РАН, НИТУ МИСиС, МВТУ им Н.Э. Баумана, ЦНИИ КМ «Прометей» ФТИ НАН Б, Arcelor Mitteal и др., для разработки новых высокопрочных и плакированных сталей, других металлических материалов и технологий их производства. Результаты моделирования и расчетов металлургических процессов, а также теоретических, экспериментальных исследований будут использованы в образовательном процессе, в том числе, для чтения лекций по химической термодинамике материалов, физической химии металлургических процессов, материаловедению в МГУ им. М.В. Ломоносова, ФГУП «ЦНИИчермет им. И.П. Бардина», подготовки курсов повышения квалификации специалистов ОАО «Северсталь», ОАО «ММК», ООО «Институт биметаллических сплавов» и др.
Разработанные технологии будут использованы в условиях индустриального партнера - ООО «Институт биметаллических сплавов», и на других предприятиях металлургического комплекса РФ ОАО «Северсталь», ОАО «ММК», ЗАО «Сибирская независимая металлургическая компания» для производства инновационной металлопродукции.
Производимый прокат высокопрочных и плакированных сталей будет использован на предприятиях химического, нефтехимического, коксохимического, энергетического нефтеперерабатывающего машиностроения, в том числе ОАО «Волгограднефтемаш», ОАО «Салаватнефтемаш» и ЗАО «Петрозаводскмаш» ОАО «Пензахиммаш», ОАО «Туймазыхиммаш», для изготовления сварных конструкций, агрегатов, узлов и оборудования различного назначения, предназначенного для эксплуатации в агрессивных средах и экстремальных условиях
В настоящее время потребность в разрабатываемых плакированных сталях составляет не менее 15-20 тысяч тонн в год. При этом строительство новых и реконструкция старых отечественных химических нефтехимических, нефтеперерабатывающих производств предполагает постоянный рост потребности в разрабатываемых плакированных сталях и сварных металлоконструкциях и к 2017-2019 г.г. составит не менее 40-50 тысяч тонн в год. При этом полученный экономический эффект от их использования составит более 1 млрд. рублей. Следует отметить, что как разрабатываемые технологии, так и плакированные стали обладают высокой степенью новизны и патентоспособности не только в России, но и за рубежом. В настоящее время ведется масштабное строительство нефтеперерабатывающих и нефтехимических предприятий в странах юго-восточной Азии, что гарантирует рост спроса на разрабатываемую металлопродукцию на мировом рынке. Возможно получение заказов от заграничных потребителей в объеме более 35-40 тысяч тонн в год, продажа лицензий.

Текущие результаты проекта:
На основании выполненных, на текущий момент времени, работ получены следующие основные результаты.
На базе выполненного анализа современной литературы, результатов патентных исследований показана эффективность использования плакированных сталей, обладающих, недостижимым в одном монометаллическом материале, комплексом высоких трудно сочетаемых показателей коррозионной стойкости, механических и других служебных свойств, для создания новых объектов техники в энергетике, химической, нефтехимической и других отраслях промышленности. По результатам исследования условий их эксплуатации, предъявляемых технико-экономических требований, установлена наиболее высокая перспективность разработки и использования высокопрочных конструкционных сталей плакированных аустенитными коррозионностойкими сталями, а для их производства оригинального не только в России, но и за рубежом, метода широкополосной электрошлаковой наплавки. Он, кроме существенного снижения на 30-35% затрат, металлоемкости на 15-20%, может обеспечивать получение предельно высоких увеличенных до 2-2,5 раза показателей технологических, служебных свойств, ресурса эксплуатации плакированного проката, сварных конструкций и оборудования.
На базе детального исследования закономерностей формирования состава, структурного состояния металла слоев, переходной зоны, однозначно, установлено, что, для создания нового поколения плакированных сталей с принципиально улучшенным комплексом свойств, ключевое значение имеет предупреждение возникновение хрупких фазовых и структурных составляющих, а также управление формами присутствия примесей, неметаллическими включениями, выделениями избыточных фаз. На основании этого обоснована необходимость, для получения предельно высокой прочности (не менее 450 Н/см2), и сплошности (0 класс по результатам УЗК) соединения слоев, использования в качестве основного слоя новых высокопрочных низкоуглеродистых микролегированных сталей. Важно, что при их разработке, для одновременного достижения высоких показателей прочности (пределы текучести – более 700 МПа, прочности – более 850 МПа), пластичности (относительное удлинение – более 17%) и других служебных свойств ключевое значение отводили процессам наноструктурирования, реализуемым при относительно не высоких скоростях охлаждения металла характерным для производства плакированного проката.
С целью определения оптимальных режимов обработки разработанных конструкционных сталей, на базе оригинальных способов представления термодинамических функций в рамках теории нескольких подрешеток, ассоциированных растворов разработаны методы термодинамического, физико-химического моделирования и расчета состава, структурного состояния металла. Они впервые позволили провести адекватный анализ формирования неметаллических включений, совместного выделения всех возможных избыточных фаз и сделать оценку вкладов разных механизмов упрочнения и других факторов для достижения необходимого комплекса свойств стали.
На основе развития новой теории металлургических шлаков, металлических расплавов разработаны оригинальные методы моделирования и расчета шлакового, электрического режимов, процессов взаимодействия в системе металл-шлак-газ при электрошлаковой наплавке. С их использованием, впервые определены условия достижения высоких показателей прочности (450 Н/см2), сплошности соединения, однородности толщин слоев, степени рафинирования от вредных примесей, неметаллических включений металла плакирующего слоя, его коррозионной стойкости, качества поверхности.
Разработаны оригинальные термодинамические, физико-химические методы прогнозирования и расчета фазового состава плакированных сталей, обеспечивающие адекватный выбор режимов горячей прокатки для получения необходимых показателей технологической пластичности и качественных характеристик получаемого проката.
С использованием оригинальных экспериментальных и расчетных выполнено определение ряда фундаментальных термодинамических, физико-химических свойств веществ и материалов для обеспечения адекватного прогнозирования процессов протекающих на всех этапах производства плакированных сталей.
Индустриальным партнером – ООО «Институт биметаллических сплавов» за внебюджетные средства произведена модернизация и технологическая подготовка оборудования, проведены экспериментальные наплавки, получены двухслойные стали, произведен отбор проб для исследований. Результаты их исследований и испытаний, в том числе, позволили обосновать необходимость разработки новых низкоуглеродистых высокопрочных низколегированных сталей для основного слоя.
Достигнуты следующие значения индикаторов и показателей результативности реализации проекта:
- Число публикаций по результатам исследований и разработок в научных журналах, индексируемых в базе данных Scopus или в базе данных "Сеть науки" (WEB of Science) – 1 (требование ТЗ – не менее 1);
- Число патентных заявок, поданных по результатам исследований и разработок - 0 (требование ТЗ – не менее 0);
- Доля исследователей в возрасте до 39 лет в общей численности исследователей - участников проекта - 51,9 % (требование ТЗ – не менее 34,2%);
- Средний возраст исследователей – участников проекта - 45 лет, (требование ТЗ – не более 47 лет);
- Использование при выполнении ПНИ уникальных научных установок – 1 единица (требование ТЗ – не менее 1 единицы).