Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка нового поколения сталей для оборудования, сооружений и конструкций различного назначения в Арктике и Антарктике с повышенным (до 3-5 раз) ресурсом эксплуатации, обеспечиваемым уникальным сочетанием и стабильностью механических свойств, коррозионной стойкости, других технологических и служебных характеристик, при общем снижении металлоемкости до 15%

Докладчик: Родионова Ирина Гавриловна

Должность: Заместитель директора ЦФМК, Заместитель директора ЦФМК, заместитель директора

Цель проекта:
1. Повышение ресурса эксплуатации оборудования и других объектов техники для добычи, хранения и транспортировки газа и нефти, сооружений и конструкций различного назначения в Арктике и в Антарктике путем создания нового поколения сталей с уникальным сочетанием и стабильностью механических свойств, коррозионной стойкости, других технологических и служебных характеристик. 2. Разработка сталей нового типа, легированных азотом, отличающихся уникальным комплексом свойств: - высокой прочностью и пластичностью (σв = 800 - 1000 МПа, δ > 25%, KCU-100 > 1,5 Мдж/м2), а также устойчивой микроструктурой в интервале температур от минус 100 до плюс 100 °С; - высокой стойкостью к различным видам коррозии в морской воде (скорость общей коррозии – не более 0,01 мм/год) и в биоактивных средах; - высокой устойчивостью к длительным циклическим и ударным нагружениям; - свариваемостью в толщинах 3-13 мм. Конечном продуктом, создаваемым с использованием результатов, планируемых при выполнении ПНИ, будут промышленные технологии производства разрабатываемых сталей нового поколения, легированных азотом, освоенные на российских металлургических предприятиях. Данные ПНИ играют важную роль в решении поставленной задачи, достижении конечного результата. Так, при разработке промышленных технологий производства разрабатываемых сталей за основу будут взяты разработанные в рамках ПНИ лабораторные технологические регламенты: требования к химическому составу сталей и технологическим параметрам их получения. При их разработке в рамках ПНИ учитываются возможности оборудования и технологии отечественных металлургических предприятий. Кроме того, на заключительном этапе ПНИ будут разработаны рекомендации и предложения по использованию результатов ПНИ в реальном секторе экономики.

Основные планируемые результаты проекта:
1. На основе анализа литературных данных, результатов патентных исследований, теоретического исследования, включающего разработку и использование методов физико-химического моделирования процессов коррозии и износа в морских условиях Арктики и Антарктики, процессов формирования структуры и свойств, наноструктурной составляющей стали, комплексных коррозионных испытаний сталей различного химического состава, разработаны предварительные требования к химическому составу разрабатываемых сталей и к способам их получения. Для проведения исследований было выбрано два типа сталей, как наиболее перспективных для обеспечения требуемого комплекса свойств, и при этом сравнительно экономнолегированных. Первая группа сталей предполагает легирование хромом в количестве 12-17%, что свидетельствует о возможности ее пассивирования в рассматриваемых условиях (в морской воде, при достаточном поступлении кислорода к поверхности стали), то есть, на их поверхности образуется защитная пленка. Такие стали имеют высокую стойкость против общей коррозии, однако в средах с повышенным содержанием ионов хлора они могут быть подвержены питтинговой коррозии. Теоретическими и экспериментальными исследованиями показана возможность существенного повышения стойкости хромистых сталей против питтинговой коррозии путем их легирования молибденом и, особенно, азотом. Повышение прочности и других механических свойств, а также свариваемости такой стали достигается дополнительным легированием никелем и азотом, что позволяет обеспечить формирование мартенситной структуры, а также элементами, которые образуют с азотом выделения избыточных фаз, в том числе, наноразмерные (титан, ниобий, ванадий), вызывающие дисперсионное твердение, что в совокупности обеспечивает повышенную прочность, вязкость и износостойкость. Ниже такие стали будем называть высокопрочными хромистыми сталями, легированными азотом.
Вторая группа выбранных сталей – стали с ферритной структурой, легированные алюминием в количестве до 8-10%, что обеспечивает снижение удельной плотности и, соответственно, повышение удельной прочности. Кроме того, легирование алюминием, так же как и хромом, приводит к повышению коррозионной стойкости путем образования защитных пленок. Проведенные исследования показали возможность полной пассивации сталей, легированных алюминием, в морских условиях, особенно при дополнительном легировании стали такими элементами как хром и кремний, которые повышают стойкость защитных пленок. Даже в случае неполной пассивации такой стали, протекания коррозионных процессов в активном состоянии, скорость общей коррозии будет очень низкой и при этом будет предупреждена возможность питтинговой коррозии. Разработаны технологические примы повышения прочностных характеристик таких сталей, а также их свариваемости и износостойкости, в частности, путем легирования стали азотом и элементами, образующими с азотом выделения избыточных фаз, в том числе наноразмерные (титан, ниобий, ванадий). Ниже такие стали будем называть сталями с высокой удельной прочностью.
Разработаны предварительные требования к диапазонам химического состава и технологическим параметрам получения сталей обеих групп, на основе которых разработан проект лабораторного технологического регламента на получение экспериментальных образцов таких сталей. Разработаны Программы и методики исследовательских испытаний экспериментальных образцов, включающие определение всех показателей, предусмотренных требованиями технического задания на ПНИ.
2. В результате ПНИ будут разработаны лабораторные технологические регламенты получения экспериментальных образцов коррозионностойких высокопрочных сталей двух типов:
- высокопрочных хромистых сталей, легированных азотом,
- сталей с высокой удельной прочностью.
На экспериментальных образцах сталей, полученных в соответствии с разработанными технологическими регламентами, будут проведены исследовательские испытания с целью подтверждения достижения запланированных показателей. При этом предполагается проведение дополнительных исследований коррозионной стойкости по уникальным методикам, наиболее адекватно отражающим поведение сталей в реальных морских условиях Арктики и Антарктики, которые будут разработаны в рамках данной работы. Это позволит разработать рекомендации по использованию результатов ПНИ в реальном секторе экономики.
3. Принципиальная новизна применявшихся методик и решений заключается в разработке и использовании методов физико-химического моделирования процессов коррозии и износа в морских условиях Арктики и Антарктики, процессов формирования структуры и свойств, наноструктурной составляющей стали. Эти методы имеют и самостоятельное научное значение и могут быть использованы в дальнейшем, в том числе, для разработки новых сталей. Кроме того, именно на их основе можно выбрать адекватные методы экспериментальных исследований и испытаний, в том числе комплексных коррозионных испытаний сталей различного химического состава, разработать требования к химическому составу разрабатываемых сталей и к способам их получения.
4. Анализ работ в области создания новых и повышения качества существующих коррозионностойких сталей свидетельствует, что представленная в них информация касается частных аспектов повышения отдельных характеристик сталей. При этом рекомендации по оптимальному химическому составу и технологическим параметрам получения сталей различных классов противоречивы. Отсутствуют систематизированные комплексные исследования возможности повышения комплекса свойств таких сталей применительно к условиям Арктики и Антарктики. Комплекс методов, предусмотренных для решения задач данной работы, ее направленность на повышение ресурса эксплуатации стального оборудования, конструкций и сооружений именно в экстремальных условиях Арктики и Антарктики, а также комплекс заявленных показателей разрабатываемых сталей свидетельствует, что планируемые результаты ПНИ, а также подходы к их достижению превышают уровень зарубежных аналогов.
5. Полученные на данный момент результаты свидетельствуют о правильности выбранного направления исследований для достижения целей ПНИ. Получение экспериментальных образцов при варьировании параметров химического состава и технологии в диапазонах, предусмотренных проектом технологического регламента, разработанного в рамках этапа 1, и их исследовательские испытания будут проведены в рамках этапов 2 - 4. По результатам испытаний будут уточнены требования к оптимальным параметрам химического состава и технологии, технологическим параметрам получения, которые лягут в основу лабораторного технологического регламента на получение экспериментальных образцов для проведения в рамках этапа 5 исследовательских испытаний с целью подтверждения достижения запланированных показателей. При этом предполагается проведение дополнительных исследований коррозионной стойкости по уникальным методикам, наиболее адекватно отражающим поведение сталей в реальных морских условиях Арктики и Антарктики, которые будут разработаны в рамках данной работы. Это позволит разработать рекомендации по использованию результатов ПНИ в реальном секторе экономики. Использование современных методов теоретического и экспериментального исследования, положительный опыт предыдущих работ участников проекта по разработке новых видов высококачественных сталей свидетельствуют о том, что возможные риски являются минимальными.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1. Планируемые результаты ПНИ будут использованы на предприятиях металлургического комплекса РФ и других предприятиях, производящих стальную металлопродукцию, для освоения производства сталей нового поколения, легированных азотом, с уникальным комплексом коррозионной стойкости, механических свойств, других характеристик. Использование таких сталей для оборудования, сооружений и конструкций различного назначения в Арктике и Антарктике обеспечит повышение (до 3-5 раз) ресурса эксплуатации, при общем снижении металлоемкости до 15%.
Полученные в ходе ПНИ научные результаты, разработанные и использованные методы физико-химического моделирования формирования структуры и свойств сталей на разных этапах технологии, процессов коррозии и износа в условиях Арктики и Антарктики, комплексные коррозионные испытания, в том числе, по новым, разработанным в рамках ПНИ уникальным методикам, могут быть использованы для разработки новых сталей различного назначения с еще более высоким комплексом технологических и служебных свойств, а также эффективных технологий их производства.
2. На завершающем этапе ПНИ будут разработаны рекомендации по использованию полученных результатов в реальном секторе экономики. Следует отметить, что при разработке в рамках ПНИ лабораторных технологических регламентов будут учтены возможности технологии и оборудования отечественных металлургических предприятий (ОАО «Северсталь», ОАО «ММК», ОАО «МЕЧЕЛ», ЗАО «Красный Октябрь» и др.). Это позволит при разработке промышленных технологий производства разрабатываемых сталей взять за основу указанные технологические регламенты. В соответствии с разработанными регламентами будут получены экспериментальные образцы разрабатываемых сталей для проведения исследовательских испытаний с целью подтверждения получения запланированных показателей. Это будет важным фактором, свидетельствующим о возможности получения положительных результатов и при освоении промышленного производства разрабатываемых сталей, что также будет способствовать ускорению практического внедрения результатов ПНИ.
3. Результаты, которые предполагается получить в рамках ПНИ, окажут весьма позитивное влияние на развитие различных областей науки, техники и технологии в России. В первую очередь, это связано с имеющим место отставанием качественных характеристик выпускаемых отечественных коррозионностойких сталей от зарубежных, а также ограниченностью их сортамента. Это вынуждает отечественных потребителей использовать стали зарубежного производства, отличающихся высокой стоимостью и не всегда обеспечивающих требуемый уровень свойств. Проведение рассматриваемых ПНИ является важным шагом на пути освоения на отечественных предприятиях инновационной металлопродукции в виде качественно новых коррозионностойких сталей с уникальным комплексом свойств и повышенным ресурсом эксплуатации, в том числе, в экстремальных условиях, характерных для Арктики и Антарктики. В дальнейшем это приведет к обеспечению отечественных потребителей высококачественной металлопродукцией, импортозамещению, повышению конкурентоспособности отечественных коррозионностойких сталей на мировом рынке, авторитета российской научной школы.

Текущие результаты проекта:
На основании анализа современной литературы (114 источников, из них 48, опубликованных не ранее 2009 г.), результатов патентных исследований установлены современные тенденции развития коррозионностойких сталей различных классов, способы повышения уровня их коррозионной стойкости и механических свойств. Показано, что общей тенденцией развития большинства современных сталей является оптимизация химического состава, в частности, снижение содержания углерода и легирование стали азотом, а также микролегирующими элементами, входящими в состав избыточных фаз. Из наиболее широко применяемых нержавеющих сталей на данном этапе наиболее высокий комплекс свойств, в большей степени соответствующий требованиям к разрабатываемым сталям, может быть получен на сталях мартенситного и аустенитно-ферритного классов. В то же время, аустенитно-ферритные стали имеют более низкие характеристики прочности и износостойкости по сравнению с современными мартенситными сталями, а также более высокую стоимость. Поэтому мартенситные стали выбраны как наиболее перспективные для решения задач данной работы, при соответствующей оптимизации их химического состава и технологических параметров получения, в первую очередь, для повышения стойкости против питтинговой коррозии.
Показана целесообразность разработки принципиально новых сталей с высокой удельной прочностью, легированных алюминием, которые также могут обеспечить высокие показатели коррозионной стойкости в морских условиях. Основными задачами при разработке подобных сталей с техническими характеристиками в соответствии с требованиями технического задания на ПНИ является разработка способов повышения их прочности и износостойкости.
Результаты теоретических исследований и расчетов, а также комплексных коррозионных испытаний сталей различного химического состава, проведенные в рамках выполнения этапа 1, подтвердили перспективность использования двух рассмотренных выше типов сталей, а также определили подходы к повышению их качества, в том числе, предварительные диапазоны химических составов. Показано, для высокопрочных хромистых сталей целесообразно ограничение содержания углерода – не более 0,03%, легирование никелем (до 2-5%) и молибденом – до 2%, а также азотом (до 0,3%) и карбонитридообразующими элементами (до 0,1%). Показано положительное влияние на коррозионную стойкость сталей с высокой удельной прочностью, с высоким содержанием алюминия, дополнительного легирования (и даже микролегирования в количестве до 0,1%) кремнием, хромом, марганцем, а также легирования азотом (до 0,3%) и карбонитридообразующими элементами.
Разработаны физико-химические методы прогнозирования процессов коррозии, износа, других видов разрушения в условиях, характерных для оборудования, сооружений и конструкций различного назначения в Арктике и Антарктике, в зависимости от условий их эксплуатации, в первую очередь, от состава и состояния морской воды, представляющей собой сложную саморегулирующуюся систему с циклическим изменением физико-химических свойств, привязанным ко времени года, атмосферным явлениям, жизнедеятельности микро- и макроорганизмов. Были учтены основные типы ионов и других компонентов, присутствующих в морской воде и их активности, проведены соответствующие расчеты. На основе полученных результатов, а также данных океанографических таблиц, были разработаны составы имитата морской воды различной солености, режимы регулирования газовой смеси, пропускаемой через раствор, а также параметров введения в него абразивных частиц. Таким образом, были получены исходные данные для разработки методик проведения испытаний коррозионной стойкости и износостойкости, в наибольшей степени отражающие поведение сталей в морских условиях Арктики и Антарктики.
Разработаны физико-химические методы прогнозирования и эффективные технологические приемы управления типом, количеством, размером, морфологией, распределением по объему металла неметаллических включений, выделений избыточных фаз, формированием структуры и свойств в сталях, легированных азотом, на разных этапах производства. Показано, что в общем случае такие методы должны включать в себя следующие этапы.
Первоначально, в зависимости от химического состава стали и предполагаемой технологии раскисления, методами физико-химического моделирования анализируется состав возможных продуктов раскисления с учетом их модифицирования в процессе ковшевой обработки жидкой стали, в зависимости от масс вводимых присадок, участвующих в образовании продуктов раскисления, а также в формировании покровного шлака. На основании этого определяются технологические приемы сталеплавильного передела, направленные на формирование жидких включений, которые легко ассимилируются в шлаковую фазу. Шлаковая фаза также должна иметь оптимальный химический состав, способствующий более полной ассимиляции указанных включений. В первую очередь, это относится к массам и регламенту вводимых присадок. Показаны результаты использования данного подхода применительно к сталям, раскисленным марганцем и кремнием, что наиболее характерно для современных нержавеющих сталей. Такой подход позволяет обеспечить высокую чистоту стали по неметаллическим включениям, которые могут влиять отрицательно на показатели технологических и служебных свойств.
На втором этапе по разработанной во ФГУП «ЦНИИчермет им. И.П. Бардина» термодинамической компьютерной модели рассчитывают температурные зависимости равновесного фазового состава стали заданного химического состава, включая основные фазы, неметаллические включения и выделения избыточных фаз, а также состояние твердого раствора. Далее проводится анализ полученных зависимостей совместно с технологической схемой, которая может быть использована для получения данного вида металлопродукции – в лабораторных и/или промышленных условиях. На основе указанного анализа делается заключение об эволюции структуры стали на разных этапах технологии обработки твердой стали, а также о возможности управления указанными процессами путем варьирования содержания в стали отдельных элементов, а также параметров технологии.
Рассмотрены основные подходы к управлению характеристиками выделений избыточных фаз, который условно разделили на «крупные» - 1 мкм и более, субмикронные (0,1-0,5 мкм) и наноразмерные – не более 50 нм. Показана целесообразность для обеспечения высокой коррозионной стойкости, пластичности и вязкости исключения образования в стали крупных неметаллических включений, к которым могут относиться нитрид титана и сульфид марганца. Рассчитаны допустимые содержания в стали титана и серы для предупреждения формирования крупных включений. Показана целесообразность и определены условия выделения в процессе горячей деформации субмикронных выделений избыточных фаз (в первую очередь, карбонитрида ниобия), что подавляет рекристаллизационные процессы при горячей прокатке, приводя к формированию более дисперсной структуры.
Установлена возможность и определены условия регулирования конечного уровня свойств стали путем управления формированием наноразмерными выделениями избыточных фаз, вызывающих дисперсионное твердение (карбонитриды микролегирующих элементов, образующиеся при низких температурах (не более 700 °С)), например, при отпуске стали.
Результаты данного подэтапа позволили ввести дополнительные ограничения по химическому составу стали, в том числе, по содержанию серы, титана, ряда других легирующих и микролегирующих элементов, а также разработать рекомендации по технологии сталеплавильного передела для обеспечения чистоты стали по неметаллическим включениям, что в дальнейшем было отражено в проекте лабораторного технологического регламента на получение экспериментальных образцов сталей.
Разработанные методы были использованы и для проведения теоретического исследования способов обеспечения заданных характеристик разрабатываемых сталей, в первую очередь, для расчета фазового состава сталей модельных составов в рамках определенного ранее диапазона, при варьировании содержания таких элементов, как углерод, азот, ниобия и ванадий. Это позволило понять механизмы влияния химического состава, в первую очередь, содержания азота, на свойства стали, уточнить оптимальный диапазон химического состава и некоторых технологических параметров. Показано, что в стали, содержащей 14-15% хрома, около 5% никеля, 2% молибдена, увеличение содержания азота от 0,01 до 0,3% приводит к стабилизации аустенита, формированию при нагреве под прокатку и под закалку полностью аустенитной структуры, что благоприятно влияет на технологическую пластичность, повышая качество поверхности проката, а также обеспечивает после охлаждения формирование полностью мартенситной структуры с высокой прочностью и износостойкостью. Другой механизм положительного влияния азота связан с возможностью его участия в формировании в процессе горячей прокатки субмикронных частиц нитрида хрома, вызывающих торможение рекристаллизации и дополнительное упрочнение путем повышения дисперсности структуры. Дополнительный вклад в повышение характеристик прочности и износостойкости вносят наноразмерные частицы карбонитрида хрома, ниобия и ванадия, вызывающие дисперсионное твердение, а также азот, сохраняющийся в твердом растворе, что также подтверждено физико-химическими расчетами. Показано также, что содержания азота на уровне 0,3% достаточно для обеспечения благоприятной мартенситной структуры даже в стали с более низким содержанием никеля – до 2-3%, что приведет к существенному снижению затрат на производство.
По результатам проведенных исследований были разработаны предварительные требования к химическому составу и структурному состоянию разрабатываемых сталей двух типов.
На основе анализа разработанных требований к химическому составу и структурному состоянию сталей, а также технологических возможностей выплавки, ковшевой обработки, разливки, горячей прокатки и термической обработки сталей выбранных химических составов в лабораторных и промышленных условиях были обоснованы и разработаны методы их получения, проекты лабораторных технологических регламентов на получение экспериментальных образцов разрабатываемых сталей, а также Программы и методики их комплексных исследовательских испытаний, включающие определение всех показателей, предусмотренных техническим заданием.
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 Соглашения – не менее 1);
- Число патентных заявок, поданных по результатам исследований и разработок - 0 (требование Соглашения – 0);
- Доля исследователей в возрасте до 39 лет в общей численности исследователей - участников проекта – не менее 34,2% (требование Соглашения – не менее 34,2%);
- Средний возраст исследователей – участников проекта – не более 47 лет, (требование Соглашения – не более 47 лет);
- Использование при выполнении ПНИ уникальных научных установок – 1 единица (требование Соглашения – не менее 1 единицы).