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

Номер контракта: 14.576.21.0022

Руководитель: Зайцев Александр Иванович

Должность: директор Центра физической химии, материаловедения, биметаллов и специальных видов коррозии (ЦФМК)

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
высокопрочные коррозионностойкие плакированные стали, электрошлаковая наплавка, термодеформационная обработка, хладостойкость, сварные конструкции, электрический, шлаковый режим, основной, плакирующий слой, переходная зона, физико-химические модели, технология, наноструктурная составляющая, технологическая пластичность, механические, служебные свойства

Цель проекта:
1. Повышение надежности, ресурса эксплуатации, снижение массы, металлоемкости, стоимости сварных конструкций, химического, нефтехимического, нефтеперерабатывающего и другого оборудования. Создание принципиально новых высокоэффективных объектов техники. 2. Разработка основ 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 для технологического оборудования нефтеперерабатывающей, нефтехимической, химической, коксохимической 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 объем ремонтных работ до 40%, повышении безопасности жизнедеятельности человека, улучшении экологии, импортозамещении, укреплении конкурентоспособных позиций отечественных производителей на мировом рынке.

Основные планируемые результаты проекта:
1) Лабораторный технологический регламент на выплавку, термодеформационную обработку конструкционной стали.
2) Экспериментальные образцы конструкционной стали основного слоя с максимально высоким и стабильным комплексом технологических служебных свойств в количестве не менее 10 шт. со следующими характеристиками: временное сопротивление – не менее 850 Н/мм2, относительное удлинение – не менее 15-25%, ударная вязкость, KCU-70°C - не менее 80 Дж/см2, стойкость против локальной коррозии – стойкая по СТО 00190242-001-2008, свариваемость (углеродный эквивалент) – не более 0,4.
3) Лабораторный технологический регламент на изготовление расходуемых электродов для электрошлаковой наплавки.
4) Экспериментальные образцы металла расходуемых электродов в количестве не менее 10 шт. со следующими характеристиками: прокат круглого сечения – 10-50 мм, точность получения заданного диаметра ± 0,2 мм, масса образца – не менее 0,5 кг.
5) Лабораторный технологический регламент на получения методом электрошлаковой наплавки плакированных заготовок.
6) Экспериментальные образцы заготовок полученных методом электрошлаковой наплавки в количестве не менее 3 шт. со следующими характеристиками: прочность соединения слоев – не менее 450 Н/мм2, сплошность соединения слоев - не хуже 0 класса по результатам УЗК по ГОСТ 10885-85, равнотолщинность слоев – не более ±5%.
7) Лабораторный технологический регламент нагрева и горячей пластической деформации двухслойных заготовок.
8) Экспериментальные образцы плакированного проката полученного методом электрошлаковой наплавки в количестве не менее 10 шт. со следующими характеристиками: прочность соединения слоев – не менее 450 Н/мм2, сплошность соединения слоев - не хуже 0 класса по результатам УЗК по ГОСТ 10885-85, равнотолщинность слоев – не более ±5%, временное сопротивление стали основного слоя – не менее 850 Н/мм2, относительное удлинение стали основного слоя – не менее 17%, стойкость против локальной коррозии – стойкая по СТО 00190242-001-2008, ударная вязкость стали основного слоя, KCU-70°C - не менее 80 Дж/см2, ударная вязкость стали плакирующего слоя, KCU-70°C - не менее 80 Дж/см2, пластичность плакированного проката - удовлетворительный результат при испытании на загиб на угол 120о.
9) Лабораторный технологический регламент на получение сварных соединений плакированного проката.
10) Экспериментальные образцы сварных соединений плакированного проката в количестве не менее 10 шт. со следующими характеристиками: твердость металла сварного соединения – не более 200 НВ, при испытании на растяжение сварных соединений – разрушение вне зоны сварного соединения, пластичность металла сварного соединения при испытании на загиб плакирующим слоем внутрь и наружу - удовлетворительный результат при испытании на загиб на угол 120о .
11) Эскизная конструкторская документация экспериментальных образцов сварных соединений плакированного проката
12) Техническое задание на ОТР по теме: «Разработка технологии производства разработанного нового поколения плакированных сталей и изготовления из них сварных конструкций».

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Основы технологий производства методом электрошлаковой наплавки нового поколения плакированных сталей с основным слоем из высокопрочной (временное сопротивление – более 850 Н/мм2) наноструктурированной стали и плакирующим слоем из коррозионностойких сталей аустенитного класса и изготовления из них сварных конструкций для химического, нефтехимического, коксохимического, нефтеперерабатывающего и других типов оборудования. Это позволит создать новые объекты техники, увеличить в 2-2,5 раза ресурс эксплуатации оборудования, при снижении металлоемкости на 15-20%, материальных и энергетических затрат – не менее чем на 30-40%, расхода дорогих и остродефицитных легирующих компонентов в 2-3 раза, аварийность и объем ремонтных работ до 40%, повысить безопасность жизнедеятельности человека, улучшить экологию, приведет к импортозамещению, укреплению конкурентоспособности позиций отечественных производителей на мировом рынке.
Уникальный комплекс свойств разрабатываемых плакированных сталей и изготавливаемых из них сварных конструкций сварных конструкций будет достигнут благодаря использованию ряда оригинальных, не имеющих аналогов в мире, подходов:
- применение уникального не только для России, но и для мира метода широкослойной электрошлаковой наплавки, обеспечивающего предельно высокую прочность и сплошность соединения слоев – снижение затрат на 30-40%, массы металлоемкости на 15-20%, возможность применения обычных методов сварки;
- обеспечения, одновременного получения высокой прочности и пластичности новой конструкционной стали основного слоя за счет реализации процессов наноструктурирования, протекающих при относительно не высоких скоростях охлаждения характерных для производства плакированного проката, при снижении содержания углерода, направленного на повышение химической совместимости материалов слоев, свариваемости, коррозионной стойкости и дополнительное снижение массы металлоемкости – до 20%;
- повышение коррозионной стойкости, хладостойкости материалов слоев, эксплуатационной надежности, долговечности проката, в целом в 2 – 2,5 раза, за счет управления содержанием и формами присутствия примесей, неметаллических включений;
- создание новых объектов техники за счет уникального комплекса свойств разрабатываемых плакированных сталей и возможности использования обычных методов сварки, без необходимости применения специальных приемов.
Разрабатываемые плакированные стали будут обладать, увеличенным до 2- 3 раз комплексом технологических, служебных свойств, по сравнению с характеристиками лучших зарубежных и отечественных аналогов (последовательно указаны в скобках): прочность соединения слоев – не менее 450 (300-350, 250-300) Н/мм2; сплошность соединения слоев - 0 (0-1,0-1)класс по результатам УЗК; временное сопротивление стали основного слоя – не менее 850 (550-660, 500-600) Н/мм2; ударная вязкость стали основного слоя при минус 70 оС - не менее 80 (30,30) Дж/см2; пластичность плакированного проката – удовлетворительный результат при испытании на загиб на угол 120о (90 о, 90о); стойкость стали против локальной коррозии – стойкая (не стойкая, не стойкая); количество термоциклов до разрушения материала (по результатам испытаний имитирующих работу нефтехимического оборудования) – не менее 10000 (940, 815). . Это обеспечит возможность изготовление сварных конструкций без использования специальных приемов сварки, например предварительного удалений плакирующего слоя с последующей наплавкой, повысить не менее, чем в 2,-2,5 раза эксплуатационную надежность, долговечность сварных конструкций, при снижении металлоемкости, затрат до 20%.
Достижение указанного комплекса свойств плакированных сталей основано на использовании современных методов физического, физико-химического, компьютерного, статистического моделирования материалов и процессов, происходящих при на всех этапах комплексной технологии производства плакированного проката. Это позволит разработать эффективные технологические приемы и решения по обеспечению в сталях основного и плакирующего слоев низкого содержания и заданных форм существования примесей, неметаллических включений, получение высоких показателей сплошности, прочности их соединения, равнотолщиности слоем, а также высоких показателей коррозионной стойкости, эксплуатационной надежности, механических и других служебных свойств плакированного проката и изготовленных из него сварных конструкций.
Следует отметить, что разрабатываемые низкоуглеродистые высокопрочные стали основного слоя представляют самостоятельный интерес для применения в автомобилестроении, машиностроении, строительной индустрии. По сочетанию прочностных пластических свойств, хладостойкости, коррозионной стойкости при хорошей свариваемости они значительно превосходят лучшие зарубежные и отечественные аналоги. Низкоуглеродистые стали такого класса прочности в России в настоящее время не производятся. Производимые за рубежом стали имеют такие прочностные характеристики, однако обладают значительно более низкими показателями пластичности и, особенно, хладостойкости и коррозионной стойкости.
Наличие большого научного задела, коллектива высококвалифицированных исполнителей, необходимого исследовательского, технологического, контрольного и измерительного оборудования, тесная связь с Индустриальным партнером – ООО «Институт биметаллических сплавов», другими производственными и научными организациями позволяет оценить риски не достижения поставленной цели и неполучения запланированных результатов, как минимальные.

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. Установленные закономерности, получаемые фундаментальные знания найдут широкое использование в ведущих университетах, научных центрах России, в том числе НИТУ МИСиС, МВТУ им Н.Э. Баумана, ЦНИИ КМ «Прометей», МГУ им. М.В.Ломоносова, ИМЕТ РАН, КИАЭ, и др., для разработки новых конструкционных, плакированных и других типов сталей, а также эффективных технологий их производства. Результаты исследования, моделирования и расчета металлургических процессов, а также экспериментальных исследований будут использованы в образовательном процессе, в том числе, для чтения лекций по химической термодинамике материалов, физической химии металлургических процессов, физике конденсированного состояния, материаловедению и другим дисциплинам во ФГУП "ЦНИИчермет им. И.П. Бардина", МГУ им. М.В. Ломоносова, а также на предприятиях отечественного металлургического комплекса.
Разработанные технологии будут использованы в условиях индустриального партнера - ООО «Институт биметаллических сплавов», на других металлургических предприятиях: ПАО «Северсталь», ОАО «ММК», ЗАО «СНМК» для производства нового поколения плакированных сталей, которые будут использоваться на предприятиях химического, нефтехимического, коксохимического, нефтеперерабатывающего машиностроения, в том числе ОАО «Волгограднефтемаш», ОАО «Салаватнефтемаш» и ЗАО «Петрозаводскмаш» ОАО «Пензхиммаш», ОАО «Туймазыхиммаш», для изготовления сварных конструкций, агрегатов, узлов и оборудования, для эксплуатации в агрессивных средах и экстремальных условиях.
Потребность в разрабатываемых плакированных сталях составляет не менее 30 тысяч тонн в год. При этом строительство новых и реконструкция старых отечественных химических нефтехимических, нефтеперерабатывающих производств предполагает постоянный рост потребности в разрабатываемых сварных металлоконструкциях и к 2017-2020 гг. составит не менее 50-60 тысяч тонн в год. В настоящее время ведется масштабное строительство нефтеперерабатывающих и нефтехимических предприятий в странах юго-восточной Азии, что гарантирует рост спроса на разрабатываемые плакированные стали на мировом рынке.
Разрабатываемые низкоуглеродистые высокопрочные стали основного слоя имеют самостоятельные широкие перспективы применения в автомобилестроении, машиностроении, строительной индустрии. Они будут производиться на отечественных металлургических предприятиях, в том числе ПАО «Северсталь», ОАО «ММК», на существующем оборудовании. Существующая в настоящее время потребность в таких сталях составляет не менее 50-70 тысяч тонн в год, а благодаря интенсивному развитию автомобилестроения, освоению и масштабному строительству в северных широтах быстро возрастает и к 2017-2020 гг. составит не менее 100-150 тысяч тонн в год.
Разрабатываемые технологии и стали по сочетанию прочностных, пластических свойств, коррозионной стойкости, эксплуатационной надежности обладают новизной, не только в РФ, но и за рубежом. Потому возможно получение большого объема заказов от заграничных потребителей, продажа лицензий.

Текущие результаты проекта:
- На базе детального исследования, полученных в условиях Индустриального партнера образцов двухслойных заготовок и проката получены исчерпывающие экспериментальные доказательства возможности создания низкоуглеродистых высокопрочных микролегированных сталей плакированных коррозионностойкими сталями аустенитного класса. Такие стали, кроме существенного снижения на 30-35% затрат, металлоемкости на 15-20%, обеспечит получение предельно высоких увеличенных до 2-2,5 раз показателей технологических, служебных свойств, ресурса эксплуатации сварных конструкций и оборудования.
- Разработаны два типа низкоуглеродистых микролегированных Ti-Nb-V и Mo-Ti сталей с уникальным комплексом увеличенных не менее чем в 1,5-2 раза показателей механических (σв ≥ 850 МПа, относительное удлинение 15-25%, KCU-70°C – не менее 80 Дж/см2), коррозионной стойкости, эксплуатационной надежности и других служебных свойств.
- Показаны преимущества Mo-Ti микролегированных сталей по сравнению с Ti-Nb-V микролегированными сталями, выраженное в улучшенной свариваемости, а также устойчивости к термоциклическим нагрузкам и стабильности за счет формирования термически стабильной системы комплексных карбидных выделений титана и молибдена.
- По результатам испытаний полученных 12 экспериментальных образцов сталей основного слоя установлено, что улучшение структурного состояния, повышение комплекса механических и других служебных свойств Ti-Nb-V микролегированных сталей имеет место при снижении температуры конца прокатки до 780-810оС и смотки полосы в рулон 570-610 оС. Для Mo-Ti микролегированных сталей имеет место противоположная тенденция повышения температуры конца прокатки до 860-900оС и смотки полосы в рулон до 630-680 оС для обеспечения возможности формирования системы наноразмерных комплексных карбидных выделений в процессе гцк – оцк фазового превращения стали. Показано, что полученный комплекс механических (σв - более 850 МПа, относительное удлинение 15-25%, KCU-70°C – более 80 Дж/см2), коррозионной стойкости, эксплуатационной надежности и других служебных свойств экспериментальных образцов сталей основного слоя с большим запасом удовлетворяет всем требованиям технического задания и существенно превосходит характеристики существующих лучших зарубежных и отечественных аналогов.
- Установлено, что ключевыми параметрами электрического и шлакового режима при наклонной электрошлаковой наплавке, контролирующие глубину проплавления металла заготовки стали основного слоя, прочность, сплошность соединения и равнотолщинность слоев являются, масса, состав, электрическое сопротивление шлака, R, схема сборки и напряжение, U на электроде, наконец скорость перемещения заготовки, V. Для обеспечения оптимальной глубину проплавления металла заготовки стали основного слоя 5-10 мм, гарантирующей, высокие показатели прочности (не менее 450 Н/мм2) и сплошности (0 класс по результатам УЗК), R и V должны составлять 3,8-4,5 мОм, 1,4 – 2,3 м/час соответственно. При этом, для эффективного рафинирования металла наплавляемого плакирующего слоя от примесей, неметаллических включений, существенно повышающего его коррозионную стойкость, качественные характеристики кратность шлака должна составлять 3-5%. С целью получения равномерной глубины проплавления металла по ширине заготовки, штанги из круглого сортового проката высоколегированных сталей необходимо сваривать в ряд, а по краям получившегося электрода, вторым рядом наварить дополнительные штанги. Для получения равномерной глубины проплавления до длине заготовки стали основного слоя, по мере наплавки, необходимо понижать подаваемое на электрод напряжение с учетом повышения температуры заготовки.
- Установлено, что основная причина возникновения дефектов поверхности плакирующего слоя связана с протеканием ликвационных процессов при наплавке. Интенсивность их развития возрастает при увеличении содержания хрома и, особенно, никеля в наплавляемой аустенитной стали, приводит к увеличению содержания δ-феррита и снижению технологической пластичности стали. Показано, что предупредить это негативное явление можно путем увеличения скорости наплавки, или в значительной степени нейтрализовать посредством повышения до определённого уровня, а не понижения, как считалось раньше, температуры нагрева двухслойных заготовок перед горячей прокаткой.
- На основании установленных закономерностей и параметров изготовлено и испытано 10 экспериментальных образцов металла расходуемых электродов, обеспечивающих получение плакирующего слоя заданного химического состава плакированного проката с увеличенным до 2 - 2,5 раз комплексом служебных свойств, качественных характеристик по сравнению с лучшими зарубежными и отечественными аналогами. Показано, что их характеристики также полностью удовлетворяют требованиям технического задания.
- По результатам исследований и разработок в 2015 г. опубликовано 2 статьи в научных журналах, индексируемых в базе данных Scopus или в базе данных "Сеть науки" (WEB of Science), подана 1 патентная заявка. Для проведения исследований использовали УНУ «Молекулярный пучок», были привлечены внебюджетные средства в размере 3,5 млн. руб. Доля исследователей в возрасте до 39 лет в общей численности исследователей - участников проекта составила 48%, превышая требования ТЗ – 35,4%, а средний возраст участников проекта 44,5 лет, превышая требования ТЗ – 46 лет.
- Выполненные разработки и полученные результаты имеют большое значение для многих отраслей науки, техники и свидетельствуют о правильности выбранного направления исследований и возможности достижения требований технического задания к разрабатываемым плакированным сталям и технологиям изготовления из них сварных конструкций.
- Разрабатываемые плакированные стали и технология их получения обладают высокой степенью новизны на мировом уровне, а разработанные методы физико-химического и термодинамического моделирования и расчета не имеют мировых аналогов.