Регистрация / Вход
Прислать материал

14.576.21.0022

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.576.21.0022
Тематическое направление
Индустрия наносистем
Исполнитель проекта
Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт черной металлургии им. И.П.Бардина"
Название доклада
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
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Повышение надежности, ресурса эксплуатации, снижение массы, металлоемкости, стоимости сварных конструкций, химического, нефтеперерабатывающего и другого оборудования. Создание принципиально новых объектов техники. 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 задачи:
- Установление закономерностей формирования структурно-фазового состояния металла слоев, переходной зоны и их влияния на получаемый комплекс свойств плакированных сталей.
- Разработка эффективных композиций плакированных сталей, включая новое поколение сталей основного слоя.
- Определение оптимальных параметров сквозной технологии производства плакированного проката и изготовления сварных соединений для обеспечения высокого комплекса служебных свойств, при снижении затрат.
- Получение и испытание экспериментальных образцов плакированных сталей и сварных соединений, подтверждение достижения запланированных характеристик.
Актуальность и новизна исследования
Новые объекты техники в энергетике, химической, нефтехимической и других отраслях промышленности функционируют все более в экстремальных условиях, агрессивных средах. Поэтому для их изготовления необходимы хорошо свариваемые металлические материалы, одновременно обладающие предельно высокими трудно сочетаемыми показателями коррозионной стойкости, прочности, пластичности и других свойств, что не достижимо для монометаллического материала. Активное освоение северных широт делает необходимым дополнительного обеспечения высокой вязкости, хладостойкости, а также удельной прочности материала, обеспечивающей возможность транспортировки крупногабаритных изделий в трудно доступные районы. Эффективным решением сформулированной задачи является создание технологий производства нового поколения плакированных сталей и изготовления сварных конструкций с принципиально улучшенным в 2 – 2,5 раза комплексом свойств.
Новизна:
• использование уникального не только для России, но и для мира метода электрошлаковой наплавки, обеспечиваю предельно высокое качество соединения слоев, служебных свойств, при снижении затрат; .
• обеспечения, одновременно высокой прочности, пластичности, совместимости со сталью плакирующего основного слоя, других свойств новых низкоуглеродистых микролегированных Ti-Nb-V и Ti-Мо сталей за счет процессов наноструктурирования при полностью ферритной микроструктуре, высоких температурах 900°С окончания прокатки благоприятных для производства плакированного проката;
• повышение коррозионной стойкости, хладостойкости сталей слоев, эксплуатационной надежности проката, в целом, за счет управления формами присутствия примесей, неметаллических включений.
Описание исследования

Всесторонне обоснована перспективность создания и использования в химической, нефтехимической и других отраслях промышленности высокопрочных низкоуглеродистых микролегированных наноструктурированных сталей плакированных аустенитными коррозионностойкими сталями, а для их производства, оригинального не только в России, но и за рубежом, метода электрошлаковой наплавки. Однозначно показано ключевое значение при этом предупреждения возникновения хрупких фазовых и структурных составляющих, получения определенных характеристик форм присутствия примесей, неметаллических включений, фазовых выделений. Такой подход, кроме существенного снижения  на 30-35% затрат, металлоемкости на 15-20%, обеспечивает получение увеличенного до 2-2,5 раз комплекса свойств, ресурса эксплуатации плакированного проката, сварных конструкций, оборудования.

На базе оригинальных способов представления термодинамических свойств в рамках современных теорий подрешеток, ассоциированных растворов разработаны методы физико-химического прогнозирования параметров состава, структурного состояния стали. С их использованием, впервые проведен адекватный анализ совместного выделения всех возможных избыточных фаз, протекания фазовых и структурных превращений, вкладов разных механизмов упрочнения в комплекс свойств стали. Это позволило разработать два типа низкоуглеродистых микролегированных Ti-Nb-V и Mo-Ti сталей основного слоя, в которых, впервые, уникальный комплекс свойств, качественных характеристик достигается за счет процессов наноструктурирования при получении полностью ферритной структуры металла. Показана ключевая роль формирования объемной термически стабильной системы межфазных наноразмерных выделений в процессе гцк – оцк  фазового превращения стали, что имеет место при сопоставимости скоростей указанных процессов при высоких температурах 900оС окончания прокатки, благоприятных для производства плакированного проката. Впервые установлено, что в Mo-Ti микролегированных сталях Mo, в основном, ответственен за сдерживание фазового превращения, а Ti за формирование наноразмерных выделений на основе TiС. Показано, что благодаря формированию межфазных выделений, высокий комплекс свойств Ti-Nb-V микролегированных сталей может быть достигнут при высоких 900оС, в отличии от обычно используемых значительно более низких, температурах окончания прокатки. Дополнительное повышение коррозионной стойкости сталей основного слоя достигнуто за счет высокой чистоты по коррозонно-активным неметаллическим включениям.

На базе оригинальных физико-химических методов прогнозирования процессов теплопереноса, взаимодействия в системе металл-шлак-газ при электрошлаковой наплавке разработаны эффективные технологические приемы достижения  высоких показателей, не только прочности (более 450 Н/см2) и сплошности соединения, но и равнотолщинности слоев.

Впервые установлено, что существенное снижение стойкости аустенитных сталей против питтинговой коррозии вызывает присутствие оксидно-сульфидных включений на основе шпинели, а также выделений карбосульфида титана. На базе разработанных оригинальных методов прогнозирования влияния электрического и шлакового режимов при наплавке на состав, рафинирование наплавляемого металла найдены условия и приемы их реализации для существенного повышения чистоты аустенитных сталей плакирующего слоя по вредным примесям, неметаллическим включениям и, соответственно, их коррозионной стойкости. Это дает возможность уменьшить толщину плакирующего слоя на 10-15%, снизить металлоемкость, расход дорогих и дефицитных легирующих компонентов.

С использованием созданных оригинальных термодинамических методов  прогнозирования фазового состава коррозионностойких аустенитных сталей определены оптимальные режимы горячей прокатки для получения необходимых показателей технологической пластичности и качественных характеристик плакированного проката. Впервые показано, что для предупреждения неблагоприятного образования при этом δ-феррита состав аустенитной стали плакирующего слоя должен удовлетворять соотношению Crэкв/Niэкв не более 1,5-1,6. Установлено, что повышение температур нагрева двухслойных заготовок под прокатку до 1250оС, окончания прокатки - 900оС снижает неравномерность деформации металла слоев и повышает качество их соединения.

Показано, что достижение высокого качества соединения слоев плакированного проката позволяет использовать обычные методы сварки без специальных приемов при изготовлении сварных конструкций, оборудования.

Результаты исследования

На основании созданных оригинальных принципов и выполненных исследований разработаны лабораторные технологические регламенты на выплавку и термодеформационную обработку конструкционной стали, изготовление расходуемых электродов для электрошлаковой наплавки,  получение методом электрошлаковой наплавки двухслойных заготовок, нагрева и горячей пластической деформации двухслойных заготовок и получение сварных соединений плакированного проката. Результаты испытаний указанных технологических процессов, показали, что они обеспечивают получение заданного химического состава сталей слоев, расходуемых электродов, низкое содержание примесей (менее, %): азота – 0,01, серы – 0,003-0,005, фосфора – 0,09, водорода – 0,0004, коррозионно-активных неметаллических включений – менее 2 вкл./мм2.

По результатам испытаний экспериментальных образцов конструкционной стали основного слоя а также плакированного проката, полученного методом электрошлаковой наплавки, для обоих разработанных типов низкоуглеродистых микролегированных Ti-Nb-V и Mo-Ti сталей основного слоя получены высокие показатели прочности (временное сопротивление – более  850 Н/мм2), пластичности (относительное удлинение – более 17-19%), ударной вязкости (KCU-70°C – более 80 Дж/см2), стойкости против локальной коррозии (стойкая), свариваемости (углеродный эквивалент – менее 0,4).

Для  экспериментальных образцов двухслойных заготовок и плакированного проката, полученных методом электрошлаковой наплавки показали достигнуты высокие показатели прочности (более 450 Н/см2), сплошности (0 класс по результатам УЗК по ГОСТ 10885-85) соединения и равнотолщинности (не более ± 5%) слоев. Плакированный прокат также имеет высокие значения ударной вязкости стали плакирующего слоя  (KCU-70°C – более 80 Дж/см2), пластичности плакированного проката  (удовлетворительный результат при испытании на загиб на угол 180о), количество термоциклов до разрушенияболее 10000. Установлены  высокие качественные характеристики экспериментальных образцов сварных соединений плакированного проката: твердость металла сварного соединения – не более 220 НВ, разрушение вне зоны сварного соединения при испытании на растяжение, высокая  пластичность (удовлетворительные результаты испытания на загиб на угол не менее 150о).  

Показатели свойств полученного плакированного проката и сварных соединений существенно превышают требования ТЗ и в 2-2,5 раза комплекс основных характеристик лучших мировых аналогов: временное сопротивление – до  650 Н/мм2, KCU-70°C – 30 Дж/см2, прочность соединения слоев – до 350 Н/мм2, стойкости против локальной коррозии – удовлетворительно стойкая, удовлетворительные результаты испытания сварного соединения на загиб на угол до 90о, невозможность сварки без использования специальных приемов, количество термоциклов до разрушениядо 920.

Представленные характеристики плакированных сталей, а также использование метода электрошлаковой наплавки, позволяют снизить металлоемкость на 15-20%, материальные и энергетические затраты – не менее 30-35%, расход легирующих компонентов в 2-3 раза, аварийность и объем ремонтных работ до 40%, повысить безопасность жизнедеятельности человека, улучшить экологию, укрепить конкурентоспособные позиции отечественных производителей на мировом рынке, отказаться от импорта.

Разработаны основы промышленных технологий производства новых плакированных сталей и изготовления из них сварных конструкций.

Практическая значимость исследования
Результаты выполнения ПНИ, после экспериментальной проверки и корректировки в промышленных условиях послужит основой для создания эффективных сквозных промышленных технологий и освоения производства в условиях индустриального партнера – ООО «Битруб», и на других металлургических предприятиях ПАО «Северсталь», ОАО «ММК», ЗАО «СНМК», ООО «ОМЗ-Спецсталь» для производства плакированных сталей. Производимые плакированные стали будут использоваться на предприятиях химического, нефтехимического, коксохимического, нефтеперерабатывающего, энергетического 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.
В настоящее время потребность в разрабатываемых плакированных сталях составляет не менее 20 тысяч тонн в год. При этом строительство новых и реконструкция существующих отечественных химических нефтехимических, нефтеперерабатывающих производств предполагает постоянный рост потребности в разработанных плакированных сталях и сварных конструкциях и к 2019-2020 гг. составит не менее 50-60 тысяч тонн в год. Следует отметить, что как разрабатываемая технология, 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.
Следует отметить, что разработанные низкоуглеродистые Ti-Nb-V и Mo-Ti микролегированные высокопрочные стали имеют самостоятельную широкую область применения для изготовления транспортных средств, строительных, машиностроительных конструкция, грузоподъемной и других видов техники. Благодаря достигнутому высокому комплексу их технологических, служебных свойств, при экономной системе легирования потребность в таких сталях в настоящее время составляет 40-50 тысяч тонн в год и в ближайшем будущем увеличится не менее чем в 2 раза.