Сталь — SU 1742351 (original) (raw)
(57) Использование: изобретение относится к области металлургии и касается стали. которая может быть использована для изготовления крупных цельнокованых иэделий, например валов, роторов. паровых турбин среднего и высокого давления, работающих в стационарных и маневренных режимах при температуре до 5500 С. Сущность: предлагаеая сталь дополнительно содержит сурьму при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,21-0,29, кремний 0,17-0.37, марганец 0,30-0,60, никель 0,01-0,40, хром 1.50-1,80, молибден 0,90- 1,05, ванадий 0,22-0,32, сурьма 0,0005- 0,005, кислород 0.001-0,008. азот 0,001-0,012, железо остальное. 2 табл. Сталь можене более 0,0300,025 мас.% и мНаиболее бтехнической сущзультату являетсющие компоненУглеродКремнийМарганецНикельХромМолибденВанадийЖелезоСталь можетне более 0,0220,025 мас.% и мНеконтролируемкислород и азот. ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯПРИ ГКНТ СССР(71) Научно-производственное объединениепо технологии машиностроения "ЦНИИТМАШ", Производственное объединение(56) ТУ 108,1029-81. Изобретение относится к металлургии,в частности к созданию сталей, которые могут быть использованы для изготовлениякрупных цельнокованых изделий, напримервалов, роторов паровых турбин среднего ивысокого давления, работающих в стационарных и маневренных режимах при температурах до 5500 С,Известна сталь, применяемая для изготовления валов и роторов турбин среднегодавления, содержащая следующие компоненты, мас.%:Углерод. КремнийМарганецНикель ,25ХромМолибденВанадийЖелезо т содержать примеси, серу мас.ф, фосфор не более едь не более 0,20 мас.%, лизкой к предлагаемой по ности и достигаемому рея сталь, содержащая следуты. мас.%;0,21 - 0,29 не более 0,37 0,30-0,60 не более 0.40 1,50-1,800,90 - 1,050,22-0,32 Остальное содержать примеси: серу мас,%, фосфор не более едь не более 0,20 мас.%, ые неизбежные примеси -Недостатком указанных сталей является ограниченный ресурс работы изделий из них вследствие недостаточной стойкости и хрупким разрушениям и тепловой хрупкости в процессе эксплуатации из-за повышенного содержания вредных примесей и примесей цветных металлов, что затрудняет их использование, например, для высокотемпературных роторов маневренных паровых турбин,Целью изобретения является повышение надежности и продление ресурса за счет повышения стойкости к хрупким разрушениям и тепловой хрупкости в процессе эксплуатации.Сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, никель, хром, молибден, ванадий, азот, кислород и железо, дополнительно содержит сурьму при следующем соотношении компонентов, мас,%:Углерод 0,21 - 0,29 Кремний 0,17 - 0.37 Марганец 0,30 - 0,60, Никель 0,01-0,40 Хром 1,50 - 1,80 Молибден 0,90-1,05 Ванадий 0,22, - 0,32 Сурьма 0,0005-0,005 Кислород 0,001-0,008 Азот 0;001-0,012 Железо Остальное Сталь может содержать примеси; серу и фосфор не более 0,012 мас.% каждого и медь не более 0,20 мас.%.Предлагаемая сталь в отличие от известной дополнительно содержит сурьму в количестве 0,0005 - 0,005 мас,%. Нижний предел содержания сурьмы (0,0005 мас.%) обусловлен технологическим возможностями процесса выплавки стали и ее содержанием в исходных шихтовых материалах, Верхний предел содержания сурьмы (0,005 мас.%) отвечает возможной локальной концентрации ее в процессе затвердевания и термообработки. Содержание сурьмы выше указанного предела (0,005 мас.%) способствует значительному снижению стойкости к тепловой хрупкости стали за счет сегрегации сурьмы по границам зерен.В предлагаемой стали в отличие от известной лимитировано содержание кислорода (0,001-0,008 мас,%), что способствует поддержанию его оптимальной активности и повышению химической однородности затвердевающей стали. При содержании кислорода ниже указанного предела (0,001 мас.%) не обеспечивается необходимый уровень его химической активности в процессе кристаллизации слитка, При содержании кислорода выше указанного пре дела (0,008 мас.%) значительно увеличивается количество жидких неметчллических включений в стали, отрицательно влияющих на хрупкую прочность, и, кроме того, происходит резкое увеличение адсорбционной активности серы в поверхностных слоях металла в процессе выплавки и раскисления, что может привести к более активному ее переходу в твердый металл и ухудшению его свойств, в частности сопротивления 5 10 хрупкому разрушению.В предлагаемой стали в отличие от известной лимитировано содержание. азота (0,001 - 0,012 мас.%), Нижний предел содержания азота (0,001 мас.%) обусловлен технологическим возможностями процессов рафинирования и вакуумирования стали. При содержании азота выше указанного предела (0,012 мас.%) резко снижается сопротивление стали хрупкому разрушению и возрастает вероятность охрупчивания в процессе эксплуатации роторов.Предлагаемая сталь в отличие от известной имеет ограничения по нижнему пределу содержания кремния (0,17 мас,%) и 15 20 25 никеля (0.01 мас.%), что вызвано особенностями процессов вь плавки и раскисления новой стали и способствует поддержанию комплекса механических и служебных свойств на необходимом уровне, При содержании кремния и никеля ниже указанных пределов(0,17 и 0,01 мас,% соответственно) происходит снижение прокаливаемости и уровня прочностных свойств, а также вязкости, что отрицательно влияет на надежность и долговечность роторных поковок,Предлагаемая сталь в отличие от известной имеет пониженное содержание примесей: серы ифосфора (не более 0,012 мас,% каждого против 0,022 и 0,025 мас.% соответственно), что способствует повышению,стойкости к хрупким разрушениям и тепловой хрупкости в процессе эксплуатации при повышенных температурах, При содержании серы и фосфора выше указанного предела (0,0.12 мас.%) не достигается требуемый эффект повышения стойкости и значительно усиливается химическая неоднородность слитков, что приводит к по 45 жании серы и фосфора выше укаэанного предела ухудшаются принципиальные факторы (энергетический, скоростной, позиционный), определяющие кинетику кристаллиэации этой стали и, как следствие,формирование зоны переохлаждения,Предлагаемая сталь может выплавлаться в кислых мартеновских и основных электропечах. Пять опытных плавок предла 50 вышению ликвации. Кроме того, при содер1742351 Как видно из табл. 2. предлагаемая сталь по сравнению с известной имеет более низкую критическую температуру хрупкости Тбо и, соответственно, большую стойкость к хрупким разрушениям, кроме того, предлагаемая сталь проявляет .большую стойкость к тепловой хрупкости в процессе длительной изотермической выдержки 3000 ч ( Л Тьо составляет 15-30 С против 70-80 С у известной). Таблица 1 Состав Со е жение элементов, мвс Сг Мо 51 Остапа. 0,0005 О,ОО 0,001 о.зо Р,О 1 1,50 0,90 0,21 0,17 иое То же1,0 т,ОВ 0,40 1,50 1,0 0,008 0,010 0,011 0,012 0.004 0.006 0.025 0.0260.023 0,022 2 э 4 5 6 0,002 О.ООВ 0,0009 0,010 0,001 0,005 0,005 0,012 0,0004 1 О.ОООВ 0,040 0,014 028 0,32 0,12 0.45 0.26 0,45 0.60 0.20 О.ВО 0,42 0.22 0.35 0,009 0.75 0.08 1,65 1,80 1,05 2,10 1,60 0,25 0,29 0,17 0,32 0,24 0,27 0,37 0,04 0,45 0,30 Таблица 2 Меквнические свойства и +20 С жебнме свойства Состав плавки Режим термической оЬ работки Твв. С ЬТфю. С НРмма тггга,Н/мм Преллагаеммй 1Составитель Л.СуязоваТехред М.Моргентал Корректор МкДемчик Редактор И.Шулла Заказ 2263 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г.Ужгород, ул,Гагарина, 101 гаемой стали массой 150 кг каждая выплавлены в индукционной электропечи.Химический состав плавок, включая и известный, приведен в табл, 1,В табл. 1 приведены механические и служебные свойства предлагаемой и известной стали после оптимальных режимов термообработки(в числителе указаны минимальные, а в знаменателе - максимальные значения свойств), свойства получены на образцах, имитирующих центральную зону поковки ротора СД сечением 1200 мм, приведены также механические и служебные свойства плавок, химический состав которых выходит за пределы предлагаемого состава,Плавки, химический состав которых выходит за предлагаемые пределы, имеют либо пониженные прочностные свойства плавка 4), либо неудовлетворительные ха рактеристики сопротивления хрупкому разрушению и тепловой хрупкости (плавка 5),Формула изобретения Сталь, содержащая углерод, кремний,марганец, никель. хром, молибден, ванадий, 10 кислород, азот и железо, о т л и ч а ю щ а яс я тем, что, с целью повышения надежности и продления ресурса за.счет повышения стойкости к хрупким разрушениям и тепловой хрупкости в процессе эксплуатации, она 15 дополнительно содержит сурьму при следующем соотношении компонентов. мас. о/:Углерод 0,21 - 0,29 Кремний 0,17-0,37 Марганец . 0;30-0.60 20 Никель 0,01-0,40Хром 1,50-1,80Молибден 0,90 - 1,05 Ванадий 0,22-0,32 Сурьма0.0005-0,005 25 Кислород 0,001-0,008Азот 0,001 - 0,012 Железо Остальное