RU2064521C1

RU2064521C1 - Corrosion-resistant alloy for energetic and chemical machine building

Info

Publication number: RU2064521C1
Application number: RU94009085A
Authority: RU
Inventors: Г.Н. Филимонов; В.Н. Павлов; Р.П. Крылова; Б.И. Бережко; Д.Э. Воловельский; А.К. Махнач; И.А. Повышев; Г.Г. Зимин; Г.А. Братко; А.Б. Сергеев; Н.Б. Новожилов; Н.А. Федяров
Original assignee: Центральный научно-исследовательский институт конструкционных материалов "Прометей"
Priority date: 1994-03-14
Filing date: 1994-03-14
Publication date: 1996-07-27
Also published as: RU94009085A

Abstract

FIELD: metallurgy of alloy-treated steels for use in energetic and chemical machine building for production of welding and heat-exchanging equipment, vessels and pipelines of higher pressure. SUBSTANCE: alloy contains, wt. -%: carbon, 0.02-0.05; silicon, 0.05-0.3; manganese, 1.0-2.0; chromium, 19.0-22.0; nickel, 33.0-35.0; titanium, 0.3-0.6; niobium, 0.3-0.5; aluminium, 0.02-0.5; nitrogen, 0.01-0.03; cerium, 0.005-0.01; calcium, 0.001-0.01; iron, the balance. EFFECT: higher efficiency. 2 tbl

Description

Изобретение относится к металлургии легированных сталей и сплавов и может быть использовало при производстве труб различного назначения для машиностроительных отраслей промышленности. The invention relates to the metallurgy of alloyed steels and alloys and can be used in the production of pipes for various purposes for machine-building industries.

Известны коррозионностойкие металлы и сплавы, применяемые как конструкционный материал в нефтехимической и газовой промышленности (см.сплавы марок ХН35ВТ, ХН38ВТ, ХН32Т и др. по ГОСТ 5632-72). Однако известные сплавы не обеспечивают требуемого уровня механических, технологических и служебных свойств и не отвечают современным требованиям, предъявляемым к конструкционным материалам для теплообменного оборудования, сосудов и трубопроводов высокого давления и, в частности, трубных систем парогенераторов ядерных установок типа ВВЭР нового поколения. Corrosion-resistant metals and alloys are known that are used as structural material in the petrochemical and gas industries (see alloys of grades ХН35ВТ, ХН38ВТ, ХН32Т, etc. according to GOST 5632-72). However, the known alloys do not provide the required level of mechanical, technological and service properties and do not meet modern requirements for structural materials for heat exchange equipment, pressure vessels and pipelines, and in particular, pipe systems for steam generators of nuclear installations of the new generation WWER.

Проведенный анализ отечественной и зарубежной патентной литературы показал, что наиболее близким по технической сущности и составу компонентов к заявляемой композиции является аустенитный сплав на железоникелевой основе марки ХН32Т (1), содержащий в мас. The analysis of domestic and foreign patent literature showed that the closest in technical essence and composition of the components to the claimed composition is an austenitic iron-nickel-based alloy of the brand ХН32Т (1), containing in wt.

углерод ≅0,05
кремний ≅0,7
марганец ≅0,7
хром 19,0-22,0
никель 30,0-34,0
титан 0,25-0,6
алюминий ≅0,5
железо остальное.carbon ≅ 0.05
silicon ≅0.7
Manganese ≅0.7
chrome 19.0-22.0
nickel 30.0-34.0
titanium 0.25-0.6
≅0.5 aluminum
iron the rest.

Данный материал рекомендуется для изготовления газоотводящих труб и листовых деталей высокотемпературных нефтехимических установок, работающих при температурах до 850^oС (1, 2).This material is recommended for the manufacture of exhaust pipes and sheet parts of high-temperature petrochemical plants operating at temperatures up to 850 ^o C (1, 2).

Однако известный сплав не обладает требуемой стойкостью против локальных видов коррозии в широком диапазоне рабочих хлоридсодержащих сред и не обеспечивает необходимую технологичность при производстве трубных изделий на стадии металлургического передела и сварки. However, the known alloy does not have the required resistance against local types of corrosion in a wide range of working chloride-containing environments and does not provide the necessary processability in the production of tubular products at the stage of metallurgical processing and welding.

Целью настоящего изобретения является создание новой марки сплава, имеющего сбалансированный химический и фазовый составы и обладающий более высоким уровнем коррозионно-механических и сварочно-технологических свойств по сравнению с известным аналогом, что обеспечивает повышение работоспособности и эксплуатационной надежности теплообменных труб парогенераторов реакторных установок нового поколения. The aim of the present invention is the creation of a new alloy grade having balanced chemical and phase compositions and having a higher level of corrosion-mechanical and welding-technological properties in comparison with the known analogue, which provides increased efficiency and operational reliability of the heat transfer tubes of the new generation reactor steam generators.

Поставленная задача достигается введением в состав заявляемой композиции оптимального количества ниобия, азота, церия и кальция. Содержание серы и фосфора в стали соответствует требованиям ГОСТ 5632-72 и не превышает соответственно 0,020 и 0,030
Предлагается сплав, содержащий в мас.The problem is achieved by introducing into the composition of the claimed composition the optimal amount of niobium, nitrogen, cerium and calcium. The sulfur and phosphorus content in the steel meets the requirements of GOST 5632-72 and does not exceed 0.020 and 0.030, respectively
An alloy containing in wt.

углерод 0,02-0,05
кремний 0,05-0,3
марганец 1,0-2,0
хром 19,0-22,0
никель 33,0-35,0
титан 0,3-0,6
ниобий 0,3-0,5
алюминий 0,02-0,5
азот 0,01-0,03
церий 0,005-0,01
кальций 0,001-0,01
железо остальное.carbon 0.02-0.05
silicon 0.05-0.3
Manganese 1.0-2.0
chrome 19.0-22.0
nickel 33.0-35.0
titanium 0.3-0.6
niobium 0.3-0.5
aluminum 0.02-0.5
nitrogen 0.01-0.03
cerium 0.005-0.01
calcium 0.001-0.01
iron the rest.

Соотношение легирующих и модифицирующих элементов в заявляемом составе выбрано таким, чтобы структура и основные свойства металла обеспечивали требуемый комплекс служебных и эксплуатационных характеристик создаваемого теплообменного оборудования. The ratio of alloying and modifying elements in the inventive composition is selected so that the structure and basic properties of the metal provide the required set of service and operational characteristics of the created heat exchange equipment.

Введение в заявляемый сплав легирующих добавок ниобия и азота в указанном соотношении с другими элементами улучшает ее структурную стабильность и обеспечивает заданный уровень прочностных и пластических свойств сортового проката, что увеличивает выход годного на стадии металлургического передела и повышает работоспособность материала в конструкции в условиях статического и динамического нагружения. Обладая способностью твердорастворного упрочнения и увеличивать дисперсность зерна, указанные элементы существенно повышают предельное сопротивление упругой деформации и в первую очередь такую важную расчетную характеристику, как предел текучести, благотворно влияют на процессы теплового и деформационного старения металла в условиях длительной эксплуатации. The introduction into the inventive alloy of alloying additives of niobium and nitrogen in the specified ratio with other elements improves its structural stability and provides a given level of strength and plastic properties of long products, which increases the yield at the stage of metallurgical redistribution and increases the performance of the material in the structure under static and dynamic loading . Possessing the ability of solid solution hardening and increasing grain dispersion, these elements significantly increase the ultimate resistance to elastic deformation and, in the first place, such an important calculated characteristic as the yield strength, have a beneficial effect on the processes of thermal and deformation aging of a metal under long-term operation.

Увеличение содержания ниобия, как сильного карбидообразующего и нитридобразующего элемента, выше указанного в формуле изобретения не приводит к требуемому измельчению зерна, однако увеличивается размер и неоднородность распределения карбонитридных фаз с одновременным снижением основных физико-механических свойств металла, что требует строгого ограничения и контроля за оптимальным содержанием этих элементов в заявляемом сплаве. An increase in the content of niobium, as a strong carbide-forming and nitride-forming element, higher than that specified in the claims does not lead to the required grain refinement, however, the size and heterogeneity of the distribution of carbonitride phases increase while reducing the basic physical and mechanical properties of the metal, which requires strict restriction and control over the optimal content of these elements in the inventive alloy.

Несоблюдение указанных в формуле изобретения пределов по суммарному содержанию примесей внедрения (С+N) приводит к увеличению загрязненности металла неметаллическими включениями по всему сечению полуфабрикатов и повышает процент отбраковки на стадии получения трубной заготовки. Failure to comply with the limits indicated in the claims for the total content of interstitial impurities (C + N) leads to an increase in metal contamination by nonmetallic inclusions over the entire cross section of semi-finished products and increases the reject rate at the stage of obtaining the tube billet.

Введение в заявляемый сплав модифицирующих добавок щелочноземельных и редкоземельных металлов (кальция и церия) в указанных в заявке пределах обусловлено главным образом тем, что обладая высокой термодинамической активностью, эти элементы являются энергичными раскислителями и дегазаторами сплава. Обработка выплавляемого металла в сочетании с указанными элементами способствует общему повышению качества сплава и его литейно-технологических свойств. The introduction into the inventive alloy of modifying additives of alkaline earth and rare earth metals (calcium and cerium) within the limits specified in the application is mainly due to the fact that having high thermodynamic activity, these elements are energetic deoxidizers and degassers of the alloy. Smelting metal processing in combination with these elements contributes to the overall improvement of the quality of the alloy and its casting and technological properties.

Наиболее эффективно этот процесс протекает в комплекснолегированных хромоникелевых аустенитных сталях и сплавах. При этом повышается плотность и однородность металла, уменьшается общее количество охрупчивающих избыточных фаз, происходит очищение границ зерен от неметаллических включений, что в целом в 1,5-2 раза снижает анизотропию механических свойств, предотвращает образование кристаллизационных трещин при сварке и уменьшает брак на трубных заготовках почти в 1,5 раза. This process proceeds most efficiently in complex alloyed chromium-nickel austenitic steels and alloys. At the same time, the density and uniformity of the metal increases, the total number of embrittling excess phases decreases, the grain boundaries are cleaned of non-metallic inclusions, which generally reduces the anisotropy of mechanical properties by a factor of 1.5-2, prevents the formation of crystallization cracks during welding and reduces rejects on pipe billets almost 1.5 times.

Фрактографический анализ поверхности излома образцов методом сканирования на электронном микроскопе показал, что в заявляемом сплаве доля вязкой составляющей в зоне разрушения заметно возрастает по сравнению с известными материалами. Fractographic analysis of the fracture surface of the samples by scanning electron microscope showed that in the inventive alloy, the proportion of the viscous component in the fracture zone increases markedly compared to known materials.

Для хромоникелевых сталей и сплавов аустенитного класса, модифицированных церием и кальцием, характерно также значительное повышение сопротивления основного металла и сварных соединений против межкристаллитной коррозии (МКК) и коррозионного растрескивания (КР) под напряжением, что делает заявляемый сплав практически невосприимчивым к локальным видам коррозионного разрушения и повышает его эксплуатационную надежность при длительном взаимодействии с коррозионно-активными средами. Chrome nickel steels and austenitic alloys modified with cerium and calcium are also characterized by a significant increase in the resistance of the base metal and welded joints against intergranular corrosion (MCC) and stress corrosion cracking (CR), which makes the inventive alloy practically immune to local types of corrosion damage and increases its operational reliability during prolonged interaction with corrosive environments.

Введение микродобавок церия и кальция вне указанных в формуле изобретения пределов не приводит к заметному улучшению технологических и служебных характеристик заявляемого сплава, что вызвано образованием и выделением охрупчивающих избыточных фаз и неметаллических включений. The introduction of microadditives of cerium and calcium outside the limits specified in the claims does not lead to a noticeable improvement in the technological and service characteristics of the inventive alloy, which is caused by the formation and release of embrittling excess phases and non-metallic inclusions.

Введение рассматриваемых элементов в количестве менее указанного в формуле изобретения предела легирования практически не дает положительного эффекта, а увеличение их содержания свыше заявляемого предела приводит к ухудшению и снижению ряда важнейших характеристик, определяющих работоспособность материала в условиях длительной эксплуатации теплообменного оборудования. The introduction of the elements in question in an amount less than the alloying limit specified in the claims practically does not give a positive effect, and an increase in their content above the claimed limit leads to a deterioration and decrease in a number of the most important characteristics that determine the operability of the material under long-term operation of heat-exchange equipment.

Полученный более высокий уровень основных механических, технологических и служебных свойств заявляемого сплава обеспечивается легированием композиции в указанном соотношении с другими элементами. The obtained higher level of the basic mechanical, technological and service properties of the inventive alloy is ensured by alloying the composition in the specified ratio with other elements.

В ЦНИИ КМ "Прометей" совместно с Челябинским металлургическим комбинатом в соответствии с планом научно-исследовательских работ выполнен комплекс опытно-промышленных работ по выплавке, пластической и термической обработке, а также сварке осваиваемой марки сплава. Металл выплавлялся в вакуумно-индукционной печи с керамическим тиглем на чистых шихтовых материалах. Химический состав исследованных материалов, а также результаты определения необходимых механических, сварочно-технологических и коррозионных свойств представлены в табл. 1, 2. In TsNII KM "Prometey" together with the Chelyabinsk Metallurgical Combine, in accordance with the plan of scientific research, a set of pilot industrial works was carried out on smelting, plastic and heat treatment, as well as welding of the mastered alloy grade. The metal was smelted in a vacuum induction furnace with a ceramic crucible on pure charge materials. The chemical composition of the materials studied, as well as the results of determining the necessary mechanical, welding, technological and corrosion properties, are presented in table. 12.

Ожидаемый технико-экономический эффект использования нового технического решения выразится в повышении эксплуатационной надежности и ресурса работы трубных систем парогенераторов высокотемпературных реакторных установок типа ВВЭР нового поколения, а также в освоении промышленного производства труб различного сортамента для энергетического и химического машиностроения. The expected technical and economic effect of using the new technical solution will be expressed in increasing the operational reliability and service life of the pipe systems of steam generators of high-temperature reactor units of the new generation VVER, as well as in the development of industrial production of pipes of various sizes for power and chemical engineering.

Claims

Corrosion-resistant alloy for power and chemical engineering containing carbon, silicon, manganese, chromium, nickel, titanium, aluminum and iron, characterized in that it additionally contains niobium, nitrogen, cerium and calcium in the following ratio of components, wt.

Carbon 0.02 0.05
Silicon 0.05 0.3
Manganese 1.0 2.0
Chrome 19.0 22.0
Nickel 33.0 35.0
Titanium 0.3 0.6
Niobium 0.3 0.5
Aluminum 0.02 0.5
Nitrogen 0.01 0.03
Calcium 0.001 0.01
Cerium 0.005 0.01
Iron Else
while the total content of carbon and nitrogen should not exceed 0.06% and (CE + Ca) ≅ 0.015.