Введение к работе
Актуальность темы исследования:
Разработка энергоблоков с суперсверхкритическими параметрами пара напрямую связана с проблемой освоения материалов с повышенными характеристиками длительной прочности и ползучести, способных обеспечить безопасную эксплуатацию на протяжении всего ресурса. В этой связи, основные исследования металлургов и металловедов в этой сфере направлены на изучение наноструктурированных хромистых сталей с 9-12% хрома с дополнительным поликомпонентным легированием, преимуществом которых является сочетание высокого уровня служебных характеристик (включая жаропрочные), технологичности и стоимости в производстве полуфабрикатов и элементов паропроводного и котельного оборудования.
Высокий уровень жаропрочности этих сталей обеспечивается легированием и структурой, сформировавшейся в результате термической обработки. Значительный вклад в сопротивление ползучести сталей мартенситного класса вносят выделяющиеся в процессе отпуска дисперсные вторичные фазы (карбонитриды типа MX, карбиды типа МгзСв, фазы Лавеса и т.п.), которые являются эффективным барьером для движущихся дислокаций и вносят значительный вклад в стабильность мартенситной структуры. Основным условием высокого сопротивления ползучести является формирование в структуре мартенсита устойчивых к коагуляции вторичных фаз, тормозящих перестройку исходной структуры, что требует детального изучения влияния содержания легирующих элементов на фазовый состав стали, а также его изменения в процессе высокотемпературного нагружения.
Как показывают многочисленные зарубежные и отечественные исследования, наибольшее сопротивление ползучести достигается за счет комплексного легирования хромистых сталей (вольфрамом, ванадием, молибденом, ниобием, кобальтом, никелем, азотом, бором), направленного на повышение термической устойчивости и степени дисперсности вторичных фаз.
Значительный вклад в разработку вопросов легирования жаропрочных
сталей, исследования механизмов образования фаз, структурных превращений
и служебных свойств внесли В.К. Адамович, В.П. Борисов, А.А. Бочвар,
В.К. Григорович, P.O. Кайбышев, К.А. Ланская, И.Л. Миркин,
З.Н. Петропавловская, А.А. Чижик, Ф. Абе, Дж. Хальд, М.Адачи, Хилмар К. Даниелсен и др.
Целью настоящей работы являлась оптимизация легирования 9%-ной хромистой жаропрочной стали типа 9Cr-2W-MoVNb и ее фазового состава для реализации уровня жаропрочных свойств, обеспечивающего эксплуатацию элементов паропроводного и котельного оборудования тепловых электростанций при температурах пара до 650С.
Для реализации указанной цели в работе решались следующие задачи:
1. Методами численного термодинамического моделирования
проанализировать влияние содержания легирующих элементов на фазовый
состав системы Fe-Cr-Co-W-Mo-V-Nb-C-N-B.
2. Установить влияние введения кобальта на изменение структуры и
жаропрочных характеристик стали типа 9Cr-2W-MoVNb.
-
Установить влияние изменения содержания углерода на структуру и жаропрочные свойства стали типа 9Cr-3Co-2W-MoVNb.
-
Изучить изменение микроструктуры после испытаний на сопротивление ползучести при температурах близких к эксплуатационным (от 600С до 700С).
5. На основании полученных расчетно-экспериментальных данных
определить оптимальные пределы содержания основных и легирующих
элементов (хрома, кобальта, вольфрама, молибдена, ванадия, ниобия, углерода,
азота и бора).
Научная новизна основных результатов и положений:
В работе проведена разработка критериев оценки фазовых и структурных состояний стали для достижения максимальных характеристик жаропрочности при сохранении технологичности, вязкости и пластичности материала.
Подтверждена возможность использования компьютерного моделирования взамен традиционного эмпирического метода исследования фазового состава при создании новых композиций хромистых сталей.
Исследованы механизмы повышения сопротивления ползучести 9%-ой хромистой стали типа 9Cr-2W-MoVNb в интервале температур от 600 С до 650С, при изменении содержания углерода от 0,01% до 0,12% и легировании кобальтом до 3%.
Практическая ценность и реализация результатов работы:
Результаты работы, полученные методами численного моделирования и исследования лабораторных плавок, проверены на металле промышленной плавки и завершены разработкой химического состава новой стали марки 10Х9КЗВ2МФБР (Патент на изобретение №2425172 от 14.04.2010 ), которая является основным кандидатным материалом для создания элементов энергетического оборудования с рабочими параметрами пара до 650С и давлением до 35 МПа.
Определены оптимальные пределы температуры нагрева полуфабрикатов в трубном производстве (нагрев под прокатку, режимы термической обработки).
Проведено освоение стали 10Х9КЗВ2МФБР в металлургическом и энергомашиностроительном производстве, в процессе которого изготовлены опытно-промышленные партии: слитков ЭШП и деформированных трубных заготовок (ОАО ЧФ «Уральская кузница», г. Челябинск); паропроводных труб размером 325x34 мм (ОАО «ЧТПЗ», г. Челябинск); пароперегревательных труб размером 32x6 мм (ОАО «ПНТЗ», г. Первоуральск); элементов котельного и
паропроводного оборудования (ОАО ТКЗ «Красный котельщик», г. Таганрог; ЗАО «Энергомаш (Белгород) - БЗЭМ»).
Связь работы с научными программами и темами:
Работа проведена в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы» - Государственный контракт № 02.523.12.3019 по теме «Разработка наноструктурированных жаропрочных сталей и технологий производства из них высокотемпературных элементов энергетического оборудования нового поколения» и ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 годы (Госконтракт № 14.740.12.0865 по обобщенной теме «Исследование новых конструкционных и функциональных материалов и технологий их обработки»).
Апробация работы:
Основные результаты проведённых исследований были доложены и обсуждены на следующих научных конференциях и семинарах:
ХХІ-я Научно-техническая конференция молодых специалистов. Подольск, 2009; Современные материалы и технологии в машиностроении. Москва, 2010; Научно-техническая конференция, посвященная 5-летию научно и научно-технической деятельности ЦФМК ФГУП «ЦНИИчермет им. И.П. Бардина», Москва, 2011; Проблемы и перспективы развития металлургии и машиностроения с использованием завершенных фундаментальных исследований и НИОКР, Научно-техническая конференция, посвященная 310-летию Уральской металлургии и созданию технико-внедренческого центра металлургии и тяжелого машиностроения, Екатеринбург, 2011; Современные металлические материалы и технологии (СММТ'2011). Санкт-Петербург, 2011 года; International Conference on Processing & Manufacturing of Advanced Materials, Canada, 2011; 19-я Международная научно-техническая конференция «Трубы-2011», Челябинск, 2011; International Federation for Heat Treatment and Surface Engineering 19th International Congress 2011, Glasgow Scotland, 2011; Международная конференция с элементами научной школы для молодежи «Наноматериалы и нанотехнологии в металлургии и материаловедении», Белгород, 2011; Научно-техническая конференция «Ресурс, надёжность и безопасность теплосилового оборудования электростанций», Москва, 2011.
Результаты работы экспонировались на 15-м Московском международном салоне изобретений и инновационных технологий «Архимед» (Москва-2011).
Публикации: Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 11 печатных работах, из них 5 работ в журналах, рекомендованных ВАК, и включенных в международные базы цитирования.
Личный вклад автора заключается в постановке и реализации задач данной работы, участии в проведении испытаний, выполнении экспериментов
по исследованию характеристик конструкционного материала, численных расчетах, интерпретации и обобщении полученных результатов.
Достоверность полученных результатов и обоснованность выводов обеспечиваются корректностью постановки задач исследования, комплексным подходом к их решению с использованием современных методов и методик, привлечением статистических методов обработки результатов, анализом литературных данных и критическим сопоставлением установленных в работе закономерностей.
Структура и объём работы: Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Материалы работы изложены на ІЧІ> стр., содержат _ таблиц и иллюстрированы б рисунками. Список литературы содержит 2$. наименований.