Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса 16
1.1 Анализ возможностей повышения коррозионной стойкости и эксплуатационной надежности оборудования путем использования коррозионностойкой ' биметаллической металлопродукции повышенного качества 16
1.1.1 Эффективность использования коррозионностойкого биметалла для традиционных потребителей оборудования - нефтепереработки, химической промышленности, энергетики, судостроения и других отраслей 16
1.1.2 Механизмы коррозии оборудования нефтедобычи и требования к коррозионной стойкости и другим характеристикам материалов. Мировой опыт использования коррозионностойких сталей и биметаллов в процессах добычи и транспортировки нефти и газа 22
1.2 Основные требования к коррозионностойким биметаллам нового поколения. Сравнительная оценка существующих способов промышленного производства биметаллической металлопродукции. Преимущества способа электрошлаковой наплавки. Определение цели исследования 62
1.2.1 Основные требования к коррозионностойким биметаллам нового поколения для оборудования нефтеперерабатывающей, нефтедобывающей промышленности и других назначений 62
1.2.2 Основные способы производства коррозионностойких биметаллов 64
1.2.3 Сравнительная характеристика разных способов получения биметалла. Преимущества способа широкослойной электрошлаковой наплавки. Определение цели исследования 84
ГЛАВА 2. Практические и научные аспекты создания качественно новых коррозионностойких биметаллических материалов на базе способа электрошлаковой наплавки 89
2.1 Сущность и основные разновидности способа электрошлаковой наплавки. Освоение производства биметаллических заготовок в ОАО «Северсталь» и в ЗАО «Красный Октябрь» 89
2.1.1 Сущность способа электрошлаковой наплавки, основные технологические параметры процесса, определяющие качество биметаллической заготовки 89
2.1.2 Освоение производства листовых биметаллических заготовок методом наклонной электрошлаковой наплавки в ОАО «Северсталь».92
2.1.3 Освоение производства листовых биметаллических заготовок методом вертикальной электрошлаковой наплавки в ЗАО «Красный Октябрь» 95
2.1.4 Освоение производства трубных биметаллических заготовок методом вертикальной электрошлаковой наплавки в ЗАО «Красный Октябрь» '. 103
2.2 Марочный и размерный сортамент освоенных и перспективных видов биметаллической металлопродукции и возможные технологические схемы их производства 108
2.3 Постановка задач исследования для создания качественно новых биметаллических материалов и освоения технологий их производства 112
ГЛАВА 3. Трансформация химического состава, микроструктуры и свойств переходной зоны биметалла при получении биметаллической заготовки методом электрошлаковой наплавки, в процессе горячей прокатки на лист и термической обработки. Оценка совместимости марок основного и плакирующего слоев. Оптимизация технологических параметров производства для обеспечения высокого качества соединения слоев 119
3.1 Определение условий и разработка технологий получения качественного соединения слоев в биметаллической заготовке в зависимости от схемы наплавки и композиции биметалла 120
3.1.1 Исследование технологических параметров вертикальной ЭШН, определяющих глубину и равномерность проплавлення основного слоя при получении листовых биметаллических заготовок 123
3.1.2 Исследование технологических параметров наклонной ЭШН, определяющих глубину и равномерность проплавлення основного слоя 137
3.1.3. Исследование технологических параметров вертикальной ЭШН, определяющих глубину и равномерность проплавлення основного слоя при получении трубных биметаллических заготовок... 145
3.2 Исследование химического состава и микроструктуры переходной зоны биметаллической заготовки и листа в зависимости от марок сталей основного и плакирующего слоя и технологических параметров производства. Оценка совместимости марок основного и плакирующего слоев 148
3.2.1 Анализ литературных данных о диффузионных процессах в биметаллах, закономерностях формирования структуры и свойств переходной зоны биметалла при термическом воздействии, влиянии температурно-временных параметров горячей прокатки и термической обработки на диффузионное перераспределение элементов между слоями и на свойства биметалла 148
3.2.2. Особенности структуры и химического состава переходной зоны в биметаллической заготовке 152
3.2.3 Микроструктура, микротвердость и химический состав переходной зоны двухслойных листов толщиной 70 мм марки 12ХМ+08Х18Н10Б 159
3.2.4 Микроструктура, микротвердость и химический состав 'переходной зоны двухслойных листов толщиной 20 мм марки .09Г2С+08Х13 165
3.2.5 Исследование микроструктуры, микротвердости и химического состава переходной зоны трехслойных холоднокатаных листов толщиной 0,8-1,5 мм марок 08Х18Ш0+08Ю-Ю8Х18Н10 и 08Х18ФБ+08Ю+08Х18ФБ . 171
3.3 Внутренние напряжения в биметаллах, их влияние на качество соединения слоев проката. Разработка рекомендаций по технологическим параметрам производства биметалла различного сортамента для предупреждения внутренних напряжений 176
ГЛАВА 4. Закономерности формирования химического состава, микроструктуры и свойств плакирующего слоя в процессе получения биметаллической заготовки методом электрошлаковой наплавки и при дальнейших переделах. Разработка требований к коррозионностойкой стали расходуемых электродов и к технологическим параметрам производства биметалла с целью обеспечения необходимого химического состава, качественной поверхности и высокой коррозионной стойкости плакирующего слоя 187
4,1 Закономерности изменения химического состава коррозионностойкой стали в процессе электрошлаковой наплавки. Разработка требований к коррозионностойкой стали расходуемых электродов 187
4.2. Исследование литой структуры наплавленного слоя. Определение условий предупреждения кристаллизационных трещин и повышения технологической пластичности наплавленного слоя для обеспечения высокого качества поверхности биметаллического проката 204
4.3. Повышение чистоты по примесям, коррозионной стойкости и качества поверхности плакирующего слоя путем оптимизации состава шлака при электрошлаковой наплавке 230
4.4. Трансформация микроструктуры плакирующего слоя при получении биметаллических листов. Возможности повышения комплекса свойств плакирующего слоя путем оптимизации режимов горячей прокатки и термической обработки 243
ГЛАВА 5. Закономерности формирования структуры и свойств основного слоя биметаллического проката в процессе горячей прокатки и термической обработки. Разработка оптимальных режимов термической обработки биметаллов различного сортамента .. 252
5.1 Разработка технологии нормализующей прокатки двухслойных листов марки 09Г2С+08Х13 применительно к возможностям Волгоградского завода «Красный Октябрь». Разработка технологии нормализующей прокатки биметалла 254
5.2 Исследование влияния режимов термообработки на структуру основного слоя и механические свойства биметаллических листов марки 12ХМ+08Х18Н10Б и 09Г2С+08Х18Н10Б . применительно к возможностям оборудования ОАО «Северсталь» 267
ГЛАВА 6. Разработка технологии и освоение производства различных видов биметаллической металлопродукции. Особенности их структуры и свойств. Разработка и согласование с потребителями нормативно-технической документации -276
6.1 Освоение в ОАО «Северсталь» производства горячекатаной трехслойной листовой стали толщиной 2-12 мм для сельхозмашиностроения и других назначений 276
6.2 Освоение производства холоднокатаной трехслойной листовой стали толщиной 0,5-2,0 мм для автомобилестроения, торгового "оборудования и т.д. по кооперации ОАО- «Северсталь» - ОАО«МЕЧЕЛ» 281
6.3 Освоение в ОАО «Северсталь» и в ЗАО «Красный Октябрь» производства двухслойного толстолистового проката толщиной 8-50 мм, а также толщиной 60-110 мм для оборудования нефтеперерабатывающей, нефтехимической и других отраслей промышленности.- 289
6.4 Освоение в ОАО «Выксунский металлургический завод» производства сварных прямошовных труб ТВЧ для нефтепромысловых трубопроводов из двух- и трехслойного проката производства ОАО «Северсталь» 295
6.5 Освоение производства биметаллических бесшовных труб по кооперации ЗАО «Красный Октябрь» - ОАО «Волжский трубный завод» 303
ГЛАВА 7. Оценка потребительских свойств новых видов биметаллической металлопродукции и экономической эффективности их использования 311
7.1 Результаты комплексного исследования качества холоднокатаной трехслойной стали 311
7.2 Применение * биметаллических труб для трубопроводов систем нефтесбора ОАО "Славнефть-Мегионнефтегаз". Результаты комплексных лабораторных и промысловых коррозионных испытаний образцов труб из двух- и трехслойной стали с оценкой ресурса эксплуатации нефтепромысловых трубопроводов 320
7.3 Применение биметаллического листового проката, полученного на базе метода электрошлаковой наплавки, для оборудования нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств 332
7.4. Экономическая эффективность использования новых коррозионностойких биметаллических материалов 335
Выводы
Список литературы приложение
- Основные требования к коррозионностойким биметаллам нового поколения. Сравнительная оценка существующих способов промышленного производства биметаллической металлопродукции. Преимущества способа электрошлаковой наплавки. Определение цели исследования
- Марочный и размерный сортамент освоенных и перспективных видов биметаллической металлопродукции и возможные технологические схемы их производства
- Исследование химического состава и микроструктуры переходной зоны биметаллической заготовки и листа в зависимости от марок сталей основного и плакирующего слоя и технологических параметров производства. Оценка совместимости марок основного и плакирующего слоев
- Исследование литой структуры наплавленного слоя. Определение условий предупреждения кристаллизационных трещин и повышения технологической пластичности наплавленного слоя для обеспечения высокого качества поверхности биметаллического проката
Введение к работе
Современные технологии добычи и переработки нефти, химической промышленности диктуют особые требования к коррозионной стойкости и технологичности материалов для оборудования. Одним из наиболее эффективных металлических материалов, обеспечивающих стойкость против различных видов коррозии в сочетании с требуемыми механическими свойствами, является коррозионностойкий биметалл с основным слоем из углеродистой или низколегированной стали и плакирующим слоем из коррозионностойкой стали.
Сравнительный анализ известных способов получения биметаллов (литейное плакирование, пакетная прокатка, сварка взрывом, наплавка) показывает, что наилучшее сочетание качества соединения слоев, коррозионной стойкости и других характеристик можно получить при использовании метода широкослойной электрошлаковой наплавки (ЭШН) коррозионностойкого слоя на основу из конструкционной стали, если отработана технология, обеспечивающая оптимальный химический состав, структуру и свойства каждого из слоев и переходной зоны.
Поэтому создание качественно новых биметаллов с высокой прочностью соединения слоев и коррозионной стойкостью, освоение технологий их производства на базе способа ЭШН является актуальным. Использование таких биметаллов для оборудования нефтеперерабатывающей, нефтедобывающей и других отраслей позволит повысить ресурс эксплуатации оборудования, сроки безаварийной эксплуатации трубопроводов, экологическую безопасность нефтедобычи.
Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы являлось определение условий получения качественно новых видов биметаллической металлопродукции - листов и труб и обеспечение их производства при использовании методов ЭШН в ОАО «Северсталь» и на Волгоградском металлургическом заводе «Красный Октябрь». Исследованы и освоены в рамках данной работы биметаллы с плакирующим слоем из хромистых сталей, в том числе 08X13, 08Х14ФБ и др., хромоникелевых сталей типа 08Х18Н10, 08Х18Ш0Б и др. и основным слоем из сталей 10, 20, 09Г2С, 12ХМ и др.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи: исследовать закономерности формирования структуры и свойств коррозионностойких биметаллов, получаемых с использованием метода ЭШН, на всех переделах, основные из которых: получение исходных составляющих биметалла, электрошлаковая наплавка биметаллических заготовок, горячая прокатка, термическая обработка; исследовать влияние технологических параметров производства на микроструктуру, механические свойства, коррозионную стойкость и другие технологические и эксплуатационные характеристики; разработать рекомендации по оптимальным технологическим параметрам производства биметаллических листов и труб различного сортамента с использованием метода ЭШН; освоить производство и выпустить партии качественно новых коррозионностойких биметаллических листов и труб для оборудования систем нефтесбора, переработки нефти и других назначений.
Научная новизна. В результате проведенных исследований получены следующие новые результаты:
1. Установлены условия получения благоприятного химического состава, микроструктуры и свойств переходной зоны, а, следовательно, высокого качества соединения слоев (прочности и сплошности соединения) в биметалле, полученном методом ЭШН: оптимальная глубина проплавлення основного слоя (в среднем не менее
5-10 мм), достигаемая выбором электрических режимов ЭШН,
11 предупреждение появления в переходной зоне неблагоприятных структурных составляющих, достигаемое подбором композиций основного и плакирующего слоев, ограничением диффузионного образования хрупких прослоек путем оптимизации параметров горячей прокатки и термической обработки, уменьшением длительности пребывания двухслойных листов при температурах выше 600С, ограничение внутренних напряжений от разницы линейного расширения составляющих биметалла путем выбора режимов нагрева и охлаждения в зависимости от марок сталей и толщины биметалла. Анализом тепловых процессов в шлаковой ванне выявлены основные технологические параметры ЭШН, определяющие глубину проплавлення основного слоя: электросопротивление шлаковой ванны и скорость плавления электрода. Определены их оптимальные значения для разных схем ЭШН и композиций биметалла.
Исследованы механизмы изменения химического состава коррозионностойкой стали в процессе ЭШН, связанные с перемешиванием сталей основного и плакирующего слоев и с взаимодействием легирующих элементов со шлаком. Показано, что взаимодействие со шлаком может существенно изменить содержание алюминия, титана, серы, кислорода. Снижение содержания кислорода и серы при ЭШН повышает коррозионную стойкость плакирующего слоя. Переход алюминия и титана в шлак, помимо обеднения ими коррозионностойкой стали, меняет свойства шлака, приводит к увеличению глубины проплавлення. Поэтому их содержание в расходуемых электродах должно быть минимальным. Для стойкости плакирующего слоя против межкристаллитной коррозии сталь типа 08Х18Н10 следует стабилизировать не титаном, а ниобием. Содержание остальных легирующих элементов при ЭШН меняется, главным образом, из-за перемешивания со сталью основного слоя. Предложены формулы для расчета химического состава расходуемых электродов, обеспечивающего выполнение требований к химическому составу плакирующего слоя.
По результатам исследования литой структуры наплавленного слоя из различных марок сталей установлена ее неравномерность, как в макромасштабах - по толщине и ширине слоя, так и в отдельных микрообластях - из-за сильного развития ликвации. Показано, что для устранения последствий ликвационной неоднородности и обеспечения высокой пластичности плакирующего слоя в готовых листах необходимы обжатия при горячей прокатке не менее 80%.
Показано, что основными дефектами поверхности плакирующего слоя, полученного с использованием метода ЭШН, являются раскатанные, кристаллизационные трещины и плены. Для предупреждения, кристаллизационных трещин нужно, как и при сварке, повышать отношение хромового эквивалента к никелевому (не менее 1,5). Тогда кристаллизация начинается с образования вместе с аустенитом некоторого количества 6-феррита, что снижает степень усадки и ликвации и предупреждает образование межкристаллитных трещин. Причиной образования плен при прокатке является низкая технологическая пластичность стали плакирующего слоя, повысить которую можно, увеличив содержание марганца и снизив содержание кислорода.
Показана возможность существенного повышения чистоты по примесям и неметаллическим включениям, а, следовательно, коррозионной стойкости и качества поверхности плакирующего слоя путем оптимизации состава шлака, используемого при ЭШН: обеспечения в многокомпонентных флюсах системы CaO-CaF2-Si02-Al203-MgO (типа АНФ-29) от 7 до 10% АЬОз, при основности шлака не менее 2,6.
Определены условия формирования благоприятной микроструктуры и оптимальных свойств основного, плакирующего слоев и переходной зоны в процессе горячей прокатки и термической обработки. Это позволило получить требуемый комплекс свойств при рациональных и экономичных режимах термической обработки. В частности, найдены параметры нормализующей прокатки двухслойных листов марки 09Г2С+08ХІЗ на стане «2000» металлургического завода «Красный Октябрь», обеспечивающие формирование оптимальной микроструктуры основного слоя, высокий комплекс механических свойств и коррозионной стойкости при одностадийной термической обработке - отпуске при 710С.
Практическая значимость работы состоит в следующем:
Разработанные рекомендации по оптимальным технологическим параметрам производства в ОАО «Северсталь» (метод наклонной ЭШН) и на заводе «Красный Октябрь» (метод вертикальной ЭШН), в том числе по химическому составу исходных составляющих, режимам ЭШН, горячей прокатки," термической обработки позволили получить повышенный уровень качества биметаллических листов и труб различного сортамента; Впервые в мировой практике освоено производство листовых и трубных двухслойных заготовок методом вертикальной ЭШН при использовании стандартного оборудования, предназначенного для электрошлакового переплава (ЭШП) - печей и кристаллизаторов завода «Красный Октябрь»; На основе способа ЭШН разработаны технологические схемы и выпущены опытные и промышленные партии- биметаллического - двух- и трехслойного листового проката и труб, в том числе: горячекатаные трехслойные листы толщиной 2-12 мм для сельхозмашиностроения и других назначений (ОАО «Северсталь»), холоднокатаная трехслойная листовая сталь толщиной 0,5-2,0 .мм для автомобилестроения, торгового оборудования (кооперация ОАО «Северсталь» - ОАО «МЕЧЕЛ»), двухслойные листы для нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности толщиной 8-30 мм (ОАО «Северсталь», завод «Красный Октябрь») и толщиной 32-110 мм (ОАО «Северсталь»), сварные прямошовные трубы из двух- и трехслойного проката для промысловых нефтепроводов (кооперация ОАО «Северсталь» - ОАО «Выксунский металлургический завод»), бесшовные биметаллические трубы для нефтепромысловых высоконапорных водоводов (кооперация завод «Красный Октябрь» - ОАО «Волжский трубный завод»). На выпускаемую металлопродукцию разработана нормативно-техническая документация, согласованная с Госгортехнадзором.
4. Из полученной биметаллической металлопродукции в ОАО «Пензхиммаш» по проектам ООО НПК «Кедр-89» изготовлено 3 вакуумные колонны для разделения мазута на ПО «Нафтан», г. Новополоцк и еще более десяти различных аппаратов массой от 30 т до 350 т; общая масса изготовленного оборудования - более 1500 т.
На нефтепромыслах ОАО «Славнефть-Мегионнефтегаз» построены и находятся в эксплуатации трубопроводы из сварных и бесшовных биметаллических труб протяженностью более 20 км. В результате проведенных промысловых испытаний образцов биметаллических труб и образцов-свидетелей различных сталей сделано заключение, что срок службы трубопроводов из плакированных труб составит не менее 30 лет.
5. Результаты работы позволяют решить народнохозяйственную задачу обеспечения нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности качественно новой отечественной металлопродукцией, использование которой повышает долговечность и надежность оборудования, снижает трудоемкость его изготовления, приводит к улучшению экологической обстановки из-за снижения аварийности нефтепроводов. Новые технологии позволят загрузить простаивающий российский парк электрошлаковых печей (производительностью 200 тыс. т в год). Общий экономический эффект от внедрения результатов данной работы составил более 40 млн. рублей.
Основные научные положения, выносимые на защиту: -1. Установление закономерностей и условий формирования оптимального химического состава, структуры и свойств переходной зоны биметалла, полученного методом ЭШН, для обеспечения наиболее высокого качества соединения слоев (прочность сцепления не менее 350 Н/мм ).
Исследование механизмов изменения химического состава коррозионностойкой стали при электрошлаковой наплавке и определение условий формирования химического состава, структуры и свойств плакирующего слоя, обеспечивающих высокую коррозионную стойкость и качественную поверхность при заданном уровне механических свойств.
Научное обоснование оптимальных технологических параметров производства коррозионностойких биметаллических листов и труб различного сортамента, обеспечивающих высокий комплекс технологических и эксплуатационных свойств.
Основные требования к коррозионностойким биметаллам нового поколения. Сравнительная оценка существующих способов промышленного производства биметаллической металлопродукции. Преимущества способа электрошлаковой наплавки. Определение цели исследования
Важнейшим параметром качества биметалла, определяющим и его технологичность и эксплуатационные характеристики, является прочность сцепления слоев. Отсутствие качественной связи между слоями может вызвать расслоения в процессе изготовления оборудования из двухслойного проката, в частности; при выполнении операций гибки, резки, правки, холодной и горячей деформации, а также сварки. Это делает двухслойный прокат непригодным для изготовления оборудования или требует проведения дорогостоящего и трудоемкого ремонта.
При недостаточной прочности соединения слоев возможны расслоения и в процессе эксплуатации оборудования. С этим, например, связано явление имплозии внутреннего слоя в процессе эксплуатации трубопровода. При возникновении питтингов и других сквозных дефектов во внутреннем слое трубы давление в трубопроводе начинает действовать на границе между слоями, вызывая прогиб плакирующего слоя.
Чтобы этого не происходило, прочность сцепления слоев должна быть не ниже прочности металлов, входящих в композицию, при гарантированной сплошности соединения их на уровне класса сплошности 0 и 1 по ГОСТ 10885. Для большей определенности принято рекомендовать значение прочности сцепления слоев для качественно новых биметаллов не ниже 350Н/мм" (вместо значения 147Н/ММ2, регламентированного ГОСТ 10885).
Многообразие сред и рабочих условий, имеющее место в процессах добычи и переработки нефти, вызывает необходимость использования для основного и плакирующего слоев коррозионностойкого биметалла различных марок сталей. Поэтому технология производства биметалла должна давать возможность получения широкого марочного сортамента основного и плакирующего слоев.
Помимо химического состава, параметром, определяющим требуемое сочетание механических и коррозионностойких свойств, является равномерность толщины слоев двухслойного материала. Очевидно, что при определенной толщине проката прирост одного из слоев по толщине в отдельных зонах неизбежно вызывает уменьшение толщины другого слоя, что приведет к снижению качественных показателей более тонкого слоя.
Для обеспечения повышенной коррозионной стойкости плакирующий слой, помимо требуемого химического состава, должен иметь высокую степень чистоты по сере, кислороду и неметаллическим включениям. Повышенная чистота позволяет получить для некоторых условий эксплуатации требуемую коррозионную стойкость даже при использовании достаточно экономнолегированной стали плакирующего слоя.
Одним из параметров, определяющих технологичность двухслойного материала при прокатке и качество поверхности после прокатки, является характер исходной (перед прокаткой) структуры. Для технологических вариантов, где слои или хотя бы один из слоев имеют перед прокаткой литую структуру, оптимальным вариантом, обеспечивающим наиболее высокую технологичность и качество поверхности проката, может быть двухслойный материал с благоприятной ориентацией кристаллов по отношению к направлению прокатки. Кроме того, необходимо предусмотреть и другие условия обеспечения высокого качества поверхности плакирующего слоя.
Помимо перечисленных требований биметаллы нового поколения должны отвечать и всем традиционным требованиям к биметаллической металлопродукции. Например, все механические и другие характеристики двухслойных листов для ряда потребителей должны быть не ниже требований
ГОСТ 10885. Некоторые потребители, в зависимости от условий эксплуатации оборудования, могут предъявлять и свои специфические требования к биметаллу;, что должно оговариваться техническими соглашениями или техническими условиями на поставку металлопродукции. Коррозионностойкий биметаллический листовой прокат и трубы должны быть недорогими. Их цена даже при очень высокой эффективности эксплуатации биметалла должна быть ниже цены на коррозионностоЙкую сталь соответствующего химического состава.
Основными задачами в технологии производства биметаллических и многослойных металлов являются создание прочного соединения составляющих по всей поверхности контакта при заданном соотношении толщины слоев, формирование требуемых структуры и свойств каждого из слоев и биметалла в целом.
В настоящее время существует большое количество различных методов получения многослойной металлопродукции, что объясняется большим разнообразием плакированных материалов по видам и композициям, а также стремлением найти самый рациональный метод получения для каждого вида. Во многом на технологию производства биметалла накладывает отпечаток состав технологического оборудования предприятия, на котором организовано его производство. В практике производства листовой двух- и трехслойной коррозионностойкой стали используются в основном литейное плакирование, пакетная прокатка, сварка взрывом и наплавка [64,65].
Основная особенность этого способа состоит в том, что исходную биметаллическую заготовку получают путем заливки стали одного состава в изложницу, в которой установлены одна или две плиты из стали другого состава (рис. 1.2). Число и расположение плит в изложнице определяет дальнейшую технологию и число слоев в готовом прокате.
При изготовлении коррозионностойкой биметаллической заготовки для получения двухслойных листов в изложницу, в которой установлена плита из нержавеющей стали (рис. 1.2а) заливают углеродистую или низколегированную сталь. Широкую грань плиты, обращенную к оси изложницы, подготавливают так, чтобы при последующей прокатке происходило схватывание со сталью основного слоя. Для получения трехслойного листа, плакированного с обеих сторон, изготавливают слиток с двумя нержавеющими пластинами, установленными у противоположных стенок изложницы (рис. 1.26).
Одним из вариантов схемы литейного плакирования является получение из одного слитка одновременно двух биметаллических листов. В этом случае в центр изложницы устанавливают две плиты нержавеющей стали (рис.1.2в), разделенные огнеупорной прослойкой. После прокатки и обрезки кромок раскат разделяют на два двухслойных листа.
После строжки к плитам приваривают специальную арматуру для установки и закрепления их в изложнице. Подготовку плит начинают за несколько часов до заливки на специально оборудованной утепленной площадке. Тыльную сторону плит (не привариваемую поверхность) обезжиривают и наносят на нее разделительную обмазку, предохраняющую от сваривания с углеродистой сталью («подливкой»). Обычно в качестве разделительной обмазки используют смесь магнезитового порошка с цапонлаком.
Марочный и размерный сортамент освоенных и перспективных видов биметаллической металлопродукции и возможные технологические схемы их производства
Из биметаллических заготовок, полученных методом ЭШН по вариантам, описанным в разделе 2.1, возможно изготовление различных видов листовых и трубных биметаллов. В зависимости от требований к размерному и марочному "сортаменту биметаллов их производство можно осуществлять, используя различные схемы кооперации. На рис. 2.5 приведена структура производства биметаллического листового проката, произведенного в виде опытных .или промышленных партий.
Из трехслойных слябов, полученных методом наклонной ЭШН в ОАО «Северсталь», прокаткой на стане «2000» возможно производство готовой продукции - трехслойных листов и полос в рулонах толщиной 2-12 мм, а также производство трехслойного горячекатаного подката толщиной 2-4 мм, предназначенного для последующей холодной прокатки на стане «1700» ОАО «МЕЧЕЛ» на полосы толщиной 0,8-2,0мм (поставка в рулонах или листах)
Из двухслойных слябов, полученных методом наклонной ЭШН, прокаткой на стане «2000» возможно производство двухслойных листов и полос в рулонах толщиной 2-12 мм, а также производство двухслойной заготовки промежуточной толщины (подката) толщиной 180-230 мм для последующей прокатки на стане «2800» на листы толщиной 8-60 мм.
Из двухслойных слябов, полученных методом вертикальной ЭШН в ЗАО «Красный Октябрь», прокаткой на стане «1150» получают горячекатаную двухслойную заготовку толщиной 180-240 мм, предназначенную для последующей прокатки на двухслойный лист толщиной 8-32 мм на стане «2000» ЗАО «Красный Октябрь».
Еще одна схема производства толстолистового двухслойного проката, не приведенная на рис. 2.5, включает получение двухслойных заготовок толщиной 400-475 мм методом наклонной ЭШН на слиток или сляб, полученный прокаткой слитка, последующую прокатку двухслойной заготовки на стане «5000» на двухслойный лист толщиной 70-110мм.
На рис. 2.6 приведена структура производства биметаллических труб с использованием метода ЭШН. Из двух- и трехслойных слябов, полученных методом наклонной ЭШН в ОАО «Северсталь», прокаткой на стане «2000»получают прокат в рулонах толщиной 2-12 мм для производства сварных ТВЧ прямошовных труб в ОАО «Выксунский металлургический завод» диаметром 114-426 мм или электросварных спиральношовных труб в ОАО «Волжский трубный завод» диаметром 530-1220 мм.
Из биметаллических трубных заготовок, полученных методом вертикальной ЭШН в ЗАО «Красный Октябрь», на прессовом оборудовании ТПЦ-2 ОАО «Волжский трубный завод» получают биметаллические бесшовные трубы диаметром 159-245 мм с толщиной стенки 6-28 мм.
Более подробно технологические схемы производства и опыт выпуска установочных партий указанных видов биметаллической металлопродукции, а также особенности их структуры и свойств рассмотрены в главе 6.2,3 Постановка задач исследования для создания качественно новых биметаллических материалов и освоения технологий их производства
Создание качественно новых видов биметаллической металлопродукции и технологий их производства направлено на обеспечение определенного комплекса потребительских свойств, что в свою очередь, определяется химическим составом и структурой основного и плакирующего слоев биметалла, а также переходной зоны. Поэтому разработка технологических режимов производства двухслойных заготовок, листов и труб должна быть направлена на обеспечение определенного химического состава и структурного состояния всех зон, из которых состоит биметалл. Отсюда вытекают научные задачи, которые должны быть решены в процессе данной работы.
Основной характеристикой биметалла является качество соединения слоев, которое определяется, в первую очередь, химическим составом и структурой переходной зоны. Поэтому важнейшей задачей является исследование трансформации химического состава, структуры и свойств переходной зоны в процессе получения биметаллической заготовки методом электрошлаковой наплавки, при горячей деформации и термической обработке, влияния технологических параметров на структуру, свойства и качество соединения слоев.
При получении биметаллической заготовки одной из основных задач является обеспечение качественного соединения слоев, исключающего вероятность расслоений и других дефектов при изготовлении оборудования и в процессе его эксплуатации, включая отсутствие несплавлений (расслоений), шлаковых включений и других дефектов на границе раздела слоев; определенный уровень прочности сцепления слоев (сопротивление срезу -не менее 350 Н/мм ) и сплошности соединения (1 класс УЗК). Основной путь достижения этого - оптимизация технологии ЭШН, которая должна обеспечить определенную гарантированную глубину проплавлення основного слоя. То есть важнейшая задача при разработке новой технологии получения биметалла методом ЭШН - определение для данной схемы наплавки и определенных размеров исходных составляющих оптимальной глубины проплавлення основного слоя и технологических параметров процесса ЭШН, обеспечивающих заданную глубину проплавлення. Это позволит получить требуемую структуру и свойства граничной зоны и, следовательно, требуемое качество соединения слоев в биметаллической заготовке. Следует отметить, что слишком большая глубина проплавлення приводит . к значительному перемешиванию наплавляемой стали со сталью основы, что снижает содержание основных легирующих элементов в плакирующем слое по сравнению с их содержанием в расходуемых электродах.
Помимо обеспечения определенной средней глубины проплавлення основного слоя и связанного с этим высокого качества соединения слоев другой важной задачей при разработке технологических режимов ЭШН является обеспечение равномерности толщины слоев, диктуемой требованиями к коррозионной стойкости плакирующего слоя и механическим свойствам
Исследование химического состава и микроструктуры переходной зоны биметаллической заготовки и листа в зависимости от марок сталей основного и плакирующего слоя и технологических параметров производства. Оценка совместимости марок основного и плакирующего слоев
В процессе изготовления и термической обработки биметаллических листов в переходной зоне происходит диффузионное перераспределение элементов. Химический состав переходной зоны зависит не только от марок стали основного и плакирующего слоев, но и в значительной степени от технологии получения биметалла. Когда при получении биметаллической заготовки, хотя бы один из соединяемых металлов находится в жидком состоянии, высокие температуры приводят к интенсивной диффузии в твердом состоянии". Такой биметалл по химическому составу и микроструктуре переходной зоны будет существенно отличаться от биметалла, полученного пакетной прокаткой. При последующих переделах, (при горячей прокатке и термической, обработке) диффузия сформирует окончательно химический состав, структуру и свойства биметаллического проката [85].
В результате диффузии на границе раздела образуется, в соответствии с диаграммой состояния, более сложный сплав, чем каждый из соединяемых. В зависимости от состава соединяемых сталей и сплавов и диаграмм их состояния на границе раздела могут образовываться тройные или более сложные сплавы [86]:- твердые растворы одного металла в другом;- интерметаллиды,- избыточная мелкодисперсная фаза по границам или по телу зерен (в случае ограниченной растворимости),- легкоплавкая эвтектика.
В работах [87,88] была исследована микроструктура переходной зоны коррозионностойких биметаллов композиции СтЗ-Ю8Х18Н10Т и ОЗ+08Х13, листов с плакирующим слоем из сталей 08Х17Т и 15Х25Т, а также некоторых других композиций, полученных пакетной прокаткой, литейным плакированием и электрошлаковой сваркой до и после термической обработки по различным режимам.
Наиболее интенсивно идет миграция углерода из основного слоя в плакирующий, так как его диффузионная подвижность на 5-Ю порядков выше, чем элементов замещения, причем его содержание в граничной зоне значительно превышает концентрацию в основном металле. При этом для разных композиций в разных участках переходной зоны были .обнаружены выделения цементита, прослойка мартенсита и/или сорбита, скопления перлита. Со стороны основного слоя в большинстве случаев наблюдается обезуглероженная зона. Это явление проявляется особенно резко в толстых листах, которые медленно охлаждаются после прокатки и дольше выдерживаются при высокой температуре в процессе термической обработки.
Величина обезуглероженной зоны в двухслойных листах толщиной 10-24 мм с плакирующим слоем из хромистых сталей, полученных электрошлаковой сваркой [87], в среднем более чем в 2 раза превышает размер указанной зоны в листах с плакирующим слоем из хромоникелевой стали и достигает 0,3-0,5 мм. Наибольшая диффузия имеет место в листах, полученных электро шла ко вой сваркой, наименьшая - при пакетном плакировании, литейный способ занимает промежуточное положение. По загрязнению граничной зоны неметаллическими включениями последовательность обратная: загрязнения максимальны при пакетном способе и минимальны при электрошлаковой сварке.
Целесообразно легировать коррозионностойкую сталь элементами, повышающими активность углерода, либо основной слой - элементами, понижающими активность углерода. Содержание углерода в основном слое целесообразно снижать. Наличие в стали основного слоя Си, Ni, А1 и Si нежелательно: повышая активность углерода, они приводят к науглероживанию плакирующего слоя и сильному обезуглероживанию основного слоя. Для коррозионностойких сталей рационально повышенное содержание никеля, легирование дополнительно медью, кремнием и алюминием.
При использовании в биметалле барьерной прослойки состав ее должен быть таким, чтобы коэффициент активности углерода был намного больше, чем в основном слое, как например, в случае никелевой прослойки (при этом не будет миграции углерода в прослойку), или намного меньше, чем в плакирующем слое, как в случае прослойки из никеля с 20 % Си [89].
Из исследования перераспределения углерода при горячей сварке прокаткой и термической обработке в биметалле «углеродистая сталь — коррозионностойкая сталь» (с использованием изотопа С14) [87,89,90] предложены номограммы для определения ширины обезуглероженной зоны Х в основных слоях из сталей 10 и СтЗ в зависимости от температуры и Длительности выдержки при сварке и термообработке. Ширина обезуглероженной зоны максимальная при температурах в области точки А].
В плакирующем слое, можно выделить зону Х2, концентрация углерода в которой выше допустимого марочного состава, что обусловливает склонность этой зоны к межкристаллитной коррозии (МКК). Она должна быть меньше толщины Н2 плакирующего слоя в конце срока эксплуатации: Х2 Н2. Для номограмм определения Х2 (СтЗ+08Х13 и СтЗ+08Х18Н10) науглероженным считали слой с концентрацией углерода выше допустимого для стали- данной марки более чем на 0,02 %.
Прокатка и термообработка биметаллов, особенно тонких, в интервале А і —Аз снижает прочность основного слоя из-за его обезуглероживания, а нагрев выше А3 уменьшает толщину работоспособного плакирующего слоя вследствие его науглероживания [89].
Образующиеся в процессе термической обработки хрупкие прослойки значительно снижают, как прочность сцепления слоев, так и технологическую пластичность. Хрупкая науглероженная прослойка с карбидами типа СґтзСґ,, Сг7С3 в двухслойных листах СтЗ+Х18Н10Т, 12МХ+Х18Н10Т снижает относительное сужение и удлинение, угол изгиба и временное сопротивление [91,92].
В биметаллах с плакирующим слоем из коррозионностойкой стали аустенитного класса хрупкая науглероженная зона образуется, главным образом, в интервале температур Аі — А3 стали основного слоя, что зависит и от фазового состава слоя. Образование хрупкой науглероженной зоны полностью подавляется, если полосу с плакирующим слоем из стали аустенитного класса охлаждать в интервале температур А! — А3 со скоростью не менее 10С/с[90].
В некоторых случаях высокотемпературный нагрев ( 1150С) растворяет окисные включения, "залечивает" дефекты на границе раздела после прокатки и повышает прочность сцепления слоев.
Исследование литой структуры наплавленного слоя. Определение условий предупреждения кристаллизационных трещин и повышения технологической пластичности наплавленного слоя для обеспечения высокого качества поверхности биметаллического проката
В отличие от ряда других способов получения биметаллических заготовок способ ЭШН приводит к формированию литой структуры наплавленного слоя. Ее особенности могут повлиять на технологичность заготовки при прокатке и на свойства конечной металлопродукции. Поэтому важной самостоятельной задачей является исследование литой структуры, условий ее качественной проработки при горячей деформации для устранения исходной неоднородности и обеспечения высокого уровня механических характеристик, основным показателем которого являются результаты испытаний на изгиб плакирующим слоем наружу. Опасность недостаточной проработки литой структуры существует, а в первую очередь, при получении толстолистового проката, когда общая степень деформации при горячей прокатке не высока. Важно также определить пути предупреждения появления в стали кристаллизационных трещин, которые являются причиной возникновения дефектов на поверхности тонколистового проката. Кроме того, независимо от толщины проката обязательным условием получения качественной поверхности является удовлетворительная технологическая пластичность наплавленного слоя в интервале температур горячей деформации, что достигается оптимизацией химического состава и технологических параметров горячей прокатки. .
Исследование особенностей литой структуры и химического составанаплавленного слояСтруктуру и свойства наплавленного слоя и граничной зоны исследовали на биметаллических образцах размерами 50x10x10 мм, вырезанных из наплавленных заготовок Ст.10+Х18Н10 (заданная толщина наплавленного слоя - 30 мм). Заготовки были получены на установке наклонной ЭШН ОАО «Северсталь»,
В работе применяли металлографический (ОМ), рентгеноструктурный фазовый и микрорентгеноспектральный (РСМА) методы анализа, описанные в разделе 3.2. Результаты исследования макроструктуры наплавленного слоя вместе с исследованием макроструктуры ПЗ также приведены в разделе 3.2.
Микроструктура ПС представляет собой аустенит с мартенситом (рис.4.2,4.3), что согласуется с положением данного состава (табл.4.8) на структурнойдиаграмме нержавеющих сталей (точка 1 рис.4.4). По даннымрентгенеструктурного анализа количество фазы с ОЦК-ршеткой 36-40% в МЭи 40-46% в ПЭ участке плакирующего слоя. Игольчатый мартенсит в основномрасполагается в осевых участках, встречается также на границах кристаллов(рис.4.2 г, д). Его микротвердость несколько выше, чем у аустенитной матрицы(450 и 390 кг/мм2).
По данным РСМА в осях дендридов наблюдается минимальное содержание хрома и никеля по сравнению с межосными участками, и присутствующей в них светлой фазой (табл.4.9). Такая ликвация, при которой совпадают максимумы и минимумы хрома и никеля, "синфазная", характерна для сталей с низким отношением содержания хрома и никеля, в которых преобладает у- фаза.
Таким образом, оси дендритов обогащены железом, а межосья - хромом и никелем. Следствием неоднородного распределения элементов является неоднородный распад твердого раствора:- в межосьях аустенит более стабилен, чем в осях. Исходя из диаграммы Шеффлера, в составах, соответствующих межосному пространству, может быть больше а- фазы.
Основное различие в микроструктуре, фазовом и химическом составе между ПЭ и МЭ участками сводится к наличию в ПЭ участке более развитой столбчатой структуры с большим содержанием а-фазы в зоне между основным слоем и осевой зоной наплавляемого слитка.
В литой структуре наплавленного слоя из стали 08Х18Ш0Б, содержащей 18,6% хрома и 10,1% никеля, основной составляющей является аустенит. Количество 5-феррита вблизи поверхности и в осевой части наплавленного слоя не превышает 15%, а вблизи линии сплавления оно существенно меньше и составляет в МЭ и ПЭ, соответственно, 3% и 5%. Уменьшение содержания 5-феррита объясняется тем, что вблизи линии сплавления происходит значительное перемешивание металла плакирующего и основного слоев с повышением содержания аустенитообразующих элементов углерода и марганца.
В целом, микроструктура наплавленного слоя, как по его толщине, так и по ширине наплавляемой заготовки определяется химическим составом в соответствии с диаграммой Шефлера (для стали 08Х18Н10Б — см. точку 2 на рис.4.4), а также тештофизическими условиями формирования наплавленного слоя.. По результатам исследования и по литературным данным [114] величина юны столбчатых кристаллов при кристаллизации слитка данного размера и данного химического состава зависит только от перегрева, жидкая лунка в ПЭ участках в установившейся стадии ЭШН непрерывно подпитывается каплями стали среднего состава, обеспечивая перегрев, необходимый для роста столбчатых кристаллов.
Из-за большего перегрева толщина наплавленного слоя в ПЭ участках-на 50% превышает заданную. Такая неравномерность сохраняется после прокатки и может приводить к невыполнению требований НТД по толщине плакирующего слоя. Значительный перегрев металла в ПЭ участках может сопровождаться недостаточным поступлением тепла в металл МЭ участков и в шлаковую ванну. Это может приводить к нарушению стабильности электрошлакового процесса в отдельных участках и, как следствие, к появлению шлаковых включений и других дефектов в наплавленном слое заготовок.
Чем больше расстояние от электрода до слитка, тем равномернее распределение тепла в шлаковой ванне, тем более плоский фронт кристаллизации металла [115].Способы обеспечения равномерной толщины наплавленного слоя аналогичны способам обеспечения равномерной глубины проплавлення
