Исследование свойств стали 03Х19АГ3Н10 двух способов выплавки для выпарного оборудования

Размещено на http://www.allbest.ru/

ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ СТАЛИ 03Х19АГ3Н10 ДВУХ СПОСОБОВ ВЫПЛАВКИ ДЛЯ ВЫПАРНОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Дерябкина Е.С.

Аннотация

Исследованы механические свойства и коррозионная стойкость листов толщиной 30-36 мм из стали 03Х19АГ3Н10, выплавленной в установке газокислородного рафинирования, и листа толщиной 6 мм и труб Ш25х2мм, изготовленных из стали 03Х19АГ3Н10, выплавленной в плазменно-тигельных печах с использованием феррохрома ФХ-001. Установлено, что по химическому составу, механическим, технологическим свойствам сталь независимо от метода выплавки соответствует техническим условиям. Лист толщиной 6 мм и трубы Ш25х2мм стойки против МКК.

Ключевые слова: азот, высоколегированная сталь, плавка, лист, труба, механические свойства, межкристаллитная коррозия, микроструктура.

Анотація

Дерябкіна Є.С. «Дослідження властивостей сталі 03Х19АГ3Н10 двох способів виплавки для випарного обладнання».

Досліджено механічні властивості і корозійна стійкість листів товщиною 30-36 мм із сталі 03Х19АГ3Н10, виплавленої в установці газокисневого рафінування, і листа товщиною 6 мм і труб Ш25х2мм, виготовлених зі сталі 03Х19АГ3Н10, виплавленої в плазмово-тігельних печах з використанням ферохрому ФХ-001. Встановлено, що за хімскладом, механічними, технологічними властивостями сталь незалежно від методу виплавки відповідає технічним умовам. Лист товщиною 6 мм і труби Ш25х2мм стійки проти МКК.

Ключові слова: азот, високолегована сталь, плавка, лист, труба, механічні властивості, міжкристалітна корозія, мікроструктура.

Annotation

Deryabkina E.S. «Study the properties of steel smelting 03H19AG3N10 two methods for evaporation equipment»

Study the mechanical properties and corrosion resistance of 30-36 mm thick sheets of steel 03H19AG3N10 smelted to install oxygen refining and sheet thickness 6 mm and Ш25h2 mm pipes made of steel 03H19AG3N10 smelted in plasma crucible furnaces with ferrochrome FH-001. It is established that the chemical composition, mechanical, technological properties, regardless of the method of steel smelting meets specifications. Sheet with a thickness of 6 mm and pipe racks Ш25h2mm against ICC.

Key words: nitrogen, high-alloy steel, smelting, sheet, pipe, mechanical properties, intergranular corrosion, microstructure.

1. Состояние вопроса

Эффективным путем снижения металлоемкости химического оборудования является внедрение высоколегированных нержавеющих сталей с азотом. Подавляющее большинство нержавеющих сталей, особенно вновь разрабатываемых, содержат азот в широком диапазоне концентраций от 0,1 до 1% и более [1]. Констатируется повышение прочностных свойств аустенитных нержавеющих сталей под влиянием азота, положительное влияние на стойкость против межкристаллитной коррозии (МКК) [2]. Новая немецкая сталь Реманит 4565, содержащий до 0,42% азота с пределом текучести до 420 МПа рекомендуется для использования в химической промышленности, особенно для толстостенного оборудования производств бумажной и нефтегазовой промышленности [3]. В случае использования специальных установок, в которых выплавка производится под давлением, может быть изготовлен металл, содержащий до 1% азота. Высокопрочный японский сплав с 20-30% хрома, до 10% никеля, 0, 3-0,8% азота и 0,02% углерода имеет высокую стойкость против общей коррозии [4].

Таким образом, анализ литературных данных показал, что легирование азотом аустенитных коррозионностойких сталей способствует упрочнению и повышению её коррозионной стойкости. Поэтому целесообразно расширение применения хромоникелевых сталей с азотом в оборудовании, работающем в средах производств азотной кислоты, бумажной, нефтегазовой промышленностях и т.п.

2. Основной материал

Низкоуглеродистая коррозионостойкая сталь марки 03Х19АГ3Н10 с пределом текучести более 350 МПа разработана как заменитель менее прочной стали 03Х18Н11. Предполагалось, что введение марганца и азота будет способствовать повышению прочностных свойств, не отражаясь на коррозионной стойкости, так как в новой стали также предусматривалось низкое содержание углерода - не более 0,03%, как и в стали 03Х18Н11. В дальнейшем было установлено, что при низком содержании углерода азот не только не ухудшает, но и способствует повышению стойкости против МКК в слабой азотной кислоте [2]. Однако широкое применение стали 03Х19АГ3Н10, несмотря на ее явные преимущества перед сталью 03Х18Н11, сдерживалось сложностями выплавки в открытых электродуговых печах. До последнего времени сталь 03Х19АГ3Н10 выплавлялась на Челябинском металлургическом комбинате (ЧМК) в открытых электродуговых печах с использованием чистых шихтовых материалов - низкоуглеродистого феррохрома ФХ001 и низкоуглеродистого азотированного марганца Мрн6А. При этом обеспечивался необходимый уровень содержания углерода не более 0,03 %, что в свою очередь, гарантировал необходимую стойкость против МКК, при испытании стали по ГОСТ 6032-89 (0,5 мм/год).

В последние годы поставка на Украине низкоуглеродистых ферросплавов существенно сократилось, и в связи с этим более половины изготавливаемого металла не выдерживало испытаний на стойкость против МКК из-за повышенного содержания углерода. В сложившейся ситуации было принято решение об изготовлении стали 03Х19АГ3Н10 с применением специальных методов рафинирования, позволяющие при выплавке дополнительно удалять углерод. С этой целью на заводе «Днепроспецсталь» началось освоение выплавки на установке газокислородного рафинирования, а на ЧМК - в плазменно-тигельних печах. Впервые в отечественной практике производилось изготовление стали 03Х19АГ3Н10 в конвекторах с применением газокислородного обезуглераживания, когда путем последовательной продувки кислородом, аргоном и азотом производилась окончательная доводка металла и обеспечивался требуемый уровень содержания углерода и азота. Таким образом было изготовлено две опытные плавки 903033 и 903039 листа толщиной 30-36 мм. Лист толщиной 6 мм и трубную заготовку прокатывали из слитков, выплавленных плазменно-тигельных методом в 12-тонной печи с использованием низкоуглеродистой феррохрома ФХ001. Введение азота производилось азотированным феррохромом и марганцем в завалку. Раскисление осуществляли алюминием и ферроцерием. Определение возможности применения стали 03Х19АГ3Н10 повышенной прочности двух методов выплавки взамен стали 03Х18Н11 при изготовлении выпарного оборудования для производства редкоземельных элементов является актуальным и позволит снизить толщину стенок оборудования, что обеспечит экономию дефицитной высоколегированной стали.

3. Целью исследований являлось сравнение свойств стали 03Х19АГ3Н10 двух методов выплавки - толстого листа толщиной 30-36 мм, изготовленной в конверторах с применением газокислородного рафинирования, листа толщиной 6 мм и труб размером Ш25х2 мм, выплавленных в плазменно-тигельных печах.

4. Результаты исследований

Химический состав толстолистовой стали 03Х19АГ3Н10, выплавленной на установке газокислородного рафинирования (ГР), тонкого листа и труб из стали, выплавленной в плазменно-тигельных печах (ПТ) представлены в табл. 1. Содержание углерода и азота в листовом прокате в трубах определялись на приборе «Leco» с точностью до 0,001 %.

Для оценки качества исследуемых плавок проводилось исследование механических свойств, микроструктуры и коррозионной стойкости в состоянии поставки, после провоцирующего нагрева при 650 °С и повторной закалки при 1080 °С. В исходном состоянии после заводской закалки при 1080 °C, микроструктура листового проката толщиной 30 мм плавки 903033 и толщиной 36 мм плавки 903039 представляет собой характерный для этого типа сталей однофазный твердый раствор. Состав раствора - аустенит с неметаллическими включениями, в основном одного вида, точечными оксидами, количество которых в обеих плавках, несмотря на газокислородное рафинирование, достигает 2-3 балла по шкале ГОСТ 1778-70. Зерна аустенита равноосны, двойникованы, размер 5-6 балла, что свидетельствует о прошедшей рекристаллизации и устранении следов пластической деформации. 

Таблица 1 - Химсостав стали 03Х19АГ3Н10-ГР и стали 03Х19АГ3Н10-ПТ

В металле плавки 903033 под влиянием отпуска при 650 °С в течение 1 часа на границах зерен аустенита выпадают карбиды, причем интенсивность этого процесса значительно выше у поверхности, чем в сердцевине листа (рис. 1). В структуре плавки 903039 также происходит выделение карбидов, но в меньших количествах и большей дисперсности, чем в плавке 903033 при одинаковом уровне содержания углерода в обеих плавках. Повторная закалка с 1080⁰С не устраняет различий в структурном состоянии между исследуемыми плавками: сохраняются характер и интенсивность образования карбидов под влиянием провоцирующего отпуска при 650 °С (рис. 2).

Только длительная выдержка в течение 8 ч при 1080 °С выравнивает структуру в обеих плавках, но все-таки выделение карбидов у поверхности листа плавки 903033 под влиянием провоцирующего нагрева происходит несколько активнее, чем во внутренних слоях и в плавке 903039. Структурные особенности проката плавки 903033 проявляют себя при определении степени склонности металла к МКК по методу травления в щавелевой кислоте. В листовом прокате плавки 903033, подвергнутом провоцирующему нагреву в состоянии поставки, длительное травление методом ТЩК вызывает образование канавочной структуры у поверхности листа и промежуточной - в сердцевине. Аналогичное влияние оказывает ТЩК на структуру листа после повторной закалки с провокацией. В раннее выполненной работе [5] было установлено, что подобные структурные особенности толстолистового проката не отражаются на механических свойствах. При испытаниях на разрыв образцов, вырезанных из поверхностных и внутренних слоев листа, различий уловить не удалось; очевидно, реализуются они на уровне субструктуры. Этим обстоятельством объясняется и неизменность механических свойств обоих плавок под влиянием повторной закалки (табл. 2).

Таблица 2 - Механические свойства листового проката из стали 03Х19АГ3Н10-ГР плавок 903033 и 903039

Результаты исследования структуры методом ТЩК полностью подтверждаются испытаниями образцов плавок 903033 и 903039 на стойкость против МКК по методу ДУ ГОСТ 6032-89. Скорость коррозии образцов обеих плавок в состоянии поставки и после провоцирующего нагрева при 650 °С, 1 ч значительно превышает норму 0,5 мм/ч (табл. 3). Глубина МКК в образцах плавок 903033 и 903039 на внешней поверхности - 50-60 мкм, и внутри листа - 20-30 мкм. Следует отметить, коррозионные потери в обоих плавках несоизмеримо высоки для содержания углерода 0,025 % и не соответствуют характеру и интенсивности выделения карбидов под влиянием провоцирующего нагрева.

Таблица 3 - Скорость коррозии после испытаний толстолистового проката стали 03Х19АГ3Н 10-ГР (по методу ДУ ГОСТ 6032-89)

Коррозионные потери немного уменьшаются под влиянием повторной закалки с 1080 °С, но на глубине МКК это не отражается. По-прежнему поверхность листа корродирует более интенсивно, чем внутренние слои проката - глубина МКК составляет соответственно 60 мкм и 15 мкм в металле плавки 903033 и 50 и 10 мкм - в плавке 903039. Скорость коррозии образцов подвергшихся гомогенизации и провоцирующему отпуску, приближается к норме и составляет для плавок 903033 и 903039 соответственно 0,55 и 0,89 г/м²ч. Гомогенизация, как видно, способствует устранению химической, а, следовательно, и структурной неоднородности по сечению проката и сглаживает различия в интенсивности МКК поверхности и внутри листа - глубина коррозионных трещин после указанной обработки в образцах обеих плавок не превышает 40-60 мкм. Стоит учесть, что провоцирующий нагрев при 650 °С в течение 1 ч употребляется с целью имитации условий склонности к МКК в околошовной зоне многопроходного сварного соединения. В опытном оборудовании, в частности при изготовлении теплообменников, сварка труб Ш25х2 мм с трубной доской из стали 03Х19АГ3Н10 будет производиться в два прохода, т.е. без длительного пребывания в зоне опасных температур.

Микроструктура 4-х опытных партий труб стали 03Х19АГ3Н10 плавок 12п4126 и 12п4128 (условно «26» и «28») практически не отличаются друг от друга: количество мелкодисперсных точечных неметаллических включений соответствует 1-2 баллам, размер зерна - 5-6 балла (рис. 3).

Согласно химического анализа (табл. 1) содержание углерода в четырех партиях труб, исследуемых плавок колеблется в плавке 26 - 0,025-0,036 %, в плавке 28 - 0,020-0,025 %. Провоцирующий нагрев при 650 °С 1 ч вызывает образование мелкодисперсных карбидов на границах зерен аустенита, количество которых и дисперсность меняются в зависимости от неравномерности и пятнистости содержания углерода. Длительное травление образцов всех 4-х партий методом ТЩК вызвало образование «ступенчатой» (плавка 28) и «промежуточной» структуры (плавка 26), что свидетельствует о незначительной склонности к МКК. В полном соответствии с данными химического анализа и металлографических исследований находятся результаты испытаний труб на стойкость против МКК в 65%-ный азотной кислоте. В трубах партий 8358 и 8434 плавки 28 с меньшим содержанием углерода скорость коррозии не превышает 0,2 г/м²ч, а в партиях 8156 и 8390 плавки 26 чуть больше - до 0,4 г/м²ч. Примерно такое же соотношение сохраняется и при определении глубины МКК металлографическим способом: в трубах плавки 28 коррозия проникает на глубину до 10-15 мкм, плавки 26 - до 30 мкм, причем степень поражения МКК примерно одинакова на внутренней и внешний поверхностях. Микроструктура внутренней поверхности труб опасна с точки зрения склонности к МКК, потому что внутри трубы труднее удаляется графитовая смазка и больше вероятность науглероживания поверхности. Кроме того, в проектируемом аппарате агрессивная среда располагается в трубном пространстве. Механические свойства 4-х исследованных партий труб стали 03Х19АГ3Н10-ПТ приведены в табл. 4. Предел текучести у_0,2 труб исследованных партий чуть выше, чем у листового проката, хотя содержание азота в них ниже: 0,22-0,25 % в трубных плавках и 0,29-0,3 % - в листе. Вероятнее всего, это вызвано значительной деформацией труб в процессе прокатки. В пользу этого предположения свидетельствует тот факт, что повторное закаливание существенно снижает только предел текучести и повышает относительное удлинение без изменения предела прочности. Высокие прочностные характеристики опытных партий труб вызывают некоторые затруднения их использования для изготовления трубчатки. Согласно ОСТ 02-1015-85 должно выполняться следующее соотношение: у_{0,2 труб} < у_{0,2 решетки}, a у₅ > 20 %.

Таблица 4 - Механические свойства опытной партии труб из стали 03Х19АГ3Н10-ПТ

Оно приобретает особо важное значение в случае необходимости предотвращения щелевой коррозии, если агрессивная среда находится в межтрубном пространстве. Повторная закалка труб с 1080 °С приведена для имитации сварочного нагрева, что вызывает снижение предела текучести у_0,2 в трубах партий 8358 и 8434 соответственно до 313 и 337 МПа, что является залогом успешного применения труб (ПТ) с повышенной прочностью в комбинированных соединениях с трубной решеткой (ГР), имеющей предел текучести у_0,2 = 360 МПа. Технологические испытания всех партий труб на сплющивание, раздачу и отбортовку показали их высокое качество - дефекты не обнаружены при одном из видов испытаний.

Исследование опытных партий листа толщиной 6 мм из стали 03Х19АГ3Н10-ПТ плавок 4 и 5, выплавленных в плазменно-тигельных печах, показало, что в исходном состоянии микроструктура листового проката, также, как и труб, представляет собой мелкозернистый двойникованый аустенит с незначительным количеством мелкодисперсных включений типа окислов. Размер зерна соответствует 5-6 баллу в плавке 4 и 7-8 баллов в плавке 5. Несмотря на низкое содержание углерода 0,02 % провоцирующая отпуск при 650 °С в течении 1 часа приводит к образованию мелкодисперсных изолированных карбидов на границах зерен. Интенсивность выделения включений в структуре плавки 5 несколько больше, чем в плавке 4, так как в ней мельче зерно и больше протяженность границ. Травление металлографических шлифов методом ТЩК проявляет промежуточную структуру, что свидетельствует о возможной склонности к МКК. Кипячение в течение 5 циклов по 48 часов показало, что образцы обеих плавок выдержали испытания в 65%-ной азотной кислоте на МКК: коррозионные потери составили в плавке 5 - 0,28 мм /год; в плавке 4 - 0,34 мм /год.

Исследованы свойства стали 03Х19АГ3Н10 двух методов выплавки - в установке газокислородного рафинирования (ГР) завода «Днепроспецсталь» и плазменно-тигельной печи (ПТ) Челябинского металлургического комбината. коррозийный сталь химический металл

Установлено, что листовой прокат из стали 03Х19АГ3Н10-ГР опытных плавок 903033 и 903039, стали 03Х19АГ3Н10- ПТ опытных плавок 13п 9004 и 13п 9005, трубы из стали 03Х19АГ3Н10-ПТ опытных плавок 12п 4126 и 12п 4128 по химическому составу, механическим и технологическим свойствам удовлетворяют требованиям ТУ 14-1-4646-89 на лист толщиной 20-50 мм, ТУ 14-1-2261-77 на лист толщиной 6-20мм, ТУ 14-3-415-75 на трубы беcшовные холоднодеформированные. Повышенный предел текучести опытных партий труб в состоянии поставки связан с их наклепом при прокатке; повторная закалка идентичная сварочному нагреву при креплении труб снижает у_0,2 до уровня этого показателя в листовом прокате. Листовой прокат толщиной 30 и 36 мм из стали 03Х19АГ3Н10-ГР плавки 903033 и 903039 в состоянии поставки не выдерживает испытаний на МКК по методу ДУ ГОСТ 6032-89. Повторная закалка при 1080⁰С значительно снижает склонность к МКК этих плавок. Листовой прокат и трубы из стали 03Х19АГ3Н10-ПТ стойки против МКК при испытании по методу ДУ ГОСТ 6032-89. Таким образом опытные партии исследуемого проката из стали 03Х19АГ3Н10Т двух методов выплваки и рафинирования рекомендуется для изготовления выпарного оборудования производства редкоземельных элементов. Для освоения технологии изготовления выпарного оборудования из стали 03Х19АГ3Н10 необходимо провести дополнительные исследования по выбору сварочных материалов и типа крепления труб в трубных решетках применительно к конструктивным особенностям и условиям эксплуатации выпарного оборудования. Замена стали 03Х18Н11 сталью 03Х19АГ3Н10 повышенной прочности позволит снизить металлоемкость и себестоимость изготовления выпарного оборудования.

Список использованных источников

1. Бобылев А. В. Механические и технологические свойства металлов / А. В. Бобылев. - М.: Металлургия, 1990. - 296 с.

2. Прохоров Н. Н. Быстродействующий диаметр с двухкоординатной системой регистрации / Н. Н. Прохоров // Заводская лаборатория. - 1972. - № 1. - C. 14-16.

3. Житников Н. П. Влияние азота на структуру аустенитного металла шва / Н. П. Житников, И. А. Закс // Сварочное производство. - 1971. - № 8. - C. 5-7.

4. Иванова В. С. Метод определения вязкости разрушения К_1с по данным испытания образцов на усталость / В. С. Иванова, В. Г. Кудряшов // Проблемы прочности. - 1970. - № 3. - C. 17-19.

5. Бакшицкий Я. М. Влияние вакуумной выплавки на качество стали / Я. М. Бакшицкий // Сталь. - 1978. - № 6. - C. 5-12.

Размещено на Allbest.ru