Научные и технологические принципы повышения качества и расширения сортамента коррозионностойких двухслойных сталей, получаемых методом электрошлаковой наплавки

Актуальность проблемы. Быстрый рост требований к технологичности и эксплуатационной надежности современных материалов, используемых для изготовления химического и нефтеперерабатывающего оборудования, элементов сельскохозяйственной, дорожной, строительной и других видов техники, обусловил перспективность применения для указанных целей биметаллов с основным слоем из конструкционной (углеродистой или низколегированной) стали и плакирующим слоем из высоколегированной коррозион-ностойкой стали. Это, кроме обеспечения недостижимого в монометалле сочетания свойств, позволяет существенно снизить металлоемкость и расход остродефицитных дорогостоящих легирующих элементов.

До недавнего времени широкое использование коррозионностойких биметаллов сдерживалось недостаточно высоким качеством соединения слоев (прочностью и сплошностью сцепления), что приводило к расслоению материала, как при изготовлении, так и при эксплуатации изделий и оборудования. Освоение в конце прошлого века технологий производства коррозионностойких биметаллов методом широкослойной электрошлаковой наплавки (ЭШН) позволило существенно повысить их технологичность при переработке и эксплуатационную надежность оборудования. Такой биметалл нашел широкое применение в химическом, нефтехимическом, нефтеперерабатывающем машиностроении, судостроении и других отраслях промышленности.

Особенностью современного этапа развития металлургии является дальнейший рост требований к качеству металлопродукции, а также изменения металлургических технологий, создающие предпосылки для прорывного повышения качества металлопродукции, при законодательном требовании энергои ресурсосбережения. К таким предпосылкам, позволяющим, в частности повысить коррозионную стойкость сталей, используемых для основного слоя биметалла, и, соответственно, эксплуатационную надежность биметалла в целом, относятся новые возможности по повышению чистоты стали по традиционным примесям (сере, кислороду и др.) и неметаллическим включениям.

Другой особенностью современного этапа развития металлургии является необходимость переработки металлического лома, загрязненного примесями, которые могут отрицательно влиять на технологические и эксплуатационные свойства, в частности, на качество соединения слоев или качество поверхности биметалла, полученного методом ЭШН. С другой стороны, экстенсивные меры по ограничению содержания примесей в стали приводят к закономерному повышению стоимостных показателей. Поэтому перспективной является разработка эффективных способов нейтрализации отрицательного влияния примесей на свойства металла путем управления формами их присутствия за счет оптимизации технологических параметров производства.

Таким образом, актуально проведение работ, направленных на создание технологий, обеспечивающих повышение качества и расширение сортамента коррозионностойких биметаллов, при снижении затрат на производство.

Целью данной работы являлось создание, на базе достижений и современного уровня развития металлургии, эффективной технологии производства методом ЭШН нового поколения экономичных коррозионностойких биметаллов различного сортамента и назначения с высоким комплексом технологических и служебных свойств.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Установить закономерности влияния технологических режимов и параметров производства биметаллических заготовок методом ЭШН и их последующих переделов на качественные характеристики коррозионностойких биметаллов традиционного сортамента и назначения, в том числе, с основным слоем, полученным из сталей с различным содержанием разных типов примесей и неметаллических включений.

2. Исследовать механизмы влияния повышенного содержания примесей, в первую очередь легкоплавких и летучих, на качество соединения слоев и получаемого биметалла, в целом.

3. Разработать научные и технологические принципы управления содержанием и формами присутствия в металле примесей и неметаллических включений.

4. Разработать рекомендации по оптимальным параметрам сквозной технологии производства двухслойных листов, предупреждающих образование дефектов поверхности и дефектов, выявляемых УЗК, а также обеспечивающим высокую технологичность при изготовлении и надежность при эксплуатации оборудования, в том числе, путем обеспечения наиболее высокого качества соединения слоев.

5. Разработать новые виды экономичных коррозионностойких биметаллов и технологии их производства с использованием метода ЭШН.

Научная новизна работы: В результате выполненных теоретических и экспериментальных исследований получены следующие новые результаты:

1. С использованием оригинального метода термоциклических испытаний установлено, что наиболее устойчивым к переменным термическим нагрузкам, характерным в частности для условий эксплуатации нефтеперерабатывающего оборудования, является биметалл, производимый методом ЭШН. Разрушение материала в процессе термоциклирования происходит в минимальной степени, причем не по границе соединения слоев, а по обезуг-лероженной зоне основного слоя. Подавление диффузионных процессов при получении биметалла приводит к снижению степени обезуглероживания и дальнейшему повышению его эксплуатационной надежности.

2. Впервые однозначно установлено ключевое влияние на формирование дефектов двухслойных листов присутствия различных энергетических фракций водорода в стали плакирующего слоя. Низкотемпературные фракции водорода (диффузионно-подвижный водород — ДПВ) являются причиной расслоений, выявляемых УЗК в биметалле 09Г2С+08Х13, а высокотемпературные фракции (молекулярный водород) ответственны за формирование дефекта типа «рыбья чешуя» на поверхности плакирующего слоя из стали 12Х18Н10Б. Показано, что структурными элементами, контролирующими содержание неблагоприятных фракций водорода в плакирующем слое биметалла 09Г2С+08Х13, являются комплексные оксидные включения на основе силикатов, содержащие цинк и другие легкоплавкие элементы, а в плакирующем слое из стали 12Х18Н10Б — межфазные границы между аустенитом и 8-ферритом.

3. Впервые, на базе результатов детального теоретического и экспериментального исследования, достоверно установлен механизм влияния повышенного содержания легкоплавких и летучих примесей, в первую очередь, цинка, на образование дефектов, выявляемых при УЗК. Он состоит в интенсивном испарении цинка из металла основного слоя, сопровождающимся значительным поглощением тепла, созданием барьера для переноса тепла, контролирующего проплавление поверхности заготовки, а также формированием за счет снижения поверхностной энергии комплексных неметаллических включений с оксидным ядром и оболочкой из цинка, являющихся эффективными ловушками ДПВ. Увеличение электрической мощности, подводимой в шлаковую ванну в процессе ЭШН, компенсирует потери тепла на испарение легколетучих компонентов, повышает теплопередачу от расплава к поверхности наплавляемой заготовки, степень всплытия и удаления неметаллических включений и диспергированных частиц шлака, обеспечивая получение высоких качественных характеристик наплавляемого металла.

4. Показано, что даже при отсутствии явно выраженных дефектов металла наплавленного слоя, увеличение содержания легкоплавких примесей, в том числе свинца, цинка, олова в стали основного слоя приводит к их концентрированию в процессе наплавки на формирующейся границе раздела слоев, на межфазных границах, в том числе на поверхности неметаллических включений. Отмеченное обстоятельство, а также формирование обезуглеро-женной зоны основного слоя из-за диффузионного перераспределения элементов приводит к снижению прочности сцепления слоев.

5. Впервые достоверно установлена непосредственная зависимость коррозионной стойкости стали марки 08X13 от содержания карбидных выделений, образующихся в процессе отпуска мартенсита, что связано с повышением гетерогенности структуры, возникновением напряжений. Показано, что минимальное содержание выделений и наиболее высокие показатели коррозионной стойкости стали в водных хлорсодержащих средах наблюдаются после горячей прокатки или после нормализации. В процессе отпуска в интервале температур 660−7 ЮоС происходит распад мартенсита с образованием карбидных выделений, что снижает коррозионную стойкость.

Практическая значимость работы состоит в следующем:

1. Разработана технология производства методом ЭШН высококачественного биметаллического проката, плакированного сталями типа 08X13 и 12Х18Н10Б (12Х18Н10Г2Б) для химического и нефтяного машиностроения с использованием для основного слоя сталей электросталеплавильного производства с повышенным содержанием примесей цветных металлов, в первую очередь, цинка.

2. С использованием разработанной технологии в условиях ЧерМК ОАО «Северсталь», ООО «Институт биметаллических сплавов» в 2011;2012 гг. произведено более 1500 тонн проката ответственного назначения. При этом обеспечен 100%-ный выход высококачественной металлопродукции. До внедрения технологии отсортировка проката по дефектам поверхности и дефектам, выявляемым УЗК, достигала 25%.

3. На базе оригинальных технологических приемов производства стали основного слоя, двухслойных заготовок и проката разработана технология получения нового экономичного коррозионностойкого биметаллического проката с повышенной коррозионной стойкостью сталей и основного, и плакирующего слоев, а также изготовлены элементы сельскохозяйственной техники, в том числе, емкости для перевозки, хранения и внесения в почву минеральных удобрений. Результаты выполненных в лабораторных и естественных условиях функционирования предварительных испытаний биметаллического проката и изделий из него свидетельствуют о повышении ресурса их эксплуатации не менее чем в 3 раза по сравнению с серийной, используемой в настоящее время металлопродукцией.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Показатели влияния на формирование дефектов биметаллического проката, производимого методом ЭШН, содержания различных энергетических форм водорода в стали плакирующего слоя. Закономерности связи присутствия определенных структурных элементов и неблагоприятных фракций водорода в плакирующем слое для сталей разных марок. Технологические приемы по снижению содержания водорода в наплавленном слое.

2. Механизмы влияния повышенного содержания примесей на образование дефектов биметаллического проката. Методы предупреждения отрицательного воздействия примесей на качественные характеристики биметалла путем обоснованного выбора технологических параметров производства.

3. Способы управления качеством двухслойного проката в зависимости от марок сталей основного и плакирующего слоев, их химического состава и назначения металлопродукции (в том числе, для сельскохозяйственной техники) путем оптимизации параметров сквозной технологии. Разработанные новые типы экономичных коррозионностойких биметаллов и технологии их производства методом ЭШН.

выводы.

1. На базе комплексных исследований влияния технологических режимов производства биметаллических заготовок методом ЭШН и их последующих переделов на качественные характеристики коррозионностойких биметаллов, в том числе с основным слоем из сталей с различным содержанием примесей и неметаллических включений, разработаны технологии и освоено производство экономичных коррозионностойких биметаллов различного сортамента и назначения с улучшенными технологическими и служебными свойствами. С использованием оригинального метода термоциклических испытаний установлено, что биметалл, получаемый методом ЭШН, является наиболее устойчивым к переменным термическим нагрузкам, характерным, в частности, для условий эксплуатации нефтеперерабатывающего оборудования.

2. Ключевая роль в формировании дефектов двухслойных листов принадлежит различным энергетическим фракциям водорода, который содержится в стали плакирующего слоя. Низкотемпературные фракции водорода (диффузионно-подвижный водород — ДПВ) ответственны за формирование расслоений, выявляемых по результатам УЗК в биметалле 09Г2С+08Х13. Высокотемпературные фракции (молекулярный водород способствуют возникновению дефектов типа «рыбья чешуя» на поверхности плакирующего слоя из стали 12Х18Н10Б. Структурными элементами, контролирующими содержание низкотемпературных фракций водорода в плакирующем слое биметалла 09Г2С+08Х13 являются комплексные оксидные включения на основе силикатов, содержащие цинк и другие легкоплавкие элементы, а в плакирующем слое из стали 12Х18Н10Б — межфазные границы между аустени-том и 5-ферритом.

3. На базе результатов детального теоретического и экспериментального исследования, достоверно установлен механизм влияния повышенного содержания легкоплавких и летучих примесей, в первую очередь, цинка, на снижение качества соединения слоев, в том числе на образование дефектов, выявляемых УЗК. Он состоит в интенсивном испарении цинка из металла основного слоя, сопровождающимся значительным поглощением тепла, создании барьера для переноса тепла, контролирующего проплавление поверхности заготовки, а также формировании за счет снижения поверхностной энергии комплексных неметаллических включений с оксидным ядром и оболочкой из цинка, других легкоплавких металлов, являющихся эффективными ловушками ДПВ. Увеличение электрической мощности, подводимой в шлаковую ванну в процессе ЭШН, компенсирует потери тепла на испарение легколетучих компонентов, повышает интенсивность передачи тепла от расплава к поверхности наплавляемой заготовки, обеспечивает всплытие и удаление неметаллических включений и диспергированных частиц шлака, и, таким образом, создает возможность для достижения высоких качественных характеристик наплавляемого металла.

4. Впервые достоверно установлена непосредственная зависимость коррозионной стойкости стали марки 08X13 от содержания карбидных выделений, образующихся в процессе отпуска мартенсита, что связано с повышением гетерогенности структуры, возникновением напряжений. Показано, что минимальное содержание выделений и наиболее высокие показатели коррозионной стойкости стали в водных хлорсодержащих и других средах наблюдаются после горячей прокатки или после нормализации.

5. Разработаны эффективные технологические приемы, направленные на повышение качества двухслойных листов с плакирующим слоем из сталей типа 08X13 и 12Х18Н10Б, при использовании для основного слоя сталей с повышенным содержанием примесей, в первую очередь, цинка. Их внедрение позволило обеспечить 100%-ный выход высококачественной металлопродукции, в то время как до внедрения указанных мероприятий отсортировка производимых листов по дефектам поверхности и УЗК достигала 25%.

6. Разработаны технические требования, технология и освоено производство нового коррозионностойкого биметаллического проката Ст3сп+08Х13 с повышенной чистотой сталей основного и плакирующего.

133 слоев по вредным примесям и неметаллическим включениям. Из полученного проката изготовлены изделия сельскохозяйственной техники, в том числе емкости для перевозки, хранения и внесения в почву минеральных удобрений, семян, тука. Результаты предварительных испытаний биметаллического проката и изделий из него в лабораторных и естественных условиях эксплуатации свидетельствуют о повышении ресурса работы не менее чем в 3 раза по сравнению с серийно выпускаемыми аналогами.