Шурыгин Дмитрий Александрович. Влияние технологии электрошлакового переплава на качество и свойства изделий из 9-12%-ных хромистых сталей для энергетического оборудования с суперсверхкритическими параметрами пара

Краткое описание

Шурыгин Дмитрий Александрович. Влияние технологии электрошлакового переплава на качество и свойства изделий из 9-12%-ных хромистых сталей для энергетического оборудования с суперсверхкритическими параметрами пара: диссертация ... кандидата Технических наук: 05.16.02 / Шурыгин Дмитрий Александрович;[Место защиты: ОАО Научно-производственное объединение Центральный научно-исследовательский институт технологии машиностроения], 2016.- 153 с.

АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО «НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ОБЪЕДИНЕНИЕ «ЦЕНТРАЛЬНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ТЕХНОЛОГИИ МАШИНОСТРОЕНИЯ»
На правах рукописи

ШУРЫГИН Дмитрий Александрович
ВЛИЯНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ЭЛЕКТРОШЛАКОВОГО ПЕРЕПЛАВА НА КАЧЕСТВО И СВОЙСТВА ИЗДЕЛИЙ ИЗ 9-12%-НЫХ ХРОМИСТЫХ СТАЛЕЙ ДЛЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ С СУПЕРСВЕРХКРИТИЧЕСКИМИ ПАРАМЕТРАМИ ПАРА
Специальность: 05.16.02 - Металлургия черных, цветных и редких металлов
ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук
Научный руководитель - докт. техн. наук, профессор Дуб В.С.
МОСКВА 2016

2
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение 4
1. Анализ современного состояния и направления развития электрошлаковой технологии производства хромистых сталей для энергетики 12
1.1. Требования к качеству и уровень свойств современных хромистых сталей для энергетики. Состояние и перспективы развития материалов для энергетики 12
1.2. Направления развития электрошлаковой технологии 18
1.3. Физико-химические особенности и способы управления рафинированием в
процессе электрошлакового переплава 25
Выводы 40
2. Методика проведения работы и обработка экспериментальных данных 42
2.1. Методика определения окисленности и отбора проб шлака. Исследовательская аппаратура 42
2.2. Установки и методики проведения экспериментов 45
2.3. Исследование качества металла 49
Выводы 52
3. Влияние параметров электрошлакового переплава на физико-химические характеристики шлака и металла 53
3.1. Исследование термодинамических характеристик хрома во фторидно-оксидных шлаковых системах 53
3.2. Влияние параметров электрошлакового переплава на рафинирование металла 58
3.3. Изменение условий кристаллизации слитка ЭШП при использовании переменного
тока пониженной частоты 67
Выводы 75
4. Разработка технологии электрошлакового переплава хромистых сталей 77
4.1. Обоснование выбора флюса 77
4.2. Обоснование выбора раскислителей 80
4.3. Влияние технологических параметров ЭШП на характеристики металла сплошных
и полых слитков хромистой стали 86
Выводы 112

3
5. Разработка технологии промышленного производства крупных сплошных слитков электрошлакового переплава из высокохромистых сталей 114
5.1. Разработка и внедрение технологии ЭШП слитков для изготовления роторов высокого и среднего давления ССКП на ООО «ОМЗ-Спецсталь» 114
5.2. Исследование качества и свойств металла промышленных слитков ЭШП из
высокохромистых сталей 125
Выводы 130
Заключение 132
Список литературы 135
Приложение А 147
Приложение Б 148
Приложение В 149
Приложение Г 151
Приложение Д 152

Список литературы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Теоретически и экспериментально исследованы окислительно-восстановительные процессы при ЭШП сталей с 9-12% хрома:
_1_3 +2
1.1. Получена аналитическая зависимость соотношения оксидов (Cr+3/Cr+2) от окисленности
шлака, описывающая обобщенные результаты исследований по различным шлаковым системам
12 0
в диапазоне от 10-12 до 100 Па.
1.2. Аналитически предсказано и экспериментально подтверждено для шлаков систем CaF2
- Al2O3 - CaO и CaF2 - CaO - Al2O3 -SiO2 - MgO, что при снижении окисленности шлака от 10-4 12
до 10- Па при 1873К средняя степень окисления хрома уменьшается от +3 до +2.
1.3. Установлены зависимости между окисленностью шлака, содержанием алюминия и кремния, количеством введенного раскислителя, компонентами шлака и содержанием кислорода в металле для сталей системы легирования Cr-Mo-W-V-Nb (+N, B).
1.4. Разработана математическая модель и показано, что для получения кислорода в слитке ЭШП на одном уровне шлак должен иметь более низкую окисленность в малом кристаллизаторе (0 200мм), чем при переплаве в большом кристаллизаторе (0 1500мм).
1.5. На основании результатов изучения окислительно-восстановительных процессов при ЭШП:
1.5.1. для получения в слитке содержания кислорода менее 35 ppm окисленность шлака должна быть от 10-5,0 до 10-7,0 Па с учетом диаметра кристаллизатора при содержании окислов хрома и железа в шлаке не более 0,5% суммарно;
1.5.2. показано, что поддержание в слитке ЭШП высокохромистых сталей низкого содержания кремния (<0,10%) и алюминия (<0,012%) возможно только при использовании комбинированного раскислителя по схеме с частичной заменой алюминия на кальций; впервые предложено уравнение для расчета необходимого количества раскислителя при проведении дифференцированного режима раскисления на основе информации об окисленности шлака;
1.6. Обоснован выбор флюса для ЭШП высокохромистых марок стали. Предложен оптимизированный флюс на основе АНФ-6 (CaF2-основа, Al2O3 = 26,0-30,0%, CaO < 5%, SiO2 < 1,5%).
2. Экспериментально и аналитически исследовано влияние частоты электрического тока на теплофизические и физико-химические параметры процесса:
2.1. Впервые теоретически показано и экспериментально подтверждено влияние частоты тока на рафинирование металла. Показано, что роль капельного переноса возрастает при

133
уменьшении размеров металлических капель, отрывающихся от электрода, уменьшении диаметра слитка и увеличении слоя расплавленного шлака.
2.2. Подтверждено, впервые установлено для полых слитков ЭТТТП, что изменение частоты тока позволяет эффективно управлять теплофизическими процессами за счет перераспределения тепловых потоков; при равной массовой скорости наплавления коэффициент формы ванны изменяется от 0,45 до 0,70.
2.3. Исследования металла полых слитков хромистой стали марки 10Х9МФБ-Ш электрошлаковой выплавки на промышленной и пониженной частоте показали, что:
2.3.1. Среднее расстояние между осями дендритов первого порядка при выплавке на пониженной частоте тока до 2-3 раз меньше, чем на промышленной частоте.
2.3.2. За счет улучшения условий кристаллизации при низкой частоте тока снижается ликвация элементов по сечению и высоте слитка - дендритная ликвация легирующих элементов (кремния, хрома и молибдена) снижается с 1,36, 1,15 и 1,29 до 1,21, 1,09 и 1,16, соответственно.
2.3.3. При таком способе производства дендритная ликвация при общем её уменьшении смещена в середину толщины стенки, что благоприятно для свойств трубных изделий.
2.3.4. При использовании тока низкой частоты средний размер неметаллических включений уменьшается на 35-45% (с 7 мкм при 50 Гц до 4 мкм на 2 Гц) и происходит равномерное их распределение в объеме металла.
2.3.5. Механические свойства образцов металла от опытно-промышленной партии труб (полых слитков) ЭТТТП, полученных на промышленной и пониженной частоте тока, изотропны по высоте и сечению, полностью удовлетворяют требованиям кованых труб.
2.3.6. Разработана технология электрошлаковой выплавки и впервые выплавлены качественные полые слитки 0275х60 мм из хромистой жаропрочной стали марки 10Х9МФБ с применением тока низкой частоты.
3. На основании комплексного изучения окислительно-восстановительных процессов при ЭТТТП 9-12%-ных хромистых сталей разработана комплексная технология, включающая использование флюса оптимизированного состава; проведение дифференцированного режима раскисления стали в процессе переплава на основе контроля окисленности и состава шлака; использование раскислительной смеси, включающей кальцийсодержащие компоненты; проведение приёмов для снижения наводороживания металла при ЭТТТП, и позволяющая управлять содержанием кислорода в металле слитка, морфологией и размерами неметаллических включений, остаточным содержанием технологических элементов (кремния, алюминия).

134
4. Разработана и освоена комплексная технология производства новых мартенситных комплексно-легированных хромистых жаропрочных сталей марок 12Х10М1В1ФБРА и X12CrMoWVNbN10-1-1 для роторов высокого и среднего давления турбин ССКП из слитков ЭШП массой до 60т в условиях ООО «ОМЗ-Спецсталь»:
4.1. разработана и внедрена инструкция на проведение измерений окисленности и отбор проб шлака;
4.2. обеспечен однородный химический состав по содержанию кремния (<0,10 %), алюминия (<0,012 %), кислорода (< 35ppm), водорода (< 2ppm), мелкая однородная структура по высоте и сечению заготовки, неметаллические включения преимущественно корунда (от 3 до 10 мкм);
4.3. металлургическое качество металла обеспечивает высокий уровень свойств, в том числе при длительной эксплуатации, полностью соответствующий требованиям нормативной документации.