Уткина Ксения Николаевна. Разработка технологических и композиционных способов управления качеством супердуплексных сталей

Краткое описание

Уткина Ксения Николаевна. Разработка технологических и композиционных способов управления качеством супердуплексных сталей;[Место защиты: АО «Научно-производственное объединение «Центральный научно-исследовательский институт технологии машиностроения»], 2023

Государственный научный центр Российской Федерации
Акционерное общество «Научно-производственное объединение
«Центральный научно-исследовательский институт технологии машиностроения»
АО «НПО «ЦНИИТМАШ»
На правах рукописи

Уткина Ксения Николаевна
Разработка технологических и композиционных способов управления качеством
супердуплексных сталей
Специальность: 2.6.2. «Металлургия черных, цветных и редких металлов»
(технические науки)
Диссертация
на соискание ученой степени кандидата технических наук
Научный руководитель: доктор технических наук, Л.Я. Левков
Москва, 2024 г.
Оглавление
Перечень сокращений 5
Введение 6
1 Проблемы современной технологии производства аустенитно-ферритных сталей 14
1.1 .Металлургические предпосылки формирования структуры и свойств аустенитно-ферритных
сталей 14
1.2 Технологические процессы производства слитков и заготовок из аустенитно-ферритных сталей. Перспективы производства дуплексных и супердуплексных сталей в России и в мире 19
1.3. Методы повышения качества СДС 24
1.3.1 Совершенствование композиции стали 24
1.3.2 Технологические методы повышения качества слитков. Электрошлаковый переплав и
возможности управления структурой формирующегося слитка из
СДС 29
Выводы и постановка задачи 32
2 Методика проведения работы и обработки экспериментальных данных 34
2.1 Компьютерное моделирование термодинамики фазообразования в супердуплексных
сталях 34
2.2 Определения композиционно-устойчивого содержания азота 35
2.3 Материалы исследования. Методика изготовления исследуемых объектов СДС 37
2.3.1 Изготовление заготовок СДС в условиях АО «НПО «ЦНИИТМАШ» 37
2.3.2 Изготовление заготовок СДС в промышленных условиях 39
2.4 Оценка качества металлургических заготовок СДС и изделий из них 39
2.4.1 Методики оценки качества в лабораторных условиях 39
2.4.2 Методика проведения опытно-промысловых испытаний образцов-свидетелей ВКУ 42
2.5 Обработка экспериментальных данных 42
2.6 Методики моделирования условий кристаллизации кузнечного слитка, слитка ЭШП и исследования динамики затвердевания слитка ЭШП в зависимости от глубины металлической
ванны 44
Выводы по главе 2 45
3 Совершенствование композиции дуплексной стали. Разработка системы критериев качества СДС для определения целевого состава на основе численных значений выбранных критериев 46 
3.1 Предпосылки совершенствования композиции стали 04Х24Н6АМ3 (ЗИ130) 46
3.2 Термодинамическое моделирование образования и роста фаз, связывающих углерод и
азота 48
3.3 Термодинамическое моделирование фазового состава стали 03Х23Н6М4Д3АБ 53
3.4 Моделирование поведения азота при кристаллизации стали UNS S32750 55
3.5 Разработка системы критериев качества СДС для определения целевого состава на основе
численных значений выбранных критериев 61
3.6 Экспериментальное определение композиционно-устойчивого содержания азота в СДС.... 68
Выводы по главе 3 72
4 Разработка технологии изготовления слитков, отливаемых в изложницы, и слитков последовательного наплавления из супердуплексных сталей 74
4.1 Совершенствование технологии изготовления кузнечных слитков, расходуемых электродов
и слитков ЭШП из супердуплексной стали UNS S32750 74
4.1.1 Анализ действующей технологии 74
4.1.2 Обоснование технологических способов управления качеством СДС 77
4.1.3 Разработка технологических рекомендаций по выплавке, разливке и охлаждению
слитков 80
4.1.4 Разработка и опробование технологии ЭШП стали UNS S32750 84
4.2 Разработка технологии выплавки стали типа 03Х23Н6М4Д3АБ для деталей запорно¬регулирующей арматуры в условиях АО «НПО «ЦНИИТМАШ» 89
4.3 Разработка технологии электрошлакового переплава стали 03Х23Н6М4Д3АБ 91
4.4 Математическое моделирование процесса формирования слитка ЭШП. Возникновение
физической неоднородности слитка СДС 93
4.5 Результаты опытных плавок ЭШП стали 03Х23Н6М4Д3АБ-Ш 97
Выводы по главе 4 100
5 Исследование качества и свойств супердуплексных сталей 101
5.1 Анализ химического состава и микроструктуры супердуплексных сталей 102
5.1.1 Исследование образцов стали типа 03Х23Н6М4Д3АБ 102
5.1.2 Исследование образцов стали UNS S32750 оптимизированного состава 106
5.1.3 Анализ зависимости механических свойств от химического состава и критической скорости охлаждения 108
5.1.4 Анализ коррозионных свойств стали типа 03Х23Н6М4Д3АБ 
5.2 Результаты опытно-промысловых испытаний образцов - свидетелей из стали типа
03Х23Н6М4Д3АБ 112
Выводы по главе 5 112
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ 114
Список используемых источников 117
ПРИЛОЖЕНИЕ А 132
План компьютерного эксперимента 132
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 138
Внедрение результатов диссертационной работы 138
ПРИЛОЖЕНИЕ В 140
Заключение ООО «Г азпром ВНИИГАЗ» о возможности применения
стали 03Х23Н6М4Д3АБ 140

Список литературы

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ
1. Компьютерное моделирование фазового равновесия в пакете прикладных программ Thermo-Calc версий 2017а, 2019а, 2022a позволило разработать систему критериев качества супердуплексных сталей, включающую:
1.1 регрессионные уравнения (R2>0,90), связывающие эти критерии с химическим составом (% масс.):
• соотношение долей 5-феррита и аустенита (Xf /Ха =1 при Т = 1175 °С):
5,52+10,24 C-3,3Si+0,15Mn-0,77Cr+1,14Ni-0,6Mo+10,21N+182,4C2+0,54Si2-
0, 03Mn2+0,04Cr2+0,12Ni2+0,05Mo2-2,72N2-4,25CSi-2,55CMn-2CCr+3,58CNi-
2,57- C-Mo+54,53- C - N-0,17- Si -Mn+0,25- Si • Cr-0,4- Si -Ni+0,27- Si Mo-
3,69SiN+0,01MnCr+0,03MnNi-0,05MnMo-0,23MnN-0,13CrNi+0,08CrMo-CrN-
0,15NiMo+2,15NiMo-1,47MoN = 1,0 ±0,14
• связь температуры выделения гексагональной плотноупакованной фазы Cr2N с составом стали:
954,5-128,84 Si-25,1Mn+0,44Cr2+2,63Ni2-44,3CCr+107,8CNi-10,07SiCr-3,39SiNi+
5,02SiMo+2,29MnNi-2,54CrNi+1,45CrMo-2,47NiMo+54,41NiN+2,07 < 1075,
где 1075 - температура начала образования Cr2N, оС
• содержание хрома в формирующемся при кристаллизации 5-феррите в зависимости от химического состава стали перед разливкой:
Cr5 = 4,9C+0,16Si+0,16Mn+0,57Ni+0,96Cr+0,65Cu+1,1N-0,44Mo-0,14Nb ±0,2
1.2 дополнительные критерии качества для оптимизации химического состава и определить их численные значения. Для стали UNS S32750: индекс стойкости к питтинговой коррозии PREN> 41; критическая температура питтингообразования CPT > 55°С; объемная доля о-фазы < 0,5 %;
1.3 целевой химический состав стали UNS S32750, рассчитанный с использованием предложенной методики, обеспечивающий получение физически однородного слитка стабильного фазового состава.
Применение разработанной системы критериев качества СДС для оптимизации состава UNS S32750 позволило реализовать технологию изготовления 3т слитков в промышленных условиях, устранив формирование азотных пузырей в них.
1.4 регрессионную зависимость, позволяющая определить минимальную скорость охлаждения металлургических заготовок V^, в зависимости от химического состава:
lgV^= -1,23-C-0,55-Si-0,10-Mn+1,82-Ni+0,17-Cr+1,17-Cu+
9,40№3,75Mo-1,12N - 36,3
Установленная зависимость может служить основой для разработки практического инструмента технолога при выборе режима охлаждения заготовки для обеспечения доли о-фазы < 0,5 об. %.
2. Впервые экспериментально определены композиционно-устойчивые содержания азота в сталях 03Х23Н6М4Д3АБ -0,33±0,005 и UNS S32750 - 0,31±0,005 % масс, превышение которых перед разливкой приводит к формированию азотных пор и пузырей в слитках. Установленный коэффициент композиционной устойчивости азота 0,5±0,1 может распространяться на весь класс СДС.
3. Усовершенствована композиция аустенитно-ферритной стали 03Х24Н6АМ3 за счет легирования медью и ниобием (патент РФ №2693718), формирующими в процессе кристаллизации мелкодисперсные упрочняющие фазы, что позволило:
3.1 повысить коррозионные и механические свойства стали: PREN - от 35,5 до 42,8 - 46,8, предел прочности на 20%, предел текучести на 60%, ударную вязкость на 28 %, превысив требования нормативной документации;
3.2 рекомендовать усовершенствованную марку стали 03Х23Н6М4Д3АБ-Ш для применения в условиях сред с содержанием сероводорода и углекислого газа до 25 % об. (Заключение ООО «Газпром-ВНИИГАЗ» №31323949-165-2017 о возможности применения стали 03Х23Н6М4Д3АБ-Ш в качестве конструкционного материала ВКУ арматуры в сероводородостойком исполнении, предназначенных для эксплуатации в условиях Оренбургского и Астраханского газоконденсатных месторождений).
4. Опытная технология производства металлургических заготовок для внутрикорпусных устройств из стали 03Х23Н6М4Д3АБ-Ш, разработанная и опробованная при участии автора, включает:
- технологический режим ЭШП, в т. ч. состав используемого шлака, электрические параметры переплава;
- способ раскисления шлака смесью феррокальция ФК 40, алюминиевого порошка АПЖ и ферросилиция ФС 65 в соотношении 5:1:1 (патент РФ №2630100), позволяющий повысить химическую однородности слитка.
5. Оценка условий охлаждения слитков ЭШП 0450 мм из стали UNS S32750 с помощью компьютерного моделирования подтвердила эффективность принудительного охлаждения потоком воздуха поверхности слитка ЭШП, как способа воздействия на ход фазовых превращений за счет сокращения времени пребывания стали в температурном интервале существования твердо-жидкой области.
6. Рекомендации по выплавке, разливке в кузнечные слитки и слитки ЭШП позволили
уточнить технологические инструкции, действующие в условиях АО «Русполимет», в том числе:
6.1 Организация входного контроля используемого азотированного ферросплава с использованием стандартных образцов, используемых при определении содержания азота более 5 % масс., во избежание непопадания в марочный состав по азоту.
6.2 Передачу ковша на разливку после отдачи порошковой проволоки ФХН-10, перемешивания и взятия пробы без подогрева металла.
6.3 Раскисление поверхности гомогенного шлака в период отдачи азотированного феррохрома.
6.4 Ограничение верхнего предела температуры присадки азотированного феррохрома - 1550 °С, температуры разливки металла - 1535 °С В противном случае допускается произвести краткий подогрев в указанном интервале температур без раскрытия зеркала металла.
6.5 Принудительное охлаждение поверхности слитка ЭШП промышленными вентиляторами в процессе вытягивания, начиная от момента появления его из нижнего фланца кристаллизатора.
6.6 Корректировка состава флюса ЭШП для обеспечения его температуры плавления 1225-1270 °С;
6.7 Скорость плавления ограничить уровнем 460±20 кг/ч;
6.8 Шаг перемещения электрода уменьшить до 2 мм;
Внедрение результатов подтверждено актом (Приложение Б).