Разработка технологических параметров производства заготовок роторов из высокохромистых сталей

• Автор: Ратушев, Дмитрий Владимирович
• Шифр специальности: 05.16.01, 05.16.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 178 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
Глава Е Состояние вопроса
1.1 История вопроса
1.2 Основные требования, предъявляемые к материалу роторов турбин, работающих в условиях ССКП
1.3 Влияние химического состава на структуру и свойства высокохромистой стали
1.4 Технологические особенности производства высокохромистых сталей
1.4.1 Термомеханические особенности ковки высокохромистых сталей
1.4.2 Влияние условий формообразования на деформируемость и качество
поковок из высокохромистых сталей
1.4.3. Предварительная термическая обработка высокохромистых сталей
1.4.4 Основная термическая обработка высокохромистых сталей
1.5 Обзор зарубежных высокохромистых сталей. Опыт освоения, исследования и изготовления заготовок роторов из 9-12%-хромистых сталей
1.6 Отечественный опыт производства высокохромистых сталей
1.7 Выводы по главе
Глава 2. Материалы, методики и объем исследования
2.1 Исследуемые материалы
2.2 Исследования с использованием стандартных методов
2.2.1 Исследование химического состава стали
2.2.2 Испытания механических свойств
2.2.3 Определение температуры вязко-хрупкого перехода (Т50)
2.2.4 Испытания на длительную прочность
2.2.5 Металлографические исследования
2.3 Специальные методы исследования
2.3.1 Методы исследования фазовых превращений
2.3.2 Исследование карбидной фазы
2.3.3 Методика исследования технологической пластичности испытанием на кручение
2.3.4 Физическое моделирование процессов горячей деформации
2.3.5 Компьютерное моделирование режимов термической обработки
Глава 3. Исследование высокохромистых марок стали на металле лабораторных
плавок
3.1 Изготовление и металлографическое исследование опытных поковок в лабораторных условиях

3.2 Разработка режимов термической обработки
3.2.1 Определение температуры минимальной устойчивости аустенита
3.2.2 Разработка режима предварительной термической обработки
3.2.3 Разработка режима основной термической обработки
3.3 Исследование влияния основной термической обработки на структуру и свойства опытных поковок в лабораторных условиях
3.3.1 Исследование влияния основной термообработки на микроструктуру металла
3.3.2 Исследование влияния основной термической обработки на свойства тали
3.3.2.1 Исследование кратковременных механических свойств
3.3.2.2 Исследование длительной прочности экспресс-методом
3.3.4 Исследование фазового состава опытных поковок
3.4 Выводы по главе
Глава 4. Исследование технологических характеристик высокохромистой стали при горячей пластической деформации
4.1 Определение технологической пластичности высокохромистых марок
стали
4.2 Исследование влияния деформационных параметров на предельную пластичность
4.3 Физическое моделирование процесса горячей пластической деформации
4.4 Расчет температурного состояния заготовки ротора в процессе ковки
4.5 Выводы по главе
Г лава 5 Исследование высокохромистой стали на металле промышленной
выплавки
5.1 Технология производства заготовки макета ротора
5.1.1. Технология выплавки стали
5.1.2 Технология ковки и предварительной термической обработки макета ротора
5.2 Разработка режима основной термической обработки макета ротора
5.2.1 Исследование проб заготовки макета ротора
5.2.2 Основная термическая обработка макета ротора
5.2.3 Исследование микроструктуры и механических свойств после основной термической обработки макета ротора
5.3 Выводы по главе
Список использованной литературы
Приложение

ВВЕДЕНИЕ
Одним из приоритетных направлений развития энергетики на текущий момент является переход на энергоблоки с более высокими, суперсверхкритическими параметрами пара (ССКП): температура 600-620°С, давление 30-35МПа. В настоящее время ведущие транснациональные энергомашиностроительные компании освоили производство таких энергетических установок.
Наиболее нагруженными и ответственными элементами паровой турбины являются ротора высокого (ВД) и среднего давления (СД). В России для роторов ВД и СД, применяемых в турбинах с параметрами Р=24МПа, Т=540°С, используются низколегированные хромомолибденованадиевые стали Р2М (Р2МА) и ЭИ-415. Эксплуатационные характеристики этих сталей не позволяют использовать их для высокотемпературных роторов паровых турбин, работающих на ССКП. Современные энергетические установки требуют новых жаропрочных материалов для работы при температурах 590-640°С [1].
Высокохромистые мартенситные стали, содержащие 9-12 % хрома и легированные вольфрамом, молибденом, ниобием, кобальтом, азотом, бором, относятся к данному классу материалов. Их служебные свойства, в частности жаропрочность, превосходят характеристики сталей перлитного класса, применяемых на сегодняшний день в России для производства роторов ВД и СД.
Такие комплекснолегированные высокохромистые стали разработаны за рубежом в рамках европейских программ COST 501/522/536 и в Японии как для поковок роторов паровых турбин, так и для литых элементов.
Подобные стали существуют и в России, но одним из сдерживающих моментов их использования является отсутствие обоснованных и отработанных технологических параметров производства конкретных изделий (заготовок) из высокохромистых марок стали, таких как ротора ВД и СД паровой турбины ССКП.

Как видно из таблицы 1.2, многие изготовители для повышения жаропрочных свойств кроме обязательного легирования азотом и ниобием, дополнительно добавляют вольфрам, кобальт и бор. Фирмы ALSTOM ENERGIE, SIEMENS/KWU, SAARSCHMIEDE (Германия) используют сталь марок X12CrMoVNbN 10-1 и X12CrMoVNbN 10-1-1 для роторов, работающих при температуре 600 °С. Во вторую марку стали, кроме обязательного легирования молибденом, ванадием, ниобием и азотом вводят вольфрам в количестве 1%, при этом содержание молибдена понижают до 1%.
В работе [60] описывается процесс изготовления заготовок роторов из стали X12CrMoVNbN 101 и X12CrMoWVNbN1011 на фирме Saarschmiede (Германия). Слитки изготавливались по двум вариантам: ЭШП или
электрошлаковая подпитка прибыли. Представлены результаты исследования восьми заготовок роторов по кратковременным и длительным свойствам. Заготовки были термообработаны на КП660-790. Данные по длительной прочности не выявили преимуществ заготовок роторов, изготовленных из стали с вольфрамом. Кроме того, в некоторые заготовки был добавлен бор в количестве до 0,001%. Добавка бора не показала положительного влияния на кратковременные свойства.
Фирмы Kobe Steel Ltd, Japan Casting and Forging Corporation (JC & FC), Mitsubishi Heavy Industries Ltd (Япония) [17, 64, 65] для изготовления роторов, работающих при температуре 593-600°С, рекомендуют сталь аналогичной системы легирования. Сталь марки ТМК1 легирована молибденом, ванадием, ниобием и азотом, сталь марки ТМК2 дополнительно легирована вольфрамом в количестве 1,85% при понижении содержания молибдена до 0,38%.
Различия марок сталей немецких и японских изготовителей следующие: содержание хрома в немецкой стали имеет больший диапазон (10,0-10,8%); содержание никеля в немецкой стали несколько выше (Ni=0,55-0,79%), чем в японской стали (Ni=0,50-0,60%); немецкая сталь содержит 1% вольфрама, тогда как японская сталь содержит большее количество вольфрама 1,85% .