Разработка технологии изготовления и исследование плакированных листов с основой из хромомолибденовых сталей

Глобальные проблемы третьего тысячелетия — экономия? металлов-, ресурсосбережение и экология непосредственно связаны, с созданием новых материалов с высоким уровнем служебных свойств. Решающая роль, здесь принадлежит поверхности и поверхностным слоям, которые можно рассматривать как своеобразный композит, обладающий особым комплексом физико-механических свойств. Поверхность изделия в первую очередь подвержена всем вредным воздействиям. Именно поверхностный слой в значительной мере определяет прочность, трибологические и, коррозионные свойства. Состояние: поверхности, ее адгезионные и другие свойства являются? определяющими в процессах производства' композиционных материалов [ 1].

Одним из эффективных путей повышения служебных свойств металлопродукции является: применение биметалла. Преимущества-, применения биметалла^обусловлены.в первую очередь тем, чтоюн позволяет получать такое сочетание служебных, свойств, которое нельзя^получить в одном отдельно взятом металле или сплаве, например, высокую прочность вместе с коррозионной стойкостью,. ударную вязкость — с износостойкостью, прочность — с высокой электрои теплопроводностью’и т.д.

В связи с’этим на протяжении* последних 40 лет постоянновозрастала потребность промышленности в ^ толстом плакированном (биметаллическом) листе, в необходимости его изготовлениякрупными партиями: В России, производство биметалла развивалось внаибольшей степени на «Ижорских заводах», которые в 60-х годах XX века стали флагманом отечественного машиностроения. В 1956;1963 годах на «Ижорских заводах» было освоено производство плакированных листов. толщиной 20−40 мм из стали марки КД-3 методом литого плакирования. Этот способ отличался высокой трудоемко—стью, ограниченными возможностями по габаритам, а также нестабильными результатами по качеству сцепления слоев. В 1962 году был разработан принципиально новый способ — автоматическая ленточная наплавка листовой заготовки коррозионно-стойкой лентой марки 08X18Н1 ОБ с последующей. прокаткой на лист. Таким способом были получены листы и плиты толщиной 20:.1.70', мм, шириной до. ЗООО мм и длиной. до 11 000 мм: Эти заготовки были использованы при изготовлении сепаратора пара и компенсатора объема для ряда атомных станций.

Сложные условия эксплуатации и/или повышеннаястепень ответственности: изделий потребовали более высокого уровня служебных свойств плакированных листов. Изготовляемые в? ОАО' «Ижорские заводы» хладостойкие корпусные конструкции включают как транспортные контейнеры для перевозки отработанного ядерного топлива (ОЯТ) с весьма высокими требованиями по сопротивлению хрупкому разрушению, так и сосуды нефтехимических реакторов, которые эксплуатируются в условиях Севера.

Плакированные листы, изготовляемые в ОАО «Ижорские заводы» использовалисьпри производстве изделий' нефтехимического и атомного машиностроения, ледового пояса морскихплатформ, для объектов, строящихся* под надзором? Российского' Морского Регистра судоходства, для коррозион-ностойких труб для систем транспортирования и сбора нефти и газа [2].

В’последние годы остро возниклапотребность в, плакированных листах с основным слоем из хромомолибденовых сталей: для нефтехимической отрасли. Изготовление сосудов для нефтехимических реакторов, работающих в, условиях низких климатических, температур (до -40 °С), производится по требованиям кода ASME (американское объединение инженеров-механиков) и спецификаций основанных на требованиях этого кода. Особенно сложными и ответственными изделиями являются реакторы нового поколения для глубокой переработки нефти. Поэтому плакированные листы для них должны иметь высокие технические характеристики, включая заданный уровень прочности и хладостойкости основного металла, отсутствие несплошностей? при ультразвуковом контроле по линии сплавленияосновного и плакирующего слоев^ прочность сцепления слоев и равномерность толщины, плакирующего слоя, обеспечивающие длительную коррозионную стойкость в условиях агрессивной среды.

В результате анализа и обобщения опубликованных работ с описанием различных технологических методов плакирования установлено, что-наиболее приемлемым как с экономической, так и технической точки зрения в современных условиях является пакетный способ производства плакированных листов. Он обеспечивает получение качественных плакированных листов в большом диапазоне толщин с высокой степенью равномерности деформации слоев и реализуется в существующих условиях производств, находящихся на промышленной площадке «Ижорских заводов», не требуя дополнительных затрат на создание и освоение дорогостоящего оборудования [3].

Именно этим способом в. настоящее время-производится основная масса плакированного листа в Англии, США, Франции, ФРГ, Швеции и Японии. Отличия в производстве биметалла пакетной прокаткой на различных фирмах состоят в отдельных элементах конструкции пакетов (симметричные, несимметричные, с крышкой и т. д.), в применении метода защиты контактной* поверхности от окисления в процессе нагрева под прокат (использование геттеров, вакуумирования), в применении различных материалов подслоя, обеспечивающего снижение степени перераспределения углерода в граничной зоне сцепления-слоев.

Известно, что в Японии плакированные листы пакетным методом получают как с никелевым подслоем, так и без него. В, последнем случае из технологического цикла исключается ряд сложных операций и дорогостоящих материалов, что снижает затраты на производство биметалла [4].

В заключение следует отметить, что рассматриваемый метод пакетной прокатки является одним из путей создания плакированного листа толщиной 10-И28 мм, шириной до 4500 мм и длиной до 12 000 мм разных композиций легирования. Однако обеспечение высокого качества, особенно для* крупногабаритных листов, потребовало доработки и усовершенствования технологии сборки и сварки несимметричных вакуумированных пакетов. При этом задача получения качественного плакированного листа усложняется в случае применения в качестве основного металла стали повышенной прочности с требованиями хорошей свариваемости.

Таким образом, актуальность выполнения настоящей комплексной работы определяется необходимостью обеспечения высоких требований по уровню качества и служебных свойств плакированного листа, используемого для современных нефтехимических сосудов давления ответственного назначения.

Цель работы. Разработка технологии изготовления крупногабаритных плакированных листов из сварных вакуумированных. пакетов с основой из хромомолибденовых сталей, обеспечивающая служебные свойства плакированных листов применительно к нефтехимическим реакторам.

Для выполнения поставленной цели были определены и решены следующие задачи:

— произведен выбор сталей для изготовления плакированных листов;

— исследованы структурные превращения и выявлены причины возникновения’дефектов в металле шва< пакетов в зависимости от способа сварки и марки сварочных материалов;

— применены полученные результаты исследований при сварке пакетов из сталей SA387Gr.22 cl.2 (10Х2М1А) и 08Х18Н10Т;

— произведены анализ химического состава и металлографические исследования плакированного листа, изготовленного по разработанной технологии;

— исследовано влияние послесварочной термообработки на микроструктуру и микротвердость переходной зоны полученного плакированного листа;

— исследованы механические и антикоррозионные свойства полученного плакированного листа;

— произведено изготовление опытно-промышленной партии крупногабаритных плакированных листов из хромомолибденовых сталей.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Установлены закономерности структурных превращений в металле шва, происходящие при сварке пакетов из разнородных сталей 12ХМ и 08Х18Н10Т с использованием различных способов сварки и различных сварочных материалов.

2. Установлены особенности формирования структуры переходной зоны плакированного листа при его изготовлении методом пакетной прокатки.

3. Определено влияние послесварочной термообработки на микроструктуру и микротвердость переходной зоны плакированного листа 8А387Сг.22 с1.2 + 08Х18Н10Т.

4. Разработаны принципиальные технологические параметры сборки и сварки пакетов, обеспечивающие прочность сцепления слоев плакированного листа, сопоставимую с прочностью основного металла.

Практическая значимость работы.

Произведен статистический анализ качества плакированных листов, изготовленных из пакетов^ применением различных способов1 сварки, по результатам которого разработаны рекомендации по технологии сборки и сварки несимметричных сварных вакуумированных пакетов.

Разработана и освоена технология изготовления методом пакетной прокатки крупногабаритных плакированных листов с основой из хромомо-либденовых сталей композиций 12ХМ + 08Х18Н10Т и 8А387Сг.22 с1.2 + 08Х18Н10Т для листовых и штампованных заготовок нефтехимических реакторов. Получен патент на изобретение способа изготовления пакетов для производства крупногабаритных плакированных листов.

Внедрение технологии производства крупногабаритных листов методом пакетной прокатки позволило изготовить на ОАО «Ижорские Заводы» ~5 тыс. тонн биметалла.

Апробация работы. Материалы, составляющие основное содержание работы, докладывались на 6 конференциях: на III международной научно-практической конференции молодых специалистов «Ижора — 2002», г. Санкт-Петербург, 2002 г.- на научно-технической конференции молодых специалистов ОАО «ММК имени Ильича», Украина г. Мариуполь, 2002 г.- на IV Международной научно-практической конференции молодых специалистов «Ижора — 2003" — на IX, XII и XIII международных научно-технических конференциях «Проблемы ресурса и безопасной эксплуатации материалов», г. Санкт-Петербург, 2003 г., 2006 г., и 2007 г.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА.

Биметалл (от би. и металл), металлический материал, состоящий из 2 слоев разнородных металлов или сплавов^ (например, сталь и алюминий, сталь и ниобий, алюминий и титан, титан и молибден и др.). Применяют для повышения, прочности и жаростойкости конструкцийснижения их массы с целью экономии дорогостоящих и дефицитных высоколегированных металлов или как материал со специальными свойствами. В’машиностроении-из биметалла изготовляют детали машин и механизмов.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. На основании анализа приведенных в литературе данных установлено, что обычно используемые методы изготовления биметаллических (плакированных) листов недостаточно технологичны, трудоемки и могут приводить к браку плакирующего слоя. Метод пакетной прокатки является наиболее перспективным способом изготовления плакированных листов, обеспечивая более высокую прочность сцепления слоев, сопоставимую с прочностью основного металла.

2. Установлены закономерности структурных превращений в металле шва, происходящие при сварке ' пакетов из разнородных сталей 12ХМ и 08Х18Н10Т с использованием различных способов сварки и различных сварочных материалов. Разработаны рекомендации по технологии сборки и сварки несимметричных сварных вакуумированных пакетов.

3. Разработана и освоена технология изготовления1 методом пакетной прокатки плакированных листов с основой из хромомолибденовых сталей композиций 12ХМ+08Х18Н10Т и SA387Gr.22 cl.2+08X18H10T для листовых и штампованных заготовок нефтехимических реакторов. Разработанная технология обеспечивает минимальную разнотолщинность плакирующего слоя по площади листа и уменьшение структурной неоднородности в переходной зоне. Получен патент на изобретение способа изготовления пакетов для производства крупногабаритных плакированных листов.

4. Установлено, что химический состав плакирующего слоя однороден на глубину до 3 мм, что гарантирует его достаточную коррозионную стойкость в процессе длительной эксплуатации. Основной металл плакированного листа отвечает всем требованиям соответствующего стандарта ASME и Спецификаций заказчика по «холодной» и «горячей» прочности, пластичности и твердости. Полученный плакированный лист обеспечивает высокий и стабильный уровень низкотемпературной работы удара KV'35 на уровне 155−205 Дж.

5. Исследовано влияние послесварочной термической обработки на микроструктуру и микротвердость переходной зоны плакированного листа SA387Gr.22 cl.2 + 08Х18Н10Т. Установлено, что проведение дополнительных послесварочных отпусков обеспечивает более равномерную структуру и твердость в переходной зоне плакированного листа.

6. Осуществлено широкое опытно-промышленное опробование и внедрение технологии изготовления плакированного листа методом пакетной прокатки. Внедрение технологии производства крупногабаритных листов методом пакетной прокатки позволило изготовить в ОАО «Ижорские Заводы» ~ 5 тыс. тонн биметалла.

7. Метод пакетной прокатки позволяет обеспечить высокое качество плакированных листов, включая комплекс служебных свойств, удовлетворяющих требованиям как российских, так и зарубежных стандартов для таких изделий ответственного назначения как нефтехимические реакторы с длительным сроком эксплуатации.