ЭКОНОМНО-ЛЕГИРОВАННЫЕ КОНСТРУКЦИОННЫЕ СТАЛИ ДЛЯ ОПРЕСНИТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК

Во многих районах земного шара в последнее десятилетие интенсивно развивается опреснение морских вод с использованием дистилляционных опреснительных установок (ДОУ). Опреснительные установки пригодны также для очистки различного вида сточных вод промышленных предприятий. Полученный на установках дистиллят широко используется для паровых котлов ТЭЦ. Для изготовления ДОУ применяют дорогостоящие конструкционные материа лы: титан, латунь, нержавеющую сталь. При соответствующей водоподготовке возможно изготовление отдельных узлов ДОУ из низколегированных сталей [1].

Проведены работы по созданию и исследованию экономнолегированных сталей с повышенной коррозионной стойкостью в хлоридосульфатных средах: морской воде, слабосолевых и нейтральных растворах [2]. Эти стали рекомендованы в качестве конструкционного материала для выпарных аппаратов и внутренних узлов ДОУ вместо сталей марок 12Х18Н10Т, 08Х22Н6Т и двухслойной стали СтЗ+12Х18Н10Т.

Для опреснительных установок, эксплуатируемых в морской воде, разработана молибденсодержащая сталь марки 10ХЗМТЮА ферритоперлитного класса. Сталь 10ХЗМТЮА промышленной выплавки (толщина листа 6—10 мм, производство Челябинского металлургического комбината) после термической обработки (высокого отпуска или нормализации с отпуском) имеет ферритоперлитную структуру с размером ферритного зерна 14—18мкм. Сталь марки 10ХЗМТЮА обладает достаточно высоким комплексом коррозионных и механических свойств (<ГВ = 500520 Н/ммг, Ss = 3033%, KCU+20 = * 180—200 Дж/смг) и технологична в произ водстве.

Коррозионная агрессивность перерабатываемых сточных вод различных промышленных предприятий неодинакова и поэтому в ряде узлов, работающих в слабосолевой и нейтральной среде, можно применять стали, не содержащие молибден.

Наиболее перспективными с экономической точки зрения представляются стали, комплексно легированные элементами, повышающими коррозионную стойкость (Cr, Si, Al, Zr) и одновременно обеспечивающими достаточный уровень механических и технологических характеристик.

Исследовано влияние кремния и циркония на структуру и свойства стали, предназначенной для работы в горячих слабоагрессивных средах. Опыты проводили на металле лабораторных плавок стали с переменным содержанием кремния (0,35—1,95 %) и циркония (0,01—0,05 %; см. таблицу). Термическую обработку проката толщиной 12 мм проводили по двум режимам: нагрев при 970 °С с выдержкой в течение 30 мин и последующим охлаждением на воздухе; отпуск горячекатаной стали при 650 °С, время выдержки 2 ч, воздух. Температура нагрева под нормализацию выбрана с учетом положения критических точек росту зерна, проявляющейся уже при температуре нагрева выше 830 °С.

Механические испытания сталей проводили на поперечных разрывных и ударных образцах после термической обработки. Ударную вязкость определяли в интервале температур от —20 °С до 100 °С. Методами физикохимичес кого и рентгеноструктурного анализов, оптической и электронной микроскопии изучены фазовый состав и структурные характеристики стали. Дана оценка коррозионного поведения стали в различных средах.

Анализ результатов механических испытаний стали составов типа /—III (см. таблицу) показывает, что с увеличением концентрации кремния от 0,35% до 1,95% в стали, содержащей ~2,5% Сг и ~0,4% А1, временное сопротивление и предел текучести возрастают после нормализации с 640 до 673 Н/мм2 и с 338 до 389 Н/мм2 соответственно, а после отпуска горячекатаного металла с 552 до 627 Н/мм2 и с 305 до 374 Н/мм2 при уровне пластичности стали 65^27% (рис. 1, а).

Оптическая структура стали /, II (см. таблицу) представляет собой ферритоперлитную смесь с размером ферритного зерна 16 и 22 мкм соответственно. С увеличением содержания кремния с 0,35% до 1,95% количество перлита уменьшается с 40% до 15%, растет доля феррита, размер зерна увеличивается до 26 мкм, в структуре появляются отдельные участки бейнита и мартенсита.

Изучение тонкой структуры стали методами трансмиссионной и просвечивающей электронной микроскопии показало, что перлитная составляющая структуры — пластинчатого типа; полигональный феррит в нормализованной стали практически свободен от карбидных фаз, выделение которых наблюдается в основном по границам ферритных зерен. Морфологически они представляют собой тонкие пленочные частицы размером до 2 мкм. По данным элект роннографического и фазового анализов, частицы идентифицированы как Ме1 С3. Внутри ферритных зерен встречается небольшое количество частиц A1N, имеющих форму утолщенных с одной стороны стержней, длина которых составляет 1—3 мкм.

Отпуск горячекатаного металла вызывает образование по границам ферритных зерен сплошных карбидных цепочек. В зонах бей нитномартенситной структуры происходит выделение большого количества дисперсных частиц МеъС игольчатой формы по нескольким кристаллографическим направлениям, что свидетельствует о высокой точке мартенситного превращения и в связи с этим интенсивно протекающем процессе самоотпуска мартенсита.

Анализ сериальных кривых ударной вязкости и вязкой составляющей в изломе образцов сталей /—III (см. таблицу) показал, что увеличение среднего размера ферритного зерна и доли феррита, а также образование продуктов промежуточного превращения приводит к понижению KCU, вязкой составляющей в изломе и повышению критической температуры хрупкости *50. Наиболее высокие значения ударной вязкости получены после отпуска при содержании кремния 0,35 %: кси+20 = 228 Дж/см2, кси+100 = 310 Дж/см2. Уровень ударной вязкости стали этого состава после нормализации ниже: кси+20 = 129 Дж/см2, кси+100 = 145 Дж/см2 (см. рис. 1, а). Увеличение содержания кремния до 1,95 % приводит к понижению ударной вязкости при всех температурах испытаний: KCU+20 = 110 Дж/см2, KCU+100 = 130 Дж/см2 — после отпуска, KCU+20 = = 87 Дж/см2, KCU+100 = 105 Дж/см2 после нормализации.

На основании приведенных результатов исследования выбрано оптимальное содержание кремния (1,5—1,8 %), при котором в стали может быть получено удовлетворительное сочетание прочностных и вязких свойств. Выбор режима термической обработки зависит от требований, предъявляемых к прочности стали.

Легирование стали (~2,5 % Сг, 1,74 % Si, ~0,6 % А1) цирконием в количестве 0,01— 0,05 % практически не влияет на временное сопротивление, однако с увеличением концентрации циркония до 0,02% предел текучести повышается после нормализации до 420Н/см2, после отпуска горячекатаной стали— до 385 Н/мм2 (см. рис. 1, б). Микролегирование хромокремниевой стали 0,02 % Zr способствует дополнительному упрочнению, обусловленному выделением дисперсных фаз карбида ZrC и нитрида ZrN. Наряду с дисперсионным упрочнением легирование карбонитри дообразующей добавкой вызывает измельчение зерна до 12 мкм, что оказывает положительное влияние на вязкость стали (AKCUя « 30 Дж/см2) и понижает критическую температуру хрупкости Гзд на 10—30 °С по сравнению со сталью типа IV (см. рис. 1, б).

Повышение концентрации циркония до 0,05 % не оказывает влияния на прочность стали, но понижает вязкие свойства (KCU+20 = 40 Дж/см2 после нормализации и KCU = 70 Дж/см2 после отпуска), ферритное зерно вырастает до 26 мкм. Количество вторичных фаз возрастает; они выделяются внутри зерна, а также образуют цепочки по границам зерен. Отмечено увеличение количества неметаллических включений и строчечных образований. Таким образом, в исследуемой стали наиболее эффективным является содержание циркония ~0,02%.

Механические испытания при 100 °С показали, что сталь, содержащая 2,0—2,5 % Сг, 1,71,9% Si, 0,40,6% А1, 0,010,02% Zr, имеет уровень прочности (<гв > 550 Н/мм2, 320 Н/мм2), вязкости и пластичности (KCU+100> 140 Дж/см2, 65> 29%), достаточные для эксплуатации в горячих средах.

Объектом исследования стойкости стали с переменным содержанием кремния и циркония являлся 3 мм листовой прокат. Коррозионное поведение металла в нормализованном и отпущенном состоянии оценивали по ускоренной методике испытаний. Среда испытания: имитатор морской воды Каспийского моря, 3 %ный раствор NaCl и дистиллят. Для опыта использовали герметичный автоклавмешалку с дисковым образцом, вращающимся со скоростью 1120 мин1. Длительность испытаний составляла 100 ч, температура среды 25—90 °С, скорость потока 0,30,5 м/с, pH = 7,27,5.

Установлено, что на антикоррозионные свойства стали не повлиял вид термической обработки стали, поэтому в работе приведены результаты испытаний металла после отпуска 650 °С. Скорость проникновения коррозии исследуемых сталей оценивали по потере массы образцов до и после опыта. Максимальную коррозионную стойкость сталь проявила в дистилляте, несколько меньшую в имитаторе морской воды и минимальную в 3 %ном растворе NaCl.

Сильное влияние на скорость коррозии оказывает концентрация кислорода в растворе, с повышением которой стойкость стали снижается. Деаэрация растворов является эффективным средством повышения коррозионной стойкости металла. Результаты испытаний сталей в имитаторе морской воды при температуре 25—90 °С показали, что скорость коррозии всех типов стали растет с увеличением температуры раствора до 70 °С, а затем падает. Причина, по видимому, заключается в том, что на ско рость коррозии оказывают влияние два противоположно действующих фактора: с ростом температуры усиливаются коррозионные процессы, но в то же время уменьшается концентрация равновесного кислорода в растворе, что в свою очередь снижает скорость коррозии. Очевидно, при температуре раствора 90 °С преобладает второй фактор.

Результаты рентгеноспектрального и рентгеноструктурного методов исследования поверхности образцов сталей после испытания в имитаторе воды Каспийского моря свидетельствуют о том, что в процессе коррозии на стали формируется пленка сложного состава, обогащенная легирующими элементами, содержание которых значительно выше, чем в основном металле. Поверхностная пленка состоит в основном из оксидов железа Fe203 и Fe3€>4, а легирующие элементы распределены в твердом растворе оксидов. Обогащение поверхностной пленки продуктов коррозии легирующими элементами повышает ее защитные свойства, а в конечном итоге приводит к снижению коррозии стали.

Таким образом, оптимальное сочетание прочности (<гв 5= 600 Н/мм2; огт ^ 380 Н/мм2; 65 * 25 %), вязкости (KCU+2° > 70 Дж/см2) и коррозионных свойств получено при легировании стали 2,03,0 % Сг, 1,71,9 % Si, 0,4 0, 6% А1, 0,0150,025% Zr. Проведенные исследования позволили рекомендовать для изготовления конструкций, работающих в слабосолевой и нейтральной среде, сталь типа 10Х2С2ЦЮА

СБОРНИК НАУЧНЫХ ТРУДОВ Черная металлургия России и стран СНГ в XXI веке. Т о м 5, Москва 1994