научная статья по теме СОВРЕМЕННЫЕ КОНСТРУКЦИОННЫЕ СТАЛИ ДЛЯ АРКТИКИ Машиностроение

Текст научной статьи на тему «СОВРЕМЕННЫЕ КОНСТРУКЦИОННЫЕ СТАЛИ ДЛЯ АРКТИКИ»

СУДОСТРОЕНИЕ 3'2013

СОВРЕМЕННЫЕ КОНСТРУКЦИОННЫЕ СТАЛИ ДЛЯ АРКТИКИ

A. С. Орыщенко, докт. техн. наук, генеральный директор,

B. А. Малышевский, докт. техн. наук, зам. генерального директора, Е. И. Хлусова, докт. техн. наук, первый зам. начальника научно-производственного комплекса № 3, начальник лаборатории (ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей, www.crism-prometey.ru) удк 658.012:629.5

Судостроение является одной из приоритетных отраслей Северо-Запада РФ и решает сложнейшие задачи освоения новых нефтегазовых месторождений на континентальном шельфе Арктики, транспортировки нефти и газа, эффективного функционирования Северного морского пути, обеспечения безопасности в пределах морских границ России.

Согласно стратегии развития судостроительной промышленности на период до 2020 г. и на дальнейшую перспективу рынок продукции гражданского судостроения включает в себя разнообразную морскую технику для изучения и освоения нефтегазового потенциала континентального шельфа России, принципиально новые крупнотоннажные суда усиленного ледового класса — танкеры и газовозы, научно-исследовательские суда для выполнения работ в области гидрометеорологии и мониторинга состояния окружающей среды, суда экологического и гидрологического контроля, средства транспортировки нефти и газа, номенклатуру сложных наукоемких морских судов для обновления транспортного и рыбопромыслового флота страны, морские паромы, мощные буксиры, спасатели, для которых необходимы стали различных классов, поставляемые в виде листового и профильного проката, отливок, сварочные материалы и специальные функциональные покрытия (коррозионно-стойкие, износостойкие и др.).

К сталям, используемым для строительства морских сварных конструкций, ледоколь-но-транспортного флота, ледостойких буровых платформ, плавучих атомных станций, предъявляется целый ряд особых требований: широкий интервал прочностных характеристик (от 235 до 690 Н/мм2) в сочетании с высокими пластичностью и вязкостью, высокое сопротивление хрупким разрушениям при температурах эксплуатации до минус 40 °С, сопротивление воздействию статических, динамических и циклических нагружений, отсутствие корро-зионно-механических повреждений при расчетном сроке эксплуатации в морской воде, сопротивление слоистым разрушениям в узлах сварных конструкций, достаточная технологичность при изготовлении (гибке, правке) и

сварке, обеспечивающая возможность изготовления конструкций крупными блоками и сборку на открытых площадках в условиях низких температур (в отдельных случаях до минус 20 °С). Для строительства конструкций нефтегазодобывающих платформ и сопутствующей инфраструктуры немаловажна также и относительная дешевизна поставляемых материалов.

С 50-х годов XX века ЦНИИ КМ «Прометей» активно развивает направление создания хладостойких сталей [1]. В середине 70-х—начале 80-х годов была начата разработка высокопрочных и плакированных сталей для судов ледового плавания, ледоколов, морских конструкций для разведки и добычи углеводородов, многие из которых нашли свое применение в проектах ПБУ типа «Шельф», «Каспий», корпусах атомных ледоколов «50 лет Победы», «Таймыр» и «Вайгач».

Созданные в 70—80-е годы в ЦНИИ КМ «Прометей» хладостойкие стали 10ГНБ, АБ-1, АБ2Р производились после термоулучшения (закалки с отпуском), что требовало повышения уровня легирования стали [2, 3].

Однако возможности повышения свойств конструкционных сталей и сплавов только за счет легирования практически исчерпаны, и в настоящее время этот путь экономически нецелесообразен. В то же время создавать новые продукты, добиваясь от них свойств и эффектов, недоступных в традиционном материаловедении, например достигать в легированных сталях и сплавах рекордных значений прочности при удовлетворительной пластичности и хладостойкости при температурах эксплуатации в сочетании с резким снижением себестоимости продукции, возможно за счет формирования наноструктурных состояний [4, 5].

В связи с этим создание объемных конструкционных металлических материалов с нанофазным и наноструктурным упрочнением, обеспечивающим уникальное сочетание прочности, пластичности, вязкости, сопротивления усталостному и коррози-онно-механическому разрушению за счет формирования равномерно распределенных или пространственно-текстурированных наноразмерных структур, является наибо-

СУДОСТРОЕНИЕ 3'2013

СУДОСТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

лее перспективной задачей современного материаловедения.

С целью повышения востребованности и эффективности использования материалов, обеспечения требуемого объема продаж в начале 2000-х годов был проведен научный анализ тенденций развития рынков сбыта продукции на ближайшую и долгосрочную перспективу, который показал, что необходимо предпринять экстренные меры по расширению сортамента и номенклатуры материалов, применяемых для строительства морской техники и сопутствующей инфраструктуры, для обеспечения конкурентоспособности отечественной промышленности в области строительства арктических конструкций. В этом случае листовой и профильный прокат из стали, отличающиеся высокой свариваемостью и сопротивляемостью хрупким разрушениям, найдет широкий спрос также и на рынках зарубежных стран. Одним из направлений, способствующих расширению экспорта, могло стать качественное улучшение хорошо известных и широко применяемых марок стали.

Работы по созданию новых материалов ЦНИИ КМ «Прометей» выполнил в рамках проекта «Создание технологий и освоение промышленного производства конструкционных металлических материалов с двукратным повышением важнейших эксплуатационных свойств» (2003—2006 гг.) совместно с основными заводами-изготовителями продукции — ЧерМК ОАО «Северсталь», ООО «ОМЗ-Спецсталь», научно-исследовательскими и проектными организациями, в их числе ФГУП «ЦНИИ им. академика А. Н. Крылова», ФГУП «ЦНИИ Чермет им. И. П. Бардина», Институт металлургии им. А. А. Байкова, Российский морской регистр судоходства (РМРС) и др.

После введения в эксплуатацию в ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат»» нового автоматизированного стана «5000» в 2009 г. серия новых хладостойких сталей с пределом текучести от 235 до 620 Н/мм2 была освоена также и на этом комбинате.

Исходя из перечисленных выше требований, при создании новых марок хладостойкой стали решен ряд научных проблем: разработана система легирования и микролегирования экономичных марок стали, определены основные принципы формирования структуры стали, требования к металлургичес-

Рис. 1. Снижение затрат на производство стали с пониженным содержанием легирующих элементов

кому качеству, созданы принципиально новые для стали этого класса технологии металлургического и прокатного передела и освоено производство новых марок стали на российских предприятиях.

Учитывая необходимость обеспечения высокой свариваемости, максимальное содержание углерода в хладостойких сталях для арктических конструкций не должно превышать 0,10—0,12%, а содержание легирующих элементов должно быть минимально возможным. Предложены принципы легирования хладостойкой стали, подвергаемой термомеханической обработке, основные из которых заключаются в обеспечении содержания углерода в пределах 0,05—0,08% для марганцевых и марганцево-никелевых сталей и 0,07—0,10% для экономно-легированных хромоникельмолиб-деновых сталей, а также в оптимизации содержания дефицитных и дорогостоящих легирующих элементов (никеля, молибдена, рис. 1) и микролегировании ванадием и ниобием в количестве 0,02—0,06% каждого, титаном — не более 0,02%.

В металлургических технологиях были реализованы следующие принципы: снижение степени сегрегаций в литом слябе, повышение чистоты стали от вредных примесей (серы, фосфора), газов и неметаллических включений при снижении содержания уг-

лерода, глобуляризация сульфидных включений, микролегирование ванадием и/или ниобием и/или титаном с целью эстафетного связывания углерода в мелкодисперсные карбиды и карбонитриды.

При обеспечении в процессе выплавки и разливки высокого металлургического качества хладостой-кость стали определяется ее структурой, дисперсностью и морфологией структурных составляющих, зависящими как от легирования, так и от технологии прокатки и термической обработки стали. При создании хладостойких сталей важно учитывать не только соотношение структурных составляющих, но и их морфологическое подобие, что способствует формированию смеси структурных элементов с примерно одинаковыми размерными и морфологическими признаками (квазиизотропная структура) по всей толщине листового проката (рис. 2).

В связи с этим одним из эффективных направлений повышения свойств и качества хладостойких свариваемых сталей стало формирование структуры заданной морфологии, измельчение структурных составляющих на субмикроуровне путем применения методов термомеханической обработки при одновременном снижении в стали содержания углерода, вредных примесей, рациональном легировании, использовании элементов, измельчающих зерно, а также модификаторов формы неметаллических включений.

Изучение взаимосвязи между структурой стали и ее свойствами позволило установить, что при необходимости достичь максимальной хладостойкости следует повысить дисперсность конечной структуры вплоть до наноуровня [5]. При этом измельчение структуры достигается на всех стадиях металлургического передела. Наиболее значительное повышение дисперсности структуры

Рис. 2. Структура судостроительной стали повышенной прочности:

о — грубая неоднородная, снижающая характеристики хладостойкости; б — мелкозернистая квазиизотропная, обеспечивающая высокую хладостойкость

СУДОСТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

СУДОСТРОЕНИЕ 3'2013

обеспечивается при пластической деформации в результате повышения плотности дислокаций в аустените, самоорганизации дислокационных структур и формирования в аустените разнориентированныхмикрообластей (фрагментов), наследуемых затем конечной структурой при ускоренном охлаждении.

На основе разработанных принципов в период 2004—2010 гг. впервые для практики российских промышленных предприятий была массово внедрена технология термомеханической обработки, заключающаяся в ц

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком