1 и А3 на диаграмме, происходит перекристаллизация стали (при нагреве и контролируемом медленном охлаждении).
При перекристаллизации образуются новая зернистая структура стали. Механизм образования зерен по данным [16,с.118] состоит в появлении центров кристаллизации и их роста диффузионным путем. На число центров кристаллизации влияют:
– отношение температур нагрева/охлаждения стали и полиморфного превращения,
– наличие примесей, влияющих на образование центров кристаллизации,
– пластические деформации стали, в результате которых металл течет,
– рекристаллизация.
Раствором внедрения углерода в объемно-центрированной кубической решетки α- и δ-железа является α- и δ-феррит.
Раствором внедрения углерода в гранецентрированной решетке γ-железе является аустенит.
Стали для арктических нефтяных аппаратов
В условиях холода снижается срок службы металлоконструкций.
Применение стали с достаточным уровнем ударной вязкости не является основанием для отсутствия хрупкого разрушения конструкции [7,с.17]. Трещины начинаются от первичных дефектов в виде непроваров, подрезов, шлаковых включений и др. От точки дефекта начинается процесс хрупкого разрушения, состоящий в искажении кристаллической решетки металла и отрыва по плоскости, перпендикулярной действующим кольцевым усилиям в корпусе. При вязком разрушении происходит сдвиг плоскостей от касательных напряжений. Для стали хрупкое и вязкое разрушение происходят одновременно. Более подробно можно ознакомиться в работах Беляева [8], Ильюшина [9], Работнова [10]. Хрупкое разрушение состоит из образования трещины, роста до критического значения и переход трещины через соседние зерна по листу.
При низких температурах для деформация, соответствующей нормальной температуре, необходимы высокие напряжения так как пластическая деформация активируется термически. При низкой температуре предел текучести повышается, в результате чего надежность снижается.
В работе [11] указано, что структура аустенита для низких температур обеспечивает наилучшее сочетание прочности и пластичности. Малая чувствительность предела текучести к температуре обеспечивают надежность в эксплуатации.
__
В работе [11,с.296] указано о разработке стали марки 09Г2С-А-А для условий холода. Для сопротивления хрупкому разрушению необходима мелкозернистая структура феррита с выделением перлита в небольшом количестве. В стали 09Г2СА ударная вязкость повышена введением небольших количеств алюминия, уменьшением содержания углерода, марганца и кремния.
Рекомендуется при проектировании аппаратов для холодного климата применять сталь 09Г2С-А-А, являющуюся развитием стали 09Г2С для Севера и Арктического холодного климата.
Листовая сталь
Требование сваривать корпуса аппаратов только стыковыми сварными швами можно объяснить наличием расслоения по толщине и необходимостью проплавления всей толщины листа для задействования всех слоев в восприятие нагрузки.
Листы имеют зернистую структуру. Для зернистой структуры прочность ниже по сравнению с монокристаллической структурой. Для зернистой структуры протекает межкристаллитная коррозия, для совершенного кристалла монокристаллической структуры межкристаллитная коррозия будет отсутствовать.
Таким образом в будущем необходимо разработать соответствующие технологии и перейти на изготовление аппаратов из стали монокристаллической структуры.
Схема процесса получения листовой заготовки [11,с.18]:
Металл из расплава подается на валки с образованием клиновидной ванны расплава (расплав перегрет на несколько градусов). Затем расплав замораживается на их поверхностях упруго прижатых валков и происходит кристаллизация металла. Условия кристаллизации должны обеспечить заданную прочность листа на выходе и соответствие физико-химическим параметрам. Затвердевшие слои металла на двух валках вступают во взаимное соприкосновение и свариваются давлением в один сплошной лист. Здесь необходимо получать лист высокой сплошности [11]. Толщина листа определяется зазором между валками, который в свою очередь зависит от скорости вращения валков и времени контакта расплава (жидкого металла) с валками.
Схема затвердевания металла расплава с образованием листа [11]:
Теплообменные процессы протекают в верхней зоне и нижней, в которой происходит кристаллизация жидкого металла.
Требование по сплошности отличает котельный лист от общепромышленного листа, так как структура котельного листа по сплошности больше применима к изготовлению корпусов нефтяных и химических аппаратов. Общепромышленный лист может использоваться для оболочек, не работающих под давлением. Вместе с тем во избежание путаницы и пересортировки на складе, рекомендуется покупать листы только по котельному стандарту.
Обеспечить таким способом получение монокристаллической структуры по-видимому нельзя, поэтому для этой цели необходимо использовать специальное инженерное оформление процесса, уже применявшееся для изготовления обечайки диаметром 2 м.
Кристаллическое строение листового металла
На валках металл кристаллизуется в кристаллы грубой формы и различного направления.
Процесс затвердевания жидкого металла происходит на границах кристаллов направленных в центр ванны расплава. При этом наружная граница кристаллизации находился по границе контакте замораживания жидкого металла на валках. Расстояние между границами зависит от перепада температур в сечении ванны расплава.
В ванне расплава при охлаждении образуются центры кристаллизации около поверхности валка. Растут кристаллы столбчатой формы. Направление роста кристаллов совпадает с градиентом температуры, то есть происходит в направлении отвода тепла. Кристаллы с такой ориентированностью растут к середине ванны расплава, блокируя при этом кристаллы, растущие в другом направлении. Рост кристаллов происходит равномерно с одинаковой скоростью, то есть одной волной. С увеличением толщины твердого металла, уменьшается температурный градиент, и область кристаллизации расширяется. С этого момента рост столбчатых кристаллов может уменьшиться и возникнет рост кристаллов в произвольных направлениях. В результате этого формируется зона с неориентированными кристаллами по сечению листа.
Сплошность может нарушаться трещинами, порами от усадки, рыхлости, а также за счет неравномерного распределения по сечению добавленных легирующих компонентов и примесей в кристаллах (дендридная ликвация).
Разнотолщинность листов в партии связана с систематическими и случайными ошибками. Систематические ошибки определяют изменение толщины листа по длине и ширине происходящее по закономерности. Систематическая разнотолщинность связна с изменением теплоотвода в процессе кристаллизации листа из ванны. Температурные расширения валков могут изменяться по длине за счет этого и вызывать закономерную ошибку по толщине листа. Случайные ошибки влияют на изменение толщины листа во всех его точках в зависимости от износа валков-кристаллизаторов и попаданием закристаллизовавшихся в расплаве сгустков кристаллов на валки вместе с жидким металлом расплава. При расчете аппаратов на прочность по нормам учитывается минусовой допуск и прибавки на коррозию в процессе эксплуатации, а также различные технологические прибавки.
Прокаткой листов повышают механические свойства и корректируют разнотолщинность. После прокатки выполняют термическую обработку листа.
Листы делятся на холоднокатаные и горячекатаные.
При холодной прокатке листа устраняются волнистость, коробление, местные разрывы в структуре металла. С ростом деформации разнотолщинность снижается. Убирается случайные разнотолщинности.
Горячая прокатка используется с влиянием нагрева на устранение разнотолщинности листа. Происходит горячее деформирование листа. По сравнению с холодной прокаткой способ технологически сложен.
Зерна металла листа при высокой скорости охлаждения являются мелкими. Но, как написано выше, у поверхностей листа кристаллы имеют одинаковое направление, в результате чего снижаются пластические свойства листа. Неоднородность по химическому составу сечения листа вызывает различную твердость по зонам.
Для устранения этих эффектов используют термическую обработку листа. Листы выдерживают при температуре солидуса в течении длительного времени. Выдержку проводят в защитной атмосфере во избежание порчи поверхности окислением и другими процессами.
Монокристаллическая структура стали
Рассмотрим образование зародыша без дефектов. Форма растущего монокристалла (при совершенной кристаллической решетке) определяется из условия равновесия между кристаллом и расплавом [12,с.146]. По Гиббсу свободная энергия этого объема должна быть минимальной.
Уманский приводит рисунок зависимости формы кристалла от скоростей роста граней [12,с.147]:
Для объемно-центрированной решетки и гранецентрированной решетки расстояние между атомными плоскостями уменьшаются вдвое при определенных ориентациях плоскостей.
Уманский отмечает, что [12,с.148] на поверхности растущего кристалла можно представить надстроенный атомный слой, как показано на рисунке:
На надстроенную ступеньку атомы (в позициях 1-7 показаны на рисунке) могут присоединяться или покидать ее в различных местах. На ступеньке появляются изломы (5, 6) и атома 4, присоединенного к ступеньке. Атомы 1-3 являются адсорбированными на поверхность ступеньки. Вакансии обозначены позицией 7. Позиции 1-7 неравноценны энергетически. Выгодное присоединение атомов происходит в позициях, где образуются наиболее сильные связи.
Уманский приводит рисунок присоединения атома к плоскости [12,с.148]:
Ступенька расширяется до края кристалла и переходит в совершенную кристаллическую поверхность. Последующий рост кристалла осуществляется за счет расширения новых ступенек из двухмерных зародышей. Искажение формы монокристалла (приводящая к дендритной кристаллизации) происходит из-за искажения формы растущего кристалла под влиянием примесей, выделяющегося тепла, силы тяжести [12,с.150].