CN103074550B

CN103074550B - 用做耐620℃高温的汽轮机转子钢材料

Info

Publication number: CN103074550B
Application number: CN201310048352.XA
Authority: CN
Inventors: 梅林波; 沈红卫; 贾国庆; 刘霞; 吴令萍
Original assignee: Shanghai Electric Power Generation Equipment Co Ltd
Current assignee: Shanghai Electric Power Generation Equipment Co Ltd
Priority date: 2013-02-06
Filing date: 2013-02-06
Publication date: 2015-03-25
Anticipated expiration: 2033-02-06
Also published as: CN103074550A

Abstract

本发明的目的在于提供一种用做耐620℃高温的汽轮机转子钢材料，其所含的化学元素和质量百分含量为：C0.10％~0.18％，Mn0.20％~0.90％，Cr9.00％~10.00％，Mo1.20％~1.80％，Ni0.10％~0.50％，Co0.70％~1.50％，V0.10％~0.50％，N0.010％~0.050％，Nb0.02％～0.08％，B0.006％～0.015％；余量为铁和杂质。用该汽轮机转子钢材料制成的转子锻件，620℃/10万小时条件下持久强度极限达到100MPa以上，比传统转子材料高25MPa左右，符合设计需要，可以满足620℃长期工作的需要。

Description

用做耐620℃高温的汽轮机转子钢材料

技术领域

本发明涉及金属材料领域，特别设计一种用做耐620℃高温的汽轮机转子钢材料。

背景技术

随着国民经济的快速增长，对电力的需求量也越来越大，发电量增长所带来的一次能源消耗问题也越来越受到人们的关注。转子作为汽轮机组的核心部件，其寿命与可靠性一直是人们关注的重要课题，为了满足工程实际的要求，高温部件的材料选择及设计的研究有待继续进行。现阶段，汽轮机单机容量越来越大，性能越来越好，主要技术手段之一是提高蒸汽的压力和温度，亚临界、超临界汽轮机的蒸汽参数分别从温度538℃、压力17MPa提高到温度600℃、压力24-28MPa，随着汽轮机工作环境中蒸汽温度和压力的提高，对汽轮机转子材料的性能的要求也越来越高。

在现有的转子材料中，目前国内列入JB/T标准中满足屈服强度等级为650MPa以上的汽轮机高温转子材料，可供选用的有12Cr10NiMoWVNbN等。根据行业标准，作为620℃使用的汽轮机转子材料的钢种在620℃/10万小时条件下持久强度极限应该在大于等于100MPa。12Cr10NiMoWVNbN钢种虽有良好的屈服强度和塑性，但最高工作温度不能超过600℃，作为长时高温性能指标的持久强度极限，在620℃/10万小时条件下只有75MPa左右，已不能满足工作温度为620℃的汽轮机转子的设计要求。耐热材料的持久强度是指给定的温度下和规定的时间内断裂时的强度，持久强度试验不仅反映材料在高温长期应力作用下的断裂应力，而且还表明断裂时的塑性。在同样温度下，10万小时的持久强度极限越高，表明材料的长时高温性能越好。一般会对材料做一些应力较高而时间较短的试验，然后根据这些试验数据利用外推法，得出更长时间的持久强度值。

为了保证汽轮机安全运行，汽轮机转子应具备良好的长时高温性能。由于12Cr10NiMoWVNbN等钢的高温性能不能满足工作温度为620℃的汽轮机转子的设计要求，因此它的使用范围受到限制。

发明内容

鉴于以上现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种含钴和硼的用做耐620℃高温的汽轮机转子钢材料，用于提高现有技术中汽轮机高温转子钢材料的长时高温性能。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种用做耐620℃高温的汽轮机转子钢材料，所述的汽轮机高温转子材料为13Cr9Mo2Co1NiVNbNB，所含的化学元素和质量百分含量为：

C 0.10％～0.18％，

Mn 0.20％～0.90％，

Cr 9.00％～10.00％，

Mo 1.20％～1.80％，

Ni 0.10％～0.50％，

Co 0.70％～1.50％，

V 0.10％～0.50％，

N 0.010％～0.050％，

Nb 0.02％～0.08％，

B 0.006％～0.015％，

杂质的含量≤0.18％，

余量为铁。

优选地，以汽轮机转子钢材料的总质量为基准计，所述的杂质包括的主要成分及对应的质量百分数为：

Si ≤0.15％，

P ≤0.015％，

S ≤0.015％。

优选地，以汽轮机转子钢材料的总质量为基准计，所述的汽轮机转子钢材料所含的各元素的质量百分含量为：

C 0.10％～0.16％，

Mn 0.25％～0.90％，

Cr 9.00％～9.80％，

Mo 1.30％～1.70％，

Ni 0.10％～0.45％，

Co 0.80％～1.40％，

V 0.15％～0.45％，

N 0.015％～0.050％，

Nb 0.03％～0.07％，

B 0.006％～0.013％，

杂质元素的含量为：

Si ≤0.15％，

P ≤0.015％，

S ≤0.010％。

余量为铁。

表1为本发明汽轮机转子材料与现有钢材料12Cr10NiMoWVNbN的化学成分对比表。

由表1可以看出，本发明与现有的高温转子材料12Cr10NiMoWVNbN等钢相比，本发明转子材料的成分特点是不含W元素，降低了Cr、Ni和N元素的含量，提高了Mo元素含量，同时添加了合金元素Co和B。

用本发明的汽轮机高温转子钢材料制备成转子锻件的制备方法，所述的制备方法包括以下步骤：

1）碱性电炉冶炼：按配比称取中间合金在碱性电炉冶炼成合金溶液；

2）钢包精炼：步骤1）中的合金溶液继续经钢包精炼，并进一步的调节化学元素的含量，使其重量比符合设计要求，经钢包精炼过程后合金溶液浇注成电极棒；

3）电渣重熔：步骤（2）中经钢包精炼的电极棒再通过电渣重熔处理；

4）凝固：均匀后的合金溶液冷却凝固，形成钢锭；

5）锻造：将钢锭锻造成汽轮机转子型坯，使其形状和尺寸符合工艺设计要求，并消除内部缺陷；

6）热处理：对汽轮机转子型坯进行热处理并经测试检验使其性能符合设计要求，最终形成转子锻件。

步骤2）中的钢包精炼过程是用现有技术中的钢包精炼炉对合金溶液进行精炼。

步骤3）中的电渣重熔为现有技术，主要原理是利用电流通过熔渣时产生的电阻热作为热源进行熔炼的方法，通过电渣重熔可以调节合金溶液的均匀性和纯净度。

步骤6）中热处理的工艺及温度参数具体为：先将转子锻件均匀加热至1050℃～1150℃，充分保温后进行油冷、水冷或风冷；在得到良好的相变组织以后，锻件应在适当温度下回火两次，第一次回火温度为550℃～680℃，第二次回火温度应不低于680℃。

表1汽轮机转子钢材料13Cr9Mo2Co1NiVNbNB的化学成分

	13Cr9Mo2Co1NiVNbNB	12Cr10NiMoWVNbN
			C	0.10～0.18	0.11～0.13
Si	≤0.15	≤0.12
			Mn	0.20～0.90	0.40～0.50
P	≤0.015	≤0.012
			S	≤0.015	≤0.008
Cr	9.00～10.00	10.20～10.60
			Mo	1.20～1.80	1.00～1.10
Ni	0.10～0.50	0.70～0.80
			W	-	0.95～1.05
Co	0.70～1.50	-
			V	0.10～0.50	0.15～0.25
N	0.010～0.050	0.045～0.060
			Nb	0.02～0.08	0.04～0.07
B	0.006～0.015	-

本发明中，对转子锻件三个不同部位取样，按照GB/T2039标准进行了持久试验，然后按照GB/T2039标准中规定的外推方法推导出620℃/10万小时条件下的持久强度极限R_u100000/620。

经测试，本发明的高温转子材料具有与现有转子材料相同的屈服强度和塑性，具体见表2，符合设计要求，但长时高温性能得到显著改善，用13Cr9Mo2Co1NiVNbNB制成的转子锻件，620℃/10万小时条件下持久强度极限达到100MPa以上，比传统转子材料高25MPa左右，符合设计需要，可以满足620℃长期工作的需要。

表213Cr9Mo2Co1NiVNbNB的屈服强度和塑性

附图说明

图1为实施例1中汽轮机转子锻件的取样部位图。

图中T1、T2和T3部位为外圆切向取样。

具体实施方式

实施例1

采用本发明所述的钢材料13Cr9Mo2Co1NiVNbNB制造了一根转子锻件，根据理论计算将一定量的合金作为炉料加入碱性电炉冶炼，钢包精炼，电渣重熔，凝固后形成一根重量为100吨的钢锭；将钢锭锻制成转子锻件，锻件粗加工后的重量为40吨，最大直径为1.3米，长度为6.2米；经热处理后测试得到的各项指标完全满足研制开发要求。

表3中列出了所制备的汽轮机转子的化学成分分析结果。

表3转子的化学成分

	13Cr9Mo2Co1NiVNbNB	（实施例1）	（实施例2）	（实施例3）
					C	0.10～0.18	0.13	0.16	0.10
Si	≤0.15	0.08	0.08	0.10
					Mn	0.20～0.90	0.80	0.25	0.90
P	≤0.015	0.005	0.010	0.010
					S	≤0.015	0.001	0.005	0.005
Cr	9.00～10.00	9.25	9.80	9.00
					Mo	1.20～1.80	1.50	1.70	1.30
Ni	0.10～0.50	0.15	0.45	0.10
					Co	0.70～1.50	1.10	0.80	1.40
V	0.10～0.50	0.20	0.45	0.15
					N	0.010～0.050	0.020	0.015	0.050
Nb	0.02～0.08	0.045	0.030	0.070
					B	0.006～0.015	0.010	0.013	0.006

表4实施例1汽轮机转子锻件成品分析结果

	C	Si	Mn	P	S	Cr	Mo	Ni	Co	V	N	Nb	B
														T1	0.13	0.08	0.81	0.005	0.001	9.27	1.50	0.15	1.10	0.21	0.022	0.045	0.010
T2	0.13	0.08	0.81	0.005	0.001	9.25	1.48	0.15	1.11	0.20	0.022	0.045	0.011
														T3	0.13	0.08	0.81	0.005	0.001	9.25	1.49	0.15	1.10	0.21	0.022	0.045	0.011

表5实施例1汽轮机转子锻件的力学性能

为考查转子锻件化学成分的均匀性，从实施例1转子锻件的T1、T2和T3三个部位取样进行了成品分析，参见图1，表3、表4。由表4所列数据可以看出，转子锻件的化学成分相当均匀。

表5给出了实施例1转子锻件经性能热处理后不同部位的力学性能。为进行对照，表5中最下面一行列出了传统转子材料12Cr10NiMoWVNbN的力学性能指标（按JB/T11019）。由表5中数据可见，转子材料13Cr9Mo2Co1NiVNbNB的强度（屈服强度R_P0.2及抗拉强度Rm）和塑性（延伸率A及断面收缩率Z）满足传统转子材料12Cr10NiMoWVNbN的指标要求，而长时高温性能（620℃/10万小时条件下持久强度极限R_u100000/620）则明显优于后者。用13Cr9Mo2Co1NiVNbNB制成的转子锻件，持久强度极限R_{u100 000/620}达到100MPa以上，比传统转子材料高25MPa左右，可以满足620℃长期工作的需要。

汽轮机转子钢材料13Cr9Mo2Co1NiVNbNB的屈服强度和塑性，和12Cr10NiMoWVNbN钢有相同的指标。

在某新型号汽轮机转子设计中，为保证技术指标的先进性，要求转子材料在620℃高温下长期安全运行。若选用传统转子材料12Cr10NiMoWVNbN，由于620℃下的持久强度极限偏低，显然不能满足设计要求。采用本发明的含钴和硼的高温转子材料后，由于其620℃长时持久强度极限较高，完全能满足设计要求。

实施例2

表3中列出了实施例2所制备的汽轮机转子的化学成分分析结果。

实施例3

表3中列出了实施例3所制备的汽轮机转子的化学成分分析结果。

Claims

1.一种用做耐620℃高温的汽轮机转子钢材料，其特征在于，所述的汽轮机转子钢材料所含的化学元素和质量百分含量为：

余量为铁；以汽轮机转子钢材料的总质量为基准计，所述的杂质包括的主要成分及对应的质量百分数为：

Si ≤0.15％

P ≤0.015％

S ≤0.015％；

所述汽轮机转子钢材料由包括如下步骤的方法制备获得：

(1)碱性电炉冶炼：按配比称取中间合金放入碱性电炉冶炼成合金溶液；

(2)钢包精炼：步骤(1)中的合金溶液继续经钢包精炼，并进一步的调节化学元素的含量，使其重量比符合设计要求，钢包精炼后浇注成电极棒；

(3)电渣重熔：步骤(2)中经钢包精炼的电极棒再通过电渣重熔处理；

(4)凝固：电渣重熔后的合金溶液冷却凝固，形成钢锭；

(5)锻造：将钢锭锻造成汽轮机转子型坯；

热处理：对汽轮机转子型坯进行热处理。

2.如权利要求1所述的汽轮机转子钢材料，其特征在于，以汽轮机转子钢材料的总质量为基准计，所述的汽轮机转子钢材料所含的各元素的质量百分含量为：

杂质元素的含量为：

Si ≤0.15％，

P ≤0.015％，

S ≤0.010％；

余量为铁。

3.根据权利要求1-2任一所述的汽轮机转子钢材料制备成转子锻件的制备方法，所述的制备方法包括以下步骤：

(4)凝固：电渣重熔后的合金溶液冷却凝固，形成钢锭；

(5)锻造：将钢锭锻造成汽轮机转子型坯；

(6)热处理：对汽轮机转子型坯进行热处理。

4.根据权利要求1-2任一所述的汽轮机转子钢材料在汽轮机转子锻件领域的应用。