CN103131951A - 一种铁素体耐热钢 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种铁素体耐热钢,涉及超超临界燃煤火电站锅炉用耐高温、耐腐蚀的耐热合金钢,其化学成分质量百分比为:C≤0.10%,Cr8%-15%,W≤3.0%,Co≤3.0%,Si0.1-0.5%,Mn0.2-0.8%,Mo0.3-0.6%,V0.2-0.3%,Nb0.05-0.10%,N≤0.05%,Ta≤0.08%,余量是Fe和不可避免的杂质。该铁素体耐热钢可承受650℃的高温下使用,不仅具有优异的耐热性能,还具有良好的耐腐蚀性能。

Description

一种铁素体耐热钢
技术领域
本发明设计一种金属结构及功能材料,具体地说,涉及一种超超临界燃煤火电站锅炉用耐高温、耐腐蚀的耐热合金钢。
背景技术
 耐热钢的发展与能源、动力和机械工业的进步密切相关。在火力发电、原子核能、宇航、航空、石油和化学工业等新技术开发领域中,耐热钢性能的优劣是其成功与否的关键性环节,因此耐热钢的重要性日益提高。特别是近年来为解决日益突出的能源短缺及环境污染问题,高效率的超(超)临界压发电在国际上成为热门话题。世界各国火力发电机组参数正由亚临界参数(16.77MPa、540℃)向超临界参数(25.0MP、540℃~566℃;24.0~30.0MPa、580℃~610℃)及以上发展,这样热效率可提高6~7%。改善热效率主要是热动力问题,在535℃的温度区间,压力提高到30MPa后热效率约提高约1.9%,而温度提高到650℃热效率可提高5.7%,压力和温度的同时增长可使热效率提高大于8%。因此,电厂主要是通过提高蒸汽温度来提高热效率。蒸汽压力大于水与蒸汽的临界参数(22.115MPa/374.15℃)的燃煤火电锅炉称为超临界锅炉,而蒸汽的压力介于大于30MPa/600℃的火电锅炉称为超超临界锅炉,配套的汽轮机分别称为超临界汽轮机和超超临界汽轮机。在超临界与超超临界状态,水由液态直接转变成为汽态,热效率高。超超临界机组的发电效率比亚临界机组高出10%,比超临界机组高6%~8%,每度电可节省最高达50g煤,同时还能大幅度降低SO2、NOx和CO2的排放量。通过发展超超临界火电机组从而提高燃煤利用率、降低能源消耗和减少CO2排放量是现代热电厂的主要发展方向。当前只有超超临界技术是最现实、可行、经济、可靠的燃煤火电大规模减排二氧化碳的技术,对于全球减少CO2排放量将有意义。蒸汽温度的提高对发电机组锅炉管用钢的使用性能提出了更高的要求,因此采用各种各样的先进技术和工艺手段,进一步提高耐热钢的蒸汽使用温度,以期提高锅炉管热交换效率的研究势在必行,目前各国都在积极地开展新型耐热钢材的研究与开发。  
    蒸汽温度的提高对锅炉用钢的使用性能提出了更高要求。锅炉管中的耐热钢在高温、高压和蒸汽腐蚀中长期工作,钢材的组织和性能将会发生变化,使金属高温性能明显恶化,从而影响设备运行的安全性。这一切要求锅炉管用耐热钢具有如下优良的性能匹配:①高的抗拉强度和屈服强度,良好的冲击韧性;②优异的高温持久性能、抗蠕变性能,良好的高温组织稳定性;③良好的高温抗氧化和抗蒸汽腐蚀性能;④优良的冷热加工性能、焊接性能及弯曲性能;⑤低热膨胀系数和良好导热性;⑥良好的经济性能。  
    为进一步提高耐热钢的蒸汽使用温度,以期提高锅炉管热交换效率,目前各国都在积极地开展适宜于在高蒸汽参数下使用的新型耐热钢材的研究与开发。美国、欧洲和日本等发达国家纷纷牵头研发认证,一方面建立超(超)临界发电机组的耐热钢体系,另一方面完善现有的耐热钢体系并研制开发更先进的耐热钢。中国专利申请CN200910197633.5公开了一种铁素体耐热钢,其按重量百分比计的化学成分为: C:0.05~0.15%,Si:0.10~0.50%,Mn:0.25~1.0%,Cr:10.0~ 13.0%,Mo:0.10~1.0%,V:0.10~0.50%,Nb:0.01~0.10%,W:0.50~ 3.0%,Co:0.50~3.0%,Cu:0.10~1.0%,B:0.001~0.008%,N:0.04~ 0.12%,稀土元素:0.005~0.2%,余量为Fe和不可避免的杂质。该耐热钢在超过600℃的高温下具有良好的抗氧化性能,良好的时效冲击性能,而且具有极好的高温强度。
    国内外锅炉用钢分铁素体和奥氏体耐热钢两类。铁素体耐热钢是一类广泛应用于超超临界火力发电机组的材料。这类钢具有优良的高温断裂强度和抗热腐蚀能力,填补了低合金钢和奥氏体钢之间的空白,是近年来火电用钢发展的主流,也是相关领域的一个主要研发方向。与奥氏体钢相比,铁素体耐热钢因其优异的综合性能已成为锅炉管用钢的首选钢种。铁素体钢的发展可分为两条主线:一是纵向通过逐渐提高主要耐热元素Cr的含量(从2.25Cr到12Cr);二是横向通过添加V、Nb、Mo、W和Co等。从简单的C-Mn钢开始到9~12%Cr铁素体耐热钢,通过采用合金化和组织控制,相应的高温蠕变强度提高了近10倍,其中9~12%Cr系高铬铁素体耐热钢最高。因此,发达国家已将研发重点转向了9~12%Cr系高铬铁素体耐热钢。  
发明内容
本发明的目的是提供一种铁素体耐热钢,其不仅具有优异的耐热性能,还具有良好的耐腐蚀性能。
本发明是通过如下技术方案来实现的:
一种铁素体耐热钢,其化学成分质量百分比为:C≤0.10%,Cr8%-15%,W≤3.0%,Co≤3.0%,Si0.1-0.5%,Mn0.2-0.8%,Mo0.3-0.6%,V0.2-0.3%,Nb0.05-0.10%,N≤0.05%,Ta≤0.08%,余量是Fe和不可避免的杂质。
所述的铁素体耐热钢还含有B和富镧稀土,其化学成分质量百分比为:B≤0.005%,富镧稀土≤0.1%。
本发明是通过控制铁素体耐热钢的以下化学成分,即C:0.10%或以下,Cr:8-15%,W:3.0%或以下,Co:3.0%或以下,Si:0.1-0.5%,Mn:0.2-0.8%,Mo:0.3-0.6%,V:0.2-0.3%,Nb:0.05-0.10%,N:0.05%或以下,Ta:0.08%或以下,余量是Fe和不可避免的杂质,使其耐热性能达到超超临界电站锅炉的650℃的使用条件。具体各元素的作用及其含量如下:
C≤0.10%:含碳量在0.10%或以下时,可以保证该种钢的组织为铁素体,且可以保证其具有较好的耐蚀能力。
Cr8-15%:Cr的作用主要是提高钢材的耐腐蚀性能及强度,但过高的Cr含量会导致铁素体耐热钢的脆性,不利于其加工性能及可靠性。所以加入量控制在8-15%。
Si0.1-0.5%:Si主要能够起到固溶强化的效果,有利于钢材的常温及高温强度的提高。加入量过高会引起脆性,所以加入量应在0.1-0.5%范围内。
Mn0.2-0.8%:Mn也主要能够起到固溶强化的效果,有利于钢材的常温及高温强度的提高。加入量过高会引起脆性,所以加入量应在0.2-0.8%范围内。
Mo0.3-0.6%:添加Mo,形成M23C6碳化物,稳定晶界,提高高温强度。且可以细化钢材的晶粒,提高钢材的综合力学性能。Mo过多,会由于析出而降低材料的韧性和加工性能,所以加入量应在0.3-0.6%范围内。
V0.2-0.3%,Nb0.05-0.10%:添加Nb、V,形成M23C6碳化物和Nb、V的碳氮化物,稳定晶界,提高高温强度。加入Nb、V还使得钢材的焊接性能优良。Nb、V加入量过多,会使材料变脆,加工性能恶化,所以加入量应在V:0.2-0.3%,Nb:0.05-0.10%的范围内。
N≤0.05%:N能和Nb、V、W形成碳氮化物,稳定晶界,提高高温强度。且有利于钢材焊接性能的提高。加入量超过0.05%,会导致铁素体的脆性严重,所以加入量应在0.05%或以下。
W≤3.0%:W是该铁素体耐热钢的重要合金元素。加入W的同时将Mo含量降至 0.3%~0.6%,可以避免或减少σ相的生成,从而形成了以W为主的W-Mo复合固溶强化。在提高使用温度的同时,维持了钢的良好综合性能。在钢中单独加入W或Mo,在保持相同的Mo当量 [w(Mo) + 1/2 w(W)] 情况下,只加W的钢抗蠕变性能更好。这是因为两种元素在基体中的分布方式存在差异,Mo更加倾向于以团簇方式聚集。随着蠕变的进行,基体中固溶的Mo和W都会降低,但钼因为团聚而降低了材料的蠕变激活能起到很好的稳定晶界的作用。因此,可以用W作为主要的固溶强化元素,用少量的Mo作为晶界稳定元素,从而综合发挥各元素的强化作用。
应当注意的是,W除具有固溶强化作用外,还可通过析出强化的方式影响高温蠕变性能。W可参与形成M23C6型碳化物,从而提高组织的稳定性并降低其长大速度。W还能改变Nb、V型化合物中铌的比例,从而增大Nb、V型化合物的晶格常数,提高错配度,增大其对位错的钉扎作用。含W、Mo的钢在长时间地蠕变过程中会形成 ( Fe,Cr ) (W,Mo) 两种类型的Laves 相,该相的会析出在M23C6型碳化物周围,而且同样是位于晶界和亚晶界上,可增加蠕变强度,改善材料的蠕变性能。W加入过多,会导致材料的脆性,所以加入量应在3.0%或以下。
Co≤3.0%:Co也是该铁素体耐热钢的重要合金元素。Co能够抑制高铬铁素体钢在高温淬火下δ-铁素体的生成,这对目前高钨铁素体耐热钢很重要。随着W部分取代Mo钼进行强化,高温淬火下δ-铁素体的形成也越来越不可避免。而δ-铁素体的形成将减少板条马氏体的数量,降低组织内部位错密度;而且一部分MX型碳化物也会在δ-铁素体内部析出,从而减少了板条内部 MX型碳化物的数量,弱化了MX型碳化物的沉淀强化作用,最终降低其长期蠕变性能。所以加入Co来抑制δ-铁素体的生成至关重要。
此外Co的强化作用是通过降低钢中溶质的扩散能力实现的。钢的铁磁顺磁转变对其本身的扩散性能有很大影响,钢在居里温度下的扩散激活能是顺磁状态下的两倍。而钴元素是已知唯一一种能提高钢的居里温度的元素,高的居里温度有利于钢保持其自身的铁磁性,从而保持高的扩散能垒。Co加入过多,也会导致材料的脆性,所以加入量应在3.0%或以下。
Ta≤0.08%:进一步添加Ta元素,形成更加稳定的氮化物增强相并细化晶粒,Ta加入过多,会导致析出,恶化力学性能,所以加入量应在0.08%或以下。
B≤0.005%:B的加入,尤其能够形成固溶强化和细化晶粒的的效果。加入量过多,会析出导致晶界强度下降,所以所以加入量应在0.005%或以下。
富镧稀土≤0.1%:富镧稀土的加入,可参与形成M23C6型碳化物,在晶界上形成强化相,从而提高组织的稳定性并降低晶粒的长大速度。加入量应在0.1%或以下。
本发明一种铁素体耐热钢具有良好的强韧性、抗氧化性和抗腐蚀性,有较高的持久强度,足够好的焊接性以及低的膨胀性能,能很好地满足现代燃煤火电厂锅炉主体部件如转子、蒸汽管道、过热器和再热器等关键材料的要求,是超超临界燃煤火电站的关键金属材料。本发明可在650℃的高温下使用,超过了现有的铁素体耐热钢材料,且具有高温持久强度、耐高温腐蚀性能;化学成分上特别加入了B和富镧稀土,使得钢的耐热性能大为提高。
具体实施方式
实施例一:
一种铁素体耐热钢,其化学成分质量百分比为:C:0.08%,Cr:13%,W:3.0%,Co:3.0%,Si:0.4%,Mo:0.5%,Mn:0.2%,V:0.3%,Nb:0.04%,N:0.04%,Ta:0.06%,B:0.003%,富镧稀土:0.05%。将上述成分的合金钢水浇铸成为钢板坯后,进行热轧和酸洗。进一步进行冷轧、退火和酸洗。
实施例二:
一种铁素体耐热钢,其化学成分质量百分比为:C:0.10%,Cr:11%,W:2.0%,Co:3.0%,Si:0.4%,Mo:0.6%,Mn:0.4%,V:0.2%,Nb:0.05%,N:0.05%,Ta:0.05%,B:0.003%,富镧稀土:0.10%。将上述成分的合金钢水浇铸成为钢板坯后,进行热轧、退火和酸洗。进一步进行冷轧、退火和酸洗。
实施例三:
一种铁素体耐热钢,其化学成分质量百分比为:C:0.10%,Cr:9%,W:2.0%,Co:2.5%,Si:0.5%,Mo:0.3%,Mn:0.8%,V:0.2%,Nb:0.08%,N:0.05%,Ta:0.05%,B:0.003%,富镧稀土:0.08%。将上述成分的合金钢水浇铸成为钢板坯后,进行热轧、退火和酸洗。进一步进行冷轧、退火和酸洗。
实施例四:
一种铁素体耐热钢,其化学成分质量百分比为:C:0.10%,Cr:9%,W:1.5%,Co:3.0%,Si:0.2%,Mo:0.4%,Mn:0.5%,V:0.3%,Nb:0.10%,N:0.05%,Ta:0.08%,B:0.001%,富镧稀土:0.08%。将上述成分的合金钢水浇铸成为钢板坯后,进行热轧、退火和酸洗。进一步进行冷轧、退火和酸洗。
实施例只是为了便于理解本发明的技术方案,并不构成对本发明保护范围的限制,凡是未脱离本发明技术方案的内容或依据本发明的技术实质对以上方案所作的任何简单修改、等同变化与修饰,均仍属于本发明保护范围之内。

Claims (2)

1.一种铁素体耐热钢,其化学成分质量百分比为:C≤0.10%,Cr8%-15%,W≤3.0%,Co≤3.0%,Si0.1-0.5%,Mn0.2-0.8%,Mo0.3-0.6%,V0.2-0.3%,Nb0.05-0.10%,N≤0.05%,Ta≤0.08%,余量是Fe和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的一种铁素体耐热钢,其特征在于:所述的铁素体耐热钢还含有B和富镧稀土,其化学成分质量百分比为:B≤0.005%,富镧稀土≤0.1%。
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