CN103334056A

CN103334056A - 一种用于火力发电锅炉管的高Cr铁素体耐热钢及应用

Info

Publication number: CN103334056A
Application number: CN2013100971006A
Authority: CN
Inventors: 宁保群; 包俊成; 赵捷; 刘家泳
Original assignee: Tianjin University of Technology
Current assignee: Tianjin University of Technology
Priority date: 2013-03-25
Filing date: 2013-03-25
Publication date: 2013-10-02

Abstract

一种用于火力发电锅炉管的高Cr铁素体耐热钢，通过在传统高铬铁素体耐热钢基础中加入铌、钒、钴、钨、硼等元素制备，步骤是：高炉铁水冶炼、铁水预处理脱硫、中频感应炉中熔炼脱碳、升温及钢水脱氧后，加入合金元素合金化，最后吹氩精炼制得；该高Cr铁素体耐热钢可用于轧制火力发电锅炉的无缝钢管。本发明的优点是：该高Cr铁素体耐热钢具有较高的蠕变强度、良好的塑韧性、低的热膨胀系数、良好的导热性和较高的热效率，特别是具有优良的高温持久强度。检测结果表明：在600℃、650℃、700℃高温下静强度可分别达到450MPa、360MPa、300MPa。在650℃、120MPa下持久强度平均为4380小时。

Description

一种用于火力发电锅炉管的高Cr铁素体耐热钢及应用

技术领域

本发明属于铁素体耐热钢生产技术，特别是一种用于火力发电锅炉管的高铬铁素体耐热钢及应用。

背景技术

铁素体耐热钢锅炉管是指火力发电锅炉领域因具有良好的导热性、低的热膨胀系数、较低的生产成本及优良的焊接性等性能特点使其更适合用于火电站锅炉耐热管道上。

能源、环境与发展是21世纪人类所面临的三大主题，成为人们关注的焦点。世界能源短缺及环境污染问题已经在大多数国家甚至全球范围内出现。其中火力发电多以煤为燃料，煤属不可再生资源，而且燃烧后排放大量的有害气体，对环境造成了污染和破坏，严重影响附近地区的生态环境。所以火力发电行业面临的主要问题是节能降耗，减少污染。

火电机组蒸汽参数的提高可显著提高电厂效率，发展高效清洁的发电装备已成为各国发电行业发展的必然趋势。提高蒸汽参数需要使用性能更可靠的耐热钢，耐热材料的改进和提高是发展超（超）临界火电发电装备的基础。耐热钢在高温下表现出不同于常温的复杂行为，由于耐热钢工作环境的特点，在耐热钢的应用中应特别重视其可靠性和安全性，如电站锅炉管中的耐热钢在高温、高压和蒸汽腐蚀中长期工作，管壁温度比蒸汽温度高50℃左右，在这样的环境下长期运行，钢材的组织和性能将会发生变化。这些变化可能使金属高温性能明显恶化，从而影响设备运行的安全性。只有获得具有足够持久蠕变强度能承受高温高压的材料，才能达到理论上的效率增长。多年来，人们一直致力于新型耐热合金钢材的研究开发。

目前火力发电锅炉管用耐热钢主要有铁素体耐热钢和奥氏体耐热钢两大类型。奥氏体耐热钢虽然具有良好的高温强度和耐腐蚀性能但其存在价格高、导热性差、热膨胀系数大等缺点，所以目前锅炉管用钢都趋于采用铁素体耐热钢。相比奥氏体耐热钢，铁素体耐热钢因具有良好的导热性、低的热膨胀系数、较低的生产成本及优良的焊接性等性能特点使其更适合用于火电站锅炉耐热管道上。其中9-12%Cr耐热钢是铁素体耐热钢中蠕变强度最高的钢系。T91是9-12%Cr系铁素体耐热钢中最为成熟的钢种，该钢是20世纪80年代美国橡树岭国家实验室成功开发的。其在T9（9Cr-1Mo）钢的基础上，额外添加了微量的N以及强碳氮化合物形成元素V和Nb，用弥散分布的MX型V/Nb碳氮化物的析出作为主要强化效果，使其抗蠕变性能与T9钢相比得到飞跃式提高。其具有高的蠕变强度、良好的塑韧性、低的热膨胀系数和良好的导热性，已在多个国家火电厂锅炉机组过热器、再过热器上使用，其使用温度通常低于600℃。为了进一步提高热效率，减少CO₂排放量，适应环境保护和节约能源的要求，需进一步提高蒸汽温度，达到超超临界压发电是火力发电的发展趋势。所以为了提高电厂热效率，就要进一步提高铁素体耐热钢使用温度和许用应力，这也是高Cr铁素体耐热钢发展的必然趋势。

发明内容

本发明的目的是针对上述存在问题，提供一种用于火力发电锅炉管的高铬铁素体耐热钢及应用，该材料根据高Cr铁素体耐热钢独特的组织特点、通过Nb（铌）、V（钒）、Co（钴）、B（硼）元素复合添加和高效的多元素协调作用及其强化机制赋予其优良的综合性能，适用于超超临界压火力发电设备锅炉管的铁素体耐热钢；该材料可用于轧制火力发电锅炉的无缝钢管。

本发明的技术方案：

一种用于火力发电锅炉管的高Cr铁素体耐热钢，由碳（C）、铌（Nb）、钒（V）、钴（Co）、钨（W）、硼（B）、锰（Mn）、铬（Cr）、钼（Mo）、硅（Si）、钛（Ti）、铝（Al）、氮（N）、硫（S）、磷（P）和铁（Fe）组成，各组分重量百分比含量为：碳（C）0.05-0.07％、铌（Nb）0.07-0.09％、钒（V）0.20-0.25％、钴（Co）0.90-1.60％、钨（W）1.50-2.00％、硼（B）0.004-0.005％、锰（Mn）0.30-0.60％、铬（Cr）9.50-10.50％、钼（Mo）0.30-0.60％、硅（Si）＜0.50％、钛（Ti）＜0.005％、铝（Al）＜0.140％、氮（N）＜0.001％、硫（S）＜0.025％、磷（P）＜0.020％,余量为铁（Fe）。

所述用于火力发电锅炉管的高铬铁素体耐热钢的制备方法是：高炉铁水冶炼、铁水预处理脱硫、中频感应炉中熔炼脱碳、升温及钢水脱氧，然后加入合金元素进行合金化，最后吹氩精炼制得高铬铁素体耐热钢。

一种所述用于火力发电锅炉管的高Cr铁素体耐热钢的应用，用于轧制火力发电锅炉的无缝钢管，成型工艺为：将高铬铁素体耐热钢进行管坯连铸，管坯均热于1200℃后进行轧制，于1030±20℃开轧，总变形量控制在30±10%，930℃终轧；控制冷却，于930±20℃开冷，冷却速度控制在5～15℃/s，830±20℃终冷；然后于930℃进行管坯穿孔，轧制成直径85mm的管材；最后进行低温退火热处理，精整后制得无缝钢管成品。

本发明的机理分析：

1）新型高Cr铁素体耐热钢合金成分确定：碳主要有固溶强化和碳化物析出强化的作用；Cr能有效提高抗氧化和抗腐蚀性能、淬透性和再结晶温度，但Cr的增加会带来抑制MX型Nb/V碳氮化物析出、促进δ-铁素体形成的不利影响。从W、Mo等元素的固溶强化和Nb、V等碳氮化物的析出强化两个方面来提高新型铁素体耐热钢的高温强度。另外，加入Co的作用为：在固溶强化作用的同时，可与W共同作用来进一步显著提高钢的高温强度；促进沉淀相的析出，提高沉淀相的数量和密度；降低C含量，使耐热钢在改善焊接性能的同时仍具有较高的持久强度。最后，通过加入表面活性元素B等影响晶界沉淀相的形态和分布，并净化晶界来提高合金的热塑性和加工性能。

2）控轧控冷工艺下高稳定性碳氮化物的析出控制：控轧控冷工艺是实现高稳定性碳氮化合物析出控制的有效手段，为新型高Cr铁素体耐热钢的成功开发提供了重要保障，主要由控制轧制、控制冷却和控制沉淀三个方面组成。通过在奥氏体未再结晶区轧制来细化组织、形变诱导Nb/V碳氮化物的析出来进一步提高其高温性能，从而获得细小弥散分布的MX型颗粒强化的马氏体板条组织，实现钢铁材料的低成本高性能化。

本发明的优点是：该高Cr铁素体耐热钢具有较高的蠕变强度、良好的塑韧性、低的热膨胀系数、良好的导热性和较高的热效率，特别是具有优良的高温持久强度。检测结果表明：在600℃、650℃、700℃高温下静强度可分别达到450MPa、360MPa、300MPa。在650℃、120MPa下持久强度平均为4380小时；650℃、125MPa下持久强度平均为3750小时，适用于制备超超临界压火力发电设备的锅炉管。

附图说明

图1为该高Cr铁素体耐热钢典型马氏体板条显微组织对比图，其中：（a）传统生产，（b）控轧控冷。

图2为该高Cr铁素体耐热钢组织中碳氮化合物析出形态对比图，其中：（a）传统生产，（b）控轧控冷。

图3为该高Cr铁素体耐热钢经控轧控冷处理后组织形态对比图，其中：（a）典型马氏体板条组织，（b）碳氮化合物析出形态。

具体实施方式

实施例：

一种用于火力发电锅炉管的高Cr铁素体耐热钢，由碳（C）、铌（Nb）、钒（V）、钴（Co）、钨（W）、硼（B）、锰（Mn）、铬（Cr）、钼（Mo）、硅（Si）、钛（Ti）、铝（Al）、氮（N）、硫（S）、磷（P）和铁（Fe）组成，各组分的重量百分含量为：C0.05％、Nb0.08％、V0.26％、Co1.6％、W1.5％、B0.005％、Mn0.4％、Cr10.0％、Mo0.3％、Si0.35％、Ti0.095％、Al0.026％、N0.05％、S0.009％、P0.016％、余量为Fe。

所述用于火力发电锅炉管的高Cr铁素体耐热钢的制备方法是：高炉铁水冶炼、铁水预处理脱硫、中频感应炉中熔炼脱碳、升温及钢水脱氧，然后加入合金元素进行合金化，最后吹氩精炼制得高Cr铁素体耐热钢。

一种所述用于火力发电锅炉管的高Cr铁素体耐热钢的应用，用于轧制火力发电锅炉的无缝钢管，成型工艺为：将所述高Cr铁素体耐热钢进行管坯连铸，管坯均热于1200℃后进行锻造，于1030±20℃开轧，总变形量控制在30±10%，930℃终轧；控制冷却，于930±20℃开冷，冷却速度控制在5-15℃/s，830±20℃终冷；然后于930℃进行管坯穿孔，轧制成直径85mm的管材；最后进行低温退火热处理，精整后制得无缝钢管成品。

图3该高Cr铁素体耐热钢经控轧控冷处理后组织形态对比图，其中：（a）典型马氏体板条组织，（b）碳氮化合物析出形态。

显微组织显示：该高Cr铁素体耐热钢的显微组织为碳氮化物细小弥散分布的板条马氏体组织。表明：高Cr铁素体耐热钢在相变时施加应力将促进马氏体的形成，提高马氏体相变开始温度。施加应力温度较高时，其转变机制属应变诱发马氏体，组织呈细化趋势，晶界形态趋于不规则；在施加应力温度较低时，属应力诱发马氏体转变，其形态与热诱发马氏体相似。控轧控冷工艺使高Cr铁素体耐热钢显微组织发生显著的均匀细化，更重要的是该工艺可以为MX型Nb/V碳氮化物颗粒的析出提供更多的形核位置，从而来生成更多、更细小的弥散分布的MX型碳氮化物。

经控轧控冷工艺制备的高Cr铁素体耐热钢力学性能检测结果：常温下静强度为830MPa，200℃、400℃、600℃、700℃高温下的高温强度分别为801MPa、709MPa、455MPa、315MPa。在650℃、120MPa下持久强度最高达到4510小时，平均为4380小时；650℃、125MPa下持久强度最高达到3815小时，平均为3750小时。

Claims

1.一种用于火力发电锅炉管的高Cr铁素体耐热钢，其特征在于：由碳（C）、铌（Nb）、钒（V）、钴（Co）、钨（W）、硼（B）、锰（Mn）、铬（Cr）、钼（Mo）、硅（Si）、钛（Ti）、铝（Al）、氮（N）、硫（S）、磷（P）和铁（Fe）组成，各组分重量百分比含量为：碳（C）0.05-0.07％、铌（Nb）0.07-0.09％、钒（V）0.20-0.25％、钴（Co）0.90-1.60％、钨（W）1.50-2.00％、硼（B）0.004-0.005％、锰（Mn）0.30-0.60％、铬（Cr）9.50-10.50％、钼（Mo）0.30-0.60％、硅（Si）＜0.50％、钛（Ti）＜0.005％、铝（Al）＜0.140％、氮（N）＜0.001％、硫（S）＜0.025％、磷（P）＜0.020％,余量为铁（Fe）。

2.一种如权利要求1所述用于火力发电锅炉管的高Cr铁素体耐热钢的应用，其特征在于：用于轧制火力发电锅炉的无缝钢管，成型工艺为：将高铬铁素体耐热钢进行管坯连铸，管坯均热于1200℃后进行轧制，于1030±20℃开轧，总变形量控制在30±10%，930℃终轧；控制冷却，于930±20℃开冷，冷却速度控制在5～15℃/s，830±20℃终冷；然后于930℃进行管坯穿孔，轧制成直径85mm的管材；最后进行低温退火热处理，精整后制得无缝钢管成品。