CN103361518A

CN103361518A - 一种超超临界锅炉用镍基无缝管及其制造方法

Info

Publication number: CN103361518A
Application number: CN2013102302266A
Authority: CN
Inventors: 王岩; 李阳; 王伟; 曾莉; 李莎; 郝文慧
Original assignee: Taiyuan Iron and Steel Group Co Ltd
Current assignee: Taiyuan Iron and Steel Group Co Ltd
Priority date: 2013-06-11
Filing date: 2013-06-11
Publication date: 2013-10-23
Anticipated expiration: 2033-06-11
Also published as: CN103361518B

Abstract

本发明涉及一种超超临界锅炉用镍基无缝管及其制造方法。无缝管的成分为：21~25%Cr；1.0~2.5%Al；9.0~15%Co；6~10%Mo； 0.03~0.06%C；0.8~2.5%Ti；0.002~0.004%B；≤0.1%Zr；≤0.05%Mg；≤0.015%S；≤0.03%P；≤1%Cu；≤2%Fe；N≤0.01%；O≤0.01%。制造方法步骤特征是：Ⅰ冶炼电渣锭；Ⅱ均匀化退火升温速度60~80℃/h；均热温度1220~1250℃；Ⅲ锻造开坯均热温度1170~1200℃；终锻温度920~950℃；Ⅳ热挤压挤压比不大于8；Ⅴ冷轧2～3道次，变形量不大于50%；Ⅵ固溶+时效热处理固溶热处理温度1180~1220℃，时效热处理温度750~850℃。本方法制的镍基无缝管可以满足锅炉过热器和再热器的700℃—100MPa/10⁵h使用环境要求。

Description

一种超超临界锅炉用镍基无缝管及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种超超临界锅炉用镍基无缝管及其制造方法，具体讲是超超临界锅炉过热器和再热器用镍基无缝管及其制造方法。

背景技术

电力是现代社会使用的最主要能源，是工农业生产、经济社会快速发展的重要保障。直至21世纪，燃煤发电仍然是世界很多国家的重要发电形式，尤其是煤炭资源占能源比重大的国家，例如中国，燃煤发电一直占据电力生产的主导地位，目前我国火力发电占电力生产总量的80%以上，并将在相当长时期内这种局面不会改变。

燃煤发电消耗了大量的、不可再生的煤炭资源，并且产生CO2、SO2、NOX等气体严重影响人们的生存环境。燃煤发电机组在诞生之日起就不断改进，经历了由中压、高压、超高压机组向亚临界机组、超临界机组、超超临界机组的发展过程。因此，提高发电机组的蒸气温度和蒸气压力、提高工作效率、降低煤耗、减少排放是未来火力发电的重要发展方向。这就需要由目前的超临界机组、超超临界（600-620℃）机组向先进超超临界（700℃以上）机组发展转变，而锅炉用材料也需由目前的奥氏体耐热钢向镍基高温合金转变。目前，世界各国正致力于开展700℃超超临界（A-USC）燃煤发电技术，并对新一代耐热材料进行研发，尤其以欧洲、美国、日本研究发展最快。

由于过热器和再热器管材在使用过程中面临高温、高压、烟气腐蚀、水蒸气腐蚀等异常苛刻的工作环境，因此要求材料具有：（1）耐高温的持久强度；（2）耐烟气侧的高温腐蚀；（3）抗蒸汽侧氧化及氧化层剥落；（4）良好的抗热疲劳等性能。Inconel617镍基高温合金作为先进超超临界锅炉过热器和再热器主要候选材料，已经经历了十余年的研究历史，积累了大量的实验数据。在实际测试过程中发现，Inconel617在温度为750℃（700℃蒸气参数锅炉过热器向火面温度）时，其持久强度无法满足100MPa/10⁵h要求。因此，如何能够有效的提高材料Inconel617的高温持久强度，是研究的重要课题之一。

发明内容

为了克服现有超超临界锅炉用镍基无缝管的上述不足，本发明提供一种超超临界锅炉用镍基无缝管。这种镍基无缝管可以满足超超临界锅炉过热器和再热器的700℃—100MPa/10⁵h使用环境要求。同时提供这种镍基无缝管的制造方法。

本发明的思路是：材料的高温蠕变持久性能的提高可以通过控制成品管材合适晶粒尺寸、严格控制晶界强化元素含量、增加析出物体积分数来实现。

在先进超超临界电站锅炉过热器和再热器的服役温度下，材料的晶界强度显著低于晶内强度。因此，在满足室温及高温基本力学性能的前提下，增加晶粒尺寸，可以使持久强度有所提高；B元素具有净化晶界、提高合金蠕变持久的作用。但是如果B含量过低，此种作用不明显；B含量过高，则容易在晶界产生硼化物，降低合金的总体性能，并且过高B含量对焊接性能产生不利影响。通过严格控制合金中B元素含量，使其处于合理范围，可以达到提高合金高温蠕变持久的作用；通过提高合金中Al、Ti含量，并使其处于合理配比范围，增加γ’析出物的体积分数，可以有效的提高合金高温持久性能。

本超超临界锅炉过热器和再热器用镍基无缝管成分的质量百分配比为：

Cr 21~25%； Al 1.0~2.5%； Co 9.0~15%； Mo 6~10%；

C 0.03~0.06%； Ti 0.8~2.5%； B 0.002~0.004%； Zr≤0.1%；

Mg≤0.05%； S≤0.015%；P≤0.03%； Cu≤1%； Fe≤2%；

N≤0.01%； O≤0.01%；

其余为Ni与不可避免的杂质。

经过固溶+时效处理后，本发明之镍基无缝管显微组织为奥氏体+细小弥散第二相，晶粒度为1~3级。这种无缝管的外形尺寸一般长3000~8000mm，外径30~60mm，壁厚5~12mm。

本超超临界锅炉过热器和再热器用镍基无缝管的制造方法包括下述依次的步骤：

原料准备→真空感应冶炼→模铸→气氛保护电渣重熔→均匀化退火→锻造开坯→管坯预处理→热挤压→荒管固溶热处理→冷轧→固溶+时效热处理→酸洗→探伤→包装。

本超超临界锅炉过热器和再热器用镍基无缝管的制造方法的步骤特征是：

一、冶炼

将符合真空感应与电渣重熔的金属熔体，采用真空感应+电渣重熔双联冶炼工艺，确保电渣锭的化学成分达到下述要求：

Cr 21~25%； Al 1.0~2.5%； Co 9.0~15%； Mo 6~10%；

C 0.03~0.06%； Ti 0.8~2.5%； B 0.002~0.004%； Zr≤0.1%；

Mg≤0.05%； S≤0.015%；P≤0.03%； Cu≤1%； Fe≤2%；

N≤0.01%； O≤0.01%；

其余为Ni与不可避免的杂质。

经模铸与气氛保护电渣重熔。

二、均匀化退火

电渣锭入炉时，炉温要低于400℃，控制升温速度在60~80℃/h，以防电渣锭炸裂。均热温度控制在1220~1250℃，均热时间为40~48h，确保枝晶间偏析元素充分扩散迁移。均热后，电渣锭炉冷至900~950℃后取出空冷。

三、锻造开坯

电渣锭锻前电渣锭入炉时，炉温要低于400℃，控制升温速度在60~80℃/h ，以防电渣锭炸裂。均热温度为开锻温度1170~1200℃。锻前加热时间根据电渣锭厚度决定，取0.8~1mm/min，均热时间为120~180min。开锻管坯温度为1170~1200℃，终锻温度为920~950℃，锻后空冷。

经管坯预处理。

四、热挤压

管坯均热温度为1180~1210℃，加热时间根据管坯厚度决定，取0.8~1mm/min，均热时间为120~180min。挤压比控制在8或小于8，挤压速度150~180mm/s，挤压结束后荒管立即入水冷却。

经荒管固溶热处理。

五、冷轧

冷轧一般为2～3道次，道次冷轧变形量控制在50%或50%以下，冷轧速度25～35次/min，送进量3~5mm/次。冷轧道次间热处理温度1150~1180℃，保温时间不小于15min，出炉淬水冷却。

六、固溶+时效热处理

固溶热处理温度1180~1220℃，保温时间30~60min，出炉淬水冷却。时效热处理温度750~850℃，保温时间8~12h，出炉淬水冷却。

七、酸洗、探伤、包装。

从本超超临界锅炉过热器和再热器用镍基无缝钢管取样进行高温持久实验，750℃外推10⁵小时持久强度为101.7MPa，由结果推断，本高持久强度镍基无缝管可以满足700℃超超临界锅炉过热器和再热器的使用环境要求。

具体实施例

下面结合实施例详细说明本超超临界锅炉过热器和再热器用镍基无缝管及其制造方法的具体实施方式，但本超超临界锅炉过热器和再热器用镍基无缝管及其制造方法的具体实施不局限于下述的实施例，不是对本发明的限制。本领域普通技术人员没有创造性劳动前提下所获得的超超临界锅炉过热器和再热器用镍基无缝管技术方案，都属于本发明的保护范围。

镍基无缝管实施例一

本超超临界锅炉过热器和再热器用镍基无缝管实施例电渣锭重990Kg，成分质量百分配比为：

Cr 22.3%； A1 1.56%； Co 12.09%； Mo 8.22%；

C 0.044%； Ti 1.44%； Fe 0.15%； B 0.0032%；

Zr 0.06%； Mg 0.0017%； S 0.0005%； P 0.002%；

N 0.0033%；O 0.0007%；其余为Ni与不可避免的杂质

无缝管经过固溶+时效处理后，显微组织为奥氏体+细小弥散第二相，晶粒度为2级。

成品管尺寸为长4000mm，外径φ55mm，壁厚8mm。

镍基无缝管制造方法实施例一

一、冶炼

将符合真空感应与电渣重熔的金属熔体，采用真空感应+电渣重熔双联冶炼工艺，成分质量百分配比为：

Cr 22.3%； A1 1.56%； Co 12.09%； Mo 8.22%；

C 0.044%； Ti 1.44%； Fe 0.15%； B 0.0032%；

Zr 0.06%； Mg 0.0017%； S 0.0005%； P 0.002%；

N 0.0033%；O 0.0007%；其余为Ni与不可避免的杂质

经模铸与气氛保护电渣重熔。

二、均匀化退火

电渣锭入炉时，炉温330℃，控制升温速度在80/h。均热温度控制在1250℃，均热时间为40h。均热后，电渣锭炉冷至930℃后取出空冷。

三、锻造开坯

电渣锭锻前电渣锭入炉时，炉温380℃，控制升温速度在80℃/h。均热温度控制在1200℃。锻前加热时间根据电渣锭厚度决定，取0.8mm/min，均热时间为120min。开锻温度为1200℃，终锻温度为950℃，锻后空冷。

经管坯预处理。

四、热挤压

管坯均热温度为1200℃，加热时间0.8mm/min，均热时间为160min。挤压比7.8，挤压速度170mm/s，挤压结束后荒管立即入水冷却。

经荒管固溶处理。

五、冷轧

本实施例是两道次冷轧，冷轧变形量分别为45%和38%，冷轧速度35次/min，送进量5mm/次。第一道次冷轧后热处理温度1150℃，保温时间20min，出炉淬水冷却。

（因为是两道次冷轧，所以第一道次冷轧与第二道次冷轧之间进行去应力热处理，而第二道次冷轧后进行的是固溶+时效热处理）

六、固溶+时效热处理

第二道次冷轧后固溶热处理温度1210℃，保温时间60min，出炉淬水冷却。时效热处理温度810℃，保温时间12h，出炉淬水冷却。

本实施例经固溶+时效处理后的显微组织为奥氏体+细小弥散的第二相，晶粒度为2级。成品管尺寸为长4000mm，外径φ55mm，壁厚8mm。

七、酸洗、探伤、包装。

镍基无缝管实施例二：

本先进超超临界锅炉过热器和再热器用镍基无缝管实施例的电渣锭重950Kg，成分质量百分配比为：

Cr 23.1%； Al 1.75%； Co 12.11%； Mo 8.75%； C 0.055%；

Ti 1.35%； B 0.0035%； Zr 0.058%； Fe 0.17%； Mg 0.0019%；

S 0.0006%； P 0.001%； N 0.004%N； O 0.0009%；

其余为Ni与不可避免的杂质。

无缝经固溶+时效处理后的显微组织为奥氏体+细小弥散的第二相，晶粒度为1.5级。成品管尺寸为长3500mm，外径φ45mm，壁厚10mm。

镍基无缝管制造方法实施例二

一、冶炼

Cr 23.1%； Al 1.75%； Co 12.11%； Mo 8.75%； C 0.055%；

Ti 1.35%； B 0.0035%； Zr 0.058%； Fe 0.17%； Mg 0.0019%；

S 0.0006%； P 0.001%； N 0.004%N； O 0.0009%；

其余为Ni与不可避免的杂质。

经模铸与气氛保护电渣重熔。

二、均匀化退火

电渣锭入炉时，炉温380℃，控制升温速度在75/h。均热温度控制在1240℃，均热时间为48h。均热后，电渣锭炉冷至900℃后取出空冷。

三、锻造开坯

电渣锭锻前电渣锭入炉时，炉温380℃，控制升温速度在75℃/h。均热温度控制在1190℃。锻前加热时间根据电渣锭厚度决定，取0.8mm/min，均热时间为150min。开锻温度为1190℃，终锻温度为900℃，锻后空冷。

经管坯预处理。

四、热挤压

经荒管固溶热处理。

五、冷轧

本实施例是三道次冷轧，冷轧变形量分别为40%、48%和38%，冷轧速度30次/min，送进量4mm/次。第一道次及第二道次冷轧后热处理温度1150℃，保温时间25min，出炉淬水冷却。

六、固溶+时效热处理

第三道次冷轧后固溶热处理温度1220℃，保温时间50min，出炉淬水冷却。时效热处理温度800℃，保温时间10h，出炉淬水冷却。

本实施例经固溶+时效处理后的显微组织为奥氏体+细小弥散的第二相，晶粒度为1.5级。成品管尺寸为长3500mm，外径φ45mm，壁厚10mm。

七、酸洗、探伤、包装。

镍基无缝管实施例三

Cr 22.7%； Al 1.65%； Co 11.97%； Mo 9.32%； C 0.042%；

Ti 1.21%； B 0.0031%； Zr 0.046%； Fe 0.2%； Mg 0.0014%；

Cu 0.44%； S 0.0004%； P 0.002%； N 0.0049%； O 0.0008%；

其余为Ni与不可避免的杂质。

无缝经固溶+时效处理后的显微组织为奥氏体+细小弥散的第二相，晶粒度为2.5级。成品管尺寸为长3000mm，外径φ38mm，壁厚8mm。

镍基无缝管制造方法实施例三

一、冶炼

Cr 22.7%； Al 1.65%； Co 11.97%； Mo 9.32%； C 0.042%；

Ti 1.21%； B 0.0031%； Zr 0.046%； Fe 0.2%； Mg 0.0014%；

Cu 0.44%； S 0.0004%； P 0.002%； N 0.0049%； O 0.0008%；

其余为Ni与不可避免的杂质。

经模铸与气氛保护电渣重熔。

二、均匀化退火

电渣锭入炉时，炉温375℃，控制升温速度在70/h。均热温度控制在1230℃，均热时间为48h。均热后，电渣锭炉冷至920℃后取出空冷。

三、锻造开坯

电渣锭锻前电渣锭入炉时，炉温350℃，控制升温速度在80℃/h。均热温度控制在1180℃。锻前加热时间根据电渣锭厚度决定，取0.8mm/min，均热时间为180min。开锻温度为1180℃，终锻温度为930℃，锻后空冷。

经管坯预处理。

四、热挤压

管坯均热温度为1190℃，加热时间0.8mm/min，均热时间为140min。挤压比6.9，挤压速度160mm/s，挤压结束后荒管立即入水冷却。

经荒管固溶热处理。

五、冷轧

本实施例是三道次冷轧，冷轧变形量分别为47%、43%和50%，冷轧速度27次/min，送进量3mm/次。第一道次及第二道次冷轧后热处理温度1160℃，保温时间30min，出炉淬水冷却。

六、固溶+时效热处理

第三道次冷轧后固溶热处理温度1190℃，保温时间35min，出炉淬水冷却。时效热处理温度810℃，保温时间10h，出炉淬水冷却。

本实施例经固溶+时效处理后的显微组织为奥氏体+细小弥散的第二相，晶粒度为2.5级。成品管尺寸为长3000mm，外径φ38mm，壁厚8mm。

七、酸洗、探伤、包装。

Claims

1.一种超超临界锅炉用镍基无缝管，它的成分的质量百分配比为：

Cr 21~25%； Al 1.0~2.5%； Co 9.0~15%； Mo 6~10%；

C 0.03~0.06%； Ti 0.8~2.5%； B 0.002~0.004%； Zr≤0.1%；

Mg≤0.05%； S≤0.015%；P≤0.03%； Cu≤1%； Fe≤2%；

N≤0.01%； O≤0.01%；

其余为Ni与不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的超超临界锅炉用镍基无缝管，其特征是：经过固溶+时效处理后，它的显微组织为奥氏体+细小弥散第二相，晶粒度为1~3级。

3.一种超超临界锅炉用镍基无缝管的制造方法，它的步骤特征是：

Ⅰ 冶炼

Cr 21~25%； Al 1.0~2.5%； Co 9.0~15%； Mo 6~10%；

C 0.03~0.06%； Ti 0.8~2.5%； B 0.002~0.004%； Zr≤0.1%；

Mg≤0.05%； S≤0.015%； P≤0.03%； Cu≤1%； Fe≤2%；

N≤0.01%； O≤0.01%；

其余为Ni与不可避免的杂质；

Ⅱ 均匀化退火

电渣锭入炉时，炉温低于400℃，控制升温速度在60~80℃/h，以防电渣锭炸裂；均热温度控制在1220~1250℃，均热时间为40~48h，确保枝晶间偏析元素充分扩散迁移；均热后，电渣锭炉冷至900~950℃后取出空冷；

Ⅲ 锻造开坯

电渣锭锻前电渣锭入炉时，炉温低于400℃，控制升温速度在60~80℃/h ，以防电渣锭炸裂；均热温度为开锻温度1170~1200℃；锻前加热时间根据电渣锭厚度决定，取0.8~1mm/min，均热时间为120~180min；开锻管坯温度为1170~1200℃，终锻温度为920~950℃，锻后空冷；

Ⅳ 热挤压

管坯均热温度为1180~1210℃，加热时间根据管坯厚度决定，取0.8~1mm/min，均热时间为120~180min；挤压比控制在8或小于8，挤压速度150~180mm/s，挤压结束后荒管立即入水冷却；

Ⅴ 冷轧

冷轧为2～3道次，道次冷轧变形量控制在50%或50%以下，冷轧速度25～35次/min，送进量3~5mm/次；冷轧道次间热处理温度1150~1180℃，保温时间不小于15 min，出炉淬水冷却；

Ⅵ 固溶+时效热处理

固溶热处理温度1180~1220℃，保温时间30~60min，出炉淬水冷却；时效热处理温度750~850℃，保温时间8~12h，出炉淬水冷却。