CN103774057A

CN103774057A - 一种超（超）临界火电机组用新型合金

Info

Publication number: CN103774057A
Application number: CN201410013705.7A
Authority: CN
Inventors: 李冬升; 程晓农; 郭顺; 戴起勋; 庄建新
Original assignee: JIANGSU YINHUAN STEEL TUBE CO Ltd; Jiangsu University
Current assignee: JIANGSU YINHUAN STEEL TUBE CO Ltd; Jiangsu University
Priority date: 2014-01-13
Filing date: 2014-01-13
Publication date: 2014-05-07

Abstract

本发明涉及耐热奥氏体钢，特指一种超（超）临界火电机组用新型合金，其特征在于：所述组分按照质量分数计算，C≤0.05％，Si≤0.3％，Mn≤1％，Ni8.5~10.5％，Cr17.5~19.5％，Nb0.30~0.50％，Cu2.5~3.5％，N0.15%-0.2%，P≤0.04％，S≤0.01％，B0.006%或Ti0.0345%，其余为Fe。本发明的新型Fe-Cr-Ni-Cu-N合金的高温拉伸强度（600℃，≥443MPa）、持久蠕变性能（600℃、100000h的持久极限强度≥259MPa）和高温抗氧化性（700℃、100h的氧化增重≤0.032mg/cm²），明显优于Super304H奥氏体不锈钢，可以广泛应用于超（超）临界火力发电机组和其他工业领域。

Description

一种超(超)临界火电机组用新型合金

技术领域

本发明涉及耐热奥氏体钢，特指一种超（超）临界火电机组用新型合金。

背景技术

当前我国致力于发展大容量、高参数的超（超）临界火力发电机组，对所用钢材的高温拉伸强度、持久蠕变性能和高温抗氧化性能提出了极高的要求；Super304H合金，成分质量分数为C为0.07%～0.13%，Si≤0.3%，Mn≤0.5%， Cr17.0%~19.0%，Ni7.5%~10.5%，Cu2.5%~3.5%，Nb0.3%~0.6%，N0.05%~0.12% P≤0.045%，S≤0.03%，其余为Fe；是由日本住友钢铁公司开发的一种奥氏体不锈钢材料，具有较高的高温拉伸强度（600℃，约为432MPa）、持久蠕变性能（600℃、100000小时的持久极限强度约为220MPa）和高温抗氧化性（700℃、100小时的氧化增重约为0.04mg/cm²），但是仍难以满足超（超）临界火电机组高参数对钢材高温拉伸强度、持久蠕变性能和高温抗氧化性的要求，并且国内几乎都不能生产，基本上都依赖进口。

发明内容

大容量、高参数的超（超）临界火力发电机组的发展对不锈钢的高温拉伸强度、持久蠕变性能和高温抗氧化性等性能提出了更高的要求，本发明提供了一种超（超）临界火电机组用新型Fe-Cr-Ni-Cu-N合金，该合金与Super304H相比，在高温拉伸强度、持久蠕变性能和高温抗氧化性能方面体现出明显的优势，可以胜任超（超）临界火力发电机组对不锈钢相关性能的苛刻要求，并能打破我国依赖进口Super304H合金的现状，降低国内锅炉生产企业原材料采购成本。

本发明通过下列技术方案实现：一种超（超）临界火电机组用新型Fe-Cr-Ni-Cu-N合金，其特征在于：所述组分按照质量分数计算，C≤0.05％，Si≤0.3％，Mn≤1％，Ni8.5~10.5％，Cr17.5~19.5％，Nb0.30~0.50％，Cu2.5~3.5％，N0.15%-0.2%，P≤0.04％，S≤0.01％，B0.006%或Ti 0.0345%，其余为Fe。

确定上述主要化学成分范围的理由如下：

1. 碳：碳是钢中最普遍的合金元素，碳是奥氏体形成元素，碳对提高奥氏体耐热强性有益，但碳对不锈钢的耐蚀性不利。

2. 硅：硅是钢中的脱氧元素并且提高不锈钢的高温抗氧化性，但硅是强烈的铁素体形成元素，此外，当硅含量超过2%时，会促进金属间化合物在高温过程的析出，因此，为了使钢材获得奥氏体组织，并且提高奥氏体组织的稳定性，必须限制硅含量。

3. 锰：锰是比较弱的奥氏体形成元素，但具有强烈稳定奥氏体组织的作用。不锈钢中加入了适量的锰，可以降低镍含量，降低钢材成本。

4. 铬：铬是不锈钢中最重要的元素，可以提高钢钝化膜的稳定性，是决定不锈钢耐腐蚀性及高温抗氧化性的重要元素。但是铬又是强烈形成并稳定铁素体的元素，缩小奥氏体相区；本发明奥氏体钢中的铬含量范围既能保证钢有良好的耐腐蚀及耐高温氧化特性，又能保证钢材获得奥氏体组织。

5. 镍：镍是强烈形成并稳定奥氏体且扩大奥氏体相区的元素，随着奥氏体含量的增加，刚中的残余铁素体含量逐渐消除，但是镍会降低钢的热加工性能，本发明奥氏体钢中的镍含量范围既能保证钢有良好的热加工性能，又能保证钢材获得奥氏体组织。

6. 铜：铜在铬镍不锈钢中能促使钢产生弥散硬化组织，提高钢的热强性，在高温蠕变过程中将从基体中析出细小弥散的富铜相，提高基体的高温蠕变能力。

7. 氮：在奥氏体不锈钢中加入氮，可以稳定奥氏体组织、提高强度，并且提高耐腐蚀性能，氮的加入可以显著提高钢的高温拉伸强度，部分替代贵重的镍。

8. 铌：铌能够与不锈钢中的碳、氮元素形成细小铌的碳、氮化物，提高不锈钢的高温拉伸性能和持久蠕变性能。

9. 磷：磷是钢在冶炼过程中极难避免的有害元素，应尽量控制在0.04%（质量分数）以下。

10. 硫：硫是钢在冶炼过程中极难避免的有害元素，应尽量控制在0.01%（质量分数）以下。

11. 硼：硼能够提高钢的高温抗拉强度，提高晶界稳定性，但是，硼容易在晶界偏析，影响钢的持久蠕变性能，因此必须限制硼含量；钛和硼在本发明中起相似作用。

与Super304H系列合金相比，本发明的新型Fe-Cr-Ni-Cu-N合金具有更加优异的高温拉伸强度、持久蠕变性能和高温抗氧化性。

具体实施方式

实施例：

材料1（质量分数）：0.021%C、0.21%Si、0.58%Mn、0.0043%S、0.0082%P、9.68%Ni、18.39%Cr、0.49%Nb、3.16%Cu、0.19%N、 0.006%B、余者为Fe。

材料2（质量分数）：0.0425%C、0.198%Si、0.524%Mn、0.0041%S、0.00523%P、9.38%Ni、17.93%Cr、0.37%Nb、2.69%Cu、0.153%N、0.0345%Ti、余者为Fe。

材料采用真空炉冶炼，去冒口及钢锭底部进行锻造，锻造工艺为：加热温度1100℃，加热2小时，保温半小时，开锻温度1030℃，终锻温度960℃；然后将材料在1060℃下进行固溶处理保温1小时后，水冷至室温。

本发明涉及的奥氏体不锈钢可以根据需要进行铸造或轧制成材，然后锻打，工艺为：加热温度1100℃，加热2小时，保温半小时，开锻温度1030℃，终端温度960℃，合金经锻打成坯，然后经过机械加工成零件。

本发明的两个实施例中的新型Fe-Cr-Ni-Cu-N合金及Super304H奥氏体不锈钢（锻后固溶态）高温拉伸强度、持久极限强度和高温抗氧化性如表1所示。

表1 实施例中的新型Fe-Cr-Ni-Cu-N合金及Super304H奥氏体不锈钢高温拉伸强度、

持久极限强度和高温抗氧化性对比

注：材料的高温拉伸强度采用国家标准GB/T 4338-2006《金属材料—高温拉伸试验方法》；材料的持久极限强度采用国家标准GB/T 2039-1997《金属拉伸蠕变及持久试验方法》；材料的高温抗氧化性采用国家标准GB/T 13303-1991 《钢的抗氧化性能测定方法》。

本发明的新型Fe-Cr-Ni-Cu-N合金可以广泛应用于超（超）临界火力发电机组和其他工业领域。

Claims

1.一种超（超）临界火电机组用新型合金，其特征在于：所述组分按照质量分数计算，C≤0.05％，Si≤0.3％，Mn≤1％，Ni8.5~10.5％，Cr17.5~19.5％，Nb0.30~0.50％，Cu2.5~3.5％，N0.15%-0.2%，P≤0.04％，S≤0.01％，B0.006%或Ti 0.0345%，其余为Fe。

2.如权利要求1所述的一种超（超）临界火电机组用新型合金，其特征在于：所述组分按照质量分数计算，0.021%C、0.21%Si、0.58%Mn、0.0043%S、0.0082%P、9.68%Ni、18.39%Cr、0.49%Nb、3.16%Cu、0.19%N、 0.006%B、余者为Fe。

3.如权利要求1所述的一种超（超）临界火电机组用新型合金，其特征在于：所述组分按照质量分数计算，0.0425%C、0.198%Si、0.524%Mn、0.0041%S、0.00523%P、9.38%Ni、17.93%Cr、0.37%Nb、2.69%Cu、0.153%N、0.0345%Ti、余者为Fe。

4.如权利要求1所述的一种超（超）临界火电机组用新型合金的锻造方法，采用真空炉冶炼，去冒口及钢锭底部进行锻造，其特征在于锻造工艺为：加热温度1100℃，加热2小时，保温半小时，开锻温度1030℃，终锻温度960℃；然后将材料在1060℃下进行固溶处理保温1小时后，水冷至室温。

5.如权利要求1所述的一种超（超）临界火电机组用新型合金的锻打方法，根据需要进行铸造或轧制成材，然后锻打，其特征在于锻打工艺为：加热温度1100℃，加热2小时，保温半小时，开锻温度1030℃，终端温度960℃，合金经锻打成坯，然后经过机械加工成零件。