CN105256247A - 一种用于燃煤火力发电锅炉管路及阀门类铸件的铁素体类耐热钢 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于燃煤火力发电锅炉管路及阀门铸件的铁素体类耐热钢，用于燃煤火力发电锅炉管路及阀门铸件的铁素体类耐热钢按质量百分比计由以下组分组成：C0.08％～0.11％，Cr9.5％～10.0％，Al0.90％～0.95％，Ni2.00％～2.20％，Si0.40％～0.44％，Mn1.05％～1.10％，Mo0.85％～0.90％，Nb0.05％～0.09％，V0.20％～0.25％，N？0.003％～0.008％，余量为Fe。本发明制备价格低，耐热性强，耐腐蚀性强，具有一定的室温力学性能。

Description

一种用于燃煤火力发电锅炉管路及阀门类铸件的铁素体类耐热钢

技术领域

本发明属于金属材料领域，具体为涉及一种用于燃煤火力发电锅炉管路及阀门类铸件的铁素体类耐热钢。

背景技术

耐热钢常用于制造锅炉、汽轮机、工业炉、动力机械、航空和石油化工等工业部门中在高温条件下工作的零部件。目前，火力发电锅炉管路用耐热钢主要分为两种：铁素体类耐热钢和奥氏体类耐热钢。奥氏体耐热钢的价格高，热膨胀系数较大，导热性能与加工性能差。相比之下，铁素体类耐热钢成本低，易于加工，具有良好的导热性能和焊接性能，且热膨胀系数低，对热应力疲劳不敏感，因此目前锅炉管路及阀门类铸件用钢都趋向于减少或者避免使用奥氏体类耐热钢，而采用铁素体类耐热钢。

现如今，能源紧缺和环境污染问题日益突出，大力发展大容量，高参数值的超超临界燃煤发电技术已成为我国实现节能减排目标的一种重要手段，而且也是我国火电机组的主要发展方向。但是目前有些煤矿中常常会出现一定含量的腐蚀性元素，如氯、硫等，该类元素的出现往往会使材料的腐蚀速率大大提高，而管路系统及阀门的工作寿命则大大缩短，使机组的大修周期缩短，造成严重的经济损失，同时，机组的可靠性也大大降低。通常情况下，锅炉管路中的四管所发生的腐蚀暴漏问题一般比较严重，尤其是锅炉中最高温度段的过热器及再热器管路及阀门，其工作条件复杂，环境恶劣，对材料的抗氧化性能及高温强度要求更为苛刻，在较高的蒸汽参数下，腐蚀性元素的进入对管路及阀门的腐蚀起到加速的作用。上述含腐蚀性元素煤矿的蕴藏量相当巨大，并且处于开采和使用阶段，因此，迫切需要研制出能更好的适应上述腐蚀工况的新型耐热钢。

目前，缺乏一种耐热性和耐腐蚀性强的用于燃煤火力发电锅炉管路及阀门类铸件的铁素体类耐热钢。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种耐热性和耐腐蚀性强的用于燃煤火力发电锅炉管路及阀门类铸件的铁素体类耐热钢。

为了实现上述目的，本发明通过如下技术方案实现：本发明的一种用于燃煤火力发电锅炉管路及阀门铸件的铁素体类耐热钢，用于燃煤火力发电锅炉管路及阀门铸件的铁素体类耐热钢按质量百分比计由以下组分组成：

进一步地，用于燃煤火力发电锅炉管路及阀门铸件的铁素体类耐热钢按质量百分比计由以下组分组成：

本发明所述的用于燃煤火力发电锅炉管路及阀门铸件的铁素体类耐热钢的方法，包括如下步骤：

(1)按照权利要求1中所述组分的配比进行配料；

(2)将配比好的原料进行熔炼、铸造，

①配料：将生铁与废钢加入熔炼炉中，逐渐升温至化清时，使用扒渣剂进行打渣，打渣后用硅钙合金进行预脱氧处理；

②熔炼：依次加入铬铁、钼铁和锰铁合金进行熔炼，化清后进行炉前成分分析，将钢液温度调整至1600℃，同时进行打渣与脱氧处理；

③出钢：成分合格后，加入纯铝，化清后即刻出钢；

④浇注：钢水转入浇包内，浇注温度为1550℃，浇注完成后冷却至室温时进行打箱，清理并切割冒口，清理后进行喷砂；

(3)对耐热钢钢锭或铸件进行机械加工，具体内容包括：铸件粗加工或钢锭的切割处理；

(4)对加工后的耐热钢铸件进行热处理工艺，钢锭进行制管然后进行喷砂，制得用于燃煤火力发电锅炉管路及阀门铸件的铁素体类耐热钢。

进一步地，在步骤(2)中，所述熔炼工序使用的熔炼设备为中频无芯感应熔炼炉、真空感应熔炼炉或电弧熔炼炉。

进一步地，在步骤(4)中，热处理工艺包括正火工艺和回火工艺；

正火工艺为：200℃以下装炉，升温速度≤80℃/h，1050℃下保温，后空冷；

回火工艺为：200℃以下装炉，升温速度≤80℃/h，770℃下保温，后随炉冷却至300℃，出炉空冷。

有益效果：本发明制备价格低，耐热性强，耐腐蚀性强，具有一定的室温力学性能。本发明所述的铁素体类耐热钢是为了解决电站锅炉尤其是超超临界锅炉过热器及再热器部件在沉积盐和空气环境下所面临的腐蚀严重等问题而研制。在650℃沉积盐膜(50％CaSO₄和35％NaCl和15％SiO₂)+空气环境下，本发明耐热钢的抗热腐蚀性能优于304与HR3C两种奥氏体耐热钢，具有优良的抗高温腐蚀性能以及对腐蚀性元素的耐腐蚀性。本发明铁素体耐热钢经过1050℃正火+770℃回火后测试其常温力学性能，其结果可达到：Rm≥585Mpa；Rp0.2≥415Mpa；A≥20％；Z≥57％；Akv≥40J；190≥HBW≥250，满足材料使用性能要求。

附图说明

图1为本发明实施例1的耐热钢经1050℃正火、770℃回火后的显微组织形貌图；

图2为本发明实施例1耐热钢的室温拉伸断口形貌中纤维区的扫描照片；

图3为本发明实施例1～3耐热钢与304、HR₃C两种奥氏体耐热钢的抗热腐蚀性能比较图；

图4为本发明实施例1耐热钢在650℃沉积盐膜(50％CaSO₄、35％NaCl和15％SiO₂)在空气环境中腐蚀300h的截面形貌图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的描述。

实施例1

本发明的一种用于燃煤火力发电锅炉管路及阀门铸件的铁素体类耐热钢，用于燃煤火力发电锅炉管路及阀门铸件的铁素体类耐热钢按质量百分比计由以下组分组成：

本发明所述的用于燃煤火力发电锅炉管路及阀门铸件的铁素体类耐热钢的方法，包括如下步骤：

(1)根据权利要求2中所述组分配比进行配料，选用炉料包括：生铁、废钢、硅铁、锰铁、微碳铬铁、铌铁、钒铁、铝线等。

本发明所述的铁素体类耐热钢是为了解决电站锅炉尤其是超超临界锅炉过热器及再热器部件在沉积盐和空气环境下所面临的腐蚀严重等问题而研制。具体炉料的化学成分(wt％)如表1所示，配料后炉料构成及重量(kg)如表2所示。

表1

表2

炉料名称	废钢	硅铁	锰铁	微碳铬铁	304棒料
						炉料重量	30.0	0.1	0.54	10.4	13.5
炉料名称	钼铁	钒铁	铌铁	氮化铬	纯铝
						炉料重量	0.71	0.24	0.08	0.4	0.65

(2)将配比好的原料进行熔炼、铸造，

①配料：将生铁与废钢加入熔炼炉中，逐渐升温至化清时，使用扒渣剂进行打渣，打渣后用硅钙合金进行预脱氧处理；

②熔炼：依次加入铬铁、钼铁和锰铁合金进行熔炼，化清后进行炉前成分分析，将钢液温度调整至1600℃，同时进行打渣与脱氧处理；

③出钢：成分合格后，加入纯铝，化清后即刻出钢；

④浇注：钢水转入浇包内，浇注温度为1550℃，浇注完成后冷却至室温时进行打箱，清理并切割冒口，清理后进行喷砂；

(2)将配比好的原料进行熔炼、铸造；熔炼中使用中频无芯感应炉熔炼获得耐热钢，采用德国斯派克(SpecProMAXx)直读光谱仪对铸态材料进行化学成分分析，铸件及试棒的实际化学成分含量(wt％)的分析结果如表3所示。熔炼得到的合金钢成分在权利要求2的范围内。

表3

(3)对耐热钢钢锭或铸件进行机械加工，具体内容包括：铸件粗加工或钢锭的切割处理；

(4)对加工后的耐热钢进行热处理工艺，制得用于燃煤火力发电锅炉管路及阀门铸件的铁素体类耐热钢。

热处理工艺包括正火工艺和回火工艺；正火工艺为：200℃以下装炉，升温速度≤80℃/h，1050℃下保温，后空冷；

回火工艺为：200℃以下装炉，升温速度≤80℃/h，770℃下保温，后随炉冷却至300℃，出炉空冷。

实施例2

实施例2与实施例1的区别在于：本发明的一种用于燃煤火力发电锅炉管路及阀门铸件的铁素体类耐热钢，用于燃煤火力发电锅炉管路及阀门铸件的铁素体类耐热钢按质量百分比计由以下组分组成：

本发明所述的用于燃煤火力发电锅炉管路及阀门铸件的铁素体类耐热钢的方法，包括如下步骤：

在步骤(2)中，将配比好的原料进行熔炼、铸造；所述熔炼中使用熔炼设备，所述熔炼设备为真空感应熔炼炉。

在步骤(4)中，正火工艺为：200℃以下装炉，升温速度为40℃/h，1050℃下保温，后空冷；

回火工艺为：200℃以下装炉，升温速度为50℃/h，770℃下保温，后随炉冷却至300℃，出炉空冷。

实施例3

实施例3与实施例1的区别在于：

本发明的一种用于燃煤火力发电锅炉管路及阀门铸件的铁素体类耐热钢，用于燃煤火力发电锅炉管路及阀门铸件的铁素体类耐热钢按质量百分比计由以下组分组成：

本发明所述的用于燃煤火力发电锅炉管路及阀门铸件的铁素体类耐热钢的方法，包括如下步骤：

在步骤(2)中，将配比好的原料进行熔炼、铸造；所述熔炼中使用熔炼设备，所述熔炼设备为电弧熔炼炉。

在步骤(4)中，正火工艺为：200℃以下装炉，升温速度等于80℃/h，1050℃下保温，后空冷；

回火工艺为：200℃以下装炉，升温速度等于80℃/h，770℃下保温，后随炉冷却至300℃，出炉空冷。

试验1

对实施例1～3的耐热钢经热处理后试样的力学性能进行测试，硬度测试选取6～8个点，取其平均值；冲击试验与拉伸试验，采用三拉三冲原则，取其平均值。最终得到材料的常温力学性能测试结果如表4所示。

表4

采用ZEISS200MAT数码金相显微镜观察本发明耐热钢的铸态组织，腐蚀剂选用的是4g苦味酸溶于5ml盐酸和100ml酒精的混合溶液。

如图1所示，图1是该耐热钢铸态下的显微组织照片，可以看出为板条马氏体组织，板条形态明显，且原奥氏体晶界清晰可见。

如图2所示，图2为本发明耐热钢的常温拉伸断口中纤维区的扫描照片，由图可以看出，该试样的断裂机制为微孔聚集型断裂，韧窝类型为等轴型韧窝，大而深，塑性变形较为充分。

本发明耐热钢成分中的最主要特色是铝元素的加入，在腐蚀初期，由于Al₂O₃的生成焓较低，低于Al₂S₃、AlCl₃等物质，故铝元素在硫化、氯化反应进行前，一般会先进行氧化反应，且根据瓦格纳的选择性氧化理论可知，相比于Cr、Ni、Fe等元素，铝元素的选择性氧化能力最强，故试样表面首先生成Al₂O₃氧化膜，当其含量足够高时，可在试样表面生成连续致密的保护性氧化膜，该氧化膜较Cr₂O₃氧化膜更具保护性，可明显减缓腐蚀过程的进行，但并非钢中铝元素含量越高越好，铝元素的大量添加会使得合金液的流动性变差，熔铸困难，且同时钢的硬脆性增加，不利于机械加工和使用。另外，钢中加入了适量的Cr、Ni、Si等元素，均可适当提高钢的抗腐蚀能力。

如图3所示，图3为本发明实施实例1～3的铁素体耐热钢与304、HR₃C两种奥氏体耐热钢在在650℃沉积盐膜(50％CaSO₄、35％NaCl和15％SiO₂)和空气环境中的腐蚀动力学曲线，可以发现，304与HR₃C两种奥氏体耐热钢在0～300h腐蚀期间内产生了严重的氧化膜剥落现象，试样一直处于失重状态，而本发明实施例1的铁素体耐热钢腐蚀至100～150h时才发生氧化膜的剥落现象，且在剩余的腐蚀时间内，试样的增重趋势较为平缓，直至腐蚀结束，同样可以看出，本发明实施例2～3的铁素体耐热钢在此条件下的抗热腐蚀性能均优于两种对比的奥氏体耐热钢，证明本发明的铁素体耐热钢在650℃沉积盐膜(50％CaSO₄、35％NaCl和15％SiO₂)和空气环境下，其抗热腐蚀性能优于304与HR3C两种奥氏体耐热钢。

如图4所示，图4为本发明实施例1铁素体耐热钢在上述腐蚀环境中腐蚀300h的截面形貌，可以看出腐蚀层厚度约为80μm，其剥落程度相对较轻，EDS分析结果显示该腐蚀层主要由Cr、Al、Ni、Fe元素的氧化物混合组成。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，本发明要求保护范围由所附的权利要求书、说明书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种用于燃煤火力发电锅炉管路及阀门铸件的铁素体类耐热钢，其特征在于：用于燃煤火力发电锅炉管路及阀门铸件的铁素体类耐热钢按质量百分比计由以下组分组成：

余量为Fe。

2.根据权利要求1所述的用于燃煤火力发电锅炉管路及阀门铸件的铁素体类耐热钢，其特征在于：用于燃煤火力发电锅炉管路及阀门铸件的铁素体类耐热钢按质量百分比计由以下组分组成：

余量为Fe。

3.权利要求1所述的用于燃煤火力发电锅炉管路及阀门铸件的铁素体类耐热钢的方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)按照权利要求1中所述组分的配比进行配料；

(2)将配比好的原料进行熔炼、铸造，

①配料：将生铁与废钢加入熔炼炉中，逐渐升温至化清时，使用扒渣剂进行打渣，打渣后用硅钙合金进行预脱氧处理；

②熔炼：依次加入铬铁、钼铁和锰铁合金进行熔炼，化清后进行炉前成分分析，将钢液温度调整至1600℃，同时进行打渣与脱氧处理；

③出钢：成分合格后，加入纯铝，化清后即刻出钢；

④浇注：钢水转入浇包内，浇注温度为1550℃，浇注完成后冷却至室温时进行打箱，清理并切割冒口，清理后进行喷砂；

(3)对耐热钢钢锭或铸件进行机械加工，具体内容包括：铸件粗加工或钢锭的切割处理；

(4)对加工后的耐热钢铸件进行热处理工艺，钢锭进行制管然后进行喷砂，制得用于燃煤火力发电锅炉管路及阀门铸件的铁素体类耐热钢。

4.根据权利要求3所述的用于燃煤火力发电锅炉管路及阀门铸件的铁素体类耐热钢的方法，其特征在于：在步骤(2)中，所述熔炼工序使用的熔炼设备为中频无芯感应熔炼炉、真空感应熔炼炉或电弧熔炼炉。

5.根据权利要求3所述的用于燃煤火力发电锅炉管路及阀门铸件的铁素体类耐热钢的方法，其特征在于：在步骤(4)中，热处理工艺包括正火工艺和回火工艺；

正火工艺为：200℃以下装炉，升温速度≤80℃/h，1050℃下保温，后空冷；

回火工艺为：200℃以下装炉，升温速度≤80℃/h，770℃下保温，后随炉冷却至300℃，出炉空冷。