CN105369145A

CN105369145A - 一种高炉煤气余压透平发电装置用叶片的制造方法

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Publication number: CN105369145A
Application number: CN201510756336.5A
Authority: CN
Inventors: 于浩; 宋成浩; 熊浩
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2015-11-09
Filing date: 2015-11-09
Publication date: 2016-03-02

Abstract

一种高炉煤气余压透平发电装置用叶片的制造方法，涉及一种中铬马氏体耐热钢，属于金属材料领域。叶片钢的组分及重量百分比含量为：C≤0.3％、Si≤2％、Mn≤2％、P≤0.010％、S≤0.001％、Cr4～9％、V≤1％，余量为Fe和不可避免的杂质。按照上述成分含量配比，进行电渣熔铸，再进行双淬火回火工艺：加热到1000℃并保温90分钟，随后油淬至室温，再加热至880℃保温60分钟，油淬至室温，最后加热到625℃保温90分钟，回火结束后空冷至室温。叶片钢的屈服强度为≥630MPa，抗拉强度≥730MPa，断后伸长率≥23％，断面收缩率≥75％，室温冲击功≥135J。本发明叶片钢性能好、成本低，具有重要的应用价值。

Description

一种高炉煤气余压透平发电装置用叶片的制造方法

技术领域

本发明属于材料热处理技术领域，特别是涉及一种高炉煤气余压透平发电装置新型叶片钢的热处理工艺。

背景技术

进入新世纪以来，我国在各个领域发展迅速，工业规模快速增长，特别是钢铁行业发展迅猛。虽然我国钢铁工业发展迅速，但我国钢铁产业仍然存在较大问题，例如品种质量亟待升级，企业节能减排管理有待完善，成熟的节能减排技术有待进一步系统优化，自主创新能力需要加强等等。

而针对钢铁生产能源消耗方面，现阶段我国大中型钢铁企业的吨钢比能耗比先进产钢国家高出9.9～17.2％。我国与钢铁强国的最大差距不是生产工艺、装备和产品不先进，而是能源消耗和环境质量尚不能满足钢铁强国的要求。因此节能减排是我国钢铁工业发展的当务之急。我国钢铁工业吨钢产生的余热资源量约为8.4GJ，目前回收利用的仅有25.8％。对于钢铁行业而言，通过回收余热余能来实现节约能源，是效率较高、成效较为显著的方法，也是未来钢铁工业节能的主攻方向。

TRT技术正是完全符合节能减排的一项技术。TRT(英文全称BlastFurnaceTopGasRecoveryTurbineUnit)，即高炉煤气余压透平发电装置，是利用高炉煤气具有的压力及热能，使煤气通过透平膨胀机做功，将其转化为机械能的装置。TRT设备的运行原理为：在高炉正常生产情况下，利用所产生的高炉煤气强大的压力差而具有的动能，推动透平机运转，带动发电机发电，是国内外公认的冶金企业重大节能装置。

TRT技术对于钢铁工业的节能减排有着非常重要的意义。该装置既可以回收高炉汽轮鼓风机所需的30％左右的能量，又可以净化煤气、降低噪音、稳定炉顶压力，改善高炉生产的条件，同时不产生任何污染。应用TRT技术，每生产一吨铁约可发电20～40kW·h。如果高炉煤气采用干法除尘，发电量还可增加30％左右。目前，我国钢铁企业效益下滑十分严重，出现全面亏损，面临前所未有的经营困境，而TRT技术显然可以降低钢铁企业的生产成本，缓解企业的运营压力。无论是从节能减排还是从降低钢铁企业运营成本方面，TRT技术都具有非常显著的优势，所以，近几年国内钢铁企业已经比较普遍地应用了TRT技术。

TRT叶片一般在温度为160℃以下，高炉煤气压力低于180kPa的条件下工作。TRT设备的特殊工作条件要求其叶片必须具有良好的强度、韧性、热稳定性和一定的耐腐蚀能力。传统的叶片生产工艺包括采用电炉冶炼并经电渣重熔，然后经过对叶片坯料锻造之后，再做高温回火。在以上工艺中，生产工序较多，生产周期长。为了克服传统工艺的不足，本发明采用最新工艺，通过电渣熔铸的方法，一次成形生产TRT叶片，然后通过热处理达到所需要的性能要求。这种短流程制造工艺，材料利用率高并且节约成本。同时，为了满足TRT叶片用钢的力学性能要求，在对电渣熔铸和热处理工艺参数进行设计和精确控制的同时，还需要对叶片用钢进行合金系统的设计与优化。基于上述要求，本发明开发的利用电渣熔铸工艺生产的低成本TRT叶片用钢，对于我国高炉煤气余压透平发电装置的发展具有较大的推动作用。

发明内容

为了进一步响应节能减排的号召，提高产业的效益，本发明旨在提供一种生产高效益、高品质的高炉煤气余压透平发电装置的新型叶片钢的热处理工艺。

本发明采用如下技术方案：采用创新性电渣熔铸技术结合双淬火回火热处理工艺的的制造方法，生产一种高炉煤气余压透平发电装置用的叶片。

考虑到高铬耐热钢中出现Cr₂₃C₆碳化物粗化生长，导致钢的耐腐蚀性和韧性大大降低，同时考虑强度要求，Cr的含量确定在4～9％；考虑Si元素对于钢抗氧化能力与力学性能的影响，Si含量设定小于2％；考虑Mn的强化作用和热敏感性，Mn含量控制在小于2％；为保证钢基体在实际应用环境中具有较高的强度与组织稳定性，在钢中加入的V含量为小于1％；考虑抗酸与抗气体腐蚀能力，同时为节约成本，Ni含量控制在小于2％；S、P在钢中均为有害元素，应控制其含量尽可能小。

所以生产的新型叶片钢的成分及重量百分比含量为：C≤0.3％、Si≤2％、Mn≤2％、P≤0.010％、S≤0.001％、Cr4～9％、V≤1％，余量为Fe和不可避免的杂质。

本发明的创新工作是设计出一种生产高炉煤气余压透平发电装置的新型叶片钢的生产工艺，具体包括以下步骤：

步骤1.配料：按照设计成分分别称取各个原料，混合均匀，在真空炉中进行熔炼铸坯，得到铸锭；

在开发新钢种过程中，充分考虑到每一种合金元素在钢中所起到的作用，以达到利用最佳的元素配比获得最优综合性能的目的。

步骤2.电渣熔铸：将熔炼而成的铸锭进行890～910℃的均匀化后，将得到的钢锭作为消耗电极在电渣重熔炉内进行重熔、并同时进行模铸，最终得到所需形状叶片的近净形电渣锭；

采用电渣熔铸是由于电渣熔铸具有以下特点：

(1)钢锭的纯洁度高；

(2)钢锭轴向结晶，组织致密、均匀；

(3)表面质量良好；

(4)设备简单，易于操作。

电渣熔铸后铸锭的抗拉强度与屈服强度较高，而伸长率与冲击功则比较低，伸长率与冲击功要远小于叶片的使用要求值，必须进行热处理。

步骤3.双淬火回火处理：将铸锭加热到990～1010℃并保温85～95分钟，随后油淬至室温，再将试样加热至870～890℃保温55～65分钟，油淬至室温，最后加热到620～630℃保温85～95分钟，回火结束后空冷至室温，即得到高炉煤气余压透平发电装置的新型叶片用钢。

对于本发明中的高炉煤气余压透平发电装置的新型叶片钢，与传统的高温单淬火工艺(CQT)相比，双淬火工艺(DQT)有巨大的优势。经过DQT处理后，试样的奥氏体晶粒被细化到CQT试样的1/2左右。这证明多次奥氏体化可以有效地减小奥氏体晶粒尺寸，同时还可以使组织更加均匀。经过DQT与CQT处理后的组织均为回火马氏体组织，而DQT组织较CQT要更加的均匀，且原奥氏体晶粒更加细小，同时马氏体板条束也更加细化。单淬火工艺(CQT)和双淬火工艺(DQT)相比，其性能差异主要是因为晶界强化和第二相沉淀强化作用的不同。

本发明由于采用了以上技术方案，使之具有以下优点和显著效果：

(1)本发明提供了一种高效益高炉煤气余压透平发电装置的新型叶片钢及其制备工艺，该方法与传统的单淬火回火工艺相比，具有更优异的力学性能。仅通过适当的工艺创新，就能得到屈服强度≥630MPa，抗拉强度≥730MPa，断后伸长率≥23％，断面收缩率≥75％，室温冲击功≥135J的高炉煤气余压透平发电装置的新型叶片钢；

(2)本发明首次结合电渣熔铸技术和双淬火回火热处理工艺，用于中铬耐热钢的生产，使高炉煤气余压透平发电装置的叶片具有优良的强韧性配合，并达到开发出低成本高性能高炉煤气余压透平发电装置的新型叶片钢的目的，为制造新型耐热钢及其热处理工艺的创新提供了思路和方法；

(3)高炉煤气余压透平发电装置的新型叶片钢作为应用于节能领域的发明，对于提高能源使用率具有重要的应用价值，能够极大提高钢铁产业的节能水平，提升经济效益。

附图说明

图1不同回火温度显微组织的透射电镜照片：(a)550℃(b)625℃(c)700℃

图2不同回火温度下钢中碳化物的分布：(a)550℃(b)625℃(c)700℃

图3不同温度回火的EBSD取向差图：(a)550℃(b)625℃(c)700℃

图4双淬火回火热处理工艺图

具体实施方式

本发明设计的一种高炉煤气余压透平发电装置的新型叶片钢，其主要组分及重量百分比含量为:C≤0.3％、Si≤2％、Mn≤2％、P0.010％、S0.001％、Cr4～9％、V≤1％，余量为Fe和不可避免的杂质。

下面以附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

首先按照上述成分范围进行熔炼、电渣熔铸，然后检测铸坯的成分，见表1。

表1电渣坯的成分(wt.％)

下面采取3个实例，为不同的回火温度，然后进行性能检测。

实例一

进行双淬火回火工艺：加热到1000℃并保温90分钟，随后油淬至室温，再将试样加热至880℃保温60分钟，油淬至室温，最后加热到550℃保温90分钟，回火结束后空冷至室温。然后测其力学性能，如表2所示。

表2回火温度为550℃时叶片钢的力学性能

可看出回火温度在550℃时抗拉和屈服强度都很高，但是塑性很低，其伸长率，断面收缩率和冲击功都比高炉用叶片钢的一般标准要低。原因在于回火温度较低，马氏体回复不完全，其中还存在大量的位错，导致其塑性和韧性都很低。

实例二

进行双淬火回火工艺：加热到1000℃并保温90分钟，随后油淬至室温，再将试样加热至880℃保温60分钟，油淬至室温，最后加热到625℃保温90分钟，回火结束后空冷至室温。然后测其力学性能，如表3所示。

表3回火温度为625℃时叶片钢的力学性能

可看出625℃回火后所有力学性能都远超过一般的高炉用叶片钢的标准，其强度比550℃的要低300MPa左右，主要因为回火温度高，位错的回复比550℃高，所以其塑性和韧性都提高。

实例三

进行双淬火回火工艺：加热到1000℃并保温90分钟，随后油淬至室温，再将试样加热至880℃保温60分钟，油淬至室温，最后加热到700℃保温90分钟，回火结束后空冷至室温。然后测其力学性能，如表3所示。

表4回火温度为700℃时叶片钢的力学性能

可看出虽然其塑性和韧性都很高，但是其强度比温度低时下降很多，抗拉强度已经不满足一般的高炉用叶片钢的标准。由图1可看出位错密度较550℃和625℃回火有大幅度的下降，同时板条也发生了明显的粗化。由于位错的重排以及密度的减小，大量的等轴亚结构在这一阶段开始形成。钢中的沉淀仍是M₇C₃型碳化物，但尺寸却远大于较低温度回火时生成的碳化物。图3是在不同回火温度后的EBSD取向差图。可以看到，随着回火温度的上升，大角度晶界比率出现了显著的提高，而且大角度晶界的长度也更长。这是因为在更高温度下回火马氏体板条的回复程度更高，这导致了小角度取向差的板条界融合生长转变为大角度晶界。因此对于在550-700℃回火的试样，马氏体板条回复所导致的基体的软化以及大角度晶界长度的增加是引起塑性和冲击功增加的主要原因。

分析以上三种不同回火温度后的力学性能，得到最优的回火温度为625℃，可以生产出性能优异的高炉煤气余压透平发电装置的叶片用钢。本发明生产的这种高炉煤气余压透平发电装置的新型叶片用钢广泛适用于冶金行业的各大钢铁企业。

以上实例的生产工艺，能得到性能优越的高炉煤气余压透平发电装置的新型叶片用钢，但不仅限于实例所示的工艺。在不脱离本发明构思的情况下，还可以有更多变化或改进的其他实施例，而这些变化或改进都属于本发明的范围。

Claims

1.一种高炉煤气余压透平发电装置用叶片的制造方法，其特征在于将电渣熔铸技术和双淬火回火热处理工艺相结合生产叶片，叶片钢的组分及重量百分比含量为：C≤0.3％、Si≤2％、Mn≤2％、P≤0.010％、S≤0.001％、Cr4～9％、V≤1％，余量为Fe和不可避免的杂质，具体制备步骤如下：

步骤2.电渣熔铸：将熔炼而成的铸锭进行890～910℃均匀化处理，将得到的钢锭作为消耗电极在电渣熔铸炉内进行熔铸，最终得到所需形状的叶片；

步骤3.双淬火+回火热处理：将电渣锭加热到990～1010℃并保温85～95分钟，随后油淬至室温，再将试样加热至870～890℃保温55～65分钟，油淬至室温，最后加热到620～630℃保温85～95分钟，即得到组织和性能满足要求的高炉煤气余压透平发电装置的新型叶片。

2.根据权利要求书1所述的高炉煤气余压透平发电装置用叶片的制造方法，其特征在于，所述高炉煤气余压透平发电装置用的叶片钢屈服强度为≥630MPa，抗拉强度≥730MPa，断后伸长率≥23％，断面收缩率≥75％，室温冲击功≥135J。