CN108342661A - 一种火电机组用耐热钢合金材料及其制造工艺 - Google Patents

Abstract

一种火电机组用耐热钢合金材料，该合金材料包括以下质量百分比的各组分：C 0.05～0.15％，S 0.02％，P 0.02％，Si 0.5％，Mn 1％，Cr 7.5～12.5％，Ni 0.5％，Mo 1％，Nb 0.01～0.1％，Ti 0.001～0.015％，V 0.1～0.3％，W 1.0～4.0％，Co 1.0～4.0％，Cu 0.1～1.0％，Zr 0.2％，N 0.05％，Al 0.02％，B 0.001～0.02％，Ba 0.001～0.01％，Re 0.001～0.04％，稀土元素：0.01～0.1％，Fe余量。采用冶炼、铸造、铸锭或铸坯开坯、轧制和锻造后热处理等工序制造而成。其优点在于，该耐热钢合金的高温抗持久性能和抗腐蚀性能优良，高温下长期使用过程中组织稳定，可用作750℃以上超超临界火电机组汽轮机叶片用钢、各种燃烧器及耐热器等高温抗氧化性部件。

Description

一种火电机组用耐热钢合金材料及其制造工艺

技术领域

本发明属于不锈钢合金技术领域，具体涉及一种火电机组用耐热钢合金材料及其制造工艺。

背景技术

燃煤发电机组主要由燃烧系统、汽水系统、电气系统(以汽轮发电机、主变压器等为主)和控制系统等组成。前二者产生高温高压蒸汽；电气系统实现由热能、机械能到电能的转变；控制系统保证各系统安全、合理、经济运行。

而其中电气系统中的汽轮发电机叶片受高温和高压蒸汽的作用，工作中承受着较大的弯矩，在湿热汽区还要经受电化学腐蚀及水滴冲蚀，还要承受更复杂的激振力。因此，汽轮机叶片材质要求须有足够的高温力学性能、抗蠕变性能、较高的抗振动衰减性能、良好的耐腐蚀性能、抗冲蚀能力及良好的工艺性能等。

汽轮机叶片用钢种类繁多，其中600℃以上超超临界火电机组汽轮机叶片材质需要使用耐高温持久强度好、抗氧化性能优良、耐腐蚀性能号、焊接性能及加工性能优良的材料。目前国内外多采用高温合金材料制造。高温合金材料价格昂贵，不但大大加剧了机组的原材料成本，而且给加工也带来很大的困难。

发明内容

为解决现有技术存在的高温合金材料价格昂贵的缺陷，本发明提供一种加稀土元素的基于复合强化及晶界强化的耐持久性和高温抗氧化性极强的火电机组汽轮机叶片用耐热钢合金材料。

一种火电机组用耐热钢合金材料，该合金材料包括以下质量百分比的各组分：C0.05～0.15％，S 0.02％，P 0.02％，Si 0.5％，Mn 1％，Cr 7.5～12.5％，Ni 0.5％，Mo1％，Nb 0.01～0.1％，Ti 0.001～0.015％，V 0.1～0.3％，W 1.0～4.0％，Co 1.0～4.0％，Cu 0.1～1.0％，Zr 0.2％，N 0.05％，N 0.02％，B 0.001～0.02％，Ba 0.001～0.01％，Re0.001～0.04％，稀土元素：0.01～0.1％，Fe余量。

进一步的，所述的稀土元素为Ce或La或Y或镧铈混合稀土。镧铈混合稀土中，La≦41％，Ce≦50％，还含有镨、钕、钷、钐稀土元素的一种或几种，稀土含量99.5％。。

一种火电机组用耐热钢合金材料的制造工艺，包括冶炼、铸锭或铸坯开坯、热轧或锻造后热处理；其中：

(1)冶炼：采用真空感应炉、电炉+炉外精炼或转炉+炉外精炼进行，在出钢浇铸前加入稀土金属，浇铸温度控制在1500～1650℃；

(2)铸锭或铸锭开坯：铸锭或铸坯采用锻造开坯或直接送热轧，加热温度为1000～1150℃，开坯始锻温度控制在1000～1150℃，终锻温度控制在900～1000℃，锻后空冷；

(3)热轧：钢材热轧时坯料加热温度1000～1150℃，开轧温度控制在1050～1200℃，终轧温度控制在800～950℃，空冷；

(4)热轧或锻造后热处理：奥氏体化+油冷，回火+空冷；奥氏体化温度为1050～1200℃，保温0.5～1h后空冷；冷却到室温后回火，回火温度700～800℃，保温1～3h后空冷。

有益效果：本发明综合考虑了生产成本及使用性能等因素，开发出了一种添加稀土元素、铼、钼、钒、铌、钡、锆等合金元素的基于复合强化及晶界强化的耐持久性和高温抗氧化性极强的火电机组汽轮机叶片用耐热钢合金材料。本发明的耐热钢，可用作700℃以上超超超临界火电机组汽轮机叶片用钢、各种燃烧器及耐热器等高温抗氧化性的部件。

本发明耐热钢采用多元素复合强化及晶界强化理论，以组织中无δ铁素体为主成分设计原则，在此基础上加入铬、钨、稀土和钡等固溶强化合金元素，减少晶界缺陷，提高晶界的结合力，降低晶界的扩散速率，从而减缓位错攀移，强化晶界。同时，稀土元素和钡还能富集于晶界，能减少S、P等杂质元素在晶界的偏聚，同时改善晶界结构，提高晶界强度，从而提高钢的高温蠕变性能和持久强度；另外，这些稀土元素可使钢在高温状态下的氧化层生长速度得到抑制，使得氧化层与基体结合良好，在高温循环作用下能保护基体不被进一步氧化，从而提高钢的抗高温氧化性能；另外，加入的铌、钒、铜、镍、铼和锆等合金元素还能起到沉淀析出强化和位错强化的效果，提高本合金的高温强度和塑性。

本发明合金充分利用了热强钢多元素复合强化机理，结合耐热钢的研究基础，通过添加固溶强化元素及沉淀析出型等元素的匹配及精确控制来进一步提高本发明合金的强度，并充分发挥冶金强化作用，提高本发明合金材料在高温下的晶界强度及韧性，通过提高高温下晶界强度这个短板，来有效提高发明合金的高温耐持久强度。上述合金成分设计及开发与热处理工艺相结合，使本发明合金在750℃及以上具有优良的的高温持久性能及抗高温氧化性能。

本发明合金的高温持久强度优良，还具有较好的高温抗氧化性能。其高温持久强度和抗氧化性能远优于12CrMoVNbNW不锈耐热钢；另外，本发明合金的室温抗拉强度、冲击韧性等机械性能也远大于12CrMoVNbNW耐热钢。

附图说明

图1：本发明实施例制备的耐热钢合金材料和对比例在750℃下的抗氧化数据示意图。

具体实施方式

根据本发明所设定的化学成分范围，在真空感应炉中冶炼了10炉钢，其成分见表1。具体制备方法如下：冶炼-铸锭或铸锭开坯-热轧–轧制或锻造后热处理。

(1)所述冶炼采用真空感应工艺，出钢浇铸前加入稀土，浇铸温度控制在1500-1650℃。

(2)铸锭或铸锭开坯采用锻造开坯或连铸连轧，加热温度为1000-1150℃，开坯始锻温度控制在1000-1150℃，终锻温度控制在900-1000℃。

(3)热轧时坯料加热温度1000-1150℃，开轧温度控制在1050-1200℃，终轧温度控制在800-950℃。

(4)热轧或锻造后热处理：奥氏体化+油冷，回火+空冷；奥氏体化温度为1050-1200℃，保温0.5-1h后空冷；冷却到室温后回火，回火温度700-800℃，保温1-3h后空冷。

本发明耐热钢的力学性能和高温抗氧化性能等试样均直接从热轧后进行热处理的板材上横向取样。

对比例1-4：为便于对比，还同时冶炼了4种成分的12CrMoVNbNW耐热钢，依次标注为对比例1、2、3、4。对比试验均在与实施例相同的冶炼、锻造、轧制、力学性能等测试条件下进行。

试验例：

进行实施例S1-S10所述合金和对比例CK1-CK4钢号的化学成分(其中稀土元素用RE表示)、机械性能、高温抗氧化性能对比试验，具体结果见下表：

表1 各实施例和对比例钢号的化学成分(wt％)

表2 实施例S1-S10制备的合金和对比例CK1-CK4钢号的室温机械性能

表3 实施例1-10制备的合金和对比例1-4钢号750℃时效后室温冲击韧性

表4 实施例1-10制备的合金和对比例1-4钢号在750℃时不同时间下的抗氧化数据

Claims (4)

1.一种火电机组用耐热钢合金材料，其特征在于，该合金材料包括以下质量百分比的各组分：C 0.05～0.15％，S≤0.02％，P≤0.02％，Si≤0.5％，Mn≤1％，Cr 7.5～12.5％，Ni≤0.5％，Mo≤1％，Nb 0.01～0.1％，Ti 0.001～0.015％，V 0.1～0.3％，W 1.0～4.0％，Co1.0～4.0％，Cu 0.1～1.0％，Zr≤0.2％，N≤0.05％，Al≤0.02％，B 0.001～0.02％，Ba0.001～0.01％，Re 0.001～0.04％，稀土元素：0.01～0.1％，Fe余量。

2.如权利要求1所述的耐热钢合金材料，其特征在于，所述的稀土元素为Ce或La或Y或镧铈混合稀土。

3.如权利要求2所述的耐热钢合金材料，其特征在于，镧铈混合稀土中，La≦41％，Ce≦50％，还含有镨、钕、钷、钐稀土元素的一种或几种，稀土含量≥99.5％。

4.如权利要求1所述的火电机组用耐热钢合金材料的其制造工艺，其特征在于，包括冶炼、铸锭或铸坯开坯、热轧或锻造后热处理；其中：

(1)冶炼：采用真空感应炉、电炉+炉外精炼或转炉+炉外精炼进行，在出钢浇铸前加入稀土金属，浇铸温度控制在1500～1650℃；

(2)铸锭或铸锭开坯：铸锭或铸坯采用锻造开坯或直接送热轧，加热温度为1000～1150℃，开坯始锻温度控制在1000～1150℃，终锻温度控制在900～1000℃，锻后空冷；

(3)热轧：钢材热轧时坯料加热温度1000～1150℃，开轧温度控制在1050～1200℃，终轧温度控制在800～950℃，空冷；

(4)热轧或锻造后热处理：奥氏体化+油冷，回火+空冷；奥氏体化温度为1050～1200℃，保温0.5～1h后空冷；冷却到室温后回火，回火温度700～800℃，保温1～3h后空冷。