CN108441767A

CN108441767A - 一种火力发电用铁素体耐热钢及其制备工艺

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Publication number: CN108441767A
Application number: CN201810346265.5A
Authority: CN
Inventors: 刘晓; 周欢; 任维彬; 陈晓阳
Original assignee: Jiangsu University of Technology
Current assignee: Jiangsu University of Technology
Priority date: 2018-04-18
Filing date: 2018-04-18
Publication date: 2018-08-24

Abstract

本发明具体涉及一种火力发电用铁素体耐热钢及其制备工艺，该耐热钢包括以下重量百分比组分：C0.03‑0.1％、S≤0.008％、P≤0.008％、Si≤0.5％、Mn≤1.0％、Cr 9.5‑11.0％、Ni≤0.01％、W 1.0‑2.5％、Co 1.0‑3.5％、Mo 1.0‑1.5％、Nb 0.01‑0.1％、V 0.1‑0.3％、Cu 1.3‑1.8％、Al 0.1‑0.8％、Ba 0.001‑0.1％、Mg 0.001‑0.1％、N≤0.005％、B≤0.01％、Zr≤0.015％、Ti≤0.015％、稀土0.001‑0.08％，余量为Fe。该耐热钢高温持久强度及抗高温氧化性能良好。

Description

一种火力发电用铁素体耐热钢及其制备工艺

技术领域

本发明属于耐热钢合金技术领域，具体涉及一种火力发电用铁素体耐热钢及其制备工艺。

背景技术

600℃及以上超超临界火力发电技术是指主蒸汽温度超过600℃，主蒸汽压力超过31MPa的先进火力发电技术。有数据报道，当汽轮机主蒸汽温度每升高27℃时，机组效率提高0.8％；在相同主蒸汽温度下，初压每提高6-7MPa，机组效率则提高0.9-1％。在不采用二次再热的条件下，该技术可将机组发电效率提高到接近甚至超过50％，从而大幅降低燃煤消耗，同时减少SO₂、NOx、CO₂及重金属污染物等的排放，对环境的可持续发展具有十分重要的意义和应用价值。

高温结构材料是实现先进超超临界火力发电技术最重要的材料，服役环境要求其具备良好的高温持久强度、蠕变性能、抗烟气腐蚀性能及抗高温氧化性能等。而其中的铁素体耐热钢在超超临界火电机组中有着广泛的应用，主要用作制造蒸汽轮机转子材料。随着锅炉向高参数、大容量、低排放、低碳和高效率发展，国内外发电设备制造企业都希望由现在的600℃往650℃及更高的蒸汽温度参数发展，这对转子用材提出了更高的需求。

因此，超超临界火电机组用高温铁素体转子用钢的开发研制，以满足650℃及以上更高蒸汽温度汽轮机发展的需求，并为汽轮机自主设计提供材料保障，具有十分重要的意义。

发明内容

本发明主要提供了一种火力发电用铁素体耐热钢及其制备工艺，该耐热钢高温持久强度及抗高温氧化性能良好。其技术方案如下：

一种火力发电用铁素体耐热钢，其包括以下重量百分比组分：C0.03-0.1％、S≤0.008％、P≤0.008％、Si≤0.5％、Mn≤1.0％、Cr 9.5-11.0％、Ni≤0.01％、W 1.0-2.5％、Co 1.0-3.5％、Mo 1.0-1.5％、Nb 0.01-0.1％、V 0.1-0.3％、Cu 1.3-1.8％、Al 0.1-0.8％、Ba 0.001-0.1％、Mg 0.001-0.1％、N≤0.005％、B≤0.01％、Zr≤0.015％、Ti≤0.015％、稀土0.001-0.08％，余量为Fe。

优选的，所述稀土元素为镧、铈、钇元素中的一种或几种。

优选的，所述稀土元素为镧、铈、钇元素中的一种或几种与镨、钕、钷、钐中的一种或几种组合而成。

优选的，镧、铈和钇元素中任意一种元素的质量占稀土元素总量小于等于51％，且镧、铈和钇元素中任意两种元素的质量占稀土元素总量大于等于99.5％。

上述火力发电用铁素体耐热钢的制备工艺，所述工艺包括冶炼、铸锭或铸锭开坯、热轧、热处理步骤。

优选的，所述冶炼具体的为，采用真空感应炉、真空感应炉与电渣重熔、电炉与炉外精炼、转炉与炉外精炼中的任一种工艺冶炼除稀土元素以外的其他组分，出钢浇铸前加入稀土元素，浇铸温度控制在1500-1650℃。

优选的，所述铸锭或铸锭开坯采用锻造开坯或直接送热轧，加热温度为1000-1250℃，开坯始锻温度为1050-1200℃，终锻温度为900-1000℃，锻后空冷。

优选的，进行热轧时，坯料加热温度为1000-1250℃，开轧温度为1050-1200℃，终轧温度为900-1000℃，空冷。

优选的，所述热处理包括固溶处理和时效预处理两个过程，固溶处理温度为1050-1150℃，保温0.5-1.5小时后水冷；时效预处理温度为720-800℃，保温1-3小时后空冷。

本发明的机理如下：

本发明铁素体耐热钢充分应用“多元素复合强化”理论，添加适量铬、钨、钴和少量镍元素，避免组织中出现δ铁素体；此外，充分发挥铬、钨、稀土和钡等固溶强化元素及铌、钒、铜、钛和锆等沉淀析出强化元素的作用，并辅以位错强化和亚结构强化等作用对本发明耐热钢高温热强性的贡献。同时，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，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650℃及以上具有优良的的高温持久性能及抗高温氧化性能。

此外，本发明加入稀土元素及钡元素，通过稀土和钡的复合微合金化作用，起到双重固溶强化效果；利用两者都具有较高的表面活性而富集于晶界的效应来改善晶界结构，提高晶界强度；另外，稀土和钡元素可抑制耐热钢高温下氧化层的生长速度，使氧化层与基体结合良好，使基体不被进一步氧化，从而提高耐热钢的抗高温氧化性能。

采用上述方案，本发明具有以下优点：

本发明耐热钢的抗高温氧化性能优良，还具有较好的力学性能。其室温力学性能、高温力学性能、高温持久强度和抗氧化性能等远好于12CrMoVNbNW耐热钢。

附图说明

图1为实施例1-14制备的铁素体耐热钢和对比例1-4合金在650℃热暴露不同时间后的室温冲击性能图。

具体实施方式

以下实施例中的实验方法如无特殊规定，均为常规方法，所涉及的实验试剂及材料如无特殊规定均为常规生化试剂和材料。

实施例1-14

实施例1-14中铁素体耐热钢的成分见表1所示。不锈钢合金的具体加工工艺如下：

(1)冶炼：采用真空感应炉、真空感应炉与电渣重熔、电炉与炉外精炼、转炉与炉外精炼中的任一种工艺冶炼除稀土元素以外的其他组分，出钢浇铸前加入稀土元素，浇铸温度控制在1500-1650℃；

(2)铸锭或铸锭开坯：采用锻造开坯或直接送热轧，加热温度为1000-1250℃，开坯始锻温度控制在1050-1200℃，终锻温度控制在900-1000℃，锻后空冷；

(3)热轧：坯料加热温度1000-1250℃，开轧温度控制在1050-1200℃，终轧温度控制在900-1000℃；

(4)热处理：包括固溶处理和时效预处理两个过程：固溶处理温度为1050-1150℃，保温0.5-1.5小时后水冷；时效预处理温度为720-800℃，保温1-3小时后空冷。

本发明不锈钢的力学性能和腐蚀试验等试样均直接从冷轧退火酸洗后的板材上横向取样。

对比例1-4

冶炼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、热处理、抗高温氧化和力学性能等试验条件下进行。对比例1-4成分见表1所示。

表1实施例1-14制得的耐热钢和对比例1-4合金的化学成分(wt％)

(续表1)

序号	V	Nb	Ti	Cu	Zr	Al	B	Ba	Mg	N	RE
												实施例1	0.18	0.05	0.007	1.36	0.009	0.14	0.005	0.006	0.005	0.004	0.013
实施例2	0.25	0.05	0.004	1.45	0.008	0.15	0.007	0.006	0.005	0.003	0.018
												实施例3	0.24	0.06	0.010	1.53	0.008	0.16	0.007	0.007	0.006	0.004	0.020
实施例4	0.17	0.07	0.006	1.46	0.007	0.17	0.008	0.007	0.006	0.003	0.028
												实施例5	0.23	0.08	0.009	1.55	0.008	0.18	0.007	0.008	0.005	0.003	0.026
实施例6	0.26	0.07	0.011	1.57	0.009	0.20	0.008	0.006	0.005	0.004	0.031
												实施例7	0.27	0.06	0.008	1.61	0.010	0.21	0.007	0.006	0.006	0.003	0.029
实施例8	0.25	0.07	0.009	1.63	0.010	0.18	0.008	0.007	0.007	0.004	0.040
												实施例9	0.26	0.08	0.007	1.60	0.009	0.19	0.007	0.006	0.007	0.003	0.045
实施例10	0.23	0.08	0.008	1.58	0.008	0.17	0.008	0.007	0.006	0.004	0.037
												实施例11	0.25	0.09	0.009	1.52	0.007	0.16	0.009	0.006	0.008	0.003	0.053
实施例12	0.28	0.07	0.008	1.49	0.009	0.18	0.008	0.007	0.007	0.003	0.062
												实施例13	0.22	0.08	0.007	1.48	0.008	0.17	0.007	0.008	0.006	0.004	0.042
实施例14	0.25	0.06	0.006	1.54	0.009	0.17	0.008	0.006	0.006	0.003	0.035
												对比例1	0.33	0.06	0.003	—	0.009	0.005	0.012	—	—	0.021	—
对比例2	0.32	0.07	0.004	—	0.008	0.005	0.013	—	—	0.024	—
												对比例3	0.30	0.07	0.005	—	0.008	0.006	0.013	—	—	0.022	—
对比例4	0.32	0.06	0.004	—	0.010	0.006	0.012	—	—	0.020	—

性能测定

分别对实施例1-14所述的铁素体耐热钢和对比例1-4的合金室温力学性能、高温持久性能、高温抗氧化性能、高温力学性能等对比试验，具体结果见下表2-6。

表2实施例1-14制备的耐热钢和对比例1-4合金的室温力学性能

表3实施例1-14制备的耐热钢和对比例1-4合金在650℃时的外推持久强度

表4实施例1-14制备的耐热钢和对比例1-4合金的650℃高温抗氧化数据

表5实施例1-14制得的耐热钢与对比例1-4合金的高温冲击性能

表6实施例1-14制得的耐热钢与对比例1-4合金的高温拉伸力学性能

对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims

1.一种火力发电用铁素体耐热钢，其包括以下重量百分比组分：C0.03-0.1％、S≤0.008％、P≤0.008％、Si≤0.5％、Mn≤1.0％、Cr 9.5-11.0％、Ni≤0.01％、W 1.0-2.5％、Co 1.0-3.5％、Mo 1.0-1.5％、Nb 0.01-0.1％、V 0.1-0.3％、Cu 1.3-1.8％、Al 0.1-0.8％、Ba 0.001-0.1％、Mg 0.001-0.1％、N≤0.005％、B≤0.01％、Zr≤0.015％、Ti≤0.015％、稀土0.001-0.08％，余量为Fe。

2.根据权利要求1所述的火力发电用铁素体耐热钢，其特征在于：所述稀土元素为镧、铈、钇元素中的一种或几种。

3.根据权利要求1所述的火力发电用铁素体耐热钢，其特征在于：所述稀土元素为镧、铈、钇元素中的一种或几种与镨、钕、钷、钐中的一种或几种组合而成。

4.根据权利要求3所述的火力发电用铁素体耐热钢，其特征在于：镧、铈和钇元素中任意一种元素的质量占稀土元素总量小于等于51％，且镧、铈和钇元素中任意两种元素的质量占稀土元素总量大于等于99.5％。

5.一种权利要求1所述的火力发电用铁素体耐热钢的制备工艺，其特征在于：所述工艺包括冶炼、铸锭或铸锭开坯、热轧、热处理步骤。

6.根据权利要求5所述的火力发电用铁素体耐热钢的制备工艺，其特征在于：所述冶炼具体的为，采用真空感应炉、真空感应炉与电渣重熔、电炉与炉外精炼、转炉与炉外精炼中的任一种工艺冶炼除稀土元素以外的其他组分，出钢浇铸前加入稀土元素，浇铸温度控制在1500-1650℃。

7.根据权利要求5所述的火力发电用铁素体耐热钢的制备工艺，其特征在于：所述铸锭或铸锭开坯采用锻造开坯或直接送热轧，加热温度为1000-1250℃，开坯始锻温度为1050-1200℃，终锻温度为900-1000℃，锻后空冷。

8.根据权利要求5所述的火力发电用铁素体耐热钢的制备工艺，其特征在于：进行热轧时，坯料加热温度为1000-1250℃，开轧温度为1050-1200℃，终轧温度为900-1000℃，空冷。

9.根据权利要求5所述的火力发电用铁素体耐热钢的制备工艺，其特征在于：所述热处理包括固溶处理和时效预处理两个过程，固溶处理温度为1050-1150℃，保温0.5-1.5小时后水冷；时效预处理温度为720-800℃，保温1-3小时后空冷。