CN1170771A - 一种发电锅炉喷燃器火嘴用钢及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种发电锅炉喷燃器火嘴用钢及其制造方法,该铸钢具有如下化学成分百分含量:C0.1—0.35,Cr31—35,Ni6—8,Si0.4—1.0Mn0.4—1.0,Ti0.01—0.3,R_E0.01—0.10,Nb0.3—1.0,Ca0.0015—0.0045,Mg0.001—0.005,S≤0.03,P≤0.03,其高温强度高,抗氧化性好,使用寿命长,制造工艺简便,成本低。主要用于1200—1320℃及其以下的大中型发电锅炉喷燃器火嘴用钢及其他耐热构件。

Description

一种发电锅炉喷燃器火嘴用钢及其制造方法

本发明涉及含铬、铌的合金钢技术领域，具体是一种发电锅炉喷燃器火嘴用耐热铸钢。

发电锅炉喷燃器火嘴是发电锅炉的关键部件。它长期处于高温1000-1300℃范围内工作，并承受煤粉的高速冲刷磨损，喷燃器火嘴的性能直接影响火电厂的安全经济运行。

目前，国内常用1Cr18Ni9Ti、Cr20Ni14Si2等钢板焊接制作喷燃器火嘴。这类钢的高温抗氧化性、高温力学性能和高温磨料磨损性能均较差，使用中常被磨透，变形开裂，使用寿命达不到一个大修期要求，影响发电厂安全经济运行，而且Cr20Ni14Si2钢，含Ni量高，价格昂贵。目前，国外耐热钢大多采用一系列高镍合金钢制造发电锅炉喷燃器火嘴。例如，美国ASTM-HT(Cr17Ni35)，ASTM-HK(Cr25Ni20)等，这类钢高温抗氧化性能好，但含Ni量太高，价格昂贵，国内Ni资源缺乏，使其在推广应用中受到限制。另外，国家标准GB8492-87《耐热钢铸件》，提供了12个钢号，其中不含Ni或少Ni的ZG30Cr18Mn12Si2N，ZG35Cr24Ni7SiN等，由于其抗氧化性差，高温强度低，只适用于热处理炉用炉底板；另一类如ZG40Cr25Ni20，ZG30Ni35Cr15等，虽其抗氧化性能好，且具有较高高温强度，但含Ni量已高达20-35％，故价格昂贵，亦不宜选作火嘴用钢。为了节Ni，国内亦开展了少Ni耐热钢研究。《铸造技术》1996年第一期7页“稀土在含氮奥氏体耐热钢中的作用机理和冶炼工艺”一文公开的ZG3Cr18Mn9Ni4Si2NRE钢号，其不足之处是使用温度为1050℃，抗氧化性能为0.2g/M²·h，均不能满足火电厂锅炉喷燃器火嘴使用要求。

本发明的目的是提供一种发电厂锅炉喷燃器火嘴用钢及其制造方法，该种铸钢不仅具有较高的高温强度，而且具有良好的高温抗氧化性能和抗高温磨料磨损性能，其工艺性好，成本较低，也可广泛用于工作温度在1200-1320℃及其以下的其他耐热构件。

本发明是这样实现的：一种发电锅炉喷燃器火嘴用钢，其特征在于为它具有如下化学成分百分含量的铸钢：C 0.1-0.35，Cr 31-35，Ni6-8，Si 0.4-1.0，Mn 0.4-1.0，P≤0.030，S≤0.030，Ti 0.01-0.3，R_E 0.01-0.10，Nb 0.3-1.0，Ca 0.0015-0.0045，Mg 0.001-0.005，余为Fe。

其最佳化学成分百分含量为：C 0.2-0.3，Cr 31-33，Ni6-7，Si 0.4-0.8，Mn 0.4-0.8，P≤0.030，S≤0.030，Ti 0.03-0.10，R_E 0.03-0.050，Nb0.5-1.0，Ca 0.002-0.003，Mg 0.002-0.005，余为Fe。

本发明在化学成分设计上采用超高Cr，以便大幅度增加高温抗氧化性能，另一方面在钢中加入适量Ni，以提高高温强度、高温硬度。同时加入微量Nb、Ca、R_E、Mg、Ti等元素，实现多微合金强化，保证在高温条件下，具有较高高温强度，高温硬度，良好的塑韧性等优异的综合性能。选择适宜碳量以保证钢具有高强度、高硬度，又不产生(Fe、Cr)7C3碳化物，以免在使用过程中，火嘴开裂。保证发电厂安全经济发电。

现将本发明耐热钢的化学成分设计依据及限定含量范围的理由综述如下：

(1)碳量：为保证钢在高温下具有较高的高温强度，又具有良好的高温抗氧化性能，以及良好熔铸、焊接等工艺性能，故选定碳含量在0.1-0.35范围内。

(2)铬量：铬是本发明钢中保证具有高抗氧化性能的主加合金元素。只有加入足够数量的Cr才能在金属表面生成连续致密的氧化膜，才能具有较高高温抗氧化能力。本发明钢的Cr量控制在31-35％范围内，以使钢的抗氧化温度能达到1200-1320℃，并使钢具有较高的高温硬度。

(3)镍量：Ni是扩大r相区的元素，由于Cr是缩小r相区的元素。当钢中不加Ni时，其金相组织主要是铁素体和碳化物，碳化物降低钢的耐蚀性，并使钢变脆，导致火嘴使用过程开裂。加入适量Ni后，可使金相组织中出现适量奥氏体组织，增加溶碳能力。在本发明钢C、Cr含量范围内，可消除(Fe，Cr)7C3碳化物。同时由于Ni的固溶强化，可提高钢的强度。由于Ni贵，综合考虑，本发明钢将Ni定为6-8％。

(4)硅、锰量：从净化钢水的需要，又限制Si使钢变脆，Mn损害钢的抗氧化性能。故把Si、Mn控制在常规范围内即Si 0.4-1.0％，Mn 0.4-1.0％。

(5)硫、磷含量：在本发明钢中视S、P为有害元素，应尽可能降低其含量，应分别控制在S≤0.030％，P≤0.030％范围内。

(6)稀土：加入微量R_E是用来净化钢水，细化晶粒，提高强度和韧性，改善铸造性能，减少热裂倾向。加入微量R_E元素，还会使氧化膜更加稳定，从而明显提高钢的抗氧化性能。但加入过量稀土元素，会产生非金属夹杂物，损害钢的力学性能。故将R_E控制在0.01-0.10％范围内。

(7)铌量：Nb是强烈形成碳化物的元素，与钢中碳形成稳定碳化物NbC，弥散分布于基体中，可以显著提高钢的高温强度和抗氧化性能。这是本发明钢与现有火嘴用钢重要区别之一。由于Nb的价格贵，在保证钢使用性能前提下，应尽量降低其加入量。故将Nb控制在0.3-1.0％范围内。

(8)钛量：微量Ti可与钢中C、Nb形成Nb和Ti的复合碳化物，提高碳化物高温稳定性，从而进一步提高钢的高温强度和高温硬度。本发明钢将Ti控制在0.01-0.3％范围内。

(9)镁量：镁在高温状态下，发生汽化，促使钢水沸腾，起到去气、搅拌、净化钢水的作用，可细化晶粒，提高钢的强韧性，消除非金属夹杂物造成的钢的脆性和热裂现象。钢中加入适量Mg还可使NbC更加精细化，且均匀分布于整个晶界面上，提高钢的热强性，Mg的合适含量应为0.001-0.005％范围内。

(10)钙量：向钢中加入微量Ca，可充分脱氧、去气、脱硫，净化晶界。Ca与S、O易于化合形成CaS和CaO，减少S、O有害作用，且能细化晶粒，可明显提高钢在高温下的塑性和韧性，防止火嘴部件的开裂，延长使用寿命。Ca应为0.0015-0.0045。

本发明还提供了上述钢的如下制造方法：其特征是将用电炉熔炼的原钢水进行复合变质处理，首先用铝对原钢水进行脱氧处理，然后将硅钙合金加入钢液中，使Ca达到要求化学成分，最后用高稀土低镁硅铁合金加入钢包中，用钢水冲熔，使R_E、Mg、Si等达到要求化学成分，电炉可用电弧炉或中频电炉等。由于其铸造性能甚佳，故可采用水玻璃砂，或树脂砂浇铸壁厚8毫米以上的各种规格形状的喷燃器火嘴，无热裂，表面光洁，铸件组织致密，且以铸态供货，可省去通常的高温固溶热处理。根据要求，铸件可进行机加工、焊接。

本发明钢与现有制造发电锅炉喷燃器火嘴用钢相比，具有下述优点：

1、加入较高Cr含量，未有意加有害抗氧化性的Mn元素，同时加入多种提高抗氧化性能的元素，使该钢具有较高抗氧化性能，加入适量C、Ni使钢铸态无碳化物(Fe，Cr)7C3，只有弥散分布的NbC颗粒，使本钢既具有良好高温耐磨性，又使工件使用中不开裂，本发明钢未加入易产生气孔的N元素，保证铸件组织致密。

2、本发明钢所采用的高稀土低镁硅铁合金与硅钙合金联合处理钢液，变质处理后，可细化组织，提高高温强度以及抗氧化性能，且可基本消除铸件热裂现象。

3、本发明钢综合性能好，具有较高高温强度、高温硬度、高温抗氧化性以及具有高的耐磨性，使其制造的火嘴使用寿命可达二个大修期。比原用Cr20Ni14Si2钢火嘴提高1倍，而比1Cr18Ni9Ti钢火嘴，提高5倍以上。保证了发电厂安全经济发电。

下面以实施例进一步说明本发明钢的性能和使用效果。

实施例1：

根据本发明所设计的化学成分范围进行配料，在中频感应炉中熔炼，待钢水温度达到1580-1620℃，用铝终脱氧，再加入硅钙合金，例如加入SiCa31，SiCa28，SiCa24等，在钢水包中加入高稀土低镁硅铁合金，例如加入包钢稀土一厂生产的FeSiMg2R_E27，FeSiMg2R_E30等，出钢冲熔，浇注喷燃器火嘴铸件及Y型试块，型内保持8小时，开型清理铸件，铸态使用。将Y型试块按相应国标标准加工成测试各项性能试样，并按相应标准测试，其结果如下：

1、化学成分见表5。

2、力学性能测试结果，见表1。

                        表1

试验温度℃	抗拉强度σbMPa	伸长率δ5％	断面收缩率ψ％	冲击吸收功AKVJ
					209001000	712252193	6.53647	7.15462	34

3、高温硬度

试验温度900℃，维氏硬度HV1：85.2、83.4、84.5。

4、高温抗氧化试验

1000℃×500h平均氧化增重速度为：0.075g/M²·h。

5、装炉使用效果

将生产的火嘴装于670t/h发电锅炉，运行2个大修期，比原用Cr20Ni14Si2焊接火嘴使用寿命提高一倍以上。

实施例2：制造方法同实施例1，测试各项数据如下：

1、化学成分见表5。

2、力学性能测试结果，见表2

                           表2

试验温度℃	抗拉强度σbMPa	伸长率δ5％	断面收缩率ψ％	冲击吸收功AKVJ
					229001000	735268202	6.03443	6.84858	39.5

3、高温硬度

试验温度900℃，维氏硬度HV1：87.6、87.5、86.8。

4、高温抗氧化试验

1000℃×500h平均氧化增重速度为：0.072g/M²·h。

5、装炉使用效果

某热电厂原用某厂生产的火嘴，在75t/h发电锅炉使用1个小修期(半年左右)，就被烧损磨穿就需更换。使用实施例2生产的火嘴，使用2年，经检查烧蚀磨损甚微，预计能使用2个大修期，使用寿命提高3倍以上。保证该电厂安全经济发电。

实施例3，生产方法同实施例1，检测各项数据如下：

1、化学成分见表5。

2、力学性能测试结果，见表3

                    表3

试验温度℃	抗拉强度σbMPa	伸长率δ5％	断面收缩率ψ％	冲击吸收功AKVJ
					239001000	705270198	6.329.538	7.03545	38

3、高温硬度试验结果

试验温度900℃，维氏硬度HV1：89.3、89.1、89。

4、高温抗氧化性试验结果

1000℃×500h平均氧化增重速度为：0.079g/M²·h。

5、装炉使用效果

生产16件方形发电锅炉喷燃器火嘴，在某发电厂运行20200小时，经检测仍良好，予计可使用两个大修期，使用寿命可比原火嘴提高1倍以上。

本发明钢的实施例与现有技术对比结果，见表4。

注：数据来源：

(1)Cr20Ni14Si2数据系从成品火嘴取样测得。

(2)2G4Cr24Ni9Si2NR_E钢数据自《水力电力机械》1991年第3期42页“火电厂锅炉耐热件用新型耐热钢”。

(3)ZG4Cr27Ni10SiMn钢数据来自《钢铁》1994年第3期“双相耐热ZG4Cr27Ni10SiMn钢的高温性能”一文。

(4)ZG3Cr18Mn9Ni4Si2NR_E，1Cr25Ni20Si2钢种数据来自《铸造技术》1996年第1期7页“稀土在含氮奥氏体耐热钢中的作用机理和冶炼工艺”一文。

实施例钢化学成分重量百分含量见表5：

注：实施例4、5、6性能均符合要求，略。

通过对比表明，本发明钢与现有高铬镍奥氏体钢相比，本发明钢Ni含量仅为高铬镍钢的1/2，所以成本低；而本发明高温强度、抗氧化性却远远高于高铬镍钢；本发明钢由于采用多元微合金化及变质技术，高温强度与高温抗氧化性，均显著高于现有技术钢种，必然使火嘴使用寿命提高1-2倍。本发明具有较高的经济效益与社会效益。

Claims (3)

1、一种发电锅炉喷燃器火嘴用钢，其特征在于为具有如下化学成分百分含量的铸钢：C 0.1-0.35，Cr 31-35，Ni 6-8，Si 0.4-1.0，Mn 0.4-1.0，P≤0.030，S≤0.030，Ti0.01-0.3，R_E 0.01-0.10，Nb 0.3-1.0，Ca 0.0015-0.0045，Mg 0.001-0.005，余为Fe。

2、根据权利要求1所述的火嘴用钢，其特征是最佳化学成分百分含量为：C 0.2-0.3，Cr 31-33，Ni 6-7，Si 0.4-0.8，Mn 0.4-0.8，P≤0.030，S≤0.030，Ti 0.03-0.10，R_E 0.03-0.050，Nb 0.5-1.0，Ca 0.002-0.003，Mg 0.002-0.005，余为Fe。

3、一种根据权利要求1或2所述的发电锅炉喷燃器火嘴用钢的制造方法，其特征是将用电炉熔炼的原钢水进行复合变质处理，首先用铝对原钢水进行脱氧处理，然后将硅钙合金加入钢液中，使Ca达到要求化学成分，最后用高稀土低镁硅铁合金加入钢包中，用钢水冲熔，使R_E、Mg、Si等达到要求化学成分。