CN117385284A - 一种火电机组用铁素体耐热钢及生产方法 - Google Patents
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Abstract
一种火电机组用铁素体耐热钢，其组分及wt％为：C:0.04～0.10％、Si：不超过0.5％、Mn:0.20～0.70％、P≤0.02％、S≤0.005％、Al：不超过0.03％、Cr:2.0～2.6％、W:1.6～2.5％、Nb:0.02～0.06％、V：0.15～0.30％、Cu：0.5～1.0％、N≤0.02％、O≤0.003％、B：0.002～0.005％、Ce：0.01～0.04％、La：0.005～0.02％；工艺：常规冶炼并浇铸成需要的圆形钢锭；冷却；进行奥氏体化；斜轧、穿孔、热挤压；采用空冷或油冷或淬火液冷冷却；回火；空冷至室温。本发明通过控制W、Cu、La、Ce及工艺，使火电机组关键部件用钢高温持久强度在600℃、105h条件下，由目前不超过80MPa提高到86MPa以上，使热耗率降低率不低于0.85％。
Description
技术领域
本发明涉及一种热交换设备用钢及生产方法，具体属于一种火电机组用铁素体耐热钢及生产方法。
背景技术
火力发电是当今世界上最重要能源之一。为提升火电机组发电效率、降低的CO2气体排放，最有效的途径是提高汽轮机的蒸汽温度、压力等参数。近些年，随着发电技术的发展，大容量、高参数火电机组近年来大量投入电网，现在超(超)临界机组已成为中国电力生产市场的主力机型。研究表明，超超临界火电机组主蒸汽压力每提高1MPa，机组的热耗率就可下降0.13％～0.15％；主蒸汽温度每提高10℃，机组的热耗率就可下降0.25～0.30％；再热蒸汽温度每提高10℃，机组的热耗率就可下降0.15％～0.20％。随着发电机组蒸汽压力、温度的提高，金属材料高温持久强度弱化是其面临的主要难题。同时，如何在保障安全的基础上，降低材料制造和应用成本，也成为了发展先进火电机组的关键。目前，世界各国都在积极研发新型耐热钢材料，我国近几年新建的大型机组使用的材料大多依赖于从国外进口。
先进火电机组用耐热钢一般分为铁素体、马氏体和奥氏体耐热钢三类。其中，马氏体和奥氏体耐热钢的合金含量较高，其公开成分主要是基于9％～12％Cr的高铬合金钢、18Cr-8Ni型奥氏体不锈钢，通过调整微量元素的添加以及改变热处理工艺优化演变所得；其高温耐久强度在600℃、10 5h条件下，通常达到100MPa以上。铁素体耐热钢合金含量较低，其公开成分主要是基于2.25％Cr的低铬合金钢优化演变所得；其600℃高温耐久强度通常不超过80MPa。虽然马氏体和奥氏体耐热钢具有良好的耐高温持久强度，但其Cr、Ni等合金含量高，由此导致其材料价格高昂，较大程度上制约了其应用推广。铁素体耐热钢具有合金含量低、可加工性能好、焊接性优良、制造成本低等优点，以及价格便宜的优势，深受火电行业青睐，广泛用于水冷壁、过热器和再热器等部件。然而，相对于马氏体和奥氏体耐热钢而言，铁素体耐热钢的高温持久强度相对较低，尚待研究提升。
目前，超临界及以上的火电机组使用的先进铁素体耐热钢，主要由国外企业研制，如经检索：2.25％Cr系列钢中的T22钢，所公开的成分为2.25Cr1Mo，工艺为正火温度900—960℃+回火温度700—750℃；其高温持久强度(600℃、10 5h)约36MPa。日本住友公司基于T22钢，通过降低Mo、增加W/V/Nb/N/B含量以提高持久强度，所开发T23钢的公开成分为2.25Cr1.6WVNbBN，工艺为正火温度1040—1080℃+回火温度750—780℃；材料600℃高温持久强度可提升至80MPa左右。欧洲的V&M公司基于T22钢，通过增加V/Ti/N/B含量，所开发T24钢的公开成分为2.4Cr1MoVTiBN，工艺为正火温度1040—1090℃+回火温度720—770℃；材料600℃高温持久强度可提升至78MPa左右。
发明内容
本发明在于克服现有技术存在的不足，提供一种通过调控W、Cu、La及Ce，使火电机组水冷壁、过热器和再加热器等关键部件的高温持久强度，在600℃下经10 5h由不超过80MPa提高到86MPa以上，并能降低热耗率0.85％以上的火电机组用铁素体耐热钢及生产方法。
实现上述目的的措施：
一种火电机组用铁素体耐热钢，其组分及重量百分比含量为：C:0.04～0.10％、Si：不超过0.5％、Mn:0.20～0.70％、P≤0.02％、S≤0.005％、Al：不超过0.03％、Cr:2.0～2.6％、W:1.6～2.5％、Nb:0.02～0.06％、V：0.15～0.30％、Cu：0.5～1.0％、N≤0.02％、O≤0.003％、B：0.002～0.005％、Ce：0.01～0.04％、La：0.005～0.02％，余量为铁及不可避免杂质元素；金相组织为全铁素体。
优选地：Si的重量百分比含量为不超过0.42％。
优选地：Cu的重量百分比含量为0.56～0.91％。
优选地：Ce的重量百分比含量为0.018～0.033％。
优选地：La的重量百分比含量为0.009～0.016％。
生产一种火电机组用铁素体耐热钢的方法，其步骤：
1)常规冶炼并浇铸成需要的圆形钢锭；
2)进行冷却，自然冷却至室温；
3)对圆形钢锭进行奥氏体化，控制圆形钢锭加热温度在1060～1120℃，并在此温度下保温60～180min；保温时间与圆形钢锭的直径成正相关关系；
4)常规进行斜轧、穿孔、热挤压工序；
5)进行冷却，冷却方式采用空冷或油冷或淬火液冷；
6)进行回火处理，控制回火温度在740～780℃，回火时间在30～90min；
7)空冷至室温。
优选地：圆形钢锭加热温度在1068～1113℃，并在此温度下保温66～165min。
优选地：回火温度在747～772℃，回火时间在30～78min。
本发明中各组分及主要工艺的作用及机理
碳：C是钢中最经济、有效的强化元素。C可以和Cr、W、Nb和V等元素形成析出物碳化物，通过弥散强化等方式，提高材料的高温持久蠕变性能；C还是奥氏体形成元素，拟制高温δ-铁素体的形成，提升材料高温持久强度。然而，过高的C含量对材料焊接性能不利；同时，也会过多消耗固溶元素(如Cr、W)，抑制MX型碳氮化物相以纳米尺寸析出，负面影响材料持久蠕变性能。因此，本发明钢的C含量范围控制在0.04-0.10％。
硅：Si对耐热钢的抗高温蒸汽腐蚀有益，同时可显著提高钢的回火稳定性和强度；但Si含量过高会降低材料高温持久强度。因此，本发明钢的Si含量控制在不超过0.50％，优选地Si的重量百分比含量为不超过0.42％。
锰：Mn是奥氏体形成元素，具有固溶强化作用，可抑制高温δ-铁素体形成；但含量过高，会降低材料蠕变强度.因此本发明钢中锰的含量控制在0.2～0.6％。
磷：P是钢中的有害元素，易引起铸坯中心偏析。在随后的热连轧加热过程中易偏聚到晶界，使钢的脆性显著增大。同时基于成本考虑且不影响钢的性能，将其含量控制在0.02％以下。
硫:S是非常有害的元素。钢中的硫常以锰的硫化物形态存在，这种硫化物夹杂会恶化钢的韧性，并造成性能的各向异性，因此，需将钢中硫含量控制得越低越好。基于对制造成本的考虑，将钢中S含量控制在0.005％以下。
铝：Al是很好的脱氧剂，有利于降低钢中的氧含量；但添加多量的铝，容易形成氧化铝团块夹杂，因此Al含量控制在0.03％以内。
铬：Cr是提高耐蚀性和抗氧化性的重要元素。随着Cr含量的增加，钢的抗蒸汽腐蚀性能明显增加；当Cr含量过高时，钢中将产生δ铁素体，从而降低材料的高温热强度，同时将增加材料成本。因此，本发明钢选取Cr含量范围为2.0～2.6％。
钨：W是典型的固溶强化元素，同时还有促进MX型碳氮化物以纳米形式析出的作用。但过多会导致δ-铁素体形成，降低强度和韧性。因此，本发明钢中，W含量范围为1.6～2.5％。
铌：Nb是强C、N化物形成元素，可形成纳米级第二相，阻碍奥氏体晶粒长大、细化奥氏体晶粒，有效提高材料的高温持久强度的同时，还可以改善钢塑韧性。但是过量Nb会与C结合，形成粗大碳氮化物，从而降低材料强度。因此，将其总含量控制在0.02～0.06％范围。
钒：V也是强C、N化物形成元素，可形成纳米级第二相。其含量低于0.15％时，不足以在钢的基体中形成高密度的MX型纳米强化相，但质量百分比超过0.30％时，容易形成粗大碳氮化物，降低蠕变断裂强度。因此本发明钢中，钒的含量控制在0.15～0.30％。
铜：Cu是典型的固溶强化元素，可以固溶在基体中得到了以析出细小的富Cu相，以提高耐热钢的高持久强度，并具有细晶组织及抗氧化性能。当Cu含量较低时，其固溶在基体中析出的纳米级尺寸的富铜相数量少，强化效果弱；当Cu含量较高时，会严重降低钢的高温塑性。因此本发明钢控制Cu含量的范围为0.5-1.0％，优选地Cu的重量百分比含量为0.56～0.91％。
氮：N能够同碳一起与V、Nb、Cr等元素结合形成MX型碳氮化物强化相，提高钢的高温持久和蠕变强度。然而，当质量百分比超过0.02％时，高温长期服役过程中易析出粗大富V、Nb、Cr的复杂氮化物Z相，降低MX纳米析出相，降低材料高温持久强度。因此本发明钢N含量控制在0.02％以内。
氧：O是钢中的有害元素，其易与Cu、Ce、La形成氧化物，从而降低耐热钢持久强度与蠕变性能。通常，O含量越低越好，但由于考虑到脱氧剂Al含量和生产成本，本发明钢O含量控制在0.003％以内。
硼：B可以在晶界和板条界偏聚，起强化晶界和板条界的作用；同时具有稳定M23C6型碳化物的作用，还有因而显著提高蠕变断裂强度。但过高的硼含量，会形成硼化物，降低蠕变断裂强度，而且对热加工工艺不利。本发明钢中，硼的质量百分比控制在0.002～0.005％之间。
稀土铈Ce、稀土镧La：Ce及La可以在钢的晶界偏聚，起强化晶界和板条界的作用；同时可提高C扩散的激活能，显著降低钢中C的扩散系数，提高耐热钢的持久性能和改善热塑性。考虑到Ce、La属于稀土元素、价格昂贵，因此本发明控制钢中的稀土铈0.01～0.04％、稀土镧0.005～0.02％；优选地Ce的重量百分比含量为0.018～0.033％；优选地La的重量百分比含量为0.009～0.016％。
本发明之所以控制圆形钢锭加热温度在1060～1120℃，并在此温度下保温60～180min，是由于奥氏体化温度：奥氏体化是为了将铸态所形成的粗大的M23X6型碳化物和MX型碳氮化物溶解到奥氏体中，以便在正火后的回火过程中析出细小的碳化物和纳米尺寸的MX型碳氮化物。奥氏体化温度低于1060℃，碳化物和碳氮化物溶解不充分，不利于高温蠕变强度的提高；奥氏体化温度高于1120℃，晶粒尺寸长大，降低钢的冲击韧度。因此，本发明圆形钢锭奥氏体化加热温度在1060～1120℃；优选地圆形钢锭加热温度在1068～1113℃，并在此温度下保温66～165min。
本发明之所以控制回火温度在740～780℃，回火时间在30～90min；优选地回火温度在747～772℃，回火时间在30～78min，是由于回火是为了提高组织的稳定性，并获得细小的碳化物、纳米尺寸MX型碳氮化物和富Cu相，以提高钢的高温蠕变强度。回火温度低于740℃，存在马氏体分解不完全，组织不稳定；回火温度高于780℃时，发生再结晶，降低材料强度。
本发明与现有技术相比，本发明通过控制通过控制W、Cu、La及Ce，使火电机组水冷壁、过热器和再热器等关键部件的高温持久强度，即在600℃、10 5h条件下，强度由目前的不超过80MPa提高到86MPa以上，使热耗率降低率不低于0.85％，有利于提升发电机组的热电转换效率。
附图说明
图1为本发明钢在奥氏体化及空冷后的金相组织图；
图2为图1钢经回火处理后的金相组织。
具体实施方式
下面对本发明予以详细描述：
表1为本发明各实施例及对比例的化学成分列表；
表2为本发明各实施例及对比例的主要工艺参数及性能检测情况列表。
本发明各实施例按照以下步骤生产
1)常规冶炼并浇铸成需要的圆形钢锭；
2)进行冷却，自然冷却至室温；
3)对圆形钢锭进行奥氏体化，控制圆形钢锭加热温度在1060～1120℃，并在此温度下保温60～180min；保温时间与圆形钢锭的直径成正相关关系；
4)常规进行斜轧、穿孔、热挤压工序；
5)进行冷却，冷却方式采用空冷或油冷或淬火液冷；
6)进行回火处理，控制回火温度在740～780℃，回火时间在30～90min；
7)空冷至室温。
表1本发明各实施例及对比例的化学成分列表(wt％)
续表1
表2本发明各实施例及对比例的主要工艺参数、性能检测结果列表
从表2可以看出，采用本发明制造所得部件在600℃、10 5h服役环境下，其高温持久强度性能可达86MPa以上，降低热耗率不低于0.85％，较现有铁素体耐热钢材料得到较好提升。
本具体实施方式仅为最佳例举，并非对本发明技术方案的限制性实施。
Claims (8)
1.一种火电机组用铁素体耐热钢，其组分及重量百分比含量为：C:0.04～0.10％、Si：不超过0.5％、Mn:0.20～0.70％、P≤0.02％、S≤0.005％、Al：不超过0.03％、Cr:2.0～2.6％、W:1.6～2.5％、Nb:0.02～0.06％、V：0.15～0.30％、Cu：0.5～1.0％、N≤0.02％、O≤0.003％、B：0.002～0.005％、Ce：0.01～0.04％、La：0.005～0.02％，余量为铁及不可避免杂质元素；金相组织为全铁素体。
2.如权利要求1所述的一种火电机组用铁素体耐热钢，其特征在于：Si的重量百分比含量为不超过0.42％。
3.如权利要求1所述的一种火电机组用铁素体耐热钢，其特征在于：Cu的重量百分比含量为0.56～0.91％。
4.如权利要求1所述的一种火电机组用铁素体耐热钢，其特征在于：Ce的重量百分比含量为0.018～0.033％。
5.如权利要求1所述的一种火电机组用铁素体耐热钢，其特征在于：La的重量百分比含量为0.009～0.016％。
6.生产如权利要求1所述的一种火电机组用铁素体耐热钢的方法，其步骤：
1)常规冶炼并浇铸成需要的圆形钢锭；
2)进行冷却，自然冷却至室温；
3)对圆形钢锭进行奥氏体化，控制圆形钢锭加热温度在1060～1120℃，并在此温度下保温60～180min；保温时间与圆形钢锭的直径成正相关关系；
4)常规进行斜轧、穿孔、热挤压工序；
5)进行冷却，冷却方式采用空冷或油冷或淬火液冷；
6)进行回火处理，控制回火温度在740～780℃，回火时间在30～90min；
7)空冷至室温。
7.如权利要求6所述的一种火电机组用铁素体耐热钢的生产方法，其特征在于：圆形钢锭加热温度在1068～1113℃，并在此温度下保温66～165min。
8.如权利要求6所述的一种火电机组用铁素体耐热钢的生产方法，其特征在于：回火温度在747～772℃，回火时间在30～78min。
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