超超臨界機組關鍵不銹鋼材料p310hcbn的研發(fā)

超超臨界機組關鍵不銹鋼材料p310hcbn的研發(fā)

在超級電容器的主要壓力部門中，充電器和再熱器的工作量最大（600c），最大承受壓力最大（25.31mpa）。面對高溫水蒸發(fā)、蒸汽燃燒和煤燃燒產(chǎn)生的高溫氣腐蝕，以及由電機開關、電機過載和軸向力變化引起的熱應力變化引起的熱應力變化。因此,惡劣的工作環(huán)境要求制備過熱器、再熱器等高溫段的材料具有:1)良好的組織穩(wěn)定性;2)良好的高溫性能,即優(yōu)異的抗高溫蠕變性能、高的持久強度及良好的抗高溫蒸汽腐蝕性能;3)良好的抗晶間腐蝕性能;4)良好的焊接性能和成型性能等。本文闡述了太鋼研制的TP310HCbN耐熱無縫鋼管的生產(chǎn)工藝流程、主要設備參數(shù),以及生產(chǎn)過程中采取的主要工藝措施。同時,介紹了以優(yōu)質(zhì)廢鋼做為原料,采用“電爐+AOD精煉”兩步法生產(chǎn)的TP310HCbN耐熱無縫管的冶金質(zhì)量、性能特點及其應用情況。1t電弧工藝轉(zhuǎn)換太鋼生產(chǎn)TP310HCbN耐熱無縫鋼管的工藝流程為:原料→90t電爐→45tAOD精煉→45tLF爐深處理→模注→1800t徑鍛成管坯→管坯加熱→6000t熱擠壓→冷軋→中間熱處理→冷軋→成品熱處理→矯直→酸洗→檢驗→入庫→包裝。2研究結果2.1金屬絲質(zhì)量2.1.1hcbn耐熱鋼管化學成分化學成分控制范圍及實物水平見表1、表2。檢驗結果表明:太鋼TP310HCbN耐熱無縫鋼管化學成分均符合GB5310和ASMESA-213M及相關鍋爐廠采購規(guī)范的要求;化學成分控制穩(wěn)定,尤其在C、Cr、Ni、N、Nb等主要元素方面具有控制波動范圍窄,有害元素含量低的特點。2.1.2基礎原料檢測按照GB/T10561標準,對太鋼TP310HCbN耐熱無縫鋼管的夾雜物進行檢查,檢測結果見表3。檢驗結果表明:太鋼TP310HCbN耐熱無縫鋼管鋼中非金屬夾雜物滿足GB5310和ASMESA-213M及哈鍋及東鍋采購規(guī)范的要求。該TP310HCbN耐熱無縫鋼管鋼質(zhì)非常純凈。2.2金相檢驗及密封按照GB/T13298和GB/T6394標準,對太鋼TP310HCbN耐熱無縫鋼管縱截面進行了金相檢驗,試制樣管的組織均為奧氏體,晶粒度控制在5～6級別,均滿足GB5310和ASMESA-213M及相關鍋爐廠采購規(guī)范的要求(圖1)。2.3重要的可靠性指標2.3.1bn耐熱鋼管的力學性能及硬度檢測按照GB/T228和GB231.1標準,對太鋼TP310HCbN耐熱無縫鋼管進行了常溫力學性能及硬度檢測,檢測結果見表4。檢測結果表明,太鋼TP310HCbN無縫管常溫力學性能滿足GB5310、ASTMA213/A213M相關鍋爐廠采購規(guī)范的標準要求。2.3.2高溫拉伸性能按照GB4338標準要求,對太鋼TP310HCbN無縫管進行了高溫拉伸性能測試,試驗數(shù)據(jù)見圖2。試驗結果表明,太鋼TP310HCbN無縫管高溫拉伸性能滿足GB5310及相關鍋爐廠采購規(guī)范的標準要求。2.3.3試驗結果分析對太鋼的TP310HCbN無縫管進行了700℃的高溫持久試驗,試驗數(shù)據(jù)見表5。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)進行回歸處理的持久結果:外推出樣管700℃、10萬h的持久強度為大于等于166.8MPa,達到了GB5310—2008標準中TP310HCbN鋼中的700℃、10萬h持久強度大于等于62MPa的規(guī)定。2.3.4晶間腐蝕試驗將太鋼TP310HCbN無縫管按照GB/T4334—2008或ASTMA262-02aE法進行了晶間腐蝕試驗(圖3)。試驗結果表明:該TP310HCbN無縫管耐晶間腐蝕性能滿足GB5310及相關鍋爐廠采購規(guī)范的標準要求。2.4工藝能力2.4.1擴口及壓至試驗研究按照ASMESA—450M標準,對太鋼TP310HCbN無縫管進行了擴口及壓扁試驗,試驗結果見如圖4所示。試驗結果表明:該TP310HCbN無縫管擴口及壓扁性能滿足GB5310及相關鍋爐廠采購規(guī)范的標準要求。2.4.2工藝參數(shù)及接頭試驗結果分別選用太鋼?57mm×8mm和?45mm×8.5mmTP310HCbN無縫管作為焊接樣管進行同鋼種焊接。焊接方式采用鎢極氬弧焊,直流正接,選用德國蒂森伯樂的鎳基THERMANT617焊絲,焊接接頭示意圖見圖5,工藝參數(shù)見表6。焊接接頭組織見圖6,接頭力學性能檢測及彎曲試驗結果見表7。試驗結果表明:太鋼TP310HCbN不銹鋼的焊接接頭的微觀組織及拉伸性能滿足JB4708-2000及GB5310標準要求。2.5表面的質(zhì)量和尺寸的精度太鋼TP310HCbN無縫管表面為固溶酸洗狀態(tài),其表面質(zhì)量與尺寸精度均滿足GB5310及相關鍋爐廠采購規(guī)范的標準要求。3分析與討論3.1抗腐蝕能力強TP310HCbN是日本住友在TP310基礎上通過復合添加Nb、N合金元素研制出的一種新型耐熱鋼,與S30432相比,更適用于制作超超臨界鍋爐中的蒸汽條件極其惡劣、抗腐蝕性要求更高的過熱器或再熱器鋼管。與傳統(tǒng)TP310相比,具有更高的奧氏體組織穩(wěn)定性、防止和抑制σ析出的特點。按照過熱器和再熱器在實際使用過程中鋼管溫度通常高于蒸汽溫度的30～50℃考慮,并承受25.4～30.0MPa左右的壓力,結合電站鍋爐自身對安全性、長壽命、長維護周期以及經(jīng)濟性等方面因素影響,對1000MW超超臨界電站鍋爐過熱器和再熱器用不銹鋼管進行了強化機制研究和合金成分設計。3.1.1商業(yè)免疫材料的氫脆材料ndf和高溫尺度下的壓縮試驗通過對TP310HCbN鋼管電鏡觀察和分析,結果表明:其強化機制主要是依靠穩(wěn)定奧氏體基體上分布著晶內(nèi)析出的NbCrN、Nb(C,N)、M23C6進行強化。與10Cr18Ni9NbCu3BN(UNSS30432)相同,當蠕變發(fā)生時,析出的納米級Nb(C,N)、NbCrN和M23C6由于和基體熱膨脹的差異,使納米級析出相的周圍萌生位錯,這些位錯又為隨后沉淀出析出相提供格點釘扎新的位錯,以阻止蠕變滑動。因此,材料服役中在晶內(nèi)、層錯、位錯、晶界上不斷沉淀析出的多種納米級析出相對材料抗蠕變性能起到了較好的析出強化作用,從而提高了材料的蠕變破斷壽命。納米級析出相數(shù)量越多、尺寸越小、穩(wěn)定性越強,則材料的抗高溫蠕變性能越好、高溫持久強度也越高。圖7和圖8為太鋼生產(chǎn)的TP310HCbN成品管晶內(nèi)Nb(C,N)和NbCrN析出相的明場相、衍射花樣和能譜分析。圖9為太鋼生產(chǎn)的TP310HCbN材料在120MPa、700℃條件下時效1239.5h后析出的Cr23C6透射電鏡照片。3.1.2高溫持久強度在上述TP310HCbN不銹鋼強化機制研究的基礎上,圍繞如何產(chǎn)生數(shù)量多、尺寸小、分布廣、穩(wěn)定性強的納米級析出物,進行相應的成分設計,以改善高溫蠕變性能,提高高溫持久強度(圖10)。綜合考慮上述因素初步確定該品種應采用“低C、高N,中上限控Nb、Cu,合理的Cr、Ni含量”的合金化設計體系,結合以往生產(chǎn)經(jīng)驗,最終成分(質(zhì)量分數(shù),%)控制范圍為:C0.05～0.08,Si≤0.65,Mn≤1.5,P≤0.025,S≤0.002,Cr24.0～26.0,Ni19.0～20.0,Nb0.35～0.55,N0.20～0.30。3.2原料的選擇與用量的控制采用傳統(tǒng)的廢鋼原料,冶煉不銹鋼時會導致鋼中含有不必要的有害雜質(zhì)元素(P、S及五害等)在鋼中的某些部位的富集而存在,不僅會影響到鋼的耐腐蝕性能,更重要的是影響到鋼的熱加工性能,而選擇太鋼內(nèi)部優(yōu)選的廢鋼原料,使有害元素(質(zhì)量分數(shù),%)的控制到了最低限度(P≤0.025,S≤0.002,Pb、Sn、Sb、As、Bi各小于等于40×10-6,總量不大于150×10-6)。3.3鋼中產(chǎn)品x、面及形狀控制鋼中夾雜物的存在不僅危害鋼管的使用性能,更惡化鋼材的冷、熱加工性能,因此要對鋼中夾雜物數(shù)量、大小以及形貌進行控制。在精煉過程通過采用Si-Al復合脫氧,LF深脫氧、深脫硫技術和鈣處理技術,可以對夾雜物變性,使其數(shù)量大幅度減少,尺寸控制為小于等于5μm以內(nèi)。3.4aod精神液料針對太鋼AOD爐冶煉過程中的供氣制度,分析計算出氮在AOD爐中溶解、脫除規(guī)律,開發(fā)出在AOD精煉工藝上對氮含量的精確控制模型。采用該模型,開發(fā)了TP310HCbN耐熱鋼AOD冶煉高氮鋼完全氮氣合金化工藝,使TP310HCbN成品實測氮范圍在(2300～2700)×10-6之間,按目標氮范圍要求則命中率達100%,見表8。3.5熱壓溫度限定為了使鑄態(tài)粗大的奧氏體組織盡可能發(fā)生動態(tài)再結晶,防止熱加工裂紋的產(chǎn)生,在鋼錠徑鍛開坯過程中,加熱制度均熱溫度限定在1220～1250℃,保證了直接由熔體大量生成NbN和再結晶過程中形成的Nb(CN)充分溶解;熱擠壓時,溫度控制在1180～1200℃,有力地防止了擠壓后期材料溫升過快,工件進入高溫低塑性區(qū)而開裂。3.6控制晶粒度成品熱處理溫度在1200～1220℃之間,保溫恰當?shù)臅r間,出爐快冷,以保證成品鋼管平行于軋制方向的晶粒度控制在5～6級的同時,敏化態(tài)的晶間腐蝕合格。從鋼管的冶金質(zhì)量、組織、常規(guī)檢驗和高溫性能、耐腐蝕性能及相關工藝性能檢測結果分析,太鋼產(chǎn)TP310HCbN各項性能指標全部滿足滿足GB5310和ASMESA—213M及相關鍋爐采購規(guī)范的要求,太鋼生產(chǎn)TP310HCbN鍋爐管成分、性能穩(wěn)定、工藝成熟。4tp230hcbn管坯生產(chǎn)太鋼開發(fā)的TP310HCbN耐熱不銹鋼無縫鋼相繼通過了哈鍋、東鍋、上鍋、北京巴威的技術評定,上海發(fā)電設備成套設計研究院的性能復評,中國機械工業(yè)聯(lián)合會組織的行業(yè)新產(chǎn)品成果鑒定及國家鍋容標委組織的技術評審,并獲得了鍋爐法規(guī)及國家法定生產(chǎn)資質(zhì)《鍋爐壓力容器用材料技術評審證書》,太鋼生產(chǎn)TP310HCbN奧氏體耐熱鋼管,滿足中國鍋爐法規(guī)和相關技術標準的要求,可用于超(超)臨界鍋爐的過熱器和再熱器等部件,以及類似工況的受壓元件。目前已生產(chǎn)了400t的TP310HCbN管坯,應用在哈鍋、東鍋的江蘇呂次港、江西井岡山項目。鋼管具備了批量生產(chǎn)階段。5結構及技術指標要求1)根據(jù)超超臨界電站鍋爐中使用環(huán)境的特點,太鋼通過合理的成分設計,選擇并優(yōu)化了冶煉工藝、模注工藝、軋制工藝、熱處理工藝,開發(fā)