（材料学专业论文）t91铁素体耐热钢相变过程及强化工艺.pdf

t 91 铁素体耐热钢相变过程及强化工艺 p h a s et r a n s f o r m a t i o n sa n d s t r e n g t h e n i n gp r o c e s s e so ft 9 1 f e r r i t i c h e a t r e s i s t a n ts t e e l 一级学科：材料科学与工程 学科专业：材料学 研究生：宁保群 指导教师：刘永长教授 天津大学材料科学与工程学院 二零零七年十二月 摘要 t 9 1 ( 9 c r - l m o v - n b - n ) 钢是高c r 铁素体耐热钢的代表钢种，广泛用于超 临界发电厂锅炉管道上；同时也是开发更高使用温度的铁素体耐热钢材的研究基 准。随着能源短缺和环境污染问题的日益突出，提高锅炉管用钢的耐热温度以及 提高电厂热效率的研究势在必行。 目前对t 9 1 钢的研究大都是从合金化、工艺性能、化学性能和工程使用上进 行的，较少有关于该钢相变过程、组织控制及强化机理的报导。为深入地研究 t 9 1 钢相变过程及机理、组织形成与演化规律以及探索铁素体耐热钢进一步强化 的成型新工艺，本文综合采用线膨胀测量和现代材料分析方法，进行t 9 1 钢加热 过程中奥氏体化、连续冷却转变以及冷却过程中等温停留与施加微小应力变形等 情况下的t 9 1 钢相变过程的研究，以期系统地澄清t 9 1 钢的相变过程及规律， 阐明其影响机理。并在此基础上进行t 9 1 钢强化工艺的热机械变形模拟，论证通 过形变热处理进行组织细化，第二相的诱导析出来进一步强化t 9 1 钢的可行性。 在大量实验研究与理论分析的基础上，取得了如下结论： ( 1 ) 通过对升温过程中加热速度对t 9 1 钢奥氏体形成影响的研究，绘制了 连续加热奥氏体化过程转变曲线，实验结果表明： 加热速度显著影响t 9 1 钢的奥氏体形成开始温度( 4 ，) 和结束温度( 4 ，) ， 加热速度愈大，4 和4 ，愈高，奥氏体形成速率愈快；奥氏体化速率的峰值与加热 速度符合如下关系：缈帆。= - 2 1 7 x 1 0 - - s v 2 + 3 0 6 x 1 0 卅v 1 8 4 x 1 0 - 2 ( 其中 矽以。为奥氏体化速率，矿为加热速度) 。与此同时，碳化物溶解与加热速度密切 相关，加热速度较低时，奥氏体中大量m 2 3 c 6 型碳化物溶解，改变了c 浓度分布， 从而促进m x 型碳化物的形成，形成的m x 型碳化物可有效避免奥氏体晶粒粗大； 加热速度大到一定程度时，m 2 3 c 6 型碳化物在奥氏体加热过程中溶解得很少或是不 溶，而是被高的加热速度推迟到奥氏体区保温阶段溶解；此外，较快的加热速度可 使奥氏体初始晶粒度细化，但不利于奥氏体的均匀化。 ( 2 ) 澄清了t 9 1 钢连续冷却过程中的相变规律，确定了该钢发生马氏体转 变的临界冷却速度，绘制了连续冷却转变曲线，研究表明： t 9 1 钢的连续冷却过程中只存在铁素体和马氏体转变区，1 0 c m i n 和2 m i n 分别为奥氏体向马氏体转变的上临界冷却速度和下临界冷却速度。 不同淬火速度对t 9 1 钢马氏体开始转变温度( m s ) 有较大的影响，其不同 于随冷速增加而相变点升高的经典理论。淬火速度通过碳原子气团、淬火空位和 内应力的形成来影响过冷奥氏体状态，从而影响相变点；随淬火速度的增加，过 冷奥氏体转变后的组织呈细化趋势，但当速度大于1 0 0 0 m i n 时，冷速的变化 对组织形貌几乎没有影响。 ( 3 ) 通过对t 9 1 钢过冷奥氏体冷却过程中，在m s 点附近等温停留的奥氏 体稳定化研究发现： 在m s 点以上较高温度等温停留时，该钢表现出明显的反稳定化现象，即马 氏体转变开始温度高于m s 点，并随保温时间延长反稳定化程度增加； 在m s 点以上较低温度等温停留时，t 9 1 钢的马氏体转变开始温度低于m s 点；且随保温时间的延长继续降低；其最终组织仍为完全马氏体，属于伪稳定化。 在m s 点以下附近温度( 4 0 0 ) 保温时，马氏体继续转变温度降低，但因转变温 度较高，而且机械稳定化作用太小，所以室温组织仍没有残余奥氏体出现，亦属 伪稳定化现象。 当在3 8 0 以下等温停留时，t 9 1 钢的奥氏体稳定化趋势显著，马氏体继续 转变温度显著降低，发生不完全马氏体转变，组织中存在残余奥氏体，此时奥氏 体稳定化过程受机械稳定化和热稳定化的双重因素影响。 ( 4 ) 针对t 9 1 钢过冷奥氏体冷却过程中，施加微小压应力变形的研究发现： t 9 1 钢在8 5 0 温度以上施加应力不会促进马氏体的形成。在此温度以下施 加应力将促进马氏体的形成，提高马氏体相变开始温度。应力作用下的t 9 1 钢存 在两种转变机制：施加应力温度较高时，其转变机制属应变诱发马氏体，组织呈 细化趋势，晶界形态趋于不规则；在施加应力温度较低时，属应力诱发马氏体转 变，其形态与热诱发马氏体相似。4 4 0 。c 是应力诱发马氏体相变的开始温度，1 5 0 - 2 0 0 m p a 存在着4 4 0 应力诱发马氏体相变的临界应力。 ( 5 ) 利用t 9 1 钢宽的奥氏体未再结晶区和含有n b 、v 等元素的特点，进行 了形变热处理诱导n b n 碳氮化物析出，从而使其性能进一步强化的探索性研究， 研究发现： 形变热处理后t 9 1 钢显微组织发生显著的均匀细化，更重要的是该工艺可以 为m x 型n b v 碳氮化物颗粒的析出提供更多的形核位置，从而来生成更多、更 细小的弥散分布的m x 型碳氮化物。 通过拉伸实验表明：形变热处理可以明显提高t 9 1 钢的强度，使其进一步强 化，说明了采用形变热处理工艺来提高铁素体耐热钢的使用温度是切实可行的。 关键词：铁素体耐热钢；相变；奥氏体稳定化；微小压应力；形变热处理；马 氏体；形变诱导析出 a b s t r a c t t 91 ( 9 c r im o v n b n ) i st h er e p r e s e n t a t i v eo fh i g hc rf e r r i t i ch e a t 。r e s i s t a n t s t e e l s ，w h i c hh a sb e e nw i d e l yu s e di nh i g ht e m p e r a t u r es t r u c t u r a lc o m p o n e n bs u c h a sm a i ns t e a mp i p e ，s u p e r h e a t e rt u b ea n dr e s u p e r h e a t e rt u b ei na d v a n c e dp o w e r p l a n t s i nv i e wo fg o o dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，e x c e l l e n t o x i d a t i o n 。r e s i s t a n t p r o p e r t i e s ，o u t s t a n d i n gt h e r m a lp r o p e r t i e s r e l a t i v et oo t h e re l e v a t e dt e m p e r a t u r e a 1 1 0 v s s oi ti sr e g a r d e da sr e s e a r c hb e n c h m a r kf o rt h ed e v e l o p m e n to fn e w f e r r i t i c h e a t r e s i s t a n ts t e e l sw i t hh i g h e ra p p l i c a t i o nt e m p e r a t u r e f u r t h e r m o r e ，u n d e rt h e p r e s s u r eo fe n e r g ys h o r t a g ea n de n v i r o n m e n tp o l l u t i o n ，t h es t u d yo nt h et h e r m a l e 仃i c i e n c 、，o fg e n e r a t i n gs t a t i o na n dh e a t - r e s i s t a n tt e m p e r a t u r eo ft h eb o i l e rt u b ei s a l s oi m p e r a t i v e t h e r ea r el o t so fp a p e r sw h i c hd e a lw i t ha l l o y i n g ，p r o c e s s i n gp r o p e r t y ， c h e m i s t r yp r o p e r t y a n d p o t e n t i a le n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n s ，e t c ，w h i l e f e w i n v e s t i g a t i o n s o np h a s et r a n s f o r m a t i o na n ds t r u c t u r a le v o l u t i o no ft 91 s t e e la r e d e v e l o p i n g i no r d e rt oc l a r i f yt h ep h a s et r a n s f o r m a t i o np r o c e s sa n dm e c h a n i s m ， s t r u c t u r a le v o l u t i o na n de x p l o r en e wf o r m i n gp r o c e s so ft 9 1f e r r i t i ch e a t 。r e s i s t a n t s t e e l ，t h ep o s s i b l ei n f l u e n c eo nt h ep r o p e r t i e so ft 9 1s t e e l ，s u c ha sa u s t e n i z a t i o n ， c o n t i n u o u sc o o l i n gt r a n s f o r m a t i o n ，i s o t h e r m a lh o l d i n g ，a n da p p l i e d s t r e s sw e r e s v s t e m a t i c a l l vc h a r a c t e r i z e db y m e a n so fh i g h r e s o l u t i o nl i n e a r d i f f e r e n t i a l d i l a t o m e t r ya n dm o d e mm a t e r i a l sa n a l y s i sm e t h o d s c o n t r o l l e dr o l l i n ga n dc o o l i n g p r o c e s so ft 9 1p r o d u c t sw a ss i m u l a t e di nl a b st od e m o n s t r a t et h ef e a s i b i l i t yo f i m p r o v i n gt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e st h r o u g hs t r u c t u r a lr e f i n e m e n t a n di n d u c e d p r e c i p i t a t i o no fs e c o n d a r yp h a s e ，r e s u l t sa sf o l l o w i n g ： ( 11a u s t e n i z a t i o ni sn o to n l yt h ef i r s ts t a g ef o rt h eh e a tt r e a t m e n to fi r o na n d s t e e l s ，b u ta l s ot h eg o v e r n i n gf a c t o rt h es t a t e o fu n d e r c o o l e da u s t e n i t e ，w h i c h d e t e m i n e st h ef i n a ls t r u c t u r e o fs t e e l s t h ec u r v e so fc o n t i n u o u sh e a t i n g t r a n s f o m l a t i o ns t a t et h ee f f e c to fh e a t i n gr a t i n go nt h ea u s t e n i z a t i o no f t 91s t e e la s f o l l o w i n g ： h e a t i n gr a t eh a sas i g n i f i c a n te f f e c t o nt h ea c lt e m p e r a t u r ef o rt h eo n s e to f a u s t e n i z a t i o na n dt h ea c 3t e m p e r a t u r ef o r t h e e n do fa u s t e n i z a t i o n t h et h u s d e t e r m i n e dt e m p e r a t u r e so fa cl a n da c 3i n c r e a s ew i t hh e a t i n gr a t ei n c r e a s i n g i ne a s e a u s t e n i z a t i o nr a t ee v i d e n t l yi n c r e a s e ，t h ep e r i o d so fa u s t e n i z a t i o n a l s os h o r t e n i i i r e m a r k a b l y t h er e l a t i o nb e t w e e nt h ep e a ko f t r a n s f o r m a t i o nr a t ec u r v ea n dt h eh e a t i n g r a t ea c c o r d sw i t ht h ef o r m u l a t i o n ： d f d t 。x = - 2 1 7 1 0 趣v 2 + 3 0 6 x 1 0 。4 v 一1 8 4 x 1 0 之 ( w i t ha f d rt r a n s f o r m a t i o nr a t ea n dvh e a t i n gr a t e ) i ti s a l s of o u n dt h a tt h e d i s s o l u t i o no fc a r b o n i z a t i o ni sc o r r e l a t i v et ot h eh e a t i n gr a t e w h e nh e a t i n gr a t ei s l o w , s u b s t a n t i v em 2 3 c 6c a r b i d ed i s s o l v e s a sar e s u l t ，t h ef o r m a t i o no fm xc a r b i d e p r o f i t sf r o mc c o n c e n t r a t i o na l t e r i n g o w i n gt ot h es e p a r a t i o no fm xc a r b i d e ，t h e g r a i n so fa u s t e n i t ek e e pf i n ee v e na tl o wh e a t i n gr a t e w h e nt h eh e a t i n gr a t ei n c r e a s e t os o m ee x t e n t ，m o s tm 2 3 c 6c a r b i d ed o n td i s s o l v eu n t i li s o t h e r m a lh o l d i n gs e g m e n t i sa d o p t e d t h ef a s th e a t i n gr a t e k e e p si n i t i a lg r a i ns i z ef i n e ，b u td o e sh a r mt o u n i f o r m i t yo fa u s t e n i t eg r a i n s ( 2 ) t h er u l eo fp h a s et r a n s f o r m a t i o no ft 91s t e e ld u r i n gc o n t i n u o u sc o o l i n gi s c l a r i f i e di n t h i sp a r t ，t h em a r t e n s i t ec r i t i c a lc o o l i n gs p e e di sd e t e r m i n e d ，a n dt h e c o n t i n u o u sc o o l i n gt r a n s f o r m a t i o n ( c c t ) c u r v ei so b t a i n e d i tf o l l o w s ： t h e r er e s e r v eo n l yf e r r i t i ca n dm a r t e n s i t ed u r i n gt h ep r o c e s so fc o n t i n u o u s c o o l i n go f t h ee x p l o r e dt 91s t e e l ，lo c m i na n d2 。c m i na r et h eu p p e ra n dn e t h e r c r i t i c a lc o o l i n gr a t e sf o rt h ep h a s et r a n s f o r m a t i o nf r o ma u s t e n i t et om a r t e n s i t e t h e q u e n c h i n gr a t eh a sas i g n i f i c a n te f f e c to nt h eo n s e tt e m p e r a t u r eo fm a r t e n s i t e t r a n s f o r m a t i o nm s t h er e s u l ti sd i f f e r e n tf r o mt h ec l a s s i c a lt h e o r yt h a tc l a i m e dt h e t r a n s f o r m a t i o np o i n tf a l l sw h e nc o o l i n gr a t er e d u c e s t h eq u e n c h i n gr a t ed e t e r m i n e s t h et r a n s f o r mp o i n tb ya f f e c t i n gt h ec a r b o na t o m i cg r o u p ，q u e n c h i n gv a c a n c ya n d i n t e r n a ls t r e s s w i t ht h eq u e n c h i n gr a t ei n c r e a s i n g ，t h es t r u c t u r eh a sat e n d e n c yo f f i n i n g ，w h e r e a st h ec o o l i n gr a t eb e y o n d l0 0 0 c m i n ，i th a sn o t h i n go nt h e m o r p h o l o g yo ft h es t r u c t u r e ( 3 ) s t u d yo nt h ei s o t h e r m a ls t a b i l i z a t i o nb e h a v i o r so fa u s t e n i t el o c a l i z i n gn e a rt o m st e m p e r a t u r ed u r i n gt h ec o o l i n gp r o c e s so fu n d e r c o o l e da u s t e n i t eo ft 91s t e e l i n d i c a t e s ： w h e ni s o t h e r m a lh o l d i n gt e m p e r a t u r eb e y o n du p p e rm s ，t 91s t e e lp o s s e s s o b v i o u sa n t i s t a b i l i z a t i o nc h a r a c t e r i z a t i o n t h et e n d e n c yo fa n t i s t a b i l i z a t i o ni s s t r o n gw i t hh o l d i n gt i m ep r o l o n g i n g o nt h eo t h e rh a n d ，w h e ni s o t h e r m a lh o l d i n g t e m p e r a t u r ej u s tb e y o n dm s ，t h em a r t e n s i t es t a r tt e m p e r a t u r eo ft 9 1s t e e li sl e s st h a n m s ，a n di td e c r e a s ec o n t i n u o u s l yw i t hh o l d i n gt i m ep r o l o n g i n g ，b u tu l t i m a t es t r u c t u r e k e e p sm a r t e n s i t ew i t h o u ta n yr e s i d u a la u s t e n i t er e m a i n i n g ，w h a ti sc a l l e df a l s e i v s t a b i l i z a t i o n w h i l er e s to n4 0 0 ( 2u n d e rm s ，o w i n gt ot h eh i g ht r a n s f o r m a t i o n t e m p e r a t u r e , r o o mt e m p e r a t u r em i c r o s t r u c t u r eo ft 9 1s a m p l e sd o e sn o tc o n t a i nt h e r e s i d u a la u s t e n i t eo na c t i o no fm e c h a n i c a ls t a b i l i z a t i o n ，i tc a ns t i l lb ea t t r i b u t e dt o f a l s es t a b i l i z a t i o n w h e ni s o t h e r m a lt r a n s f o r m a t i o nt a k e sp l a c eu n d e r3 8 0 c ， a u s t e n i t es t a b i l i z a t i o no ft h es a m p l e sb o o s t su p ，t h ec o n t i n u e dt r a n s f o r m a t i o n t e m p e r a t u r eo fa u s t e n i z a t i o nd e m a n dr e d u c e s ，p a r t i a lt r a n s f o r m a t i o no fa u s t e n i t e o c c u r s t h e r ee x i s t sr e s i d u a la u s t e n i t ei nt h ef i n a lm i c r o s t r u c t u r e a tt h em o m e n t ， s t a b i l i z a t i o no fa u s t e n i t eb ee n s l a v e dt om e c h a n i c a la n dh e a ts t a b i l i z a t i o nt r e a t m e n t s ( 4 ) s t u d yo nt h eu n d e r c o o l e da u s t e n i t ea p p l i e de x t e r n a ls t r e s sd u r i n gc o o l i n g ，t h e r e s u l t sd e m o n s 何a t e ： i nc a s eo ft h et e m p e r a t u r ea p p l i e de x t e r n a ls t r e s so v e r8 5 0 ，t h ee v i d e n c eo f m a r t e n s i t ef o r m a t i o ni sn o to b s e r v e di nt 9 1s t e e l ，w h i l ei tu n d e r8 5 0 ，t h er e s u l t i n d i c a t e st h ea p p l i e de x t e r n a ls t r e s sn o to n l yf a c i l i t a t e st h ef o r m a t i o no fm a r t e n s i t e ， b u ta l s oe n h a n c e st h eo n s e tt e m p e r a t u r eo ft h em a r t e n s i t et r a n s f o r m a t i o n i ti s s u m m a r i z e dt h a tt h e r ea r et w ot r a n s f o r m a t i o n so c c u r r i n ga tt h i ss i t u a t i o n ：w h e nt h e t e m p e r a t u r ea p p li e d e x t e r n a l c o m p r e s s i v e s t r e s si s h i g h ，t h e m e c h a n i s mo f s t r a i n - i n d u c e dm a r t e n s i t et r a n s f o r m a t i o na c t so n ，a sar e s u l t ，t h em i c r o s t r u c t u r e i n c l i n e st ob ef i n e ，t h eg r a i nb o u n d a r yt e n d st ob ei r r e g u l a r o nt h eo t h e rh a n d ，w h e n t h et e m p e r a t u r ea p p l i e de x t e r n a lc o m p r e s s i v es t r e s si sl o w , s t r e s s i n d u c e dm a r t e n s i t e t r a n s f o r m a t i o nt a k e sp l a c e ，t h em o r p h o l o g yi ss i m i l a rt ot h a to fh e a t - i n d u c e d m a r t e n s i t e t h ee x p e r i m e n td a t a r e v e a lt h a t2 0 0 m p ai st h ec r i t i c a ls t r e s sf o r t h e e x p l o r e dt 9 1s t e e la n d4 4 0 ci sc r i t i c a lt e m p e r a t u r eo ft h es t a r to ft h es t r e s s - i n d u c e d m a r t e n s i t et r a n s f o r m a t i o n ( 5 ) t h ee x p e r i m e n to ft h e r m a l - m e c h a n i c a lc o n t r o lp r o c e s ss i m u l a t i o nh a v e b e e np r e f o r m e di nt h ew i d ea u s t e n i t en o n r e c r y s t a l l i z a t i o nr e g i o no ft h ee x p l o r e dt 91 s t e e l t h e p r i n c i p l e a r ev e r i f i e dt h ei n d u c e dc a r b o n i t r i d e p r e c i p i t a t e sb y t h e r m o m e c h a n i c a lt r e a t m e n tc a ni m p r o v et h ep r o p e r t i e so ff e r r i t i ch e a t - r e s i s t a n ts t e e l d u et oa b u n d a n c en b ，ve l e m e n t si nt 91s t e e l ，t h er e s u l t ss h o w ： t h em i c r o s t r u c t u r eo ft 91s t e e la p p e a r st ob er e f i n e da f t e rt h e r m o m e c h a n i c a l t r e a t m e n t ，f u r t h e r m o r e ，t h ep r o c e s so f f e r sm o r en u c l e a t i o np o s i t i o n st h a tf a c i l i t a t et h e f o r m a t i o no fm o r en a n o s i z e dd i s p e r s i n gm xc a r b o n i t r i d ep r e c i p i t a t e s i na d d i t i o n ，t h et e n s i o ne x p e r i m e n ti n d i c a t e dt h e r m o m e c h a n i c a lt r e a t m e n th a sa s i g n i f i c a n ti n f l u e n c ei ni m p r o v i n gt h es t r e n g t ho ft 91s t e e l ，a l lo ft h e s ep r o v et h e v t e n t a t i v eu s i n gt h e r m o m e c h a n i c a lt r e a t m e n tt oe n h a n c et h ew o r k i n gt e m p e r a t u r eo f t 91s t e e l i sf e a s i b l e k e y w o r d s ：f e r r i t i c h e a t - r e s i s t a n t s t e e l s ；p h a s et r a n s f o r m a t i o n ；e x t e r n a l c o m p r e s s i v es t r e s s ；t h e r m o m e c h a n i c a lt r e a t m e n t ；m a r t e n s i t e ；s t r a i n - i n d u c e d s e p a r a t i o n v i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤注盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者魏奇保群签字慨2 即彦年2 月2 7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字日期：二饥学年 张群 2 肌7 日 导师签名： 云1 罚( 众 签字日期：2 p 谣年月 1 7 日 第一章文献综述 11 引言 第一章文献综述 耐热钢的发展与能源、动力机械的进步有着密切的关系。在火力发电、原子 核能、宇航、航空、石油和化学工业等新技术开发领域中，耐热钢性能的优劣是 其成功与否的关键性环节，因此耐热钢的重要性日益提高。特别是近年来为解决 日益突出的能源短缺及环境污染问题，高效率的超( 超) 临界压发电在国际上成 为热门话题。世界各国火力发电机组参数正由亚临界参数( 1 6 7 7 m p a 、5 4 0 ) 向超临界参数( 2 5o m p 、5 4 0 ( 2 5 6 6 ；2 4o 3 0o m p a 、5 8 0 c 6 1 0 c ) 及以 上发展，这样热效率可提高6 7 。改善热效率主要是热动力问题，图1 - 1 显示 了电厂效率通过提高蒸汽参数，即提高蒸汽压力和温度来提高的情况，在5 3 5 c 的温度区间，压力提高到3 0 m p a 后熟效率约提高约19 ，而温度提高到6 5 0 + c 热效率可提高57 ，压力和温度的同时增长可使热效率提高大于8 。因此，电 厂主要是通过提高蒸汽温度来提高热效率。蒸汽温度的提高对发电机组锅炉管用 钢的使用性能提出了更高的要求，因此采用各种各样的先进技术和工艺手段，进 一步提高耐热钢的蒸汽使用温度，以期提高锅炉管热交换效率的研究势在必行， 目前各国都在积极地开展新型耐热钢材的研究与开发1 1 - i 2 。 图1 1 电厂效率和蒸汽参数的关系【8 1 f i g - it h e l e l a t i o n s h i po f t h e p o w e r p i n t se f f i c i e n c ya n ds t e a mp m ，8 1 天津大学博士学位论文 1 2 锅炉管用耐热钢的性能和发展方向 1 2 1 锅炉关键部件的用钢要求 超( 超) 临界电厂锅炉的关键部件主要指水冷壁管、过热器管、再过热器管、 主蒸汽管道及联箱管道等，这些部件运行在恶劣的工况条件下，有很高的用钢要 求 1 2 , 1 3 】。 ( 1 ) 水冷壁管 水冷壁管用钢一般应具有一定的室温和高温强度，良好的抗疲劳性和抗腐蚀 性，并要有好的工艺性能，尤其是要具有优良的焊接性能 1 3 , 2 3 j 。 通常超( 超) 临界锅炉都采用膜式水冷壁。由于膜式水冷壁组件尺寸及结构 的特点，其焊后不可能在炉内进行热处理，故所选用钢材的焊接性至关重要。要 在焊前不预热、焊后不热处理的条件下，满足焊后热影响区硬度不大于3 6 0 h v l 0 、 焊缝硬度不大于4 0 0 h v l 0 的有关规定，以保证使用的安全性。另外，水冷壁管 内介质是汽液两相，管外壁又在炉膛燃烧时煤粉颗粒运动速度最快的区域，积垢 导致的管壁温度升高和燃烧颗粒冲刷都是选用钢材要考虑的问题 1 3 , 1 4 。 ( 2 ) 过热器管、再过热器管 过热器、再热器管的金属壁温比蒸汽温度高出3 0 左右，在高参数锅炉中是工 作温度最高、工作环境最为恶劣的部件，所用钢材在满足持久强度、蠕变强度要求 的同时，还要满足管子外壁抗烟气腐蚀及抗煤粉颗粒腐蚀的性能及管子内壁抗高温 高压水蒸汽氧化的性能，并具有良好的冷热加工工艺性能和焊接性能。由此可见， 过热器管、再过热器管用钢的开发是发展超( 超) 临界锅炉的技术关键之一。随着 锅炉蒸汽温度的升高，其温度将继续被提高，这就需要耐热性更好的钢材1 13 ，1 5 j 。 ( 3 ) 联箱与管道 由于联箱( 末级过热器、末级再过热器出口联箱) 与管道( 主蒸汽管道、导 汽和再热蒸汽管道) 布置在炉外，没有烟气加热及腐蚀问题，管壁温度与蒸汽温 度相近。这就要求钢材具有足够高的持久强度、蠕变强度、抗疲劳和抗蒸汽氧化 性能，还要具有良好的加工工艺和焊接性能。由于铁素体耐热钢的热膨胀系数小、 导热率高，在较高的启动、制动的速率下，不会造成联箱、管道厚壁部件严重的 热疲劳损坏，所以铁素体耐热钢是联箱、管道的首选钢材。随着超( 超) 临界锅 炉锅炉蒸汽温度的提高，要求使用耐热性好的钢材，这样既可以提高联箱和管道 运行的安全性，又可以减少因管壁过厚引起热应力的增加以及给加工工艺带来的 困难【l3 1 。 2 第一章文献综述 1 2 2 锅炉管用耐热钢的基本性能 具有高蒸汽参数的超临界发电机组对耐热钢提出了更高的要求，耐热钢在高 温下表现出不同于常温的复杂行为，由于耐热钢工作环境的特点，在耐热钢的应 用中应特别重视其可靠性和安全性。如上所述，电站锅炉管中的耐热钢在高温、 高压和蒸汽腐蚀中长期工作，管壁温度比蒸汽温度高几十度，在这样的环境下长 期运行，钢材的组织和性能将会发生变化。这些变化可能使金属高温性能明显恶 化，从而影响设备运行的安全性。这一切要求超高临界压发电厂锅炉管用耐热钢 应具有如下优良的性能匹配 1 3 - 2 2 j ： ( 1 ) 常温力学性能高的抗拉强度和屈服强度，良好的冲击韧性。 ( 2 ) 高温性能优异的高温持久性能，抗蠕变性能，良好的高温组织稳定性。 ( 3 ) 化学性能良好的高温抗氧化性能，抗蒸汽腐蚀性能。 ( 4 ) 工艺性能优良的冷热加工性能、焊接性能及弯曲性能。 ( 5 ) 物理性能低热膨胀系数和良好导热性。 ( 6 ) 良好的经济性能。 1 2 - 3 锅炉管用耐热钢的研发方向 提高蒸汽参数需要强度更高、性能更可靠的耐热钢，为了进一步提高电厂发 电机组蒸汽参数，提高电厂效率，世界各国开展了认证和开发适宜于在高蒸汽参 数下使用的耐热钢的工作。美、欧和日本在超( 超) 临界电站用耐热钢的研发认 证上处于绝对领先地位。美国电力研究所e p r l ( e i e c t r i c a lp o w e rr e s e a r c hi n s t i t u t e ) 和欧洲的c o s t ( e u r o p e a nc o o p e r a t i o ni nt h ef i e l do fs c i e n t i f i ca n dt e c h n i c a l r e s e a r c h ) 项目与e c c c ( e u r o p e a nc r e e pc o l l a b o r a t i v ec o m m i t t e e ) 及日本的e p d c ( e l e c t r i c a lp o w e rd e v e l o p i n gc o m p a n y ) 等组织牵头研发认证。它们一方面建立 超( 超) 临界发电机组的耐热钢体系，另一方面完善现有的耐热钢体系并研制开 发更先进的耐热钢以弥补现有的不足。材料研发认证工作的重点，主要集中于锅 炉的热交换器( 如高温过热器与再热器) 与厚截面高温承压部件( 如高温过热器 与再热器的进、出口集箱、管道及其附件) 及汽轮机转子等。研发的材料主要为 9 1 2 c r 系铁素体钢和奥氏体钢两大类