循环流化床锅炉风帽用稀土高铬镍氮系耐热钢的研制.doc

II_Jp “/ .条V _ra- .I-1050737M *r1、-r UDC e“-/ W i J * . -M :Vy!、 i/ 、-H 、二， -= # 入、：.、， - - 一-、_专雜娥念指，号教师 . 广申，i-B m抹百灵教授tz ./2006年 1 视“妝n卞 % /-J、，我AbstractSTUDY ON RE - HIGH Cr N； -N HEAT-RESISTANT STEEL OF BOILERFUNNEL CAP OF RECYCLE EBULLATED BED Subject: materialAuthor: Xu YiSignature: Xk &Advisor: Pro. Jiang BailingSignature: J/mQ liaJvMReply Date: 2006.10AbstractThe goal of this study was recycle ebullated bed boiler funnel cap comprehensively used in the heat-engine plant of our country. Based on the operating reviews of recycle ebullated bed boiler and the condition analysis of a great deal of discarding funnel cap product, define that funnel cap product should have functional characters in the applicational process. By theory analysis and productive experiment study the RE-high C,-Iow N( heat-resistant steeJ which coufd bear I2001C, resist oxidation and stand wear and tear.Based on comprehensive analysis of austenkic stainless and heat-resistant steel, ferrite heat-resistant steel and martensite heat-resistant steel in serial stee! at home and abroad, analyse the function of alloying agent in the heat-resistant steel and the influence of structure property in different alloying content. Through the optimum design, define the chemical components of the RE-high Clow Nj heat-resistant steel between llOOC and 1200C. The chemical components were C%:03-L0： Cr%:3036； Ni%:710； N%:0-25-0.33； Mn%:,0； Si%:0.54_6; S%:0.04j P%:0.06, 0.5%RE-SrF alloy.The result indicated that the RE-high Crlow N heat-resistant steel could have good mechanical behaviour and non-oxidizabilityC corrosion rate 。工业上高温条件下工作的一部分构件的主要失效原因是高温氧化,而单位面积上承受 的载荷并不大。如炉底板、炉栅等。因而也就发展了一类热稳定钢或称抗氧化钢。另一种 情况是构件在高温下工作，承受较大载荷，失效的主要原因是由于高温下强度不够。如高 温螺栓、祸轮叶片等，因而以提高高温强度为目的的发展起来的一类钢称为热强钢，以上 这两种钢可统称为耐热钢。高温强度是指钢在高温下能够长时间保持承受机械载荷的能力。钢在高温下承受机械 载荷一是软化，即强度随温度升高而降低。二是螺变，即在恒定应力的作用下，塑性变形 量随时间延长而缓慢增大，钢在髙温下的塑性变形是由晶内滑移和晶界滑移造成。提高钢 的高温强度，通常采用合金化方法。即向钢中加入合金元素，提高原子间的结合力及形成 有利的组织。加入络、错、鹤、机、钛等，可强化钢的基体，提高再结晶温度，还可形成 强化相碳化物或金属间化合物，如Cr23C6，WC, Tic等。这些强化相在高温下稳定，不分 解，不聚集长大，并保持其硬度。加入键元素，主要是为了得到奥氏体。奥氏体比铁素体 中的原子排列紧密，原子间结合力强，原子扩散较难。所以奥氏体的高温强度较好。可见 耐热钢的高温强度不仅与化学成分有关，而且还与组织有关。材料的耐磨性是指某种材料在一定的摩擦条件下抵抗磨损的能力，它不是材料本身固 有的性质。当磨料与材料相互作用时，对材料耐磨性或磨损发生过程主要影响因素有两类， 一是材料本身，包括材料的成分、显微组织和机械性能。材料的显微组织对材料磨料磨损 过程有很大的影响，材料的成分和处理工艺决定了材料的组织和机械性能。另一是磨料特 性和磨料与材料相互作用时的接触应力、相对运动速度、环境、介质等外部参数同 一种组织的材料，在不同的工况条件下或不同的试验条件下也会表现出不同的耐磨性。在 一定外部条件下决定材料磨损的是材料本身的特性。为了满足耐热钢的高温性能己经选择 了奥氏体基体组织，硬度对材料的耐磨性有很大影响，所以提高抗磨耐热钢的耐磨性的措 施就是加入合金元素，提高耐热钢的硬度。常用的合金元素有钦、银、鹤等。这些合金元 素与碳和氮的亲和力都比较强，加入合金中，在凝固过程中形成高度弥散分布的硬度极高 的碳化物和氮化物微粒，这些MC型和MN型微粒稳定性很高，即使在130(rC以下也不 会完全溶解，可以提高钢在高温下的耐磨性能所以耐热钢的耐磨性主要与硬度有关。高温抗氧化性是保证工件在高温下持久工作的重要条件。钢件在高温空气等氧化环境 中，氧与钢表面发生化学反应生成多种铁的氧化物层，该氧化物层很疏松，失去了钢的原 有特性，极易脱落。为了提高钢的高温抗氧化性，向钢中加入合金元素，从而改变氧化物 的结构。常用的合金元素有铬、桂、绍等。它们与氧反应，在钢的表面上生成致密的、稳 1前言定的氧化物层，或者说钝化层Cr办，SiOz或者AI2O3等，以保护钢不再继续氧化。铬、桂、 铅加入量多，钢的高温抗氧化好，但是若娃、招加入量太多，钢的力学性能和工艺性变差。 所以，耐热钢以铬为主要合金元素，以桂、锡为辅助元素。因此，钢的高温抗氧化性主要 与化学成分有关。现代工业设备上的许多构件在30(rc以上的温度下工作，有的高达1200C以上。这些 设备随工业的发展，使用温度还在逐渐地提高，而这些部门还常常是科技的尖端领域或工 业技术开发的前沿部分，比如：火箭发动机、燃气祸轮机、石油化工、原子能、汽轮机、 电站锅炉等工业部门用的设备。耐热钢的发展和提高将直接影响这些部门，以至影响整个 工业现代化的水平。比如要制造超音速飞机，只有在镍基尼莫尼合金制成以后才能成为现 实。要提高动力工业的效率和水平，只有在耐热钢的耐热温度不断提髙，寿命不断延长时 才能成为可能。耐热钢面临上述的任务和工作条件，因而对它提出下列性能要求-1) 高温要引起表面的剧烈氧化、腐蚀，因此要有抗氧化性（耐热不起皮性)；2) 髙温应力、高温强化机制的变化，材料会发生孺变。因此要有髙温下抗攝变性，长期和 短时的热强性，小的缺口敏感性，抗热松驰和热疲劳性等；3) 由于高温会引起组织的不断变化，因此要有高温下的组织稳定性，以及强化机制在高温 下的有效性；4) 在高温温度场中要有大的热传导性，小的热膨胀性；5) 好的锻造性、祷造性、煌接性，良好的成批生产性和经济性。1.1. 2耐热钢的分类及应用常见的耐热钢有铁素体型耐热钢、珠光体型耐热钢、马氏体型耐热钢和奥氏体型耐热钢。铁素体型耐热钢属于抗氧化钢，由高络钢加入挂、锅等元素形成的钢。它是以aFe 为基、加入各种强化合金元素，一般在35065(rC温度范围内工作。主要用作炼油设备、 锅炉、蒸汽祸轮、燃汽润轮及内燃机中的耐热零部件。珠光体型耐热钢按含碳量和应用特点有可分为低碳珠光体耐热钢和中碳珠光体耐热 钢，其在55(rC以下具有良好的耐热性，随着研究的深入，工作温度可达50062(rC。低 碳珠光体耐热钢主要用于制造锅炉钢管如12CrlMoV:中碳珠光体耐热钢，对于强度要求 更高，使用温度低于过热蒸汽管道的温度，工艺上采用热锻成形，较少要求冷弯、辉接的 耐热结构件，其主要用于汽轮机等耐热紧固件，汽轮机转子（主轴、叶轮）等。马氏体型耐热钢一般经过洋火加高温回火后使用，这类钢中一部分是在1 Crl3马氏 体不绣钢基础上发展起来的，使用状态是回火马氏体。主要在45062(rC用于汽轮机叶片； 在700850 C内燃机排气阀4Cr9Si:2。珠光体、马氏体类耐热钢，一般使用温度在65(rC以下，对于更高的温度则不能适应。 根据耐热钢合金化原理，奥氏体耐热钢分为固溶强化型、碳化物沉淀型和金属间化合物强 化型。固溶强化型的奥氏体耐热钢具有良好的耐烛性的奥氏体基体中添加铝、n、银等元 素.提高r固溶体的原子间结合力，强化固溶体。这类钢具有良好的挥接性能，以及压力 热加工和冷冲压性能，能制管和乳成薄板，能通过薄板冲压和煌接制成零件。因为是固溶 强化。这类钢一般也配合以固溶萍火处理。由于r-Fe原子排列较aFe致密，原子间结合力强，再结晶温度高。因此，奥氏体 耐热钢具有高的螺变强度，良好的铺性、抗腐烛性和抗氧化性，并且其工作的温度也较高。 在更高温度下工作的零件需使用高温合金。最常使用的是银基合金，它是在Cr20Ni80合 金的基础上，加入合金强化元素发展起来的，可以在65(K115(rC温度范围内使用I。我 国耐热钢推荐钢号及主要用途如表1-1所示：表1-1我国耐热钢推荐钢号及主要用途 Tabl.l Commendatory steel grade and main use of the heat-resisting steel of ourff-i钢号12Crl2NiWMoV气轮机末级叶片32Crl2WMoVNbB制作 570iOTCK时fflT 作的燃较机叶片，樣检 &其违接零件典氏体一 铁索沐32Mnl8An5$iMoTiICr20NfI4Sj2无络锞W热钢，用T- 800C以下锅炉部件,资煤 器管夹、n势器齿夹，梳形 极*依块防糖軍等奥氏休A?44Cr22Ni4H3Cf1Ni25Si2ICfCSNilJ ！Cr25Ni20Si21S锞與氏沐耐热销，丨丨丨T-.T 曲如热炉及其离瀵斑构 件，如油裂化妒fjS样.碎锅 片逝火炉内承底加热炉 炉爪、水浞冷坊！1于板，fr 成第设备的玄承扳，合成费 转化炉炉55Cr2IMnWi4N大功麥汽$发动机後气拥66Mn20All5MoVB4Crl4Nit4W2Mo 4Cr9Si2 4CflOSi2Mo 3Crl3Ni75i2fflT制造内燃极梓气树3耐热钢的生产工艺(1)合金化这是获得耐磨钢的主要方法，合金化元素的主要作用有：提高钢的梓透性、硬度和勃 性，提高钢的高温强度，提高钢的抗氧化能力，固溶强化，细化组织，降低回火脆性等。 常用的合金化元素有娃，猛，络,镍，铜，培，祝，锦，钼，稀土等，从而形成了一 系列的耐磨合金钢。其中有中碳低合金钢（如:ZG40CrMnSiMoRe，55SiMnCuRe, 65SiMnPRe),低碳低合金钢(如ISMnPRe),中碳高合金钢(如30Crl0MnI0)等。这类钢的 初性略低于高猛钢,但初始硬度都远大于高猛钢,在实际的生产中具有广泛的应用范围【7】。(2) 镀层或涂层处理镀层就是采用各种手段在基体金属表面疲一层耐磨层，在不改变原有基体的基础上大 大增加金属的表面耐磨性。目前，这种方法的应用也很广泛。比如，采用空心阴极离子镀 方法在W18Cr4V和45钢表面沉积TiAIN超硬膜层，结果表明，TiAIN膜层使钻头的使 用寿命明显提高；且具有较高的抗盐水腐烛能力采用纳米Ni-Zr02复合刷镀工艺用于设 备在高温下磨损后的修复处理，实验表明，复合刷键纳米Ni_Zri)2键层具有优良的高温 耐磨性，经400t：时效热处理后，硬度达最大，纳米Ni-Zr02复合镇层的高温耐磨性是基 材(40Cr钢)的57倍19】经过一定方式前处理的金刚石在一定的工艺条件下，可以获得耐 磨性优异的镇憐金刚石复合镀层，该复合键层的耐磨性是经过热处理的45号钢的50 多倍。上述材料在获得镀层后具有高硬度和髙耐磨性的表层以及良好的整体铺性。在 材料上镀层的方法还有化学复合镀，溅射镀等。在钢的表面进行涂层处理也是近年新发展起来的一种工艺，因涂层有很强的防氧化能力， 能有效防止金属磨损与高温腐烛所以也深受人们的重视。利用激光馆敷方法在A3 钢表面制备WC梯度涂层，涂层微观组织为Ni基固溶体加少量硼化物、碳化物及硬质相 WC颗粒，且从母材向涂层表面越来越好，呈过渡趋势1。梯度涂层能使材料充分做到 外刚内柔，大大延长材料的使用寿命。研究表明I:利用焰浸扩散原理以铸造碳化舆粉 为硬质相，键一憐合金为粘结相，可以在钢基体表面烧结而成组织致密、无裂纹的WC 一NiP高强度合金耐磨涂层，使材料的耐磨性得以显著提高。涂层还可用于刀具表面来提 高刀具寿命。(3) 表面渗表面渗因其良好的表面耐磨性能而很快得到广泛应用。资料表明：通过对5Cr4Mo3SiMnVAl钢进行氦碳共滲工艺的研究，分析温度、时间、 气体比例等对渗层组织、性能的影响，确定最佳工艺参数，使新生产工件的使用寿命比原 工艺生产工件的使用寿命提髙2倍。准贝氏体钢具有良好的渗碳特性和优越的空冷萍硬性，渗碳工艺简单，是一种新型渗 碳用钢。具有高碳马氏体和残留奥氏体组织的准贝氏体渗碳层具有良好的抗磨料磨损性能 耐磨性达到18Cr2Ni4WA钢水平，是替代Cr一Ni型渗碳钢的理想材料有人将45钢试块在不同的渗硫温度和保温时间下进行了离子渗硫处理，并测定了各 试块的相对耐磨性。结果表明11”：随着渗硫温度的升高和保温时间的延长，渗层逐渐加 厚，相对耐磨性也逐渐增大，当达到最佳厚度时，相对耐磨性最高。此外，表面渗的工艺还有渗络，渗硼”渗培，渗妮，铬共渗，硫氰共滲等。(4) 表面堆辉表面堆焊是用燥接的方法在工件表面堆煤耐磨材料以达到所需要的耐磨性。这种工艺 方法既可用于新零件的制造，也可用于磨损零件的修复，因其经济实用而被广泛应用于经 常更换及尺寸要求不严格的零件上。有人研制了一种制作大面积埋弧自动彈高耐磨堆焊层用非焰炼揮剂。使用该煤剂配以 H08A辉丝进行埋弧堆煌，可获得硬度为HRC5863。的均匀堆辉层。利用金相、TEM 和X射线衍射分析堆煌层的组织结构，结果表明I:堆煤层组织为大量细小的马氏体加 残佘奥氏体及碳化物。该堆挥层的耐磨性是45钢的8倍以上。在45钢上堆煌D322/D327合金制造大型模芯，实践证明丨8:采用合理的堆烤工艺可在 45钢上获得较为满意的耐磨合金层，釆用这一工艺，大型模芯的制造成本只是Crl2MoV 钢制模芯的1/31/4。(5) 热喷涂热喷涂技术在机械零部件上有一定的应用。有人釆取氧乙炔火焰喷涂粉末工艺，成功 的在锅、钢基体PA85PA9搓板滚轮上喷涂耐磨涂层，使其达到致密、牢固、均匀、耐 磨，增强了使用寿命191。采用热喷涂预置和激光培覆方法在Q235钢基体上培覆Ni基合金涂层和Ni/WC复合 涂层，研究激光功率对涂层微观结构的影响-结果表明【2】：选择合适的激光输出功率， 可获得组织分布均勾、低稀释率、与基体结合良好的合金涂层。(6) 表面复合采用溶覆铸造工艺在灰铸铁、球墨铸铁表面得到一层高铬铸铁基WC粒子增强复合 材料。结果表明2，与淬火65Mn钢相比，复合材料的耐磨粒磨损性能提高2.94. 7倍。 利用液相合成技术，通过铸造在钢件上形成一层34nmj厚，以VC颗粒增强的表面复合 材料。组织结构和微区成分分析表明在该表面复合材料的马氏体基体上均匀分布细 小球状UC颗粒和条块状(Fe，Cr)7C3,由表及里，其合金元素浓度及UC的数量均呈梯度 分布。在重载干滑动磨损条件下，含有自润滑石墨相的该表面复合材料具有很好的耐磨性 对40Cr钢进行表面加碳激光合金化处理，得到深0.250. 35mm的白口铸铁层，磨 损实验表明，白口铁层的磨损性能比常规萍火样品提高约50%。表面复合的方法还有 陶瓷复合层法等。(7) 变质处理采用新改进的阴极弧金属等离子体源，对9Crl8轴承钢进行金属等离子体浸没离子注 入(PIII)处理，在9Crl8钢表面形成了一层超硬耐磨的改性层。结果表明I-”，经Pm处理 后的试样表面的显微硬度和耐磨性显著提高，而其中经Ti和Mo注入再进行N离子注入 的试样效果更为明显。用Y-K-Na对M2高速钢进行复合变质处理，结果表明【，M2铸造高速钢经YKNa复合变质处理后，组织明显细化，共晶碳化物由网状分布变为块状和团球状，冲击前 性提高70. 7%,耐磨性也明显提高，各项力学性能接近锻造M2髙速钢的水平。(8) 特殊焰炼及特殊热处理采用普通的傅炼工艺有时难以满足实际需要，为此可采用双炉擦炼、真空培炼、炉外 精炼与连铸等新技术来实现特殊要求。有人就曾成功地使用特殊熔炼方法使产品的内在质 量、外观质量和性能得到明显提高，金属消耗也大幅度降低【2”，取得了良好的经济效益。 热处理是一种常用的提高材料性能的方法，采用特殊工艺更有许多特殊的效果，大大 改善材料的组织和性能，提高材料的抗氧化性和耐磨耐热性【2。深冷处理作为一种新工 艺在国内外己进行了广泛的研究，并在生产中得到应用。深冷处理可显著提高工模具材料 的耐磨性，进而使工模具的使用寿命得到明显提高【2 18Cr2Ni4WA钢经氣化后再进行 深冷处理，其耐磨性提高最明显。有人研究了深冷处理对Crl2N冷冲模耐磨性的影响规 律。结果表明，深冷处理与较高萍火温度相配合，可显著提高耐磨性。(9) 挤压成形针对高速钢辑环静态铸造条件下内部组织疏松，使用寿命短，离心铸造条件下易产生 偏析的问题，有人研究了挤压铸造对高速钢辑环机械性能和物理性能的影响。结果表明 挤压铸造高速钢辑环具有组织致密、元素偏析轻、硬度高、硬度均匀性好等特点， 工业应用表明，其使用寿命明显优于高镜络无限冷硬铸铁辑环。(10) 仿生设计仿生设计就是把土壤动物或水生动物体表的非光滑特征应用于耐磨复合层的设计中， 制备出仿生非光滑复合层,这种方法为提髙地面触土机械及水中机械部件的抗磨性幵辟一 条新的设计思路。研究表明非光滑表面能将磨料对表面的楚削变为滚动。在两体静载磨料磨损工况下， 仿生非光滑耐磨复合层的耐磨性是45钢的29倍。仿生非光滑耐磨复合层具有很高的軔性 和塑性，且可根据需要调节复合层的厚度。1.1.4耐热钢的应用领域抗磨耐热钢广泛应用于电力、冶金、矿山、建材、水泥机械等工业部门，如火力发电 厂的锅炉喷燃器喷嘴、氧化锅培烧的中心筒、水泥工业的热工设备耐热件(蓖式冷却机的 蔑板、密头护铁和容尾护铁等)以及球团矿烧结机中的蔑条和熟料窗冷却机的扬料板。这 些耐热钢零部件在高温氧化性气氛及磨料磨损的工况下与氧化性气体(02, H2O, C02,S02 等)接触时，会发生氧化反应，对工业生产和零部件的使用寿命都会产生不利的影响，又 要在高温下承受红热物料输送的运动磨损，工况条件十分恶劣。所以不仅要求材质具有高 的高温强度和一定的耐磨性，还要有良好的抗氧化性，才能满足其使用性能的要求m】。 (1)在电力工业的应用火力发电在我国电力能源中占有重要地位，随着电力工业的高速发展,尤其是高参数、 大容量、超临界压力火力发电机组的广泛应用，抗磨耐热钢材料的研究开发和使用取得了 快速的发展，对抗磨耐热钢材质的综合质量要求也越来越高。电站热力设备中许多零部件 (锅炉喷燃器火嘴)都是在髙温和有氧化腐蚀性的介质中长期工作的。锅炉是火力发电厂的 心脏，而喷燃器火嘴则是锅炉的咽喉，所有煤粉都是通过火嘴进入锅炉的，所以火嘴是燃 烧系统的关键配件，它的使用寿命直接关系到锅炉的经济运行和检修维护的工作量。喷燃 器喷嘴对材质性能的要求很高，它在looirc左右高温氧化性气氛下长久工作，材质应具 有优良的高温抗氧化性及高温强度，燃气中含有硫化物气体，对金属产生腐蚀，要求材质 具有一定的高温抗腐烛性能；大量煤粉通过喷燃器喷嘴喷出，要求材质具有较好的抗磨粒 磨损性能，其中高温抗氧化性最为重要。这些零部件在高的工作温度下长期运行，一般钢 材的组织性能将会发生变化,引起高温强度和初性的降低。腐烛损坏也会明显地表现出来， 有些部件还要求承受振动和交变载荷，常常因腐烛、疲劳而引起损坏。这些现象都可能引 起事故，影响电站锅炉和汽轮机的安全运行。20年来我国电力工业取得长足的进步，平 均每年新增装机容量超过10000MW, 2001年全国发电量完成1478 X 109 kw h，其中火力 发电燃煤超过5X108t,产生灰澄约2X10St将5?a(A煤磨成煤粉，喷到锅炉中燃烧掉， 产生的2 X 10*t灰澄要输送出去，估计每年要消耐磨件、耐热件约3X105t左右“”。(2) 在水泥工业的应用近十几年来，随着我国工农业生产的不断发展，人民生活水平的不断提高，各类土建工程 建设在迅猛发展，对主要建筑原材料水泥的需求也不断增加。水泥产量的大幅度提高加快 了我国水泥工业装备现代化的进程，对水泥工处热工设备耐热件的性能要求越来越高。M 冷机是水泥生产中输送冷却水泥熟料的设备，使用寿命长短直接影响水泥的产量。莲板是 蔑冷机上的一个重要部件，工作中被埋在温度为900ClOOOr的水泥熟料下，并靠其 往复运动输送水泥熟料。在输送过程中为了降低水泥熟料的温度，在菌板的下面常常采用 强制冷风通过蓖板上的壁缝和圆孔冷却水泥熟料，因此萬板上下两面温差较大。使用条件 非常苟刻，要求耐磨损、高温冲击和高温腐蚀“。窗头护铁和窗尾护铁的工况条件也非 常恶劣。另外由于培烧燃料多为煤粉，这些耐热件还会发生渗碳现象，当耐热件表面碳含 量增加时，就形成碳化铬，使碳化络周围贫铬，从而降低耐热件的高温抗氧化能力和抗蚀 性能，加速皮下氧化，影响部件的寿。(3) 在氧化绍生的应用我国是氧化锅生产大国，锅业公司的关键设备大多是在高温状态下运行的，如中心筒、 回转奋系统的蜜口护铁、熟料蜜冷却机的扬料板等耐热件。中心筒是氧化销成品沸腾炉装 置内的关键承热件，氛氧化银经高温锻烧成氧化银，高温的氧化招离幵锻烧区沿螺旋方向 落入中心简区达到冷却后分选，中心筒表面受到高温氧化和高温物料粉末的冲蚀磨损。蜜 口护铁是回转蜜筒体与外置部件的连接体同时对回转蜜内衬耐火材料起保护作用。在工作 过程中，旋转到下部时，接触炽热流动料被迅速加热，表面受到强烈氧化和冲刷磨损：旋 转到中上部离开物料时又受到物料热辖射加热。所以回转窗的受热和磨损，随回转窗旋转 呈周期性变化，同时沿壁厚方向温度差别较大，接触物料表明温度高，对应的表明温度较 低，容易引起幵裂和变形。这些耐热件质量的优劣直接影响整个设备的正常运行，对经济 效益和安全k产将会产生重大影响，一个锅业公司停机检修一次就可能损失十几万元。由此可见，开发综合性能好的抗磨耐热钢材料具有重要的价值。而在这些高温氧化气 氛工况条件下工作的抗磨耐热钢件，其材质应具备以下性能：（1)良好的高温稳定性，即 具有良好的抗氧化能力和耐腐蚀性；（2)有足够的高温强度，特别是緩变极限和持久强度； (3)高温状态下组织稳定，同时还要具有高温下抗磨损、抗渗碳和在含硫气氛中抗腐烛的 优良性能。1.1.5国内外研究进展20年来我国电力工业取得长足的进步，平均每年新增装机容量超过10000MW，2001年 全国投产发电装机17130MW，全国发电装机容量达到338000MW，全国发电量完成 1478xl09kwh，其中绝大部分为火力发电。2001年全国火力发电燃煤超过5x10* t，产生灰 渣约2M081 ,将5X1081煤磨成煤粉，喷到锅炉中燃烧掉，产生的2x10 t灰渣要输送出去， 估计每年要消耗耐磨件、耐热件约3x105t左右。中央经济工作会议要求“推进垄断行业改革,通过政企分开和企业重组，打破行业垄断， 形成适度竞争”。目前我国除有5个发电公司、2个电网公司和4个辅业公司外，还有和香 港及国外公司合资或独资建设的新电厂,并要求深化“厂网分家,竞价上网”的改革。除煤炭 外，耐磨件和耐热件是火电厂的大宗消耗品，直接影响着发电成本打破行业垄断后，形成适 度市场竞争，使得各电力公司及各个电厂要合理地、科学地使用价格适中、性能优良的耐 磨件、耐热件，以降低发电成本，增加上网销售电价的市场竞争力。国内生产耐磨件、耐热件的生产厂家数以千计,其产品质量良秀不齐。多年来耐磨件、 耐热件的国家标准不多，而电力行业就没有标准,直至1997年电力部下达编制标准的计划， 于1999年8月经国家经贸委批准，两项中国电力行业标准DIVT681-1999磨煤机耐磨件 技术条件和DL/T680_1999耐磨管道技术条件开始实施,使供应电厂的生产厂家有 了生产标准，也给电厂提供了选材和验收的依据。随着国民经济的快速发展，对能源的需求量也越来越大，特别是电力供应，虽然三峡 水电和全国一批火电厂相继投产运行，但仍然不能缓解电力供应的紧张局面。在2003年， 上海、广州、太原等多个大城市在用电高峰时仍然存在着拉阐限电的形式。从火电与水电 的比例来看，中国的火电供应远远大于水电的比例，并且在相当长的一个时期内，我国仍 然是以火电供应为主。为了缓解电力供应的局面，国家对电力企业的改革加大了力度，相 继出台了和正在准备出台竞价上网的有关政策，从目前形式看，建设火力发电厂有着良好 的利润空间，从规模上来讲，当前5万千瓦以上、15万千瓦以下中型机组为主，配套75 吨/小时到500吨/小时锅炉为主，这些锅炉大部分采用循环流化床锅炉。由于循环流化 床锅炉的大量使用，为提高运行周期，满足锅炉技术需求的耐热金属材料也显得越来越重 要。从30年彳专初起，国外开始着手研制低合金耐磨钢，并且很快获得了应用。美国主要 采用单一元素化合方法，日本着眼于以细晶处理和位错强化的方法来提高材料的耐磨性， 我国则多釆用多元微合金化(固溶强化)和弥散强化相结合的方法，其他钢铁发达国家则以 微合金化和晶界强化相结合作为发展的基本目标。日本的耐热材料技术，在军工方面，第二次世界大战以前已达到了世界水平，但在产 业领域尚有差距。20世纪50年代，日本从欧美引进了全新的材料体系。到60年代末， 曰本的耐热钢在质量性能方面超过欧美国家的材料，日本成为耐热钢的世界输出国，80 年代，在火力发电、原子能、化学工业等领域里，日本的耐热钢研究开始济身世界领先行 列【】。曰本是最先开展新一代钢铁材料研究的国家，韩国、欧洲紧跟其后。90年代中期开始 着手新一代钢铁材料的研究，经过两年的前期准备后,从1997年4月正式推出了新一代钢铁材料研究项目S TX-21(亦称超级钢项目该项目由金属材料研究开发中心(J RCM)与新日铁、NKK、川崎制铁、住友金属、神户制钢等钢铁企业、大专院校、研究 院所共同进行研究，形成所谓的产官学共同研发的体制。日本S TX-21项目要同时实现的 4个目标是:实用强度提高一倍;结构体寿命增加一倍；总成本降低；环境负担度减少。该项目 的最终目标是确立一种具有均匀的多相组织，晶粒直径在lun以下，板厚在1mm以上的超 细晶粒组织钢的生产技术。基于钢铁材料只有在变成了结构件或结构部件后才能实现目的 的这一认识,日本在进行该项目的研究时,不是只停留在单纯的材料开发上，而是同时研究 用揮接等方法将材料结合成结构体的技术，以及能实际证明该结构部件具有耐使用性能的 评价技术。在耐热钢方面，日本走在世界的前列。目前日本以将将铁素体系耐热钢的使用温度极 限从600C提高到650C作为研究的目标，藉此可以使全日本的C02排放量减少3%。其 课题是如何大幅度地提高螺变强度、抗氧化性和焯接接头性能等。关于提高材料的螺变强 度问题,值得一提的是发现以前的铁素体系耐热钢婦变强度低的原因，就在于晶界附近的马 氏体组织的优先回复,并且这一现象在60(rC以上时将变得更为显著。这样，就给65(rC级材 料的开发找到了方向，就是在进行材料设计时,一定要使晶界附近的强化组织能长时间维 持。基于这一认识，他们选择了两条路线，一条是利用B元素容易在晶界偏析的特点,用偏析 的B来稳定晶界附近的碳化物的方法；另一条则是利用在晶内和晶界附近都能均匀微细析 出的金属间化合物的方法。用B强化的9%Cr铁素体系耐热钢，其65(rC的竊变寿命竟达到 了原有钢的10倍以上。关于辉接接头性能,首先,他们找出了造成择接接头强度降低的原因 在于所谓的“4塑断裂”,而这种“4型断裂发生在捍接热影响区所形成的细晶粒组织区，因 此，要提高燥接接头的强度,就必须使该区域的晶界附近的组织的长时间稳定性比母材更 高。并且在煌接技术方面，也幵展了研究,通过缩小煌接热影响区的宽度,预计可以使寿命提 高1倍。至于在高温水蒸汽中的抗氧化性问题，采取经预处理使钢能预先形成一层很薄的 C r氧化膜的方法，使抗氧化性得到飞跃性的提高。这样，在实验室规模的研究中，就己大体 弄清了 6506级钢所需要解决的提高攝变强度、抗氧化性和彈接接头性能等的指导原理。1.2研究目的我国在耐磨、耐热材料的科研方面具有国际先进水平，但在耐磨件、耐热件的生产方 面，因人才、管理、工艺等因素的影响,产品质量和国外产品尚有差距。过去每个省都有一 家电力修造企业生产耐磨件，因管理体制和市场竞争力弱等原因,目前电力修造企业生产耐 磨件、耐热件的已不多。通过体制改革，各电厂纷纷在自已的三产企业生产耐磨件、耐热 件,但因缺乏技术人才、缺乏管理经验，造成在生产工艺、产品质量、产品的技术含量方面 都存在一些问题,有能力参与国内市场竞争的厂家更少。当前，我国稀土资源丰富，而金 属银价格昂贵，在耐热钢的生产过程中镍又是一种大量使用的合金元素，本文正是以传统 材料为基础，通过理论分析和现场生产实验，寻找能满足不低于i20(rc条件下、抗氧化、 耐磨蚀以功能材料为主导的稀土高络低镍耐热钢新型材料。1.3研究意义科技高速发展的今天，许多行业对钢铁材料的性能提出了越来越高的要求，特别是在 高温条件下对材料苟刻的性能要求，己成为制约某些行业发展的瓶颈。现代卫星、飞机以 及核反应堆中的高速运转精密偶合件，其中的高温精密轴承，燃油栗中的分油活门、变压 差活门、柱塞，消音器中的轴套式往复阀，伺服阀中的阀芯套等，均在较高温(20050(rc) 下高速运转，使用条件苟刻，会因表面磨损、腐蚀剥落、疲劳断裂以及由髙温软化与粘结 引起卡死而使零件不能长期稳定而可靠地工作;供高温熟料冷却用的大中型筒式水泥回转 苗冷却机，其机内左右盖板、下料溜子、衬板等部件均承受900丨00(rc高温水泥熟料的 氧化、磨损、冲刷和冲击，服役条件十分恶劣，常因氧化磨损开裂和变形而失效；冶金矿 山机械的工件对象主要是各种岩石和矿物，硬度高而坚硬，在研磨和输送矿菜时经常是在 有水或含硫等湿态和腐蚀介质条件下工作，工作条件更加恶劣，常因磨损而失效;模具在 工作时承受着机械冲击和热冲击的交变应力，要求材料有较高的硬度、强度、初度、抗高 温氧化性、抗热疲劳性及耐磨性，以保证零件的精度、质量和外观性能。另外在燃煤电厂 及建材厂用的球磨机衬板和磨球，中速磨磨辊和磨盘瓦，风扇磨冲击板和护甲，煤粉和除 灰管道，灰装粟和阔门过流配件及锅炉的火嘴等都要求长期使用不变形、耐磨损、抗氧化。 所有的这些都对材料的高温性能提出特殊的要求,因此大力发展耐热耐磨钢材料对我国现 代化进程及提高我国综合实力具有重大的现实意义。主要研究内容及技术路残2000年以来，我国工业经济快速发展，特别是化工、钢铁工处产值大幅度提髙。特 别是2001年后大型的基础建设项目不断上马，带来了电力供应严重不足，特别是广东、 上海、江苏等东部经济发达地区，供电日趋紧张，虽然国家来取了一系列的调控政策，三 峡电站已开始运行供电，但仍不能解决当前电力紧张的局面，拉闹限电现象时有发生。在 电力供应紧张的条件下，一些企业为了保证生产正常进行，纷纷上马中小型电厂，以保证 本企业的正常供电。可见，中小型火电厂在我国能源结构中在今后一个时期内仍然占有重要的地位。这种 中小型现在大部分以煤为燃料，釆用4a500t/h的循环流化床锅炉为主。在循环流化床锅 炉中，高压风通过布风板上的风帽均勾的进入炉膛，吹动进入炉腫的燃料煤上下窜动，流 动燃烧。燃料煤在炉膛内流动燃烧过程中，不断对布风板上的风帽在髙温下进行磨损和烧 蚀。一旦风帽烧坏磨穿，就会导致炉腾内局部风压过高，局部过热，炉内结焦，水冷壁磨 损等不安全因素。20世纪90年代初，我国循环流化床锅炉曾釆用普通高桂耐热铸铁和RQTSi5.5制造 风帽，该种风帽易烧毁寿命很短。为了保证锅炉运行安全，提高风帽寿命，减轻工人维修 的劳动强度，改善其劳动条件、减少维修工时，保证发电效率，一些电厂釆用lCrl8N丨9Ti、 Cr25Nil4Si2、2C25Ni20材质来制造风帽。因为使用RQTSi5,5制造的风帽寿命很低，一 般在200a3000小时左右，有时不足1500小时就烧穿。而用lCrl8Ni9Ti、Cr25Nil4Si2 材质的风帽，有的电厂寿命达到6000小时到8000小时，有的在4000小时左右，个别电 厂及锅炉的出渔口附近的风帽使用时间不足3000小时，所以仍不理想，不能保证电厂锅 炉的安全运行，大大降低发电效率。分析其主要原因是虽然提高了材质的热强度，但没有 很好的抗磨性能。兖矿集团自89年开始建设全国第一个煤泥循环流化床锅炉，90年开始投产发电，到 现在己建成以煤泥煤矸石燃料为主的电厂6座，总装机容量已达30万千瓦。从循环流化 床锅炉的形式看，大部分采用布风板与风帽结合的供风形式，风帽是处于捕环流化床锅炉 炉腫内的长期受热件，环境温度为900100(rC,并且长期受到煤澄或者石英砂的长期磨损。 从90年开始我们就不断寻找能适合风帽产品的耐热耐磨材料来提高风帽的使用寿命。先 后使用过 RQTA14Si4、ZG40Cr5M ZG40Cr9Si2. ZG40Cr25Ni20 等多种材质，但均未取 得良好的效果，有的使用仅三到四个月即要更换。为了提高电厂的经济效益，有必有找到 使用寿命更长的适合风帽产品的耐热材料,以满足当前的形式要求。在这些锅炉运行当中， 均存在着不同程度的风帽使用寿命短的现象，严重制约着电厂的发电效率。为了解决电厂 锅炉风帽的性能和使用寿命，应研制满足循环流化床锅炉风帽使用条件的耐热、耐磨蚀材 料，以解决制约电厂锅炉正常运行问题。因此，通过对稀土高络镍氮120(rC耐热钢的研制，提高材料的耐热、耐磨性，从而 提高材料的使用寿命，节约成本，提髙工效。2主要研究内容及技术路线2.1主要研究内容循环流化床锅炉是最近几年开始大量使用的燃料在流化状态下进行燃烧的一种锅炉。 流态化时固体颗粒在流体作用下表现出类似流体状态的一种现象。固体颗粒、流体以及完 成流态化的设备称为流化床。流体作为流化介质，一般有气体和液体两大类，在锅炉燃烧 中，流化介质为气体，固体煤颗粒以及煤燃烧的灰澄被流化，称为气固流态化。流化床锅 炉与其他类型燃烧锅炉的根本区别在于燃料处于流态化运动状态，并在流态化过程中进行 燃烧。布风装置是流化床锅炉实现流态化燃烧的关键部件，目前流化床锅炉采用的布风装置 主要有两种形式：即风帽式和密孔板式。风帽式布风装置由风室、布风板、风帽和隔热层 组成。密孔板式布风装置由风室和密孔板组成。我国流化床锅炉中使用最广泛的是风帽式 布风板。由风机送入的空气从位于布风板下部的风室通过风帽底部的通道，从风帽上部径向分 布的小孔流出，由于小孔的总截面积远小于布风板面积，因此从风帽小孔中喷出的气流具 有较高的速度和动能，进入床层底部，将底部颗粒吹动，使风帽周围和帽头顶部产生强烈 的扰动，强化了气固之间的混合，进而建立了良好的流化床工作状态。风帽是流化床锅炉实现均匀布风以及维持炉内气固两相流动和锅炉安全经济运行的 关键部件。随着循环流化床锅炉的发展，出现了多种结构形式的风帽，主要有小孔径风帽， 大孔径风帽及定向风帽。目前循环流化床锅炉趋向于采用小直径大孔径风帽或大直径大孔 径风帽。小直径风帽约为4&50mm，大直径风帽约为9(K100mnu风帽式布风板的优点是布风均勾，当负荷变化时，流化质量稳定。但普遍存在问题是 风帽帽顶容易烧坏，磨损也较严重。循环流化床锅炉中，风帽的帽头直接浸埋在高温床料 中，在正常运行中风帽中有空气流通，可以得到冷却，但在压火时，因为没有空气通过， 容易烧损。当风帽因烧损和磨损出现穿孔时，就会造成局部床压过高而影响到整台循环流 化床运行工况不稳，过高的流速会吹动大颗粒床料对周围水冷壁的磨损。每当风帽出现一 定量的损坏时，不得不停炉进行更换，风帽质量的好坏、寿命长短是制约整台流化床锅炉 运行效率的关键部件。因此，研究能耐高温、耐磨蚀、价格合理的高性能