04-谢锡善-630700先进超超临界机组新材料sp2215和gh750高温持久及组织稳定性_W

1、 630700先进超超临界机组新材料SP2215 和GH750高温持久及组织稳定性联合课题组代表报告人：谢锡善北京科技大学2019年11月27日 产学研紧密合作的长期科研成果 北京科技大学高温合金研究室董建新教授，张麦仓、胡尧和、姚志浩副教 授以及研究生迟成宇、于鸿垚、吴云胜、李响、艾卓群、黄一君、乔峰源和周标共同努力的成绩。 上海发电设备成套设计研究院，林富生和赵双群教授以及王延峰、崔正强。符锐工程师全力协作的成果。 新型奥氏体耐热钢SP2215由永兴特钢 杨辉、朱诚、吴明华负责冶炼供料， 武进不锈宋建新、朱秋华、程健负责制管；新型镍基高温合金GH750大生产炉号由上海发电设备成套设计研究院

2、出资，由抚顺特钢冶炼，久立特材经热挤压穿孔和冷轧制管成功，一并深表感谢！ 特向国家自然科学基金委，钢铁研究总院，上海发电设备成套设计研究院， 中信金属巴西矿业公司（CITIC-CBMM）和美国PCC能源集团特殊金属公司（SMC）提供试样和相应的财政资助深表感谢! 内容背景中国超超临界和先进超超临界电厂发展第一部分 620-650oC 超超临界电站锅炉用新型奥氏体耐热钢SP2215SP2215的开发与生产SP2215的持久性能SP2215的组织稳定性SP2215通过容标委的评审及团体标准发布SP2215的应用小结 第二部分 700oC 先进超超临界电站锅炉用新型镍基高温合金GH750GH750镍

3、基高温合金的开发与生产GH750镍基高温合金的持久性能GH750镍基高温合金的组织稳定性GH750镍基高温合金的试验运行GH750镍基高温合金的应用前景总结 背景电力是国民经济的支柱产业和发展的动力； 燃煤电厂排放CO2、SOx和NOx等有害气体又 是污染大气的元凶之一； 燃煤电厂提高热效率，降低有害气体排放， 保护地球又是当务之急。 人民物质生活水平不断提高的一个保证因素； 中国近20年电力构成及预测 迄今为止，火电仍在中国发电量中占绝对优势年份 200020102020（预测）总发电量/亿千瓦 1.36854.12134.54.6火电（%） 77.780.363.6水电（%） 17.815

4、.9923.6核电（%） 1.21.773.6气电（%） 0.20.35.4新能源（%） 0.10.23.62016年12月 “绿色化”的号召 2015年3月25日中央会议提出：“”“五化”即新型工业化，城镇化，信息化，农村现代化，绿色化 “经济绿色化”指科技含量高，能源消耗低，环境污染少的产业结构和生产方式2016年12月 中国超超临界和 先进超超临界电厂发展 2016年12月 2016年12月 中国高效超超临界机组进展一览 2006-2017 600超超临界机组 1000MW 146台229台660MW83台 国家不再批准建设600超超临界机组 当前我国高的设计参数为31MPa ，600/

5、620/620 大唐和神华国华开发的设计参数为35MPa，610/630/630 中国电力顾问集团公司准备开发 35MPa等级（32-38MPa）， 650等级（630-670）新型高效超超临界机组 国家能源局正组织700先进高效超超临界课题2016年12月 中国首台620超超临界机组示范成功 2015.9具有自主知识产权的1000MW超超临界二次再热600/620/620锅炉发电机组建成投产 发电效率47.82%，煤耗256.8g/kWh是当今世界上发电效率最高、煤耗最低、环保指数最优的火电机组 （根据2016.6我国“十二五”规划成就展览会资料）2016年12月 630超超临界机组正在开发

6、 大唐和神华国华高效超超临界燃煤机组拟采用参数35MPa，610/630/630发电效率50发电煤耗245.78/kwh630-650材料的研制已初步具备应用条件建设630-650机组已成为下一步电站建设的重要目标2016年12月 700先进高效超超临界电站项目已在 2011年启动 经过近年来的选材和有关工艺 (焊接)评定700 A-USC锅炉关键部件试验平台已于2015年底启动运行 2016年12月 第一部分 630超超临界 电站用新型奥氏体耐热钢SP22152016年12月 630超超临界 电站用新型奥氏体耐热钢SP2215开发与生产 2016年12月 开发630 超超临界锅炉过热器/再热

7、器管材中的材料问题 钢种 类型 蠕变强度 抗氧化/腐蚀性能 TP347H18Cr9NiNb低 低 Super304H18Cr9Ni3CuNbN高 低 HR3C25Cr20NiNbN低 高 新钢种 ?高 高 2016年12月 多相复合强化新思路的实现Super304H( + MX +650/500h富铜相)HR3C( + NbCrN+ MX)TP347H( + MX)多多相相析符出合复合强强化化新钢种富Cu相+NbCrN+MX2016年12月 19SP2215与HR3C和Super304成分对比 SP2215钢的铬镍含量低（ HR3C的Cr+Ni是45%，而SP2215仅是37% ）SteelC

8、SiMnCrNiNbNCuFeSuper304H0.10.20.81890.40.23.0Bal.HR3C0.060.41.225200.450.2-Bal.SP22150.050.60.422150.50.253.5Bal.2016年12月 研究成果得到国际认可和高度关注 In Chapter 8 “Advanced Austenitic Heat-Resistant Steels forUltra-Super-Critical(USC Fossil Power Plants” Published in the Book“Alloy Steel-Properties and Use”In T

9、ech Publisher ISBN 978-953-307-484-9以上著作在2013年7-12月间下载4000余次 USA 596，India 401，China 250，Germany 122，Korea 122 and more2016年12月 SP2215新钢种的冶金大生产全流程 EAFAODLF锻造热轧圆钢热穿孔冷轧热处理成品永兴特钢和武进不锈具备年供货2万吨生产能力2016年12月 2016.1.06正式获得专利2016年12月 新型奥氏体耐热钢SP2215持久性能 2016年12月 SP2215高温持久试验 管材 600、650、700、750、800、82546个试样，合计

10、 91212小时 棒材 650 持久：14个试样，合计88968小时 管材 700 持久：19个试样，合计64248小时（110MPa 1个试样，100MPa 2个试样都超过15000小时）管材 700 持久有2个试样仍在进行，预计接近3万小时 持久总计超过28万小时2016年12月 650，SP2215持久强度与HR3C的对比2016年12月 650，SP2215持久强度与Super304H的对比2016年12月 700，SP2215持久强度与HR3C的对比2016年12月 700，SP2215持久强度与Super304H的对比(苏热工)2016年12月 SP2215 L-M参数法持久强度曲

11、线1000 100 600钢管1(成套院) 650钢管1(成套院) 650棒材 700钢管2(成套院) 750钢管1(成套院) 800钢管1(成套院) 825钢管1(成套院) 650未断 600钢管2(成套院) 650钢管2(成套院) 700钢管1(成套院) 700钢管1 (苏热工)750钢管2(成套院) 800钢管2(成套院) 825钢管2(成套院) 700未断 1013141516171819202122参数P(C=14.56)/10-3试验应力/MPa(苏热工)2016年12月 SP2215 由L-M参数法得出的等温线持久强度图1000 100 600钢管1(成套院)600钢管2(成套院

12、)650钢管1(成套院)650钢管2(成套院)650棒材700钢管1(成套院)700钢管2(成套院)700钢管1 (苏热工)800钢管1(成套院) 750钢管1(成套院)750钢管2(成套院)800钢管2(成套院)825钢管1(成套院)825钢管2(成套院)650未断700未断1010100100010000100000断裂时间/h试验应力/MPa 根据拉森米勒法（C=14.56） SP2215 不同温度，105hr 持久强度 （T/CISA 006-2019 团体标准推荐数据）温度/600610620630640650660670外推值/MPa192178164151138126115105

13、温度/680690700710720730740750外推值/MPa95867870635650452016年12月 新型奥氏体耐热钢SP2215组织稳定性 2016年12月 SP2215基本组织M23C6(1.430%)富Cu相MXNbCrN (0.039%)纳米级强化相供货态（ASTM 4.5-5）SP2215时效态组织模型2016年12月 纳米析出相的透射电镜（TEM）分析700/5000h 富Cu相2016年12月 纳米析出相的透射电镜（TEM）分析700时效过程中 SP2215中富Cu相的析出和长大行为700/10,000h700时效过程中富Cu相尺寸变化过程700时效1万小时，富C

14、u相平均直径仅6070nm2016年12月 纳米富铜相的强化作用富铜相与位错的交互作用700/10000h 富Cu相60nm2016年12月 纳米析出相-MX相(a) 700/1000h;(b) 700/10,000h2016年12月 纳米析出相的透射电镜（TEM）分析700/5000h NbCrN相2016年12月 晶界析出相-M23C6相(a) As received (b) 10h, (c) 50h, (d) 1000h, (e) 4000h, (f) 10000h2016年12月 700/10,000h 时效后力学性能Impact EnergyHardnessSP2215奥氏体耐热钢显

15、微维氏硬度 (a) 和室温冲击吸收功 (b) 随时效时间的变化2016年12月 新型奥氏体耐热钢 SP2215通过容标委评审，团体标准发规范管材可用于超超临界锅炉似工2016年12月 全国锅炉压力容器标准化技术委员会评审结论（2018年5月17日）SP2215(07Cr23Ni15Cu4NbN)奥氏体耐热钢无缝管通过技术评审；提交的企业标准满足锅炉安全技术的规定和相关技术标准的技术要求； 按企标生产的的过热器、再热器等部件，以及类况的受压元件。2016年12月 中国钢铁工业协会（2019年4月28日发布，2019年8月1日实施）电站锅炉用07Cr23Ni15Cu4NbN（SP2215）新型奥氏

16、体耐热钢无缝管团体标准T/CISA 006-2019；本标准适用制造超（超）临界电站锅炉过热器、再热器及等类似工况的受压元件；附录A 高温规定塑性延伸强度附录B 100，000h持久强度推荐数据2016年12月 新型奥氏体耐热钢SP2215的应用 2016年12月 大唐山东郓城630超超临界机组中选用SP2215，锅炉由东方锅炉厂承建 神华国华广东630机组锅炉中候选使用SP2215根据“煤电节能减排升级及改造 国家能源局行动计划（2014-2020）” 现有亚临界机组940多台容量超过3亿KW，需要改造。2016年12月 2019年10月中国特钢协会不锈钢分会主办的“不锈钢”期刊公 布了SP

17、2215奥氏体耐热不锈钢入选工信部重要新材料首批次应用示范指导目录（2019年版）（征求） 近日，工信部公开征集对重点新材料首批次应用示范指导目录(2019年版) (征 )的意见，由永兴特种材料科技股份有限公司联合北京科技大学、江苏武进不求锈股份有限公司等单位联合开发的SP2215奥氏体耐热不锈钢入选“先进钢铁材料”。 SP2215是一种具有创新性的我国自主知识产权的高性能奥氏体耐热不锈钢，相比于传统的超超临界电站锅炉材料TP347HFG, S30432和S31042,具有更好的高温持久强度以及优良的抗蒸汽氧化性能，填补了相关材料在国内的空白，可提升火电机组运行效 率并降低能源消耗和污染排放，

18、对行业发展具有积极的影响。SP2215历时多年研发， 大量的技术数据表明，产品已完全具备投放市场的条件。 本次入选，进一步肯定了SP2215作为先进基础材料，系国家重点鼓励的新材料，并加速推进新材料在重大装备中的应用。 2016年12月 小结SP2215(07Cr23Ni15Cu4NbN)1. 中国独立自主知识产权的国产新钢种；2. 高的持久强度=80 (78)MPa；，=130(126)MPa3. 650、700组织稳定性好；4. 相对低的主要合金元素Cr+Ni=38%；5. 性价比高；6. 适用于700及以下的金属温度，压力38MPa及以下，可作为USC锅炉中过热器/再热器等核心部件用材。

19、2016年12月 前景新型奥氏体耐热钢SP2215的650大口径管道（主蒸汽管道）开发由永兴特钢提供坯料5.68吨 由武进不锈承制外径508mm钢管2016年12月 第二部分700先进超超临界电站用新型镍基高温合金 GH7502016年12月 背景 700 A-USC锅炉过热器/再热器的基本要求750, 105h 持久强度100MPa700-750, 2105h氧化腐蚀层2mm良好的组织稳定性，无有害相析出 良好的工艺性能，例如加工和焊接等2016年12月 背景 世界各国在700先进超超临界电站的发展状况1. 欧洲 (1998)37.5 MPa/700/720失败并停止2. 美国(2002)3

20、7.9 MPa/723/760材料测试阶段3. 日本 (2008)35 MPa/700/720/720材料测试阶段4. 中国 (2011)35 MPa/700/720/720材料测试平台2016年12月 700 A-USC锅炉候选铁镍基高温合金的名义成分2016年12月 电站锅炉管材候选材料的持久强度图500400300目前并没有完全成熟 的用于700C先进超超临界电站过热器/再热器管材的合金。 Nickel-Based AlloysAge Hardenable=A-USC, 760oC200100 509-12Cr Creep-StrengthAdvanced Austenitic Allo

21、ys (Super304H,347HFG, NF709)Minimum Desired Strength at Application TemperatureEnhanced Ferritic Steels (Gr, 91 92 122)Steels=USC, 620oCReference:R. Romanosky, 2011;J.T. Guo, 2005;H. Semba, 2008;X.S. Xie, 2013.Solid Solution=A-USC, 720oC550600650700750800oCAverage Temperature for Rupture in 100,000

22、hours, 开发一种具有自主知识产权的用于700C 先进超超临界电站的新型合金将具有重要意义。 Stress ,MPa2016年12月 具有中国自主知识产权的GH750合金的发展过程Inconel740(2000) Inconel740H(2009) GH750(2013)元素CCrMoCoAlTi成分范围0.020.0523.025.50.31.012.014.61.31.61.31.6元素NbMnFeSiWNi成分范围1.31.60.300.500.300.51.5Bal.元素CCrMoCoAlTiNbMnFeSiNi成分0.03250.5201.351.351.50.30.70.15B

23、al.元素CCrMoCoAlTiNbMnFeSiNi成分0.03250.5200.91.82.00.30.70.5Bal.2016年12月 Inconel 740 的基本组织Ni-25Cr-20Co-0.5Mo-2Nb-1.8Ti-0.9AlInconel740 标准热处理（ 1150/30min/WQ + 800 /16h/AC ）后的微观组织 G 0.0542016年12月 脆性高Si的G相在Inconel 740中的形成 704 7600.50.40.30.20.1G 相: 0.471%+相0.00500100015002000Aging time/hG 相: 0.054%G phase

24、 percent/% 2016年12月 Inconel 740中 和 相的行为Inconel 740合金中 相的粗化Inconel 740合金中 相的析出2016年12月 Inconel 740合金的改型理念调整化学成分n Inconel 740 的组织不稳定性:1）相的形成1）避免相的形成2） G相在晶界的析出 3） g相高温的高长大速率 n 由于组织的不稳定性( + G)而造成合金冲击韧性下降 2） 限制G相的析出 3） 提高g相的稳定性n 改进组织稳定性提高冲击性能2016年12月 Inconel 740 合金的改进过程北京科技大学首先冶炼了2炉试验合金，证实了在 750经5000小时长

25、期时效后具备良好的组织稳定性美国SMC亦冶炼了改进型的合金，确证了组织稳定性的改进 美国SMC考虑到要生产大管道以及焊接等因素而开展了Inconel 740H的大生产开发 2016年12月 从Inconel 740成功地发展了Inconel 740H2016年12月 Inconel 740和740H合金经750长期时效后的组织稳定性对比0.5mINCONEL740H750 /3000hINCONEL740H750 /5000hINCONEL740750 /5000h2016年12月 Inconel 740和740H合金经800长期时效后的组织稳定性对比INCONEL740H800 /5000h

26、INCONEL740800 /100hINCONEL740849 /1000h2016年12月 700先进超超临界用镍基高温合金的研发 Inconel 740Ni-25Cr-20Co-0.5Mo-2Nb-1.8Ti-0.9AlInconel 740HNi-25Cr-20Co-0.5Mo-1.5Nb-1.35Ti-1.35AlGH750Ni-25Cr-14.5Co-1W-0.5Mo-1.5Nb-1.5Ti-1.5Al2016年12月 新合金试制全冶金生产工艺流程Homogenized ingotHeat treatment热处理 Electrode电极棒 Ingot合金锭均匀化合金锭Extrus

27、ion billet挤压坯料 Pierced billet荒管 Cold rolling冷轧 44.510mm,6312mm tube (管材)ESR电渣重熔Homogenization高温均匀化 3500T press 3500T压机 3600T hot extruder 3600T热挤压机 8mm wire(线材)VIM真空感应Homogenized ingot均匀化合金锭 Ingot合金锭Forged billet锻坯 Electrode电极棒 Cold drawn冷拉 2.4mm welding wire (焊丝)VAR真空自耗Homogenization高温均匀化 1000T pre

28、ss 1000T快锻 Hot rolling热轧 15mm bar (棒材)Heat treatment热处理 2016年12月 发展具有中国自主知识产权的700A-USC 镍基合金锅炉管道材料(专利号：CN103898371A)GH750A 44.510mmGH750A & GH760B6312mm & 44.510mm2016年12月 高温持久性能2016年12月 高温持久性能新型合金在750 oC下10万小时的持久强度可以高于120 MPa。Temperature, oC700750800Stress-rupture strength at 105 h, MPa (extrapolate

29、d by Larsen-Miller method)Alloy A207.3121.966.4Alloy B218.8123.861.52016年12月 GH 750 新型镍基合金的基本组织GH750 标准热处理（ 1150/40min/WQ + 800 /16h/AC ）后的微观组织gPhaseM23C6MCGwt%14.6170.2040.05002016年12月 长期时效后的合金组织演化 (合金A)1000 h3000 h5000 h10,000 h800 oC760 oC700 oC2016年12月 长期时效后的合金组织演化 (合金B)1000 h3000 h5000 h10,000

30、h800 oC760 oC700 oC2016年12月 10000h长期时效后Haynes282合金的组织不稳定性面 积百分数0.5%面 积百分数4.5%760 oC700 oC 2016年12月 2016年4月6号中国专利授权2016年12月 2017年7月28号韩国专利授权2019年1月30号欧洲专利授权2016年12月 新型镍基高温合金GH750的冶金大生产流程Homogenized ingot均匀化合金锭 Electrode电极棒 Ingot合金锭VAR真空自耗Homogenization高温均匀化 VIM真空感应3150T press 3150T快锻机1800T press 1800T精锻机Piercing削皮 Pierced billet成品 Extruded tube荒管 Heat treatment热处理 44.510mm, tube管材 Cold rolling冷轧 4200T hot extruder 4200T热挤压机 GH7502016年12月 GH750持久性能与国际同类合金水平相当1000 GH750700C500400 Haynes282GH750300