專利名稱：蒸汽溫度超超臨界火電機組用鋼及制備方法
技術領域：
本發(fā)明屬于耐熱鋼技術領域，特別是提供了一種蒸汽溫度超超臨界火電機組用鋼及制備方法，可用于650°c蒸汽參數(shù)超超臨界火電機組的G115鋼及其大口徑鍋爐管制備。
背景技術：
我國經(jīng)濟高速發(fā)展，資源和能源短缺已成為瓶頸問題。近年國家發(fā)展對電力需求之大和增速之快，大大超出國家原定的電力發(fā)展規(guī)劃，以至于對2020年電力需求的預測不得不做多次修正，規(guī)劃的總裝機容量已從9. 6億kWh調(diào)整到16億kWh。在未來相當長的一段時間內(nèi)，以燃煤發(fā)電機組為絕對主力的火力發(fā)電將仍然是中國電源結構的絕對主體，這是由中國的自然資源和國情所決定的。煤是一種化石燃料，儲量有限，不可再生，燃煤發(fā)電過程產(chǎn)生和排放大量的C02、SO2, NOx，污染環(huán)境，而提高火電機組運行參數(shù)是實現(xiàn)節(jié)能減排的最重要手段。機組運行參數(shù)越高，機組的熱效率就越高，煤耗就越低，排放就越少，就越節(jié)約資源和能源。目前世界范圍內(nèi)主要超超臨界火電機組的蒸汽參數(shù)為600°C，我國自1996年浙江玉環(huán)第一臺600°C超超臨界火電機組投運以來，已先后建成近百臺600°C超超臨界火電機組。為進一步降低煤耗、提高熱效率和降低排放，歐美、日本、韓國等正在研制700°C蒸汽參數(shù)超超臨界火電機組，我國2010年也啟動了 700°C蒸汽參數(shù)超超臨界火電機組研制國家計劃。隨著蒸汽溫度和蒸汽壓力的提高，超超臨界火電機組對耐熱材料的性能提出了更高的要求，主要表現(xiàn)在以下幾個方面(1)更高的高溫持久和蠕變強度；(2)優(yōu)異的組織穩(wěn)定性；良好的冷、熱加工性能；(4)良好的抗氧化和耐蝕性能；(5)良好的焊接性能等。耐熱材料是制約火電機組向高參數(shù)發(fā)展的主要“瓶頸”問題，而大口徑鍋爐管和集箱則是“瓶頸中的瓶頸問題”。700°C蒸汽參數(shù)超超臨界火電機組鍋爐中的蒸汽溫度是從600°C逐步升溫到700°C，各個關鍵`溫度段均需要有滿足使用要求的候選耐熱材料。根據(jù)目前的研究結果，馬氏體耐熱鋼P92可用于620°C蒸汽溫度以下部分大口徑鍋爐管制造，鎳基耐熱合金CCA617可用于650-700°C蒸汽溫度段大口徑鍋爐管制造。由于奧氏體耐熱鋼的熱導率低、熱膨脹系數(shù)大，不適合用于制造高參數(shù)超超臨界火電機組的大口徑鍋爐管，目前世界范圍內(nèi)在620-650°C蒸汽溫度段尚無成熟的可用于大口徑鍋爐管制造的耐熱材料。把鎳基耐熱合金應用于650°C以下溫度段管道的制造，在電站經(jīng)濟性上基本上是不可接受的?？尚械姆桨钢荒苁窃赑92鋼的基礎上，把鐵素體型耐熱鋼使用溫度的上限推進到650°C，該溫度已經(jīng)接近鐵素體型耐熱鋼使用的極限溫度，因此新鋼種的研發(fā)技術難度非常大。日本Takashi Sato等人申報的美國專利US20090007991A1中介紹了一種基于P92改進型的9%Cr鐵素體耐熱鋼9CrO. 5Mol. 8WNbVN，該專利內(nèi)容僅僅是實驗室階段的研究成果，沒有工業(yè)試制數(shù)據(jù)支撐。日本國家材料研究所(NIMS)的Fujio Abe等人研發(fā)的9Cr3W3CoBN系馬氏體耐熱鋼(MARBN)具有優(yōu)異的高溫持久強度，其持久強度數(shù)據(jù)明顯高于P92鋼，且日本住友金屬公司試制了 MARBN鋼大口徑鍋爐管，該鋼有望用于先進超超臨界電站650°C蒸汽溫度段的大口徑鍋爐管制造。與9CrO. 5Mol. 8WNbVN鋼相比，9Cr3W3CoBN鋼650°C溫度下持久強度的提升主要得益于所謂的“B冶金”強化機制(見Abe等人近年發(fā)表的技術文獻)。本發(fā)明是在“多元素復合強化”理論指導下，結合MARBN鋼的研究基礎，通過添加沉淀析出型元素Cu以進一步提高發(fā)明鋼的強度，充分發(fā)揮B冶金強化作用，進一步提高發(fā)明鋼高溫下晶界的強度和韌性，同時控Ni控Al，控制B和N元素之間的配比，根據(jù)上述成分優(yōu)化設計和試驗結果，提出了發(fā)明鋼的最佳化學成分控制范圍。根據(jù)實驗室研究和兩輪工業(yè)試制實踐，專利發(fā)明人提出了采用該發(fā)明鋼制造大口徑鍋爐管的冶煉、熱加工和制管工序，提出了最佳熱加工工藝和最佳熱處理工藝制度。該發(fā)明鋼的鋼鐵研究總院企業(yè)牌號為Gl 15 鋼。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種蒸汽溫度超超臨界火電機組用鋼及制備方法，涉及一種鍋爐鋼的最佳化學成分范圍、最佳熱加工工藝和最佳熱處理工藝，適用于先進超超臨界火電機組的大口徑鍋爐管和相關管道的制造。本發(fā)明包括三部分內(nèi)容，其一為基于“多元素復合強化”理論和“熱強鋼晶界工程學原理”的窄范圍成分匹配與精確控制技術；其二為基于大口徑厚壁鍋爐管工業(yè)生產(chǎn)的冶煉-熱加工工序搭配及其最佳熱加工工藝；其三為基于工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的大口徑厚壁鍋爐管最佳熱處理工藝。上述三部分內(nèi)容作為一個整體提供了一種生產(chǎn)迄今為止具有最高熱強性能的用于650°C蒸汽溫度段超超臨 界火電機組大口徑厚壁鍋爐管的方法，超越了 TakashiSato等和Fujio Abe等的研究成果，不僅在實驗室而且在工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場把鐵素體耐熱鋼的使用溫度上限成功地從620°C推進到650°C，在理論上和實踐上均實現(xiàn)了創(chuàng)新。本發(fā)明的650°C蒸汽溫度超超臨界火電機組用鋼的化學成分重量百分數(shù)為 碳:0. 06 0. 10% ;硅0.1 0. 5% ;錳0. 2 0. 8% ;磷彡 0. 004% ;硫彡 0. 002% ;鉻8. 0 9. 5% ;鎢2. 5 3. 5% ;鈷2. 5 3. 5% ;鈮0. 03 0. 07% ;釩0. 10 0. 30% ;銅0. 80 1. 20% ;氮0. 006 0. 010% ;硼0. 010 0. 016% ;稀土鈰0. 01 0. 04% ;鎳^ 0.01% ;鋁彡0. 005% ;鈦彡0. 01% ;鋯彡0. 01% ;余量為鐵及不可避免雜質(zhì)元素。1. G115鋼的窄范圍成分匹配與精確控制本發(fā)明鋼的最佳化學成分控制范圍(重量百分比)如表I所示表I發(fā)明鋼最佳化學成分控制范圍(wt%)
權利要求
1.一種蒸汽溫度超超臨界火電機組用鋼，其特征在于，化學成分重量百分數(shù)為碳O.06 O. 10% ;硅0· I O. 5% ;錳0· 2 O. 8% ;磷·.( O. 004% ;硫·.( O. 002% ;鉻8.O 9. 5% ;鎢2· 5 3. 5% ;鈷2· 5 3. 5% ;鈮0· 03 O. 07% ;釩0. 10 O. 30% ;銅O.80 1. 20% ;氮0· 006 O. 010% ;硼0. 010 O. 016% ;稀土鈰0. 01 O. 04% ;鎳 ^ 0.01% ;鋁彡O. 005% ;鈦彡O. 01% ;鋯彡O. 01% ;余量為鐵及不可避免雜質(zhì)元素。
2.根據(jù)權利要求1所述的蒸汽溫度超超臨界火電機組用鋼，其特征在于，室溫力學性能=Rpa2 (σ0.2)彡 600MPa，Rm ( σ b)彡 750MPa，A ( δ 5) ^ 20%, Z ( Ψ) 彡 65%, HB ( 250。室溫沖擊性能沿管道縱向的沖擊功為平均值Akv2 ^ 62J，最小值> 54J ;沿管道橫向的沖擊功為平均值Akv2 ^ 50J最小值> 45J);試樣均為夏比V型切口 A型。高溫力學性能試驗溫度為650°C時，Rp0.2 (σ02)彡325MPa，Rm ( σ b) ^ 370MPa, A (δ0 5)彡 20%，Z ( Ψ) ^ 80%ο
3.一種制備權利利要求I所述的超超臨界火電機組用鋼的方法，其特征在于，工藝及其控制的技術參數(shù)為Cl)冶煉和熱加工采用EAF+A0D+保護氣氛ESR或VM+保護氣氛ESR工藝流程冶煉，或者采用其他適合的工藝流程冶煉；冶煉鋼錠或電極棒，需及時退火處理，退火工藝為 8700C ±10°C爐冷，退火后鋼錠或電極棒采用熱擠壓和斜軋穿孔的制管方法制作鋼管；(2)熱處理制度奧氏體化+空冷/控制冷卻，回火+空冷；奧氏體化溫度為 IlOO0C ±10°C，保溫I小時后空冷；冷卻到室溫后再回火，回火溫度為760V ±5°C，保溫3 小時后空冷。
全文摘要
一種蒸汽溫度超超臨界火電機組用鋼及制備方法，屬于耐熱鋼技術領域。該鋼的化學成分重量百分數(shù)為碳0.06～0.10％；硅0.1～0.5％；錳0.2～0.8％；磷≤0.004％；硫≤0.002％；鉻8.0～9.5％；鎢2.5～3.5%；鈷2.5～3.5%；鈮0.03～0.07%；釩0.10～0.30％；銅0.80～1.20％；氮0.006～0.010%；硼0.010～0.016%；稀土鈰0.01～0.04％；鎳≤0.01％；鋁≤0.005%；鈦≤0.01%；鋯≤0.01%；余量為鐵及不可避免雜質(zhì)元素。優(yōu)點在于，可用于650℃蒸汽參數(shù)超超臨界火電機組的G115鋼及其大口徑鍋爐管制備，室溫力學性能、沖擊性能、高溫力學性能和持久性能均遠遠高于GB5310和ASME標準中的P92鋼。
文檔編號C22C38/32GK103045962SQ20121057444
公開日2013年4月17日 申請日期2012年12月26日 優(yōu)先權日2012年12月26日
發(fā)明者劉正東, 程世長, 包漢生, 嚴鵬, 楊鋼, 翁宇慶, 干勇 申請人:鋼鐵研究總院