专利名称：一种高韧性奥氏体锅炉钢的制作方法
技术领域：
本发明属于奥氏体钢技术领域，特别是涉及一种高韧性奥氏体锅炉钢，适用于制 造超超临界火电机组过热器和再热器管。
背景技术：
节能减排是受到世界范围内广泛关注的人类面临的重大问题。研究表明，传统的 发电锅炉和蒸汽轮机的热效率与蒸汽温度、压力之间具有显著的正相关性。如蒸汽参数为 5930C /30MPa的发电机组的热效率比蒸汽参数为538°C/18. 5MPa的发电机组的热效率提高 6%。于是，人们试图通过发电厂设计提高电厂热效率和降低CO2排放量。改善电厂热效率 的有效途径是提高蒸汽参数，即提高蒸汽温度和压力。欧盟预计将蒸汽温度提高到700°C， 能使发电机组的热效率从目前的47%提高到55%，使煤耗大幅降低，CO2排放量减少15%。 目前，美国正开展760V /35MPa项目的研究，该项目预计CO2排放量比现在通用的亚临界电 站降低22%。而国内电站的平均热效率约33%，远低于发达国家水平。目前，我国经济发 展迅速，电能需求激增。为适应经济发展和环境保护，国内电力生产企业对超超临界火电机 组的建设需求增长迅速。随着发电机组蒸汽参数的提高，发电热效率得到了提高，同时，对电站材料也提出 了更苛刻的要求。目前，适用于超超临界电站的主要材料种类有，铁素体类包括P91，P92 ； 奥氏体类耐热钢包括TP347HFG、S30432、NF709、S31042等。其中P91和P92主要用作主蒸 汽管道和联箱。TP347HFG、S30432、NF709、S31042主要用作过热器和再热气管道。由于电 站材料长期暴露于高温高压蒸汽环境中，对该类材料的抗高温蒸汽腐蚀和高温持久强度提 出了更高要求。由于铁素体钢中Cr含量较低，难以满足更高温度下，过热器和再热器管道 的使用要求，一般用奥氏体钢作为再热器和过热器管道。在以上列出的几种奥氏体耐热钢 中，TP347HFG和S30432钢由于Cr含量相对较低，在长期高温蒸汽和高应力作用下，形成的 氧化层剥落，造成管道堵塞，容易爆管，影响电站正常生产。S31042钢中Cr含量最高，抗蒸 汽腐蚀的能力最强，但是，该钢的高温长期高温服役或时效后冲击韧性变得较低。为提高电 厂运行的安全性，一般使过热器和再热器管壁厚度较大，这不但导致换热效率降低，而且还 会因为奥氏体钢的膨胀系数大引发其它问题。因此，如何提高S31042钢长期高温服役或时 效后的冲击韧性，是亟待解决的问题。S31042钢是在传统310型奥氏体耐热钢的基础上，添加一定量的元素Nb、N而 获得。该钢被纳入ASME Code Case 2115-1，该标准要求成分(wt% )为C :0. 04-0. 10， Si ( 1. 00，Μη 彡 2. 00，P 彡 0. 030, S ^ 0. 030, Cr 24. 0-26. 0，Ni 19. 0-22. Ο,Ν 0. 15-0. 35， Nb 0. 20-0. 60，Fe 其余。Nb与C的原子结合力强于Cr与C的原子结合力，可以将C原子 束缚在晶内，抑制Cr23C6相在晶界上的析出，抑制晶间腐蚀。再者Nb与C和N形成NbC、NbN 或Nb(C，N)颗粒能起到弥散强化的作用，Nb在钢中还形成NbCrN相颗粒，这种颗粒比较稳 定，能够起到强化作用。因此S31042钢具有比传统310型奥氏体耐热钢更高抗高温蒸气腐 蚀能力和高温持久强度。但是，这种钢经过高温长期服役或长时时效后，其室温冲击韧性变得很低。研究表明，韧性降低是晶界处析出大量的Cr23C6所致。设法和抑制晶界处Cr23C6相 大量析出对改善S31042钢的高温长时服役和长时时效态冲击韧性非常有效。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高韧性奥氏体锅炉钢，成分设计合理，经高温长时服 役或高温长时时效后具有更高韧性的奥氏体耐热钢材料。根据本发明的目的，本发明所提出经高温长时服役或高温长时时效后具有更高韧 性的奥氏体耐热钢材料，是以S31042钢为基础，通过调整优化S31042钢的化学成分、增添 合适的合金元素，使本发明的奥氏体耐热钢具备更好的韧性。本发明高韧性奥氏体锅炉钢的化学成分为C 0. 025-0. 038wt %，Si 0. 20-0. 40wt%, Mn 彡 2. OOwt %, P 彡 0. 045wt%, S 彡 0. 030wt%, Cr 24. 0-25. Owt %, Ni 20-21. 5wt %, N 0. 15-0. 25wt%, Nb 0. 30-0. 40wt%，添加 0. 0010-0.B 元素和 0. 020-0. 元素，其余为 Fe。本发明经高温长时服役或高温长时时效后具有更高韧性的奥氏体耐热钢的解决 方案是首先，针对S31042钢的不足，进行化学成分优化设计。对比表1中本发明钢和 S31042钢的化学成分可看到，本发明在成分中增加B、V两种元素，调整了 C、Nb、N、Cr、Si和 Ni的成分范围，目的在于通过添加新元素改变原有元素形成相的结构和稳定性。本发明通 过添加B元素，由于B元素在固溶处理时容易偏聚于晶界和晶界附近原子排列混乱的大间 隙位置，降低晶界处的畸变能，从而抑制Cr23C6相在晶界处的析出速度。Cr23C6相结构比较 疏松，长大速度较快，而B原子可以固溶于Cr23C6相，增大该相的结构的稳定性，抑制其长大 的速度。同时，处在晶内的B原子会固溶于晶内析出的Cr23C6相中，使晶内析出Cr23C6相更 好的发挥弥散强化作用。本发明钢添加了 V元素，V是一种强碳化物形成元素，但V和碳、 氮的亲和力弱于Nb和碳、氮的亲和力，V(C，N)的形成温度比Nb(C，N)的形成温度低，所以 在服役和时效温度下，具有比Nb (C，N)更高的稳定性；V溶解到Nb (C，N)中形成(Nb，V) (C， N)，是含Nb的碳淡化物的结构更加稳定。提高了 Nb的固碳能力，从而抑制C向晶界扩散的 速度，进一步抑制晶界上Cr23C6相的析出的速度和数量。另外，通过调整C、Nb、N、Cr、Si和 Ni的化学成分，进一步抑制Cr23C6相在晶界的析出量，同时充分发挥个元素在钢中有益作 用。因此，本发明经高温长时服役或高温长时时效后具有更高的韧性的奥氏体耐热钢的化 成分如表1所示。表1 S31042钢和本发明钢的化学成分范围)
元素 I CSi I Mn I P IS~I Cr I Ni
ASME 0.040-iii彡 24.0- 19.0-
S31042 0.1001.002. OQ 0.045 0.030 26.0 22.0
权利要求
一种高韧性奥氏体锅炉钢，其特征在于，化学成分为C0.025 0.038wt％，Si 0.20 0.40wt％，Mn≤2.00wt％，P≤0.045wt％，S≤0.030wt％，Cr 24.0 25.0wt％，Ni 20 21.5wt％，N 0.15 0.25wt％，Nb 0.30 0.40wt％，添加0.0010 0.050wt％的B元素和0.020 0.15wt％的V元素，其余为Fe。
全文摘要
一种高韧性奥氏体锅炉钢，属于奥氏体钢技术领域。该钢的化学成分为C 0.025～0.038wt％，Si 0.20-0.40wt％，Mn≤2.00wt％，P≤0.045wt％，S≤0.03wt％，Ni 20-21.5，N 0.15～0.20wt％，Nb 0.30～0.40wt％，添加0.0010～0.050wt％的B元素和0.020-0.15wt％的V元素，其余为Fe。本发明的优点在于，具有高韧性的奥氏体锅炉钢，和S31042钢相比，添加了B和V元素两种合金元素，调整了C、Nb、N、Si、Cr、Ni等元素的成分范围，具有成分设计合理和高韧性的特征。经700℃长时时效后与经相同热处理的现有的S31042钢相比具有更高的室温冲击韧性，而且700℃高温拉伸强度相当或略高。
文档编号C22C38/54GK101967611SQ20101053759
公开日2011年2月9日 申请日期2010年11月5日 优先权日2010年11月5日
发明者刘正东, 包汉生, 干勇, 杨钢, 王敬忠, 程世长 申请人:钢铁研究总院