燃煤电站用大型铸锻件材料设计及热处理现状_王敬忠.pdf

第 卷 第期 年月钢铁 ，：燃煤电站用大型铸锻件材料设计及热处理现状王敬忠，姚慧琴，赵吉庆，杨西荣，杨钢，丁凯伦（西安建筑科技大学冶金工程学院，陕西 西安 ；钢铁研究总院有限公司特殊钢研究院，北京 ）摘要：从燃煤电站大型铸锻件用钢及合金的开发背景和发展历程、超超临界燃煤电站大型铸锻件用钢及合金的合金化特点、热处理工艺、微观组织及其演变等方面，综述了燃煤电站大型铸锻件用钢及合金的材料设计及热处理的研究现状。欧美日等的研究机构经过几十年的持续投入和努力，在燃煤电站大型铸锻件材料研发和生产发面均取得了瞩目的成果。中国在这方面也进行了大量投入，自 年开始注重亚临界、超临界转子材料的研究，到 年后超超临界材料的研究，年至今高超超临界材料的研究，在引进消化吸收的基础上，取得了一定的成果，开始创制拥有自主知识产权的新钢种和合金，并实现了部分产品的稳定供应。随着燃煤蒸汽参数的提高，大锻件用钢的化学成分趋于复杂化，材料的 外推持久强度不断提高。在新型的马氏体耐热钢铸锻件成分设计中更加重视微量元素、应用，以及、多元素复合添加的作用。国内学者在微观组织和力学性能方面对大锻件用钢的研究报道较多，研究比较深入系统，需要利用材料设计新方法结合中国现有的强大塑性加工能力，加强原型钢种或合金的创制工作。在发电机转子护环材料的研发方面也给予足够的重视。对比分析了几种典型转子用钢、汽轮机缸体及阀体用钢的关键物性指标。结合经验探讨了未来高参数超超临界电站用大型铸锻件用钢或合金材料的发展方向。关键词：大型铸锻件；马氏体耐热钢；护环用钢及合金；合金化；热处理工艺文献标志码：文章编号：（），（，；，）基金项目：国家重点研发计划资助项目（）作者简介：王敬忠（），男，博士，副教授；：；收稿日期：，钢铁第 卷 ，：；为保护环境，确保可持续发展，能源生产将面临着更严格的限制。由于自然条件和社会因素的限制，煤、油、天然气等仍将是人类生活、生产的主要能源供者。根据文献 推测，热电净效率每提高，座 万的电站在其 年的全寿命期间，减排 、颗粒物和 万 。具有两级过热器的 电站的利润比传统的 单级过热器的高，同时 排放减少。蒸汽运行温度由 提高到 ，热效率由 提高到 ，排放量减少。因此，提高发电厂的热电净效率为解决既保护环境又扩大化石能源供电量这对看似矛盾的问题提供了思路和途径。本文以马氏体铁素体耐热钢为主线，综述了超超临界电站大型铸锻件用钢材的发展历程、取得的成果，着重总结新发展而来的钢种的合金化、热处理、微观组织及其演变等方面，供国内相关的材料技术工作者参考。燃煤电站大型铸锻件用钢铁材料的发展历程相对于亚临界电站和超临界电站的运行，超超临界电站因运行温度高和蒸汽压力大，对材料提出了更苛刻的要求。为了寻找适用的材料，欧盟（个欧盟国家，个组织参加）、美国（通用、西屋公司）和日本（三菱重工、东芝、日立）均启动了研发项目，。在欧盟、美国和日本等的相关研发机构的长期努力下，用于超超临界电站的大型铸锻件的研发上取得了一系列重大突破，开发出了多种蒸汽轮机转子材料，如图所示。中国 年代开始进行高中压转子用 铁素体耐热钢的研发工作，但受工业技术水平和市场的限制，没有得到明显进展，直到 年后，国内对大型高参数汽轮发电机组的需求增大，开始重视高端转子用钢的开发。年开始由中国一重牵头的“超超临界机组汽轮机转子锻件研制”国家能源技术研究及工程示范项目，开发出了具有自主知识产权的新型的能够满足 超超临界汽轮机转子锻件的合金成分体系，掌握了大型镍基合金转子锻件的锻造与热处理技术，并成功实施试制，实现了直径超过 大截面镍基合金锻件的均质化制造，取得了一系列成果。但总体而言，中国对超超临界机组大锻件生产的技术储备薄弱，直到现在仅有个别重型设备企业基本实现了对高端蒸汽轮机转子的批量稳产。图高性能抗蠕变钢的国际研发项目 第期王敬忠，等：燃煤电站用大型铸锻件材料设计及热处理现状燃煤电站大型铸锻件用马氏体钢 转子用马氏体耐热钢自 年，欧洲汽轮机制造商按照 标准，利用 钢制造了很多转子，最大直径达 ，质量达。蒸汽温度最高为 （入口温度为 ）时，该 钢的 条件屈服强度为 。在 温度范围，钢比 钢具有明显的优势。在 世纪 年代末期，美国也开发了两种用于制造高中压转子的 钢，其中一种用（质量分数）的 合金化，另一种用 和 合金化。几种典型转子用马氏体耐热钢的化学成分见表。可以看出，在 世纪 年代，发明的这几个典型的钢中 的质量分数均为 ，基本能满足最高使用温度为 或者 略 高 的 要 求，为 了 进 一 步 适 应 高 蒸 汽 参数，自 年 对 传统 钢进行 两 次 改 进，第一次改进侧重于调整钢中的、和；第二次是在改性 钢的基础上添加 和，进 一 步 提 高 高 温 蠕 变 强 度 和 使 用温度。表几种典型转子用马氏体耐热钢的化学成分和外推持久强度 钢种来源化学成分（质量分数）外推持久强度 余量 余量 余量 （）余量 （）余量 余量 余量 余量 余量 余量 在 第 一 次 的 改 进 中，日 本 研 发 出 、和 等种钢，并做了短时的蠕变试验，认为这些钢种最高适用温度达到 ，后来 和 公布了相关的蠕变数据，说明短时蠕变试验的结果不能用于外推长时的蠕变强度。在 年，欧盟相继推出了 （和）和 （）两种既可用于锻件又可用于铸件的蠕变强度得到较大改善且具有较好焊接性能的马氏体耐热钢 。在第二次改进中，联盟于 年先后启动了 和 行动，开发了锻造用钢 与 铸 造 用 钢 （制 造 蒸 汽 阀 等 的 铸件），它们同属于 钢，在欧盟和美国已应用 。国内钢铁研究总院和中国一重等代表性研究机构与生产企业相互合作，对 和 钢采取引进消化吸收的研发生产思路，掌握了这类钢的特性及其生产要求，并在此基础上，开始创制具有自主知识产权的钢种和生产工艺方法。阀体用马氏体耐热钢由 美 国 项 目 中 研 发 的 （铸 ）和欧盟的 项目中研发的 两种改性 铸钢，在欧洲和日本已用来制造高温高压汽轮机壳体和阀体等大型铸件。日本相关公司也用 （）和 （）钢制造阀体。以上几种铸钢可以在 下使用，日本企 业 还 开 发 了 适 用 更 高 温 度 阀 体 的 铸 钢 （）和 （）。目前，世界各主要生产厂商，也在应用 钢生产超超临界电站的高、中压力套管和主蒸汽阀体，这种钢的工作温度达 ，与不含的 钢相比，在长时蠕变强度方面具有显著优势，、下的钢铁第 卷蠕变强度高，钢的典型成分见表 ，钢和 钢在成分设计上略有不同。据表可知，用于制造超超临界的中、高压内螺栓、喷嘴套等小铸件钢种的合金化方式与主蒸汽阀体的基本没有区别，质 量 分 数 约 为 ，相差很小，当量均约为，并且都含有少量的 元素。结合表中几个钢种和上述的几个钢种可以看出，在超超临界汽轮机组中小铸件用钢多为 钢，而铸造主蒸汽阀体用钢多为 钢。表蒸汽轮机小部件用 马氏体耐热钢 钢种化学成分（质量分数）用途正火回火温度 余量汽轮机壳体和阀体 余量 余量 余量中、高压内螺栓、喷嘴套 余量 余量高、中压力套管和主蒸汽阀体 蒸汽轮机壳体用马氏体耐热钢对于双层壳体设计的蒸汽轮机而言，其外壳体一般用 含量较低的珠光体铁素体型耐热钢，比如含 的钢，而其内壳则用 型马氏体铸钢。用于内壳制造的钢种见表，。从化学成分来看，蒸汽轮机壳体用钢与蒸汽轮机转子在成分设计上没有区别。从表和表可以看出，蒸汽轮机壳体用钢和蒸汽轮机小部件用钢在热处理制度上确实存在明显的不同，后者的正火温度明显低于前者。表蒸汽轮机内壳体（罩体）用 耐热钢 （）钢种化学成分（质量分数）正火回火温度 余量 余量 余量 余量 发电机转子护环用钢及合金材料导致发电机转子整个结构失效的主要原因是护环失效，护环整休开裂引起的经济损失很严重。从 世纪 年代开始已经采用无磁性的奥氏体钢作为制造护环的材料，但其加工过程复杂，需要专用设备进行热冷加工，以使其达到预期的屈服强度，随着发电机能力大型化，护环尺寸也越来越大，要求强度越来越高，熔炼铸造及热冷塑性加工难度增大。以至于护环的结构尺寸和屈服极限成为制约发电机组尺寸或发电能力的主要因素之一。无磁性护环合金的典型化学成分及其开始使用的年代见表。随着工业技术的发展，无磁性护环合金中元素的种类越来越多，早期采用奥氏体钢护环，除采用冷变形强化外，还利用碳化物强化和 原子间隙固溶强化，钢（由日本开发）出现以后，碳化物强化退居到次要的位置，以冷变形强化和 原子的间隙固溶强化为主，高 含量保证其耐腐蚀性，高 保证其奥氏体组织。后来美国又开发了 基的奥氏体 合金和 合金，它们主要依赖金属间化合物 和 相强化，这类合金具有更高的强度和塑韧性。郭会光 对 年前国内外大型发电机护环材料及其生产技术进行了对比，国内几家重机厂与国外供应商生产的 （）材质的护环在第期王敬忠，等：燃煤电站用大型铸锻件材料设计及热处理现状表无磁性护环合金的典型化学成分 材料种类合金牌号采用的大致年份化学成分（质量分数）制造护环的方法奥氏体钢类护环材料 余量初期温锻造，后冷扩 余量冷扩 余量冷扩 余量冷扩 余量冷扩合金类护环材料改型的 余量冷扩和时效 余量冷扩和时效 合金 余量高温锻造热处理 合金 余量高温锻造热处理质量（主要在晶粒度均匀性、残余应力等）上存在一定差距，但能批量供货。国内发电机护环用钢及合金的研究比较落后，目前公开发表的中文论文资料仅寥寥数篇，且绝大多数年代较早，年郭会光等 报道了对 护环用钢再结晶行为的研究，年孙茂才等 对 钢力学性能进行了验证性研究，年马洪香 对 钢 进行 了推荐 介绍，年 向 大 林 等 对 护环用钢电渣重熔技术进行了研究，年郑文等 对护环用钢变形强化工艺进行了报道，之后关于护环材料的几篇也集中在 钢成形方面。当然，也有不少报道护环成形技术方面的专利技术和科研成果，这些在本文涉及的内容之外，这里不赘述。总体来讲，作为关乎国计民生的重型装备中关键大铸件材料应引起国内学术界的高度重视。超超临界电站大型铸锻件用新型马氏体钢的合金化固溶强化和沉淀强化是高温金属材料强化的主要方法，在得到强化的同时，还必须保证马氏体耐热钢的组织稳定性，保证其具有高的高温持久强度。通常采用一些化学元素以及其与碳形成特殊碳化物来稳定其组织结构。在马氏体耐热钢中的作用 是耐热钢中基础的合金元素，提高 含量可以改善钢的抗氧化能力和抗腐蚀能力，本身对提高蠕变强度没有显著效果，但是，在铁素体钢中的质量分数为、和 时，使钢获得更高蠕变强度的可能性增大。与形成的 相颗粒钉扎晶界和马氏体板条界，抑制晶界、位错的迁移，起到稳定微观组织的作用，从而使钢的高温蠕变强度升高 。但是，有研究表明，含 的马氏体耐热钢在温度高于 环境中，相的生成会导致这类钢过早失效。长时间暴露于 环境下，在 马 氏 体 耐 热 钢 中 会 生 成 复 杂 的 氮 化 物（，）（称为相），相长大以消耗细小弥散的颗粒为代价，被认为是钢高温蠕变强度降低的主要原因 。马氏体耐热钢长期暴露于 ，基本无法避免相形成，基于利用相的思想，和 在研究文献和试验数据的基础上提出 相的热力学模型，该模型预测在服役温度范围内，相是 马氏体耐热钢中最稳定的氮化物。因此，尝试让相完全取代弥散细小的相。据 年发表 的文 献 报 道，用元素 代替 作 为 钢中的强化因素，结果发现，在 温度下时效，成分相的粗化速率相当于 成分相的（主要原因是，在马氏体耐热钢中扩散速度相当于 的），但是在蠕变条件下，颗粒的粗化速度仍然较快。综上所述，可以看出，对于 相强化的 马氏体耐热钢的研究仍然任重而道远。和 在马氏体耐热钢中的作用基于欧洲和美国开发的高抗蠕变的 钢，研究 条件下合金元素能在多大程度上钢铁第 卷提高 钢的蠕变强度，通过合金化和平衡钢中、和 等成分，发现 钢强度的提高主要源自于 的固溶强化。随着 、含量增加，耐热钢的抗蠕变性能改善，但是超过一定的量，钢中会生成 相和铁素体，导致强度和韧性降低。在钢中的作用相当于 的，因此，一般认为钼当量 （）（）是马氏体耐热钢中重要参数，。当 当量为 时，对马氏体耐热钢的抗蠕变强度最有利。在马氏体耐热钢高温蠕变过程中，