（材料加工工程專業(yè)論文）超超臨界鍋爐用p92鋼組織結(jié)構(gòu)性能研究.pdf

超超臨界鍋爐用p 9 2 鋼組織結(jié)構(gòu)性能研究 學(xué)科：材料加工工程 研究生簽字： 指導(dǎo)教師簽字：欠l 卜 f 摘要 p 9 2 ( n f 6 1 6 ) 鋼是美國上世紀(jì)九十年代在p g l 鋼基礎(chǔ)上經(jīng)加鎢減鉬并加入微量合金元 素硼改良發(fā)展而來的9 c r 系鐵素體熱強(qiáng)鋼。該鋼種比其他鐵素體熱強(qiáng)鋼具有更強(qiáng)的高溫 強(qiáng)度和蠕變性能。且抗熱疲勞性能強(qiáng)于奧氏體不銹鋼。主要應(yīng)用于溫度超過6 0 0 0 ，壓力 超過2 5 m p a 超超臨界火電站鍋爐中。我國于“十五”期間開始建設(shè)自己的超超臨界發(fā)電 機(jī)組，并引進(jìn)了p 9 2 鋼作為主蒸汽管道。隨著我國電力事業(yè)的發(fā)展，1 9 2 鋼必將發(fā)揮更重 要的作用。鑒于該鋼的核心技術(shù)仍受控于國外，本文對進(jìn)口的p 9 2 鋼的組織結(jié)構(gòu)、力學(xué) 性能、斷口等進(jìn)行了綜合評價，并對p 9 2 鋼組織結(jié)構(gòu)、強(qiáng)化機(jī)理、形變斷裂等一些應(yīng)用 理論問題開展了研究。 在組織結(jié)構(gòu)與強(qiáng)化機(jī)理的理論認(rèn)識上，本文的研究指出，經(jīng)正火高溫回火熱處理的 p 9 2 鋼為回火板條馬氏體組織。在a l 溫度以下高溫回火時，板條馬氏體只發(fā)生高溫回復(fù) 而不出現(xiàn)再結(jié)晶，這是合金元素c r 、w 、m o 的大量固溶升高了回復(fù)與再結(jié)晶的溫度，以 及高溫回復(fù)時釋放了馬氏體相交時的應(yīng)變儲存能，再加上高溫回復(fù)時形成的位錯網(wǎng)絡(luò)的釘 軋，致使再結(jié)晶的驅(qū)動力不足所致。板條馬氏體發(fā)生高溫回復(fù)時，馬氏體板條碎裂成了多 個亞晶，高密度的位錯規(guī)整為亞穩(wěn)的位錯網(wǎng)，析出m 2 3 c - 6 型和m c 型碳化物。m 2 3 c 6 型多 以短條形在板條界和原奧氏體晶界析出，m c 型則多以細(xì)針狀在板條內(nèi)析出從而彌散析出 強(qiáng)化。鋼的強(qiáng)化機(jī)理除彌散析出強(qiáng)化之外，更以固溶強(qiáng)化、馬氏體強(qiáng)化、細(xì)晶界面強(qiáng)化、 位錯強(qiáng)化等復(fù)合強(qiáng)化使鋼獲得滿意的熱強(qiáng)性。為此熱強(qiáng)性目的，鋼以c r 、w 、m o 實(shí)現(xiàn)固 溶強(qiáng)化和馬氏體強(qiáng)化，升高馬氏體的回復(fù)與再結(jié)晶溫度，提高熱強(qiáng)性，形成碳化物m 2 3 c 6 實(shí)現(xiàn)析出強(qiáng)化。大量c r 在基體中的固溶和馬氏體板條發(fā)生亞晶碎化與形成亞穩(wěn)位錯網(wǎng)的 高溫回復(fù)，使鋼具有高內(nèi)耗的獨(dú)特性質(zhì)，從而提高了鋼的抗疲勞能力。鋼中n 元素的存 在，保證了鋼在正火的高溫加熱時不出現(xiàn)n ( 6 ) 相，從而保證了鋼的馬氏體強(qiáng)化效果。 熱強(qiáng)性的研究表明，p 9 2 鋼的室溫強(qiáng)塑性優(yōu)良，屈服強(qiáng)度口n 2 的平均值為5 0 2 6 7 m p a ， 標(biāo)準(zhǔn)偏差j 為4 2 3m p a ；抗拉強(qiáng)度口。的平均值為6 6 5 o o m p a ，標(biāo)準(zhǔn)偏差j 為3 9 0m p a 。 p 9 2 鋼的高溫?zé)釓?qiáng)性優(yōu)良，6 0 0 時的0 2 最小保證強(qiáng)度達(dá)3 0 5 8 3 m p a 以上，高溫使p 9 2 鋼的靜力強(qiáng)度的屈強(qiáng)比由室溫時的0 7 8 增大至6 0 0 1 2 時的o 9 2 ，這有利于鋼強(qiáng)度潛力和蠕 變抗力的發(fā)揮。6 0 0 1 2 高溫使p 9 2 鋼的靜力均勻塑性顯著減小，而局集塑性增大，因此導(dǎo) 致伸長率減小和面縮率增大，頸縮提前。 形變斷裂的研究顯示，橫向v 形缺口夏氏試樣吸收的沖擊總破斷功僅為8 6 8 3 j ，縱 向v 形缺口夏氏試樣吸收的沖擊總破斷功較之橫向稍強(qiáng)，但也僅為1 3 4 1 3 j ；斷口脆斷面 較大，裂紋擴(kuò)展區(qū)分為放射擴(kuò)展區(qū)和纖維擴(kuò)展區(qū)，呈現(xiàn)微孔聚合纖維和準(zhǔn)解理面混合斷口 特征。對比p 9 1 鋼，v 形缺口夏氏試樣吸收的沖擊總破斷功達(dá)1 8 0 j ，無脆斷分量，斷口 呈現(xiàn)微孔聚合纖維狀韌性斷口特征，啟裂嶺區(qū)寬達(dá)2 r a m ，前放射擴(kuò)展區(qū)與后纖維擴(kuò)展區(qū) 合并為纖維擴(kuò)展區(qū)。p 9 2 鋼強(qiáng)韌性稍有欠缺1 9 2 鋼裂紋生長的機(jī)理是裂紋前沿和孔洞之間 以剪切裂紋相連；裂紋擴(kuò)展的機(jī)理分為兩部分，裂紋纖維擴(kuò)展區(qū)是裂紋前沿和孔洞之間以 頸縮聚合相連，裂紋放射擴(kuò)展區(qū)是以小解理裂紋的“解理一頸縮”方式擴(kuò)展。 關(guān)鍵詞：p 9 2 鋼；組織結(jié)構(gòu)：強(qiáng)化機(jī)理：靜力強(qiáng)塑??；動力強(qiáng)韌性 s t u d yo nm i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e so fp 9 2s t e e l s d i s c i p l i n e ：m a t e r i a lp r o c e s s i n ge n g i n e e r i n g s t u d e n t s i g n a t u r e ：n 9 哆 s u p e r v i s o 磚甜吁m 口卜1 a b s t r a c t ak i n do f9 c rf e r r i t i cs t e e l s , p 9 20 , 球6 1 6 ) s t e e l ，w a sd e v e l o p e do nt h eb a s i so fp 9 1s t e e l s i nt h e1 9 9 0 si na m e r i c a i th a sh i g h e rc r e e pr a p t u r es t r e n g t ha n dc r e e pp r o p e r t i e st h a nt h a to f o t h e rf e r r i t i cs t e e l b e t t e rc o r r o s i o nr e s i s t a n c ea n do x i d a t i o nr e s i s t a n c et h a nt h a to fo t h e r9 c r f e r r i t i cs t e e la n df i n e rt h e r m a lf a t i g u ep r o p e r t i e st h a nt h a to fs t a i n l e s ss t e e l s 1 9 2s t e e lm a i n l y u s e di nt h eu l t r as u p e r c r i t i c a lp r e s s u r eb o i l e ro v e r6 0 0 0 c 2 5 m p a , t h eg o o de c o n o m i cb e n e f i t s c a nb eo b t a i n e da n dt h ew e i g h to ft h eb o i l e rc a nb eg r e a t l yr e d u c e d d u r i n gt l i e1 0 m f i v e - y e a r , o u rc o u n t r ys t a r t st od e s i g na n db u i l dt h eu l t r as u p e r c r i t i c a lp r e s s u r eb o i l e r , a n dm e a n w h i l ep 9 2 s t e e li si n t r o d u c e di n t oo u rc o u n t r yf o rt h em a i ns t e a ml i n e h o w e v e r , a saa d v a n c e ds t e e lf o r t h eb o i l e r , t h ek e ym a n u f a c t u r i n gt e c h n i q u eo fi 9 2s t e e lh a sb e e ns t i l lc o n t r o lb yf o r e i g n c o u n t r i e s ，i ti so fm u c hc o n s e q u e n c ef o rt h i sp a p e rt oc o n d u c tt h es t u d yo fa p p l i c a t i o nt h e o r yt o i t sm i c r o s t r u c t u r e ，c o n s o l i d a t i n gm e c h a n i s ma n dd e f o r m a t i o na n df r a c t u r ea n dt os t a t i s t i c a l l y a n dc o m p r e h e n s i v e l ye v a l u a t et h em i c r o s t r u c t u r e ，m e c h a n i c a lp r o p e r t ya n df r a c t u r e ds u r f a c eo f i m p o r t e d1 9 2s t e e l t h et h e o r e t i ca n a l y s e sa n de x p e r i m e n t a ls t u d ye m p h a s i z et h a tt h em i c r o s t r u c t u r eo fs t e e l n o r m a l i z e da n dt e m p e r e da th i g l lt e m p e r a t u r ei st h el a t hm a r t e n s i t e d u et ot h er e c o v e r yo fh i 曲 t e m p e r a t u r e ，t h e m a r t e n s i t ei sb r o k e ni n t om a n ys u b g r a i n s t h e h i g h d e n s ed i s l o c a t i o n a r r a n g e m e n tf o r m st h ed i s l o c a t i o nn e t t h ep r e c i p i t a t e dc a r b i d e sa r em a i n l yi nm 2 3 c 6a n dm c t y p e , t h ef o r m e rw i t he l l i p t i cs h a p eb e i n gp r e c i p i t a t e da tg r a i nb o u n d a r yo fm a r t e n s i t ea n d a u s t e n i t e ，t h el a t t e rw i t hf i n e - s h o r ts h a p ep r e c i p i t a t e di n s i d eo fm a r t e n s i t e e x c e p tf o rd i s p e r s e d p r e c i p i t a t i o ns t r e n g t h e n i n g , t h e r ea g ec o m p l e xs t r e n g t h e n i n g s ，s u c ha ss o l u t i o ns t r e n g t h e n i n g , m a r t e n s i t es t r e n g t h e n i n g , f i n eg r a i nb o u n d a r ys t r e n g t h e n i n ga n dd i s l o c a t i o ns t r e n g t h e n i n g , w h i c hm a k et h eh e a tr e s i s t a n ts t e e lm o r es a t i s f a c t o r y f o rt h ep u r p o s eo fh e a tr e s i s t a n c e ，t h e s o l u t i o na n dm a r t e n s i t es t r e n g t h e n i n gi sr e a l i z e db yt h ea d d i t i o n so fc ra n dm o t h es o l u t i o no f cw i t hv & n bo b s t r u c to s t w a l dr i p e n i n go fm z 3 c 6 w h i c hm a r k st h eh i 曲t h e r m a ls t a b i l i t yo f t h es t e e l t h eh i g hs o l u t i o no fc ri nm a t r i x ，t h eb r e a k i n go fs u b 掣a i l l si nm a r t e n s i t el a t ha n dt h e h i g hm e t a s t a b l ed i s l o c a t i o nn e tf o r m e dt h r o u g hh i g ht e m p e r a t u r er e c o v e r ym a k et h es t e e l m h a v i n gu n i q u ep r o p e r t i e so fh i g hi n t e r n a lf r i c t i o na n dh i 曲a n t i f a t i g u ec a p a b i l i t y m o r e o v e r , f o r na d d i t i o ni np f r 9 1s t e e l ，a ( d ) d o e sn o te x i s ti n1 9 2s t e e ln o r m a l i z e da th i g ht e m p e r a t u r e ，s o t h ee f f e c to f m a r t e n s i t eh a r d e n i n gi se n s u r e d t h ea n a l y s i so ns t r u c t u r ea n df r a c t u r e ds u r f a c ea r em a d ew i t ho m t e m s e m t h e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e ss u c ha sp l a s t i c i t ya n dd u c t i l i t ya ta m b i e n ta n dh i g ht e m p e r a t u r ea r et e s t e d u s i n g s t a t i ct e n s i l ea n d d y n a m i co s c i l l a t e di m p a c tm e t h o d , a n dt h e s t a t i s t i c a la n d c o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o n sa r ec o n d u c t e d t h er e s u l t ss h o wt h a ti m p o r t e dp 9 2h a si d e a l s t r u c t u r ea n df r a c t u r e ds u r f a c ep r e d i c t e dt h e o r e t i c a l l y c o m p r e h e n s i v em e c h a n i c a lp r o p e r t yh a s r e a c h e da s e ml e v e l t h ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c h e so nt h e r m a ls t a b i l i t ya n dd e f o r m a t i o na n d f r a c t u r er e v e a lt h a tt h em e a nv a l u eo fy i e l ds t r e n g t hs n za n dt e n s i l es t r e n g t h s ba r e5 0 2 6 7 m p a a n d6 6 5 o o m p aw i t ht h es t a n d a r de r r o ro f4 2 3 m p aa n d3 9 0 m p ar e s p e c t i v e l y , b u tt h ev a l u a t i o n o ft o u g h n e s si sn o tg o o de n o u g ha tr t t h em t a lv - c h a r p yi m p a c te n e r g yo ft h es t e e lj so n l y 8 6 8 3 j m o r e o v e r p 9 2s t e e lp o s s e s s e ss u p e r i o rt e m p e r a t u r es t r e n g t ha t6 0 0 1 2 t t sy i e l ds t r e n g t h i sm o r et h a n3 0 5 8 3 m p a , b e c a u s eo ft h ei m p r o v e m e n to fh i 【g ht e m p e r a t u r es t r e n g t h ，t h ey i e l d r a t i oo ft h es t a t i cs t r e n g t ho fp ，】習(xí)1s t e e lc h a n g e sf r o m0 7 8a tr o o mt e m p e r a t u r et o0 9 2a t 6 0 0 c a t6 0 0 c ，f o rt h ei n c r e a s e so ft h es t a t i cu n i f o r md e f o r m a t i o nd e c r e a s i n ga n dt h e h e t e r o g e n e o u sd e f o r m a t i o n , t h ee l o n g a t i o nb e c o m e ss m a l la n dt h er e d u c t i o no fa r e ab e c o m e l a r g e ，m e a n w h i l et h en e c k i n ga p p e a r se a r l i e r m e c h a n i s mo fc r a c kg r o w t ha n dp r o p a g a t i o no fp 9 2s t e e la l s oh a sb e e ns t u d i e db yt h e s t a g e w i s ec h a r p y - t y p et e s t b a s e do nt h es t u d y , w ec a l lc o n c l u d et h a tt h em e c h a n i s mo fc r a c k g r o w t hi st h a tt h ef r o n te d 薩o fc r a c kj o i nt oa p e r t u r ew i t hs h e a rf i s s u r e ；t h em e c h a n i s mo f c r a c kp r o p a g a t i o ni st h a tt h ef r o n tc d g eo fc r a c ka n d a p e r t u r eg e t t i n gt o g e t h e rw i t hn e c k i n g t h e o o m m np r e m i s eo fb o t hm e c h a n i s mi st h a tt h ef r o n te d g eo fc r a c kp l a s t i cy i e l da n dg ow i t h s t r a i nh a r d e n i n g t h en e c k i n go c c u r r e di nb o s o mo fc r a c ka p p e a rf o rp l a s t i cy i e l da n ds t r a i n h a r d e n i n gl e a dt ot h ef r o n te d g ei n a c t i o n t h e n , s o m em i c r o p o r ea p p e a ri np l a s t i c a l l yd e f o r m i n g a r e ao fc r a c kf o rt h ev i o l e n ts t r a i nh a r d e n i n g t h em i c r o p o r eg r o wt ot h ea p e r t u r ew i t hs o m e m i c r o p o r em i c r o p o r em e r g ew i t he a c ho t h e r k e yw o r d s ：i m p o r t e d1 9 2s t e e l ；s t a t i cs t r e n g t ha n dp l a s t i c i t y ；d y n a m i cs t r e n g t ha n dt o u g h n e s s 主要符號表 屈服強(qiáng)度m p a 抗拉強(qiáng)度m p a 伸長率 5 倍試樣長度的伸長率 面縮率 均勻伸長率 局集伸長率 均勻面縮率 局集面縮率 正彈性模量m p a 沖擊試樣吸收的彈性功j 沖擊試樣吸收的最大第一峰值載荷功j 沖擊試樣吸收的總破斷功與最大第一峰 值載荷功之差j 沖擊試樣吸收的脆性破斷功j 沖擊試樣吸收的總破斷功j 裂紋擴(kuò)展量r m 屈服強(qiáng)度朋p a 有效屈服強(qiáng)度m p a 長度增量r m 形變強(qiáng)化系數(shù) 形變強(qiáng)化指數(shù) 真應(yīng)力卿a 真應(yīng)變 光學(xué)( 金相) 顯微分析 透射電子顯微分析 掃描電子顯微鏡 萬以礦如如e以4以4 4缸勺吖業(yè)七廳咖。伽聊叫 5 學(xué)位論文知識產(chǎn)權(quán)聲明 學(xué)位論文知識產(chǎn)權(quán)聲明 本人完全了解西安工業(yè)大學(xué)有關(guān)保護(hù)知識產(chǎn)權(quán)的規(guī)定，即：研究生在校攻讀學(xué)位期間 學(xué)位論文工作的知識產(chǎn)權(quán)屬西安工業(yè)大學(xué)。本人保證畢業(yè)離校后，使用學(xué)位論文工作成果 或用學(xué)位論文工作成果發(fā)表論文時署名單位仍然為西安工業(yè)大學(xué)。學(xué)校有權(quán)保留送交的學(xué) 位論文的復(fù)印件，允許學(xué)位論文被查閱和借閱；學(xué)?？梢怨紝W(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容， 可以采用影印、縮印或其他復(fù)制手段保存學(xué)位論文。 學(xué)位論文作者簽名 指導(dǎo)老師簽名 日期 學(xué)位論文獨(dú)創(chuàng)性聲明 學(xué)位論文獨(dú)創(chuàng)性聲明 秉承學(xué)校嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)風(fēng)與優(yōu)良的科學(xué)道德，本人聲明所呈交的學(xué)位論文是我個人在導(dǎo)師 指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，學(xué)位 論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，不包含本人已申請學(xué)位或他人已申請 學(xué)位或其他用途使用過的成果。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文 中作了明確的說明并表示了致謝。 學(xué)位論文與資料若有不實(shí)之處，本人承擔(dān)一切相關(guān)責(zé)任。 學(xué)位論文作者簽 指導(dǎo)教師簽名 日期 l 緒論 1 緒論 現(xiàn)今電能的獲得主要是通過火電站的煤炭轉(zhuǎn)化而來，圖1 1 為火電站煤炭化學(xué)能轉(zhuǎn)化 電能過程示意圖，水在冷壁中被煤炭的化學(xué)能燃燒轉(zhuǎn)化的熱能加熱沸騰后汽化成水蒸氣， 蒸汽由汽包上部流出，進(jìn)入過熱器中繼續(xù)吸熱，成為過熱蒸汽，過熱蒸汽經(jīng)導(dǎo)管引入汽輪 機(jī)以高速流動的蒸汽推動汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，便將過熱蒸汽的熱勢能轉(zhuǎn)變成汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的動 能，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子帶動發(fā)電機(jī)發(fā)出電能，從而實(shí)現(xiàn)煤炭至電能的轉(zhuǎn)化【l , 4 1 。這個轉(zhuǎn)化效率取 決于蒸汽參數(shù)，蒸汽參數(shù)為1 6 7 m p a ，5 3 8 5 3 8 的亞臨界( 水一汽系的相狀態(tài)臨界點(diǎn)為 2 2 1 1 5 m p a 3 7 4 1 5 ) 機(jī)組的廠效率為4 1 8 ，蒸汽參數(shù)為2 5 m p “5 4 0 5 6 0 的超臨界 機(jī)組的廠效率為4 3 1 3 ，蒸汽參數(shù)2 7 m p “5 8 5 ，6 0 0 的超臨界機(jī)組的廠效率為4 4 4 ， 蒸汽參數(shù)3 0 m p a 6 0 0 6 2 0 的超超臨界機(jī)組的廠效率為4 5 。1 ，3 1 5 m p a 6 2 0 ，6 2 0 超 超l | 缶界機(jī)組的廠效率4 5 5 ，3 5 m p 們0 0 7 2 0 超超臨界機(jī)組的廠效率為4 7 6 * 0 。隨著 超超臨界機(jī)組的應(yīng)用，煤電轉(zhuǎn)化的煤耗量從亞臨界機(jī)組的平均3 4 5 9 k w h 減少到超超臨界 機(jī)組的2 6 1 4 9 k w h 。提高煤一電轉(zhuǎn)化效率，降低轉(zhuǎn)化成本，減少對環(huán)境的污染必然成為人 們的追求 圖1 1 火電站煤一電轉(zhuǎn)化過程示意圖 提高超i i 缶界、超超臨界機(jī)組的比例，是整體提高煤電機(jī)組效率的有效途徑之一。歐盟 正在執(zhí)行的發(fā)展下一代高效超超臨界機(jī)組的研發(fā)計(jì)劃確定，蒸汽溫度提高至u 7 0 0 ，再熱 器溫度達(dá)至u 7 0 0 ，相應(yīng)的壓力將從目前的3 0 m p a 左右提高2 0 3 7 5 m p a ，機(jī)組的供電效率相 應(yīng)提高到5 2 5 左右。我國目前運(yùn)行的發(fā)電企業(yè)，平均發(fā)電效率在3 5 左右，供電煤耗為 3 7 5 9 k w h , 左右：國產(chǎn)亞臨界機(jī)組的發(fā)電效率在3 8 左右，發(fā)電煤耗3 5 0 9 k w b 左右，引進(jìn)的 6 0 萬千瓦超i i 每界機(jī)組的發(fā)電效率在3 9 0 , 0 左右發(fā)電煤耗3 1 0 9 k w h 左右。今后采用超臨界、超 西安工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 超臨界發(fā)電技術(shù)是提高煤電機(jī)組發(fā)電效率的主要技術(shù)方向?，F(xiàn)階段，我國發(fā)展超超臨界機(jī) 組的技術(shù)參數(shù)為2 5 - 2 8 m p a 6 0 0 c 6 0 0 c ，相應(yīng)的發(fā)電效率預(yù)計(jì)為4 4 左右，發(fā)電煤耗預(yù)計(jì) 為2 5 6 朗融右，其發(fā)電效率比亞臨界高出九個百分點(diǎn)左右。我國玉環(huán)電廠1 0 0 萬千瓦超 超臨界機(jī)組示范工程就是為探索并推廣應(yīng)用大容量、高參數(shù)、高效率、低污染、高可靠性、 復(fù)合適應(yīng)性、經(jīng)濟(jì)性的新型發(fā)電技術(shù)積累經(jīng)驗(yàn)。到今年六月底，全國1 0 0 萬千瓦超超臨界 機(jī)組有1 6 套，6 0 萬_ 6 6 萬千瓦超臨界機(jī)組有1 0 套。目前，我國煤電機(jī)組平均供電煤耗 3 7 4 9 k w h ，高于世界先進(jìn)水平5 5 9 ，因此，提高煤轉(zhuǎn)化率，節(jié)約煤資源，是未來煤電發(fā)展 的主要目標(biāo)，是實(shí)現(xiàn)煤電可持續(xù)發(fā)展的重要保障。超臨界或超超臨界機(jī)組是未來我國火力 發(fā)電機(jī)組發(fā)展的趨勢。1 8 9 1 隨著發(fā)電機(jī)組運(yùn)行參數(shù)的提高，機(jī)組運(yùn)行壓力、溫度的提高帶來的變化是連鎖的。蒸 汽參數(shù)每上升一級，都需要鋼鐵行業(yè)提供相應(yīng)耐高溫高壓的合金鋼材。高溫承壓部件如蒸 汽管道、閥門、鍋爐和汽輪機(jī)的材料性能也必須相應(yīng)地提高，它們能否安全工作對整個機(jī) 組的安全運(yùn)行有著十分重要的意義。要實(shí)現(xiàn)更高蒸汽參數(shù)下機(jī)組的可靠運(yùn)行，研究適應(yīng)于 高蒸汽參數(shù)的強(qiáng)度更高、性能更可靠的熱強(qiáng)鋼勢在必行f 啦! 2 1 。先進(jìn)的熱強(qiáng)材料應(yīng)具有以下 的特點(diǎn)：高的蠕變斷裂強(qiáng)度，足夠的疲勞斷裂強(qiáng)度，長期的組織結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，在運(yùn)行氣氛 中具有足夠的抗熱腐蝕的能力，良好的冷加工性，可焊性，運(yùn)行監(jiān)控和制造過程中無損檢 測的可測性“6 1 。 傳統(tǒng)的低合金鐵素體類耐熱鋼，用于亞臨界機(jī)組，幾乎已經(jīng)達(dá)到了他的使用極限。因 此熱強(qiáng)鋼性能的提高和發(fā)展。成為建設(shè)超臨界超超臨界機(jī)組的關(guān)鍵技術(shù)之一。為適應(yīng)火 力發(fā)電機(jī)組向超臨界超超臨界的發(fā)展，提高材料的高溫性能，近二十多年來，美、日、 歐等發(fā)達(dá)國家在開發(fā)電站新材料技術(shù)方面進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究，以進(jìn)一步提高鐵素體鋼 的高溫蠕變斷裂強(qiáng)度和提高奧氏體鋼的高溫強(qiáng)度、抗氧化性抗腐蝕性、使用性和經(jīng)濟(jì)性等 為主要研究方向，充分利用多元復(fù)合強(qiáng)化原理，研究開發(fā)了一批性能優(yōu)異的新型鋼種，應(yīng) 用于超臨界超超臨界機(jī)組，并漸已成為主力鋼種。 儕l s 】 1 1 耐熱鋼的發(fā)展 火力發(fā)電廠高溫承壓部件如主蒸汽管道、集箱、導(dǎo)汽管，以及過熱器：再熱器等使用 的熱強(qiáng)鋼，美國在上世紀(jì)七十年代以前是以鐵素體鋼2 1 4 c r - 1 m o ( 即t p 2 2 ) 和奧氏體鋼 t p 3 0 4 h ( 即1 8 - 8 ) 為主。前者熱導(dǎo)率高，線脹系數(shù)小，價格低廉，但熱強(qiáng)性低，抗蝕性 差。淬透性小，受抗氧化溫度的影響，通常用于4 2 5 以下；后者熱強(qiáng)性高，抗蝕性好， 雖然由于具有較高的抗氧化溫度，但熱導(dǎo)率低，線脹系數(shù)大，抗熱疲勞能力低，且價格昂 貴，通常只用于6 5 0 左右。能源轉(zhuǎn)換效率隨蒸汽溫度的升高而提高，為提高能源轉(zhuǎn)換效 率而提高蒸汽溫度就對熱強(qiáng)鋼提出了更高的熱強(qiáng)性要求而又要較低的成本，美國能源局便 于1 9 7 4 年創(chuàng)議研制經(jīng)改進(jìn)的合金以滿足這種要求。美國橡樹蛉國家實(shí)驗(yàn)室( o r n l ) 在燃 燒工程公司( c n ) 的協(xié)助下，對現(xiàn)有9 c r - l m o 鋼進(jìn)行了加入少量v 、n b ，并控制n 的微 2 西安工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 合金化改進(jìn)，取得了顯著成功。改良型9 c r - l m o 鋼熱強(qiáng)性好( 達(dá)到了奧氏體鋼的水平) ， 強(qiáng)韌性高，淬透性好( 可空淬至2 0 0 m m ) ，可焊性良，熱導(dǎo)率高，線脹系數(shù)小，抗蝕性和 價格居于1 佃2 2 和t p 3 0 4 h 之間。該鋼填補(bǔ)了t p 2 2 和t p 3 0 4 h 之間的空白。1 9 8 0 年在美 國田納西首次替代t p 3 2 1 h ( 即1 8 - 8 n ) 用于火力發(fā)電廠試運(yùn)行，效果優(yōu)良。被a s t m 、 a s m e 認(rèn)可并分別于1 9 8 3 年和1 9 8 4 年納入a s t m a 2 1 3t 9 1 、a s m es a 2 1 3t 9 1 ( 鍋爐用 薄壁小管) 和a s t m a 3 3 5p 9 1 、a s m e s a 3 3 5 p 9 1 ( 導(dǎo)汽用厚壁大管) 。隨之在世界各國的 火電廠得到廣泛應(yīng)用，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。1 9 8 6 年美國電力研究所( e p r i ) 又組織歐、 日參加的r p l 4 0 3 項(xiàng)目( 改進(jìn)燃煤電廠) 研究，研發(fā)電站鍋爐厚截面部件用鋼1 1 ” ，在 1 y p 9 1 的基礎(chǔ)上又以w 部分替代m o 得到了t p 9 2 鋼，w 比m o 具有更高的熱強(qiáng)性，該 鋼可在6 2 0 c 蒸汽溫度以下替代奧氏體鋼。t p 9 1 和t p 9 2 鋼的應(yīng)用不僅提高了效率，節(jié) 約了能源，延長了電廠主要設(shè)備的大修周期，使電廠的運(yùn)行成本降低，提高了電廠的效益， 并提高了安全運(yùn)行的可靠性，而且減少了2 0 的c 0 2 排放量，有利于環(huán)境保護(hù)。這是當(dāng) 今超超臨界機(jī)組鍋爐厚截面部件和蒸汽管的首選鋼種?！霸谀壳扒闆r下，所有現(xiàn)代化電站 的設(shè)計(jì)、建設(shè)、制造及運(yùn)行，都要考慮五個最重要的因素，即生態(tài)( e c o l o g y ) 、效率 ( e f f i c i e n c y ) 、靈活( e l a s t i c i t y ) 、經(jīng)驗(yàn)( e x p e r i e n c e ) 及經(jīng)濟(jì)( e c o n o m y ) ，在這種情況下， 改性的9 c r - 1 m o 鋼是最佳的選擇?！?1 1 1 珠光體鋼 ， 上世紀(jì)五十年代，電站鍋爐鋼管大多采用珠光體低合金耐熱鋼，其含o = 3 ，含i v b = 1 ，其典型鋼種及使用溫度如下： 1 2 0 1 m 3 v = 5 8 0 c ：1 0 0 m ) 9 1 0 = 5 8 0 c # a 3 3 5 p 2 2 = 5 8 0 1 2 當(dāng)時，當(dāng)蒸汽溫度超過5 8 0 1 2 ，則使用奧氏體耐熱不銹鋼t i t 3 0 4 、t f 3 4 7 等。奧氏體不銹 鋼雖然高溫蠕變強(qiáng)度較大，允許使用的溫度也較高，但是其相對于的馬氏體合金鋼，則導(dǎo) 熱率低熱膨脹系數(shù)大，造成了高溫蒸汽管道較高的熱應(yīng)力水平。 1 1 2 鐵素體馬氏體鋼 就鐵素體( 馬氏體) 鋼而言，以主加元素c r 區(qū)分，有2 c r 、9 c r 、1 2 c t = 大系列。 總體來說，鐵素體( 馬氏體) 熱強(qiáng)鋼的發(fā)展是以9 1 2 c r 為基礎(chǔ)，加入m o 、w 、 v 、n b 、t a 等高熔點(diǎn)過渡族金屬的合金化來達(dá)到固溶強(qiáng)化和析出強(qiáng)化，同時用b 、n 、c u 、 r e 等微合金化以進(jìn)一步提高性能，甚至正在研究以碳化物( w ，t i ) c 、( w ，套m ) c 或 氧化物等超細(xì)彌散相進(jìn)行彌散強(qiáng)化1 2 2 - 2 3 1 。然而，鋼的熱強(qiáng)性畢竟受f c 的限制，當(dāng)7 0 0 c 以上時，則需使用n i 基合金，更高的溫度就得考慮金屬間化合物、陶瓷、碳素材料等。 合金元素在鐵素體( 馬氏體) 鋼中的作用被廣泛研究。c r 既固溶強(qiáng)化又抗氧化腐蝕； w 、m o 主要為固溶強(qiáng)化，也參與形成m 2 3 c 碳化物析出強(qiáng)化；v 、n b 形成纖細(xì)彌散穩(wěn)定 的蜮碳氮化合物而產(chǎn)生沉淀強(qiáng)化( 以o 2 5 v 和0 0 5 n b 的組合最為有效) ；n i 可改善 3 西安工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 韌性但卻犧牲蠕變抗力，故要限制其量；以c u 代n i 可穩(wěn)定蠕變強(qiáng)度；b 進(jìn)入m 2 3 c 6 ，并 偏聚於m 2 3 c 6 和基體間的界面從而阻止m 2 3 c 6 的熟化長大，b 也促進(jìn)v n 形核而提高蠕變 強(qiáng)度；c o 除固溶強(qiáng)化這個主要作用之外，還延緩了馬氏體在高溫回火時的回復(fù)，并促進(jìn) 回火時細(xì)小碳化物的形核，還減慢碳化物的熟化長大，從而提高蠕變強(qiáng)度；c 是形成碳化 物強(qiáng)化相所必須的，但損害可焊性，為了可焊性必須限制c 量i 撕6 l 。 ( i ) 2 2 5 c r - l m o ( 配2 p 2 2 ) 上世紀(jì)7 0 年代得到了廣泛的應(yīng)用。 ( 2 ) 2 2 5 0 、1 6 w v c b ( h c m 2 s 或他3 ) 鋼：在他卸p 2 2 基礎(chǔ)上，以w 、v 、n b 取代 m o ，并降低c 含量而得到的新型鋼種，已經(jīng)列入a s m e 規(guī)范c a s e 2 1 9 9 。h c m 2 s ( t 2 3 ) 比 t 2 2 具有較高的蠕變抗力和性價比，具有優(yōu)良的焊接性能而無須焊前或焊后熱處理，應(yīng)作為 水冷壁低溫過燕器等部件的首選材料。| 2 7 - 籃1 典型鐵索體鋼的名義成分見表1 1 。 表1 1 典型鐵素體( 馬氏體) 鋼的名義化學(xué)成分，w t 1 ) 9 c r 系列 ( 1 ) t g l i ? 9 1 ( 9 c r l m o v n b ) 鋼：t g l p 9 1 鋼具有較高的強(qiáng)度和韌性、抗熱疲勞性能，作為 6 2 0 c 以下的過熱器、再熱器、聯(lián)箱和主蒸汽管道用鋼，在世界范圍內(nèi)已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。 ( 2 ) 9 馓w o 盯6 1 6 或1 9 卻p 9 2 ) 鋼：在眄1 p 9 1 基礎(chǔ)上，以w 取代了部分m o 而得到的新鋼 種，已經(jīng)列入a s v i e 規(guī)范c a s e 2 1 7 9 。比t 9 1 p 9 1 具有更高的許用應(yīng)力。可用于6 2 0 以下的 4 西安工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 過熱器、再熱器、聯(lián)箱和主蒸汽管道。p 9 2 鋼是在p 9 1 鋼的基礎(chǔ)上加入1 5 2 的w ，降低 了含量，從而大大增強(qiáng)了固溶強(qiáng)化的效果，具有更高的許用應(yīng)力，使用溫度則可達(dá)到 6 2 0 ( 3 ) e 9 1 1 鋼：是一種歐洲牌號，其成分和性能與n f 6 1 6 ( 或t 9 2 ) 相近：9 c r 系的原型是 9 c r - l m o 鋼( p 9 ) ，1 9 7 4 年，美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室( o r n l ) 在美國燃燒工程公司( c e ) 協(xié)作下， 研制成功了一種改良型9 c r - l m o 鋼( 薄壁小管t 9 1 和厚壁管道p 9 1 ) 。1 9 8 0 年5 月，第一次將 改良型9 c r - i m o 鋼四1 制成的實(shí)驗(yàn)管安裝在美國田納西流域管理所屬下的k i n g s t o n 5 號機(jī)組 過熱器上( 5 9 3 ) ，代替原用的t p 3 2 1 不銹鋼。1 9 8 2 年至1 9 8 4 年，英國和加拿大等國先后用 t 9 1 代替原用的不銹鋼過熱器或再熱器管 2 9 - 3 0 l 。1 9 8 3 年美國a s t m 和a s m e 先后批準(zhǔn)將改 良型9 c r - l m o 鋼t 9 1 分別載于s a 3 3 5 和a 2 1 3 標(biāo)準(zhǔn)用于壓力管道和集氣管上，1 9 8 4 g 將1 9 1 分別載于a _ s m e 、s a 3 3 5 和a s t m 3 3 5 標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)( 名義化學(xué)成分見表1 1 ) 。1 9 8 6 年，美國電力 研究所( e p r i ) 組織歐、日參加的r p l 4 0 3 項(xiàng)目( 改進(jìn)燃煤電廠) 研究，對于可以燃用硫 份、碳份高的劣質(zhì)煤、蒸汽壓力和溫度更高的超臨界直流鍋爐，選用p 9 1 作水冷管壁1 3 t - 3 2 。 在德國，對1 9 1 、p 9 1 也進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究，特別是1 9 8 7 年為了歐洲共同體制定全歐 洲標(biāo)準(zhǔn)的要求，在一項(xiàng)國際贊助的簽定t 9 1 、p 9 1 鋼種的研究項(xiàng)目，德國m a n n e s m a n n 鋼管 公司制造了各種直徑的鋼管，作了高溫蠕變和持久強(qiáng)度性能實(shí)驗(yàn)及成品鋼管焊接性能實(shí)驗(yàn) 等大量實(shí)驗(yàn)。1 9 8 2 1 9 8 7 年法國v a l l o u r e e t 業(yè)公司與美國燃燒工程公司( c e ) 和橡樹嶺 國家實(shí)驗(yàn)室( o r n l ) 合作，進(jìn)行了改良型9 c r - l m o 、e m l 2 和x 2 0 三種熱強(qiáng)鋼的比較研究， 認(rèn)為1 9 1 、p 9 1 鋼有明顯的優(yōu)點(diǎn)，強(qiáng)調(diào)要從e m l 2 轉(zhuǎn)為使用t 9 1 、p 9 1 。t 9 1 、p 9 1 鋼從研制成 功之后短短7 年就獲美國a s m e 和a s t m 標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)可，并迅速在國際上得到普遍應(yīng)用，不能不 說是鍋爐鋼史上一個先例，并開始在世界各國被廣泛采用。目前，世界上主要生產(chǎn)鍋爐管 和大口徑厚壁鋼管的鋼廠已完成t 9 1 、p 9 1 工業(yè)化的研究，并向世界各國供應(yīng)t 9 1 、p 9 1 鋼 管和鋼件。p 9 1 和t 9 1 鋼具有高的許用應(yīng)力，高的持久強(qiáng)度，高的疲勞強(qiáng)度，高的熱導(dǎo)率， 良好的焊接性，較好的抗蝕性。它是完成主蒸汽溫度由5 3 8 向5 6 6 過渡的首選材料，也 是完成主蒸汽溫度由5 6 6 c 向5 9 3 c 過渡的關(guān)鍵材料。不僅可以用于新建動力設(shè)備，也是用 于改造現(xiàn)役發(fā)電機(jī)組高溫部件最有前途的替換材料。在t p 9 1 的基礎(chǔ)上又以w 部分替代m o 得到了t p 9 2 鋼，w 比m o 具有更高的熱強(qiáng)性，該鋼可在6 2 0 蒸汽溫度以下替代奧氏體鋼。 t p 9 1 和1 沖9 2 鋼的應(yīng)用不僅提高了效率，節(jié)約了能源，延長了電廠主要設(shè)備的大修周期， 使電廠的運(yùn)行成本降低，提高了電廠的效益，并提高了安全運(yùn)行的可靠性，而且減少了2 0 的c o 猁 放量，有利于環(huán)境保護(hù)。運(yùn)行溫度超過6 2 0 時，9 c r 鋼因抗蝕性的限制，必須 采用1 2 c r 系鋼。 上世紀(jì)9 0 年代初日本在大量推廣i 9 1 鋼的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)當(dāng)使用溫度超過6 0 0 c 時，p 9 1 鋼不 能長期安全運(yùn)行的要求。另外調(diào)峰任務(wù)重的機(jī)組，管材的疲勞失效也是一個大問題。日本在 開發(fā)新的大機(jī)組高參數(shù)機(jī)組用鋼方面做了大量的試驗(yàn)研究工作，目前已生產(chǎn)出商品鋼管 p 9 2 ( n f 6 1 6 ) 和p 1 2 2 ( r i c m l 2 a ) 。1 9 9 4 年這兩種鋼也被納入了a s v i e 鍋爐和壓力容器規(guī)范，規(guī) 5 西安工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 范號分別為c a s e 2 1 7 9 和c a s e 2 1 8 0 。 6 0 0 cx1 0 0 0 0 0 h 杉# ： 的斷愛強(qiáng)蓮 3 5 m p a l 6 0 - 8 0 m p a ll o o m p al 1 4 0 m p a h 9 c r 一2 r i o r 一f - v h ( 、f 9 m r l 蜘卅斗1 9 c r - 2 m o v n b l + v 一n b e m l 2 l * i g c r - l m o v n b t e m l x d o yf9 一0 一i m o ￥w b n s 螄! t 9 1 r o 5 m o - 1 鍘v n l ) n l ：6 1 6 t 9 2 ，蜘 一e 1 w 6 0 一- 瓣0 2 2 ，0 t m 伯p a 。十8 ，一瓣 1 。 田一匝亙塑習(xí) 。、0 ，撼。一f一常一b蝻o 。 i i c r o 2 m o 2 6 w 2 , 5 c o 。v n b b _ ( i lt、r 1 2 匱圜一匝蠶匝匭匝匝垂疊圃 1 1 1 9 i c m l 2 圖1 2 高c r 系耐熱鋼的研究開發(fā)過程【3 3 i 2 ) 1 2 c r 系列 一般當(dāng)溫度在6 2 0 c 以上時，9 c r 鋼的抗氧化性能不能滿足要求，需使用1 2 c r 銅l 或不 銹鋼。 ( 1 ) x 2 0 c r m o v l 2 1 和渤m o w