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火 电厂锅炉耐热件用新型耐热钢 北方交通大学 徐德基王广涛 摘要 本 文龊连 了火 电厂锅 炉 喷嘴 用新 型 耐 热铜 zG4 C r 2 4 Ni 9 si 2 NRE的化 学成 分 、高温抗 氧 化 性 能厦 机械 性 能 ，列 出 了试验 厦 使 用蛄 果 ，表 明新型 耐 热钢 是 锅 妒 耐热件 的 一种 良好 材质 。 关■ 词 锅 妒 啧嘴耐 捕钢成 分 谩计 高温 强度抗 氧 化 性 一 、前言 火 电厂锅 炉喷燃器喷嘴是 燃烧 系统的 关键 配件，它的使用寿命直接关系到锅炉的经济运 行和检修 维护的工作量 。喷燃器喷嘴对材质 性 能的要求严格它 在1 0 0 0 ℃ 左 右高 温下 长 久工 作，材质 应具有优 良的高温 抗氧化 性及高温 强 度； 燃 气中含有硫化 物气体 ， 对金属产 生腐 蚀， 要求材质具有一定的高温抗腐蚀性能；煤燃烧 气体中混有大量粉灰，要求材质具有一定抗磨 粒磨损性 能。这些性能要 求中最主要的是高温 抗氧化性 。原 火电厂 一些耐热配件采用高硅球 铁 R QTS i 一6 ． 5及 1 Cr l 8 Ni 9 Ti - 不锈 钢。这些 材质 的喷 嘴耐热温度不够高 ，使用不到一 个大 修期就 因烧坏变形、龟裂等而报废，远不能满 足锅炉喷嚏等耐热配件的使用要求。为此 ，北 方咬通大学与江苏靖江 电力机械厂联合于 1 9 8 4 年开始开发用于火电厂聩燃器喷嘴及预热室的 耐热配件 结合我国资源情况，原料来源及工 厂生产的实际条件 ，研制 成 功了新钢 种ZG4 Cr 2 4 Ni9 S i 2 NR E 。 现在靖江电力机械厂生产的锅 炉耐热钢配件 已提 供 给全国 i 0 0多家火 电厂 使 用，其使用期 限超过 一个大修期 ，大大优 于高 硅耐 热球铁及 1 Cr 1 8 Ni 9 Ti 制作的 耐热 配件 ， 已经取 得 了良好的经 济效益和社会效益。 二 ．新型 耐热钢 的成 分设计 钢的抗氧化性是指在高温下具有对气体介 质的氧化 腐蚀稳定性 ，它是 保证工件在高温 下 能够持 久工作 的重要条件。 现今提 高钢的抗氧 化性的基 率措施是合金化 ，钢中添加足够数量 的铬、硅 、铝 等合金元 素，使 钢在高温氧化气 4 2 氛下表面生 成一层稳定致密的 Cr 2 03 、 si o2 及 A I 2 o3 的氧化膜。这些氧化膜能牢固地附着 于金属的表面，从而能有效地保护金属免受高 温气 体的氧化 及介质 的腐蚀作用。 铬是提高 钢 的高 温抗氧化 性的主要元 素，工件 使 用温 度愈 高 ，划应相应增加钢的 含铬 量。随 着钢中含铬 量的 增加，氧化膜的稳定性提 高 ．膜的厚度与 致密 度也 增加 。 试 验表 明 工 作 温 度 6 0 0～ 6 5 0 ℃ 时，需含 5％Cr ；工 作温度8 0 0 ℃ 时，需 含l 2 ％Cr ；工作温 度9 5 0 ℃ 时，需 含2 0 ％Cr ； 工作 温度l 1 0 0 ℃时，则需要2 8 ％Cr 。图 l为铬 对 钢的抗氧化 温度的影响。 1 o o h 增 重 试验 l一 1 g ／ m。 h 2 0 ． 1 g ／ m h 囤 1 钢 的 氧 化性 与 音铬 ■ 的 关 系 单 独 以铬 为合金元 素的高铬耐热 钢 ．为达 到1 0 5 0～1 1 0 0 ℃ 的抗氧化 温度 ，钢中含铬量需 要2 5 ～3 O ％ ，含碳量 1 ． 0 ～1 ． 2 ％ ，其金相组 织 为莱氏体。这种材质性脆 ，焊接性和加工性不 良 一制造过程 中易出现 裂纹，不便 于生产制造 及安装维修。实际生产用耐热钢 ，多数情 况 不单独 加铬 ，而采用多元合金化。 通 常 为 维普资讯 Cr Ni ． Cr S i 、Cr AI及 C卜 Si AI 等 。 这样 既可降低 铬量 ， 同时也改善 了钢的工艺性 及耐 热强度。 从国 内外耐热 钢的发展 来看 ， 以枣 氏体 型 耐 热钢抗高温氧化性 能最佳 ，高 温组 织稳定， 具有良好 的强度与 韧性 配合 的综合机械性能 ， 同时有 良好的焊接性 及加工性 国内镍 料供应 困难 ，应 当向节镍 电氏体方 向发展。 水研 究娃 在 1 Cr l 8 Ni 9 T i 钢的基础 上， 增添 一些铬，加入 适量的硅 、 氮及 稀士， 以达 到提 高钢的高温抗氧 化 目的 为了分析 比较 合金 元素对钢的 高温抗 氧化 性 的影响 ， 试验选用 了 4种钢种 ， 其 中 l号 钢不加硅 ， 4号钢 含镍低 ， 2号和 3号钢碳、 铬 、 镍稍有 羞别。袁 l为 4种钢样 的化 学成‘ 表 1 耐热钢的化学成分 化 学 ． 成 分 嘶 铜号 牌 号 C C r N I S iMn N f R E 1 ZG 2 C r 2 4 N j 8 N RE 0 ． 1 7 2 3． 0 j 8 ． 9 5 0 ． 7 8 l 0 ． 8 3 0 ． 2 2{ 0 ． 1 ZG 3 C r 2 2 N i 7 Si 2 N RE 0 ． 2 8 2 2． 5 5 8 ． 0 9 2 ． 0 5 f 0 ． 8 5 0 ． 2 3 0 ． 1 3 ZG4 C r 2 4 N L 9 Si 2 NR E 0 ． 3 5 2 3 ． 1 2 9 ． 2 8 2 ． 1 I 1 0 ． 7 5 0 ． 2 0 0 ． 1 4 ZG4 C r 2 4 Ni 4 S i 2 0 ． 3 8 2 3 ． 5 0 4 ． 5 0 1 ． 9 0 l O ． 8 7 拄 } P - S u u 3 5 罚 耐热钢 中合 金元素的主要作用及选择如下 碳 强化 金属基 体，提 高钢的室温 强度， 扩 大奥 氏体组织 。在高 温下长期使用 时，从固 溶体 中会 析出较多 的碳化 物，而使固 溶体 中合 金元 素贫化 ， 同 时会 加速碳化 物 聚集 长大过程 ， 对蠕变 抗力不 利。 含碳 多会导致钢的焊接性变 坏 ，因此 钢中的碳 量不 宜太高 铬 提 高钢的抗 氧化 性及耐 蚀性 ，还 起固 溶强化作 用。 当钢中 Cr1 2 ％ 时 ，提 高 了钢 的 电极 电位 ，因而提 高 了钢的抗 电化学腐 蚀能 力 本研究 将钢的铬量 控制在2 4 ％左右 ， 以使 钢的 抗氧化温 度能达到1 0 5 0 ～l 1 0 0 ℃。 硅提 高钢的 抗氧化性 ，还 可提 高钢在 含 硫气体 中的抗 蚀能 力。 硅可代替 部分铬的作用 ． 但硅 量过 多会 使钢热 加工性变坏。 抗氧化 钢的 含硅量一般 控制在 2％左右。 镍 ；扩大 奥氏体 组织 ，提高 钢的 耐热 性 ， 为使 钢获得单 相 奥 氏体组 织 ，需 含一 定数量 的 镍 。镍 与铬共 同使 用能获得更好的效 果。镍的 加入量控 制在 9％左右 ．但镍 价较 贵 ，最好 能 用 Cr l 8 Ni 9 Ti 的边 角料 ，这样只需 在熔 炼 中加 少量的镍 。 氨扩大 奥氏体组 织 ， 代替部分镍的作 用 ， 以减少 钢中含镍量 。为 防止 钢 中形成气孔及 夹 杂物，应严格控制氮的加入量，一般含氨量 在 0 ． 2～ 0 ． 3 舾 。 稀土微量的稀土能提高铬原子的扩散能 力，有助 于 Cr 2 O3膜的形成 ，并使 氧化 膜更 加 稳 定，从而改 善钢的抗氧化性。稀 土可清 洁晶 界 ，减少热裂 ，改善铸造性能。 稀土 又能 强化 晶界 ，提 高钢的抗螭变 能力 及高温 强度。 稀 十 加入量 应严格控制 ，以防钢 中产生非 金属夹杂 物，一般 为0 ． 1 呖左右。 三 耐热 钢的热处理工艺 耐热钢热处理的目的是为了得到所 求的 金属组织 ，改善钢的组织 分布状 态 ，调 整基 体 及强化 相的成 分， 达 到所 要求的高温使用性 能。 对于喷燃器喷嘴这类耐热件，工作温窿高，工 作 时间长，而负荷并不大．热处理应尽可能得 到稳 定的组织 ．以免长期在高温 下使 用组 织 发 生变化 。 为消除铸 态钢中存在的碳化 物 ，获 单相奥氏体组织，采用固溶处理。图 2为嗣济 处理工艺 曲线 ， 将铸态钢 加热至 1 1 0 0～1 1 5 0 ℃ ． 保温 一段 时 问，使铸 态下钢中碳化 物溶 于_荫氏 体 中 ， 然后 空 冷 或 油 冷。 在热 处理 过 程 中 ， 5 0 0 ℃ 以下升温要缓慢 ．控制在8 n～l 2 【 l ℃／ h ； 5 0 0 ℃ 以上可 以快速升至l 1 0 0 。 C。 图 3为zG4 Cr 2 4 Nt 9 Si 2 NRE 钢铸 态和 同 溶态的 金相 图，从图中可看出 ，铸 态下金届 织 为奥 氏体和少 量初生碳化 物。 固溶处理 后， 3 维普资讯 铤 嘎 一 2 ■ 螺一 ■溶 处 蠢 工艺 t饿 时 间h 1一 铸 奋 2～ 周 溶 态 m 3 zG4 Cr 2 4 Ni 9 Si 2 N R王 钢的 金相 田 初生碳化 物溶入奥氏体中，快速冷却获得单相 奥 氏体组织。 四 、锅的高温 抗氲化性 本试验 采用 增量法 ， 试样 尺 寸为直 径 l O mm、 长i O mm， 将 试样放入经烘烤而重量 稳定的 嘲l玉增埚彝熏，再将其放入S RJ X一8 一 蚪 l 3 型高温箱形 电阻炉内，随炉升温至1 0 0 0 ℃ 保温l 0 0 h，冷却后取 出称重 ，求得平均氧化速 度 V 。 W 1币 --W o g ／ m ’ h 式中Wo 氧化 前重量 Wl 氧化 后重量 F 试样表面积 m 试验 采用 的天平 为瑞 士 Me t t l e r AE 2 0 0 型万 分之一克精度 天平 。 囊 2试验耐热钢的高温氯化增t i 0 0 0 C 1 0 0 h W o W 1 W 1-- W o V _ 钢号 g ／m h g g g l 2 O． 7 0 7 7 2 0． 7 1 5 6 0． 0 0 7 9 0 ． 1 7 5 2 2 2． 1 0 5 8 2 2． i i 0 9 0 ． 0 0 51 0 ． 1 1 3 3 2 1 ． 2 2 6 7 2 1． 2 3 1 3 0． 0 0 4 6 0 ．1 0 2 4 2 0． 3 9 0 4 2 0． 4 0 8 i 0． 0 0 7 7 0 ．1 7 I 表 2为 4种耐热钢在 i 0 0 0 。 C经 1 0 0 h增 重 试验的结果，从中看出 3 号钢Z G4 Cr 2 4 Ni 9 S i 2 NR E钢的氧化增重聚少， 抗氧化性能最好，说 明硅，镍，氮对钢的抗氧化性有明显的影响。 表 3 列出了_凡种铬锰氨铜和锰铝钢高温氧 亿_增重数据。从中可肴出，铬 锰氨 奥氏I 搴耐热 钢试锰铝耐热锕的高温抗氧化性能不如铬镍奥 氏律型耐热钒 原因是锰虽然扩未奥氏体组织， 但它对钢的抗氨他性竞影响，过多反而有害 铬锰钢韵抗氧化 温度太都在9 5 O C以下。 寰 3 几种络锰氯钢噩铬铝钢的氯 化增t V g ／ m 。 h 锕 号 9 00 C 9 5 O C l 0I 0℃ Zo 3 C rl 8M nl 2Si 2N 0 ．1 5 0 ． 2 0 0． 25 0 ． 3～ 0 ． 5 ZO 3C rl 8M nl 2Sl 3Nj 3N O． 1 j 0． 25 Zo 6M n2 8A】 7Ti RE 0． 5 4 ZG4M n2 8Al 9Ti RE 0 1 5 从 上述结果 可看 出 ， ZG4 Cr 2 4 Ni g Si 2 NRE 低镍奥氏体型耐热钢具有优越的高温抗氧化性 能， 它可作为高镍奥氏体型耐热钢Z G4 Cr 2 5 Ni 2 0 Si 2的 代用材质。 五 、新型 耐热钢的机艟挂 艟 ‘ 维普资讯 表4 ，5分别列出 了ZG4 Cr 2 4 Ni 9 Si 2 NRE 钢室温铸 态和 固溶 态的机械性能。 其强度优 于 ZG4 Cr 2 5 Ni 2 0 Si 2 钢 ，鹈性不 如它 ．但 在静载 使用 条件 下．可 以满 足使 用要求。 表 4耐热钢 Z G4 Gr 2 4 Ni 9 Si2 NRE室温铸态机槭性睦 序号 o 2{ MPa ob MPa 8 】 0 铀 1 3 75 5 77 4 ． 1 2 3 66 5 69 3． 8 3 3 85 5 85 4． 0 平均 3 7 5 ． 3 5 77 3 ． 9 7 表 5 ZG4 C r 2 4 Ni 9 Si 2 NR E钢室温固溶态机械性 睦 序号 2 M P a O b MPa 6 l 0 ％ r 铀 I 5 儿 6 72 3 ．7 5． 8 3 2 ． 3 ．5 5 ．9 9 3 5． 5 ．9 平 均 4 ． 3 5 ． 9 2 表 6为 ZG4 C r 2 4 Ni 9 Si 2 NR E钢9 0 0 ℃瞬 时 拉伸试验结果。结 果表明，该钢在 9 0 0 D c时，仍 能保持较高的 强度和 良好 的 塑性。 表 6 ZG 1 Cr Ni 9 S i 2 NR E钢 帅0 ℃ 瞬 时 拉伸 性 能 序号 ob MP a 6 1 0 啊 f 啊 l t 8 5 ． 1 } 1 3 0 2 1 94 ．8 22 ．3 1 4． 6 3 l B2． 7 I G． 7 { l 2． 7 平均 l 8 7 ． 5 1 8 ． 7 『 l 3 ． 4 六 、新型 耐热钢的工 艺性 能 L铸造性能 ZG4 C r 2 4 Ni 9 Si 2 NRE钢属于高铬台金 钢， 熔化 温度高，铸造性能 比普 通碳 素钢差 ，易产 生铸造缺陷，需采取一定的工艺措施。 1 流动性差钢中含铬量高，在浇注过 程中钢水表面易生成氧化铬膜 ，降低钢水的流 动性．从而易使铸件出现冷隔、浇不足、表面 皱皮及央渍等 缺陷。 洗注温 度应适 当提 高． 般不低 于l 5 f 】 。 C 。缩短浇注时间，适当加大浇 口截面尺寸．要比碳钢件约大2 0 ～3 0 ％。 2 体收缩大 采用顺序凝 固原则，在热 节或厚壁 部位 易出现缩 孔处安放 冒口补缩 ，冒 口尺寸应 比碳 钢件大 2 0 ～3 0 ％。 适 当安放 冷铁 ， 调整铸件各部位冷却速度，以造成良好的顺序 凝 固 。 3 易产生裂纹 这种耐热 钢的线收缩大 约为2 ． 5 ％， 应采取工艺措施减小型芯和铸型对 铸件 收缩的阻碍 ， 采用退让 性好的 型砂 及芯 砂。 4 易产生气孔钢中含氮量大，对于厚 壁铸件，凝周时间长时，溶解的氮气易析出， 从而 在铸 件中形成气孔。 为减 少钢水 中的 含气 量，炉 料及熔 剂应预先烘千 。型芯及铸型 应烘 干烘透。铸 型最好 在热态下浇注 。在钢的熔化 操作 中，应严格控制氮的 加入 量。 5 易牯砂浇注温度高 ，产生热粘砂倾 向大 ，为保 证铸 件表面质量 ，应采用耐 火度高 的涂 料。 2 ． 焊接性能 锅炉耐热配件的安装维惨 以及铸件缺陷的 补焊要求耐热钢有一定的可焊性。影响钢可焊 性的主要因素是含碳量，隧碳量的增加，可焊 性逐渐变 坏， 易产生裂纹。 为此 ，在钢的成分 设计 时，碳量的选择应兼顾到 机械性能及焊 接 性能，将碳量控制在0 ． 3 ～0 ． 4 ％之间。 Z G4 C r 2 4 Ni 9 s i 2 NR E钢具有较好的韧性。 采用奥氏体 不锈钢焊条“ 奥3 0 2 的焊接性能试验结果表明， 焊缝未发现裂纹、气孔等缺陷， 焊缝质量良好。 七 、 绪论 1 ． 研 制的新型耐热钢 7 A 3 4 Cr 2 4 N[ 9 S i 2 N RE 属于高铬低镍奥氏体型耐热钢，高温下组织稳 定，具有良好的高温抗氧化性能和机械性能， 它可作 为高镍 奥 氏体耐热钢 Z G4 Cr 2 5 2 0 si 2 的代用材质。用 其翻造的喷燃器喷 嘴的使用寿 命比 1 Cr l 8 Ni 9 Ti不锈钢板焊 制喷嘴及铬锰氨 钢喷嘴大 大延 长，具有晚展的 经济效益和社会 效益。 2 ． z G4 cr 2 4 Nj 9 S i 2 N R E 钢是根据国内外耐 热钢的发展趋向，结合国内资源情况及工厂实 际条件研 制成功的。化 学成 分设计 中利用 了高 铬 及硅的高温抗氧化性、镍 与氨的 良好 配合扩 大了奥氏体组织，节省 了镍量。少量稀土净化 晶粒，改善 了钢的持久强度和抗氧化性。它与 下转第6 3 页 4 5 维普资讯 少量的油摩擦发热、油温升高，最终产生 汽 化” 。 此 外，从注 油器到 主油泵入 口处 有一段 外 接水平 油管为对 称收缩 ，容易积 存空 气，形成 气 囊 基 于上述情 况 ，一旦在高 压电动油泵停 用过 程中，操作过急过快 ，势 必造成 主油泵在 瞬 间向油管空间充油 ，因而油量骤 增，油压陡 降， 此 时入 口油管等 处 的空气亦随之 涌入 泵内 ， 这就进 一步 加剧主 油泵的 汽蚀现 象．直至 失压 断 油。 其 后果是 ， 依 靠压 力油控 制的 自动 主汽 门 因失压而 白行关闭；两 台注油器因得不到一定 压力 的工作 油而无法从 油箱吸 油，从而 中断 了 向主油泵入 口和润 } 骨油 系统 供油。如此恶性循 环 ，最 后导致停机和 烧毁 轴瓦事故。 ‘ 三 、防止措施 1 ． 降低 高压 电动 油泵 油 压 。 将 油泵 拆 除 一 级 叶轮 ，即 由原来 的 5级 改 为 4级 。 此 时 油泵出 口油压 由原设 计的 1 ． 0 7 8 MP a下降到 0 ． 8 6 2 MP a， 符台r 1 P of 2 P 2的要 求． r 1 、f 2 分 别为主油泵和高压 电动 油泵出口油压对主油泵 出 口逆止阀两侧 的作 用面 积； ， 分别为主 油泵和电动油泵在工作转速下的出口油压 。 2 ． 主油泵进油管加装排气装置。排气管安 装 在入 口油管对称 收缩 处的 上部，其排气 口接 至 油箱。机组 启动 前，打开 排气 闽，排 除油管 路积存的空气 ，确信 主油泵 已处于正常供油状 态 时，将排气阀关 闭。 上接第4 5 页 高镍 奥氏体 型耐热 钢相 比， 可节约大量 的镍 量。 3 ． ZG4 Cr 2 4 Ni g Si 2 NRE耐热 钢， 可 以使用 Cr } 8 Ni 9 Ti 的边 角料做基 料 ， 熔炼 过程中只需 加入 少量铁合金调整成 分 ，操作简便。 4 ． 新 型耐热钢 具有良好 的可 焊性 及机械加 工性，便 于耐热配件的制造，也便于火电厂锅 炉耐热件的安装 与维修。 参考文献 [1 ]施 廷藻 铸 造实 用手 册 ， 东 北工 学院 出版 社 ， 1 9 8 8 2]赵 世 臣 常用 金 属材 料 手 册 第二版 ， 冶 金工 业 出版 杜 ，1 9 8 7 [3] 一[ 5] 略 如现场来 不及作 上述改进 ，可 在现 有设 备 状况下，对高压电动油泵的停用操作方式作一 些 应急 的改变 缓 慢关小高压 电动 油泵 出 口阀． 待 油压 逐渐 降低至O ． 6 8 6 MP a 7 k g f ／ C 1T 1 左 右 ，并准 确判 定主 油泵向 系统 可靠 供油后 ．{ _} } 切断高压 电动 油泵 电源。另 外 ．汽动 润滑油泵 或直流 润滑油泵亦应处 于良好备 用状 态， 一 旦 主 油泵 失压 断油，能 自行启动 ．迅速 向润 滑系 统供 油 ．防止事故扩 大。 四、结论 试 验和运行实践表 明 ，改进效 果显著 ．达 到 了当切 断电源快速停用高 压 电动 油泵 时，不 使 主油泵断 油 系统失压的 目的 。需 要指 出的 是 制造厂 应选 用与主油泵相 匹配的 能 满足 机纽 启动 安全要求的高压 电动 油泵 ，避 免采用 对称 收缩的管道作 为主油泵入 口油管。 作者 简介 ’ 徐 奇焕， 男，湖北省 武昌热 电厂副 总工程 师。 在 1 9 6 4 年 至 1 9 9 0 年 问 完成 科 技 成 果 3 9 项 ． 其 中有 4项获省 局级科技成 果三 等 凳。 发表过多 篇论 文。湖 北省 电机 工程 学会汽 轮机 专业委 员 会委 员，省机械 工程学会、 中国低压 容器学会 会 员。 徐鸣 ， 男 ， 湖 北 省 武昌 热 电 厂 工 人 。 与 人合 作 ，在省 级科技刊物上 发表 过 文章。 作者 简 介． 徐德基 ， 男，北 方变大副 教授 。曾主 持 国 家 “ 六五” 科技攻 关项 目并获表 彰奖；1 9 8 6 年 算 高铬 钼抗磨 合 金的研 究获扬 州市科技成 果 奖 在 国内- V 】 物上 发表过 多篇 文章。北京铁 道 学会材料 工艺委 员会理事。北京机械工程学 会、 北京 高校金工研 完会会 员 ． 王广涛 ， 男，北 方变犬副 教授。铁路 高校 教材 公 差与技术 测量主编， 取得 过 周盱单 位 制研 究成 果。全 国高校 公 差与技 术测量 研 究会理事，铁道部计量局国 单位制宣贯组 成 。 6 3 维普资讯