火电锅炉用高强度铁素体耐热钢9Cr-2W概述.pdf

总第 1 5 7期 2 0 1 5年第5期 山西 冶金 S HANXI METALLURGY To t a l 1 57 No ． 5，201 5 DOI 1 0 ． 1 6 5 2 5 0． e n l d ． c n 1 4 - 1 1 6 7 ／ t f ． 2 0 1 5 ． 0 5 ． 0 3 火 电锅炉用高强度铁素体耐热钢 9 Cr 一 2 W 概述 潘小娟， 陈金虎， 赵振铎 山西太钢不锈钢股份有限公司技术中心， 山西太原0 3 0 0 0 3 摘要 介绍火电锅炉用新型高强度铁素体耐热钢 9 C r 一 2 W 的研发背景、 化学成分、 物理性能、 C CT曲线、 常温 力学性能及高温性能。9 C r 一 2 W 钢具有高的高温持久强度和持久塑性、 优良的抗蒸汽氧化性能和抗高温腐蚀性 能， 可替代 T P 3 4 7 H等奥氏体不锈钢制造超临界、 超超临界火电机组高温过热器等， 经济效益显著。 关键词 9 Cr 一 2 W铁素体耐热钢火 电锅 炉 中图分类号 T F 7 6 4 ．2 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 2 1 1 5 2 2 0 1 5 0 5 0 0 0 7 0 3 随着火力发电设备发电效率的提高 ，蒸汽条件 趋于高温高压化 ，超临界压力发电设备的过热器管 和再 热器管大多使用 S U S 3 0 4 、 3 2 1 、 3 4 7 H等奥 氏体 系不锈钢。虽然奥 氏体 不锈钢的高温强度优于铁素 体不锈钢 ， 但由于它的热膨胀系数大 ， 在应用过程 中 易产生较大的热应力， 而且导热性差， 耐应力腐蚀裂 纹 S C C 敏感性强 ， 因此急需开发高强度的铁素体 耐热钢。 1 研发背景 2 0世 纪 7 O年 代 ，美 国研 制 开 发 的改 进 型 9 C r 一 1 Mo 钢 由于优异的综合性能迅速在世界范围内 的火 电锅炉行业获得广泛应用。2 0世纪 9 0年代初 ， 13 本 在大量研究 、推广改进型 9 C r - l Mo 钢 时发现 ， 改进型 9 C r 一 1 Mo钢在高温 长时服役 过程 中持久强 度存在明显拐点， 如图 1 Ⅲ 所示。当持久试验温度超 过 6 0 0℃和试验时间超过 1 0 4 h ， 持久强度 明显 向下 偏离设计预测 曲线 ， 意味着改进 型 9 C r l Mo钢在超 过 6 0 0 o C 以上时蒸汽参数火电机组中长期使用后可 能存在安全隐患 。 日本学者深入研究后发现， 出现拐 点主要是 由于晶界组织退化所致。 在这种背景下 ， 日 本新 日 铁公司成功研发了性能更高的N F 6 1 6 钢。 2 标 准化 日本研 制开发 的 N F 6 1 6钢 由于优异 的综合性 能于 1 9 9 4年 8月被纳入 A S ME规范案例 2 1 7 9号 ， 收稿 日期 2 0 1 5 0 9 0 1 第一作者简介 潘小娟 1 9 8 o 一 ， 女， 硕士， 主要从事钢铁材料 的冶金 、热加 工 、热 处理 工 艺研 究及产 品研 发 ，工 程师 。 E ma i l p a r d i t i s c o ． c o rn． c a 名义成分为 9 C r 一 2 W， 随后作为不 同的用途先后注册 了 A S ME标准。表 1 列 出了名义成分为 9 C r 一 2 W 的 材料针对不同用途对应的 A S ME标准及钢级别 。 5 0 0 2 0 0 罢1 0 0 出 5 0 _ - _、 5 5 0 ℃ 。、 一 一 、I 、、 _ 、 奄 6 o o ℃ 、 - 、 嘲衄 ． ～’_． 、， ． _ ． ‘ - ． ． 6 5 o 峨 ’～ 一一一 预 则 值 一 ． 7 0 0℃ 3 O ％ 、 图 1 改进型 9 Cr - 1 Mo钢高温长时服役后持久强度曲线拐点 表 1 9 C r - 2 W 材料不 同用途对应的 A S ME标 准及钢级别 用途 标准 钢级别 小 口径无缝管子 A S ME S A 一 2 l 3 ， s A一 2 1 3 M T 9 2 大 口径无缝公称管 A S ME S A 一 3 3 5 ／ S A- 3 3 5 M P 9 2 锻造公称管 A S ME S A 一 3 6 9 ／ S A一 3 6 9 M 胂2 锻件 A S ME S A 一 3 3 6 ， s A一 3 3 6 M F 9 2 法兰 、 接头 、 阀 门、 部件 A S ME S A 一 1 8 2 ， s A一 1 8 2 M F 9 2 钢板 A S ME S A - 1 0 1 7 ， s A- 1 0 1 7 M G f 9 2 3 9 C r - 2 W 钢的特征 9 C r - 2 W 钢的最大特征是其化学成分 中含有 以 往 耐 热 材 料 中未 添 加 的 W。 9 C r 一 2 W 在 改 进 型 9 C r 一 1 Mo钢的基础上 ，不仅保 留了 V N b碳化物 的 析 出强化和 N元素的强化 ， 同时又通过添加质量分 数为 1 ． 8 ％的 w 代替 9 C r - l Mo中的部分 Mo 元素形 成以 w为主的 W M o 复合固溶强化， 并加入微量的 山西冶金 E - ma i l s x y j b j b 1 2 6 ．c o rn 第 3 8卷 B形成 B的晶界强化 ，在保证 了足够的抗氧化和抗 腐蚀性能的同时， 使其高温持久强度进一步提高， 服 役温度提高到 6 0 0 ～ 6 3 5 o C 。 4 化学成分 日本学者 以 9 C r 一 0 ． 0 5 C 一 0 ． 2 V一 0 ． 0 5 N b 一 0 ． 0 0 5 B为 基本成分，研究了 M o 、 W含量对持久强度等性能的 影响[ 1 - 3 ] ， 结果表明 见图 2 [ 1 ] ， 当 w f M0 O ． 5 ％～ 1 ． 8 ％、 0 ～ 2 2 5 ％时， 持久强度在 Mo 当量 加 I ／ 2 w W 为 1 ． 5 ％左右开始增加 ，其 中 0 ． 5 M o 一 1 ． 8 W 钢的持久 强度最大 ，其 6 0 0 o C、 1 0 s h的持久强度外推值高达 1 8 2 1 8 9 MP a ，从而确定 了 9 C r 一 2 W 钢的 Mo 、 W 含 量。9 C r - 2 W 钢 的化学成分见表 2 『 4 ] 。 图 2 b l o 、 W 含量对 6 0 0℃、 1 0 5 h持久强度的影响 表 2 9 Cr - 2 W 钢 的化学成分 ％ w C w S i w Mn P w S w C r w Mo ．O7 ～ O ． 1 3 ≤ 0 ． 5 O 0-3 O ～ O．6 0 ≤ O ． O 2 O ≤ 0 ．Ol 0 8 ． 5 0 -9 50 O - 3 O ～ O ． 6 O w Ni w V w N b w B N ∞ W】 0 ． 0 0 1 ～ 0．0 3 0- ≤ 0 ．4 0 D ． 1 5- 0 ． 2 5 O ． 0 4 ～ 0．0 9 ≤ 0．0 4 0 1 ． 5 O ～ 2 ． O H0 O ．o o 6 0．0 7 0 5 物理性能 9 C r 一 2 W钢 的物理性能见表 3 [ 5 ] ， 可以看出 ， 该材 料热膨胀系数低 ， 导热性能好。 6 C C T 图 通过热模拟试验测试了 9 C r - 2 W 钢的 C C T曲线 见 图 3 。由图 3可 知 ， 9 C r 一 2 W 钢 的 A c 3温度 为 8 7 0 o C， A c l 温度 为 8 3 0 o C， M s 温度为 3 8 0 o C， Mf 温 度为 2 0 2℃。 奥氏体化后 ， 空冷也能获得单一的马氏 体组织。 7 热处理工艺及室温力学性能 采用 9 C r 一 2 W 材料生产的钢管、钢板 的热处理 工艺及室温力学性能要求见表 4 。 表 3 9 C r - 2 W钢的物理性能 I l f 性能名称 2 0℃ }l oo℃ p 0 0 ℃ ℃ }5 。 。 o C 6 OO℃ l6 5 O oC 7 O O oC 密度 ， ’ 7 ．8 7 1 g c m 比热 ， O ．4 3 1 O ．4 6 9 0 ． 5 3 6 0 ． 5 7 7 0 ． 6 3 6 O ． 7 1 5 0 ．7 7 4 0 ． 8 7 0 k J k g - K 导热系数 ， W I n K - 2 7 ． 4 2 8 I 3 2 8 ． 7 2 9 ． 1 2 9 ．6 2 7 ． 7 2 6 ．7 平均线膨胀系 1 0 ．1 1 1 ． 1 l 1 ． 4 l 1 ．7 1 1 ． 9 1 2 ． 0 数 ／ 1 弹性模量 ／ MP a 2 1 0 2 l 2 2 0 O 1 9 2 l 8 2 1 7 0 1 6 2 1 5 5 泊 桑比 O ． 2 9 0 ． 2 9 O ． 3 O O - 3 0 O _ 3 l O -3 l O _ 3 2 O 32 电阻 ， 0 ．4 1 2 0 ． 4 9 9 0 ． 6 9 7 0 ． 7 9 2 0 ． 8 7 9 0 ． 9 7 2 1 ． O 6 6 n I T I 时间 ／ s 图 3 9 Cr 一 2 W 钢的 O CT曲线 表 4 A S M E规范中9 C r 一 2 W 钢管嘲 、 钢板[7 3 的 热处理工艺及室温力学性 能 用途 钢级别 屈服强度 ， 抗拉强度， 延伸率， 热处理工艺 R／ MP a RJMP a A ％ 钢管 T 9 2 ≥4 4 O ≥6 2 0 ≥2 0 正火 1 04 0 ～ 1 0 8 0 o C 回火 钢板 G r 9 2 ≥4 4 0 6 2 0 ～ 8 4 0 ≥2 O 7 3 O ～ 8 0 0 ℃ 8 高温性能 表 5 嘲列 出了 9 C r 一 2 W 钢不同金属温度下 的最 大许用应力值以及高温强度值。 表 5 不 同金属温度下的最大许用应力及强度值 MP a 项 目 3 5 0 4 0 0 4 5 0 5 0 0 5 2 5 5 5 0 5 7 5 6 0 0 6 2 5 6 5 0 ℃ ℃ ℃ ℃ ℃ ℃ ℃ ℃ ℃ ℃ 最 大许用 应力 1 5 6 ． 0 1 5 1 ． 0 1 4 4 ．0 1 3 5 ． 0 1 2 9 ． 0 1 2 3 ． 0 9 9 ． 5 7 7 ．O 5 6 ． 5 3 8 3 抗 拉强度 5 4 7 5 2 8 5 0 4 4 7 2 4 5 2 4 2 9 4 04 3 7 6 3 4 4 3 0 9 ● 屈服强 度 3 8 9 3 7 7 3 5 9 3 3 3 3 1 6 2 9 7 2 7 6 2 5 l 2 2 3 1 9 1 9 结 语 9 C r - 2 W 钢是 目前持久强度最 高的铁素体型耐 热钢， 在高温运行条件下， 有足够高的高温持久强度 2 0 1 5年第 5 期 潘小娟， 等 火电锅炉用高强度铁素体耐热钢 9 C r - 2 W概述 9 和持久塑性、优良的抗蒸汽氧化性能和抗高温腐蚀 性能 ， 6 0 8 o C时属完全抗氧化钢 嘲， 已被广泛应用 于 各国高参数电站锅炉的过热器 、再热器等以替代 T P 3 4 7 H等奥氏体不锈钢， 经济效益显著。 参考文献 [ 1 ] 刘正东 ， 程世 长 ， 王起江 ， 等． 中国 6 0 0℃火电机组 锅炉钢 进展 [ 岫． 北京 冶金工业出版社 ， 2 0 1 1 1 6 1 1 8 2 ． [ 2 ] 直井久 ， 亦惟 ．锅 炉管用高强度 铁素体 钢 N F 6 1 6的开发与应 用 [ J ] ． 国外低合金钢 合金钢 ， 1 9 9 2 1 2 3 6 _ 4 0 ． [ 3 ] 杨 自 新 ， 陈景毅． 铁素体系锅炉管 N F 6 1 6的开发[ J ] ． 锅炉制造， 1 9 9 5 4 4 l _ 4 8 ． [ 4 ] C a s e 2 1 7 9 3 C a s e s o f AS ME b o i l e r a n d p r e s s u r e v e s s e l c o d e [ s ] ． I n t r o d u c t i o n t o 9 Cr 一 2 W Hi 1 9 9 9 1 o _2 9 ． 王崇斌，徐沁，林丽平． 亚临界和超临界锅炉高温过热器用 N F 6 1 6钢性能 [ J ] ． 锅炉技术 ， 1 9 9 5 1 2 1 3 2 0 ． AS ME S A- 21 3 ／ S A- 21 3 M S p e c i fic a t i o n f o r s e a ml e s s f e r r i t i c an d a u s t e n it i e a l l o y - s t e e l b o i l e r ，s u p e r h e a t e r ， an d h e a t - e x c h a n g e r t u b e s [ S ] ． A S ME B o i l e r and P r e s s u r e V e s s e l C o d e ． 2 0 1 3 3 1 9 3 3 2 ． AS ME SA一1 O1 7 ， S A一1 O 1 7 M S pe c i fic a t i o n for p r e s s u r e v es sel p la t e s , a l l o y - s t e e l ， e h r o mi u m- mo l y b d e n u m- t u n g s t e [ S ] ． A S ME B o i l e r and P r e s s u r e Ve s s e l Co d e。 2 01 3 1 7 0 3 1 7 0 6 ． C a s e 2 1 7 9 8 C ase s of A S ME boil e r a n d p r e s s u r e v e s s e l c o d e [ S ] ． 2 0 1 3 - 0 6 - 28 ． 编辑 胡玉香 S t r e n g t h F e r r i t i e He a t r e s i s t a n t S t e e l f o r P o we r Ge n e r a t i n g Bo i l e r P a n X i a o j n a n ， C h e n J i n h u ， Z h a o Z h e n d u o T e c h n o l o g y Ce n t e r ， S h a n x i T a i g a n g S t a i n l e s s S t e e l C o ． ， L t d ． ， T a i y u a n S h a n x i 0 3 0 0 0 3 Ab s t r a c t T h e d e v e l o p me n t b a c k g r o u n d ， c h e mi c a l c o mp o s i t i o n ， p h y s i c a l p r o p e r t i e s ， CC T c u r v e ， p r o p e rti e s a t r o o m t e mp e r a t u r e a n d h i g h - t e mp e r a t u r e o f 9 C r - 2 W h i g h s t r e n g t h f e r r i ti e h e a t - r e s i s t a n t s t e e l f o r p o we r g e n e r a t i n g b o i l e r a r e i n t r o d u c e d ．9 C r - 2 W s t e e l h a s h i g h e r r u p t u r e s t r e n g t h a n d c ree p p l ast i c i t y ，e x c e l l e n t s t e a m o x i d a ti o n r e s i s t a n c e a n d c o r r o s i o n res i s t a n c e a t h i gh- t e mp e r a ture． I t C an b e u s e d in h i g h - t e m p e r a tu re s u p e r h e a t e r tu b e s i n s t e a d o f a u s t e n i t i c s t a i n l e s s s t e e l s as T P 3 4 7 H for S u p e r c r i t i c al a n d U h r a - s u p e r c r i t i c al f o s s i l - fi r e d p o w e r p l an t s ， wh i c h als o h as o b v i o u s e c o n o mi c b e n e fi t s ． Ke y wo r d s 9 C r - 2 W ， f e r r i t i c h e a - r e s i s t a n t s t e e l ， p o we r g e n e r a t i n g b o i l e r 上接 第 3页 An a l y s i s o n t h e M a r k e t S i t u a t i o n o f S h a n x i Co k i n g I n d u s t r y a n d Co u n t e r me a s u r e s Li n Ye S h a n x i P r o v i n c i a l Ac a d e my o f S o c i a l S c i e n c e s I n s t i t u t e o f E n e r gy E c o n o mi c s ， T a i y u a n S h a n x i 0 3 0 0 0 6 Ab s t r a c t A n al y s i s o f i n t e ma t i o n al， n a ti o n a l p ro v i n c i al c o k i n g ma r k e t d e v e l o p me n t t r e n d ， a n d t h e s u m m a r y o f S h a n x i c o k i n g i n d u s t r y p ri c e s ，c o s t s ，l o s s e s a n d o t h e r o p e r a t ing c o n d i ti o n s a r e p rov i d e d ．B ase d o n t h e n e w ma r k e t s i tua t i o n ， t h e S h a n x i c o k e ind u s t r y t o g e t r i d o f t h e p r e d i c am e n t of t h e d e v e l o p me n t o f i n n o v a ti o n s tra t e g y ． I n t h e f a c e o f c o k i n g ma r k e t d e v e l o p me n t t r e n d ， i n n o v a t i o n a n d d e v e l o p me n t be c o me the reali s t i c c h o i c e f o r S h a n x i c o k i n g ind u s t r y t o a d a p t t o c h ang i n g mark e t c o n d i t i o n s ．B y inn o v a t i n g mana g e m e n t m o d e o f e o k i n g i n d u s t r y ，throu gh i n n o v a t i o n o f c o k e d o w n s t r e a m p r od u c t d e v e l o p me n t ,c o k i n g b u s i n e s s an d ma r k e t mo d e l a r e inn o v a t e d an d e x p an d e d ．w h i c h r e ali z e s t h e r e v i t ali z a ti o n o f c o k i n g i n d u s t r y ． Ke y wo r d s c o k e ， ma r k e t ， man a g e