火力发电锅炉用高铬铁素体钢焊接材料.pdf

3 4 焊接2 0 0 5 2 火力发电锅炉用高铬铁素体钢焊接材料① 钢铁研 究总院 北京市 1 0 0 0 8 1 尹士科谢少辉 编译 摘要为了降低危害环境气体的排放量， 一种观点认为这可以通过提高蒸汽状态来解决， 并由此开发出了火 力发电锅炉用高 c r 铁素体耐热钢。为使这种高 c r 铁素体耐热钢得到应用， 选取合适的焊接材料是非常必要的。 对火力发电锅炉用高 c r 铁素体耐热钢焊接材料及其近来趋势做了概述。 关键词 高铬铁素体耐热钢焊接材料 W ELD G CoNS UM ABLES oF HI GH Cr F EI UTI C HEAT RES i STANT S TEELS US ED FoR S TEAM PoW ER BoI LEI S Ce n t r a l I r o n a n d S t e e l Re s e a r c h I n s t i t u t e Y．m S h i k e． Xi e S h a o h u i Ab s t r a c t I n v o r d e r t o r e d u c e t h r e e mi s s i o n o f e n v i r o n m e n t a l l y d a ma g i n g g a s e s b y e l e v a t i n g s t e am c o n d i t i o n s ，h i g h C r f e r r i t i c h e a t r e s i s t a n t s t e e l s u s e d f o r s t e a m p o w e r b o i l e r s h a v e b e e n d e v e l o p e d ． F o r re al i z a n t p r a c t i c a l u s e s o f s u c h h i gh Cr f e r r i t i c h e a t r e s i s t a n t s t e e l s ，s e l e c ti o n o f s u i t a b l e we l d i n g c o n s u mab l e s i s i n d i s pe n s abl e ．Th i s p a pe r o u t l i n e s we l d i n g c o n s u m abl e s o f h i gh C r f e r r i t i c h e a t r e s i s t a n t s t e e l s u s e d fo r s t e am pow e r b o i l e rs a n d i t s r e c e n t t r e n d ． Ke y wo r d sh i g h Cr f e r r i t i c，h e a t r e s i s t a n t s t e e l ，we l d i ng c o n s u ma b l e s 0 前 言 1 高铬铁索体钢 近年来 ， 作为全球性的环境问题 ， 被提 出的有温室 效应气体， 并为减少这些气体开展工作。作为削减对 象的温室效应气体有二氧化碳、 甲烷等六种气体， 特别 是减少火力发电领域 的二氧化碳排出量 ， 成 为一个大 的目标。为了减少火力发电领域二氧化碳排出量 ， 提 高发电效率是有效的。为此， 必须提高锅炉出口蒸汽 的温度和压力。但是， 为了提高蒸汽的温度和压力， 必 须有在那种苛刻条件下能够长时间使用的钢材。所 以， 在铁中含有 9～1 2 C r 一0 ． 5 M o的被称为高铬铁 素体钢的钢种为人们所关注。例如， 改良型 9 C r 一1 M o 钢就是一种高铬铁素体钢， 它已在很多的火力发电锅 炉中得到应用。神钢公司的高铬铁素体钢焊接材料早 已得到应用 ， 在本报告中， 仅就火力发电锅炉用新型高 铬铁素体钢焊接材料加以介绍。 ①原文发表在“ 神户制钢技报” 2 0 0 3年第 2期。 作者 山下臀。 後藤明信。 高铬铁素体钢和奥氏体系耐热钢一样， 都是很久 以来被研究的钢种。与奥氏体耐热钢相比， 高铬铁素 体钢有着热膨胀系数小的特点。为适应电力需要而反 复启动和停机的火力发电锅炉， 适于采用这种热膨胀 系数小、 对温度变化适应性强的高铬铁素体钢。另外， 对在高温高压蒸汽条件下长时间使用的耐热材料而 言 ， 重要的特性是蠕变断裂强度 。为提高蠕变强度， 开 发了各种钢材。图1为火力发电锅炉用铁素体系耐热 钢的发展系统图。在钢材的开发上， 大体有 3个类别， 即2 ． 2 5 C r 一1 Mo 钢、 9 C r 一1 M o钢、 1 2 C r 钢。它们都是 针对提高蠕变断裂强度， 有的加入 N b 、 V等碳化物析出 强化元素 ， 有的加入 M o 、 W 等固溶强化元素， 试 图通过 调整成分来达到 目的。近年来 ， 不仅单独调整成分 ， 还 提出了通过热处理及加工方法等综合手段 ， 以开发新 维普资讯 焊接2 0 0 5 2 3 5 的钢材。表 1 示出了代表性的高铬铁素体钢材的标称 化学成分。 图1 火力发电锅炉用铁素体耐热钢的发展系统图 表1 代表性的新型高铬铁素体钢的标称化学成分1 ％ 2 焊接材料 高铬铁素体钢焊接材料与钢材一样， 除要求蠕变 断裂强度外， 还要求一定水平的冲击性能。可是， 蠕变 断裂强度与冲击性能是相互矛盾的特性 ， 如何兼得这 两种性能 ， 对于焊接材料是极为重要的课题。通常 ， 高 铬铁素体钢的焊缝金属只有经过低于钢材回火温度的 焊后热处理 P WH T 才能使用。基于此点， 为了达到规 定的蠕变强度和冲击性能， 在高铬铁素体钢焊接材料 的成分设计上必须有新的思路。 2 ． 1 改良型 9 C r 一 1 M o 钢焊接材料 表2 、 表 3中列出了改良型 9 C r 一1 Mo 钢焊接材料 的焊缝金属化学成分与力学性能之一例。为了得到良 好的力学性能 ， 焊缝金属的成分系统在设计上与钢材 有如下不同之处 但是 ， 为了使 C M一 9 6 B 、 T G S一 9 0 B 9 与 A WS标准相一致， 与其它品种不相同 。 第一个不同点是 C ， 与钢材相 比， 焊缝金属的含 C 量低， 其 目的在于确保焊缝金属的抗裂性能和冲击性 能。作为焊接这种方法的特性， 焊缝金属经受着急速 的凝固冷却过程。因此， 焊缝金属的强度有增高的倾 向。如果其含碳量与钢材水平相当的话， 强度会变得 过高， 有引起抗裂性和冲击性能恶化的危险性。 第二个不同点是与钢材相 比， 焊缝金属 的 M n和 N i 含量高， 其 目的在于确保冲击性能。即通过增加奥 氏体生成元素 M n和 N i 等， 以抑制能恶化冲击性能的 铁素体残留。 第三个不同点是 N b ， 焊缝金属中的 N b ， 因施工方 法的不同会有所变化 ， 但与钢材相比， N b的含量低 ， 其 理由也在于确保冲击性能。N b是强的碳化物形成元 素， 通过焊后热处理 ， 焊缝金属中会析出极微细的 M X 系碳化物， 它有着使蠕变断裂强度提高的特征。但是， 它有相反的一面 ， 这些微细的 M X碳化物会显著地恶 化冲击性能。为此 ， N b的加入量要能兼顾到蠕变断裂 强度和冲击性能两个方面。V是与 N b有着同样强化 维普资讯 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 w w w . b z f x w . c o m 3 6 焊接2 0 0 5 2 程度的碳化物形成元素， 与 N b相 比， V析出的碳化物 稍为粗大些， 因此， 对冲击性能的不利影响没有 N b那 样严重。为了保证蠕变 断裂强度 ， 它的含量可与钢材 中的含量水平相当。 另外 ， 高铬铁素体钢焊缝金属蠕变 断裂强度要高 于焊接接头的蠕变断裂强度。由于热影响区 H A Z 软 化现象， 热影响区强度要低于钢材强度 ， 这就是说焊接 接头的蠕变断裂强度因受钢材热影响区的左右而降低。 表 2改良型 9 G r 一 1 Mo钢焊接材料的化学成分 ％ ① 蠕 变断裂 强度 试验 条件 6 o o o C， 1 0 o o h 2 ． 2 9～1 2 C r 一 0 ． 5 M o 一1 ． 8 W 钢焊接材料 表 4 、 表 5中列出了 9～1 2 C r 一 0 ． 5 M o一1 ． 8 W 钢 焊接材料的化学成分和力学性能一例。与改 良型 9 C r 一 1 M o 钢相 比较 ， 9～1 2 C r 一 0 ． 5 Mo一1 ． 8 W 钢的含 c r 量提高了， 而且添加了w 等新的合金成分， 所以它 的蠕变断裂强度也高于改 良型 9 C r 一1 M o钢。关于 9 1 2 C r 一 0 ． 5 M o一 1 ． 8 W 钢焊接材料 ， 为了兼得蠕变断 裂强度 和冲击性能， 在成分设 计上要使 C r 、 N i 、 M o 、 W 等达到良好的平衡。增加 C r 含量可使蠕变断裂时间 加长 寿命长 ， 但 6铁素体易于残留， 冲击性能恶化。 N i 的行 为与C r 相反 ， 增加N i 含量可使蠕变断裂时间缩 短 ， 使冲击性能改善。增加 Mo当量 M o 0 ． 5 W 可使 蠕变断裂时间增长， 但 M o当量对冲击性能的影响尚不 明确。因为 M o 、 W 等是铁素体形成元素， 可以推测 ， 增 加 M o 、 w 时与 c r 一样， 易于产生 6铁素体残留， 对冲 击性能造成不利影响。依据上述见解， 含有奥化体生 成元素的c o 、 N等， 可以抑制 6铁素体的残留， 确保实 用水平的冲击性能。另外 ， 通过调整成分， 使 9～l 2 C r 一 0 ． 5 M o 一1 ． 8 W 钢焊接材料的焊缝金属相变点 A 达到7 6 0 ℃以上。这是考虑到了当焊接接头的焊后热 处理温度超过焊缝金属 的相变点 A 。 时， 焊缝金属的显 微组织变化将引起蠕变断裂强度的恶化。 表 4 9～ 1 2 G r 一 0 ． 5 M o一 1 ． 8 W 钢焊接材料的化学成分 ％ ①1 1 G s一 1 2 C R S是焊丝化学成分。 维普资讯 w w w . b z f x w . c o m 焊接2 0 0 5 2 ． 3 7． ①蠕变断裂时间 试验条件 6 5 0 C， 9 8 M P a 3 最近的技术动向 有关电工产品的日本国内法令规定 ， 改 良型9 C r 一 1 M o 钢等高铬铁素体钢 的焊后热处理温度在 7 6 0 oC以 下。为此， 在 日本国内的施工中， 考虑到热处理炉的温 度波动， 焊后热处理的目标温度是 7 4 0 oC左右， 即考虑 其实体温度不超过 7 6 0 2 。在国外的法规中， 例如 A S M E ， 焊后热处理温度定为母材的相变点 ， 以下 ， 严 格来说 ， 没有规定要限制在 7 6 0 o C以下。因此， 在 国外 的施工中， 为了保证冲击性能， 把焊后热处理的目标温 度定在 7 6 0 o C， 即实体温度上升到7 8 0 o C的焊后热处理 也是有的。这样高温的焊后热处理， 有时会导致焊缝 金属的蠕变断裂强度恶化， 有必要加 以注意。如果焊 后热处理的温度超过了焊缝金属的相变点 A 焊缝金 属的显微组织要发生变化， 组织的均匀性受到损坏 ， 有 使蠕变断裂强度恶化的危险性。因此 ， 在超过 7 6 0 ℃的 温度下进行焊后热处理的场合， 应该选择相变点 A 。 至 少在 7 8 0 2 以上的焊接材料。从以上情况出发， 在欧美 国家为了保证焊缝金属的相变点 大于 7 8 0 2 ， 焊缝 金属中的 M n N i 量有规定小于 1 ． 5 ％的动向。 4结 语 为了减少 C O 的排出量 ， 开发能在更高温度和压 力下使用的钢材 ， 将会被人们所关注。作为钢材实用 化骨干技术的焊接材料， 无疑会占有极大的份量。作 为高铬铁素体钢焊接材料 的今后课题， 是将蠕变断裂 强度和冲击性能这两个相互对立的特性同时达到高的 水平。还要兼顾环境 ， 以能为改善环境做 贡献的焊接 材料为目标 ， 进一步做好开发。 收稿 日期2 O 0 4 1 0 0 1 作者简介 尹士科 ， 1 9 4 1 年生 ， 大学本科 ， 教授级高级工程师。 [ 上接第 3 3页] 2 m i n 有利于 Z n A l C u M g 钎料在 4 5钢上铺展。 2 稀土 L a 可以改善 Z n A l C u M g 钎料的润 湿性。随着稀土含量的的增加 ， 润湿性得到进一步改 善， 稀土 L a的最佳量为 0 ． 0 5 ％。 3 稀土能降低 z n A l C u M g钎料的表面张 力， 并起到细化晶粒的作用， 添加一定量的稀土有利于 钎料润湿性的提高。 参考文献 1 刘盛斌， 于以繁． 锌铝合金的发展与运用． 材料导报， 1 9 9 4 5 3 03 2 2 L i u J i n s h u i ，Xi e Xi a n q i n g， J i a n g B i n g ， e t a 1 ．I n f l u e n c e o f C e ri u m mi c r o s t r u c t u r e s a n d p r o p e i e s of Zi n ca l u mi n u m a l l o y s． T h e C h i n e s e J o u r n a l ofN o n f e r r o u s Me t a l s ， 1 9 9 8， 8 s u p p l 1 6 ～ 1 O 3 Wi l l i a m Ho k e ． Calv i n Ame n h e n e r T e c h n i q u e s f o r alu mi n u m b r a z i n g i n v a c u u m f u r n a c e s ．We l d i n g J o u r n al， 1 9 9 3 1 0 4 赵玉珍， 高庆， 张喜燕． 稀土、 钛变质Z A 2 7合金的组织与 性能的研究． 铸造， 2 0 0 3 4 4 8 4 4 8 7 5 An wa q r M， Mu r p h y S． C o mp a r a t i v e l o a dr e l a x a t i o n b e h a v i o r o f h i s h alu mi n u m Z i n cb a s e d all o y s ． Ma t e r i als S c i e n c e， 2 0 01， 3 6 41 1～41 7 6 稀土编写组． 稀土 上册 ． 北京 冶金工业 出版社， 1 9 7 8 2 0 7 邹僖， 魏月贞． 焊接方法及设备 四 ． 北京 机械工业出版 社 ， 1 9 8 1 ． 8 苏化普， 4 5钢的概况及热处理方法． 机械工人 热加工 ， 2 0 0 2， 1 2 3 1 3 3 9 中国机械工程学会焊接学会编写组． 焊接手册 第一卷 ． 北 京 机械工业 出版社， 2 0 0 1 8 5 2 7 ， 5 3 3～ 5 3 4 1 O 韩青有， 胡汉起， 曾诚荫． R E对 Z A一 2 7 合金组织和性能的 影响． 北京科技大学学报， 1 9 9 2 ， 1 4 2～ 4 8 1 1 彭 13 升， 刘杰， 刘志勇等． Z A一 2 7 合金稀土变质机理研 究． 中国稀土学报 ， 1 9 9 3 ， 6 1 4 8～ 1 5 2 收稿 日 期2 0 0 4 0 9 2 0 作者简介 慕 东， 1 9 7 7年生 ， 在读硕士研 究生。 维普资讯 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载