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07Cr25Ni21NbN奥氏体耐热不锈钢无缝管的研制

来源:至德钢业 日期:2020-07-30 11:15:58 人气:1011

 为满足超超临界电站锅炉过热器、再热器的制造要求,宝山钢铁股份有限公司开展了07Cr25Ni21NbN(TP310 HCbN/S31042)奥氏体耐热不锈钢无缝管的研制。论述了该钢种的成分优化设计、生产工艺过程及性能评定,数据表明,所生产的产品技术指标和性能均符合GB 5310—2008及ASME SA2213标准要求。


 超超临界电站锅炉高温过热器和再热器,由于长期处在环境恶劣的条件下工作,如内壁承受600℃以上高温蒸汽的氧化,外壁将经受烟气腐蚀和飞灰冲蚀,因此要求材料不但具有良好热强性,而且具有良好的抗腐蚀性能。20世纪80年代日本住友金属在TP310奥氏体不锈钢基础上,研发出具有良好热强性和抗腐蚀性的钢管,牌号为HR3C。1991年纳入ASM E code case 2115案例,以后又纳入ASTM A213和ASM E SA2213标准,牌号为TP310 HCbN,UNS编号为S31042。我国根据超超临界机组快速发展的需要,2008年将这一钢种纳入到GB 5310—2008高压锅炉用不锈钢无缝管标准,牌号为07Cr25Ni21NbN。


以前,国内所需这一产品全部依赖进口,价格昂贵,因此锅炉制造和电力行业迫切希望我国的冶金行业能研制和生产这种不锈钢管,以替代进口产品。宝山钢铁股份有限公司于2006年开始研制07Cr25Ni21NbN不锈钢管,本文将重点介绍这一产品的研制、生产过程、产品性能及评定结果等。


一、合金化原理


  由于传统的18-8型奥氏体耐热钢抗水蒸气氧化性能和抗烟气腐蚀性能较低,而锅炉过热器和再热器的末级部件要求有良好的抗水蒸气和抗烟气氧化性能,因此开发了25220型奥氏体耐热钢,其铬质量分数达25%。在长期服役过程中,铬元素又会向表面扩散,与氧结合形成致密氧化层,起到良好的抗氧化作用。但是随着铬含量提高,脆性σ相的析出趋势更加明显。高的镍含量可稳定奥氏体组织,同时能抑制σ相的析出倾向。因此,25220型奥氏体耐热钢不仅抗氧化性能明显提高,并有稳定的奥氏体组织,能适应蒸汽参数为600℃超超临界压力锅炉过热器的恶劣工况条件。


  铬和镍含量的提高均不会改善蠕变断裂强度,为了提高材料的蠕变断裂强度,07Cr25Ni21NbN采用了多元合金强化原理,即在TP310的基础上,通过限制碳含量,并复合添加质量分数为0.20%~0.60%的强碳氮化物形成元素铌和质量分数为0.15%~0.35%的氮,利用析出弥散分布细小的NbCrN相和富铌的碳氮化物以及M23C6来进行强化。


二、生产工艺流程


  为07Cr25Ni21NbN不锈钢管所制定的生产工艺流程见图,其主要特点是炼钢采用交流电弧炉(AC EAF)冶炼+氩氧炉(AOD)和精炼炉(LF)进行脱碳、去气、去夹杂和精炼,以获得优良的钢质。制管采用热轧+冷轧(拔)工艺,可使不锈钢管获得较高的尺寸精度。热处理采用高温固溶,可将钢中的一次铌化物几乎全部固溶到基体里。所研制的07Cr25Ni21NbN不锈钢管的化学成分见表。


三、性能和组织评定试验


 1. 室温拉伸性能


  按GB/T 228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》及GB/T 230.1-2004《金属洛氏硬度试验》,分别在SH T5106万能材料试验机和HR2 150A型洛氏硬度计上,对07Cr25Ni21NbN不锈钢管进行室温拉伸性能试验和硬度检测,试验结果见表。不锈钢管的室温力学性能和硬度测试结果表明,试验用07Cr25Ni21NbN不锈钢管的室温力学性能及硬度符合ASME SA2213和GB 5310-2008标准要求。


 2. 微观组织


  经固溶处理后的07Cr25Ni21NbN不锈钢管的显微组织是奥氏体,晶粒度为5~7级。扫描电镜下可以看出,07Cr25Ni21NbN不锈钢管在基体上一次铌化物颗粒很少,几乎全部固溶到基体里。透射电镜观察显示,晶内第二相颗粒尺寸约0.2~0.4μm。


 3. 不锈钢管高温拉伸性能


  沿直径57mm、壁厚10mm不锈钢管的纵向取工作段直径为8mm的圆柱形试样;沿直径38mm、壁厚7.5mm不锈钢管的纵向取平行段宽度为10 mm,标距为50 mm的管材弧形试样,按GB/T 4338-2006《金属材料高温拉伸试验方法》在SH T5106电液伺服万能材料试验机上进行高温拉伸试验,试验结果见图。试验结果表明,不锈钢管的高温拉伸性能均符合GB 5310-2008的要求。


 4. 长期时效性能


  对07Cr25Ni21NbN不锈钢管试样进行650℃高温时效处理。经1000小时、3000小时、5000小时、8000小时、10000小时时效后分别取出,按GB/T 228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》,在WE2 100型液压式万能材料试验机上对时效后的试样进行拉伸试验,试验结果见图。按GB/T 229-1994《金属夏比缺口冲击试验方法》,将试样加工成标准夏比V型缺口10 mm×10 mm×55°冲击试样,在ZBCZ452N21摆锤冲击试验机上进行试验;用XHB23000闭环控制数显布氏硬度计进行硬度检测,试验结果见图。从图可以看出,随时效时间的延长,屈服强度略有波动,抗拉强度呈现增高,伸长率呈现下降趋势,从图还可以看出,高温时效1000小时以后,冲击功降低较为明显,随后至10000小时保持稳定,而硬度在高温时效1000小时以后呈现增加,随后至10000小时硬度增加趋势缓慢。


 5. 持久强度按


   GB/T 2039-1997标准对07Cr25Ni21NbN不锈钢管沿纵向取直径5 mm圆柱形标准试样,在RD223型蠕变持久试验机上进行650℃、700℃、750℃持久强度试验,持久强度试验曲线见图。用最小二乘法进行拟合计算,分别得到07Cr25Ni21NbN不锈钢管在650℃、700℃、750℃的试验结果,在现有数据情况下,持久强度外推方程如下:


   据此计算,可得出07Cr25Ni21NbN不锈钢管在650℃、700℃、750℃下,外推100000小时的持久强度分别为106.4 MPa、62.5 MPa和33.6 MPa,满足ASME标准与GB 5310—2008标准的要求。


 6. 抗蒸汽氧化性能


  07Cr25Ni21NbN钢在超临界水腐蚀试验装置中进行650℃、压力25MPa、模拟电厂实际运行条件的试验,试验时间达到1000小时。X20CrMoV121钢(铬的质量分数分别是12.3%、11.2%、10.2%)及 Super304H不锈钢抗蒸汽氧化试验结果对比见图。试验结果显示,在恶劣的工况条件下,宝钢07Cr25Ni21NbN钢仍然表现出优良的抗蒸汽腐蚀性能,氧化增重仅为Super304H不锈钢的1/5,X20CrMoV121钢(铬的质量分数是12.3%)的1/92。


四、结论


 从上述结果可知:


  1. 宝钢生产的07Cr25Ni21NbN奥氏体耐热不锈钢管各项性能均符合ASME SA-213标准及GB 5310-2008标准规定的要求,说明所选择的工艺是正确的。


  2. 宝钢生产的07Cr25Ni21CbN不锈钢管性能(包括高温持久强度、抗蒸汽腐蚀等特殊性能)优良,完全能满足超(超)临界电站锅炉制造的要求。


  3. 宝钢07Cr25Ni21CbN奥氏体耐热不锈钢管研制成功,缩短了我国在耐热钢研究领域与国外的差距,同时也极大地提高了我国电站锅炉的制造能力和水平。


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