CN102011063A

CN102011063A - 一种无铁素体大口径厚壁耐热钢管材料

Info

Publication number: CN102011063A
Application number: CN2010105196833A
Authority: CN
Inventors: 刘正东; 程世长; 石如星; 包汉生; 杨钢; 干勇
Original assignee: Central Iron and Steel Research Institute
Current assignee: Central Iron and Steel Research Institute
Priority date: 2010-10-19
Filing date: 2010-10-19
Publication date: 2011-04-13

Abstract

一种无铁素体大口径厚壁耐热钢管材料，属于超临界火电机组用钢管技术领域。该钢管组成成分的重量百分比为：碳：0.090～0.12％；硅：＜0.3％；锰：0.40～0.6％；磷：≤0.020％；硫：≤0.010％；铬：8.5～9.0％；镍：0.1～0.3％；钨：1.7-2.0％；Mo：0.3-0.5％；铌：0.04～0.07％；钒：0.15-0.22％；氮：0.04～0.07％；硼：0.001～0.004％；钴：0.01～0.03％；铜：0.01～0.07％；铝：0～0.01％；铁：余量。优点在于，基于P92钢的基础上通过优化成分配比、添加元素Co和Cu，使大口径厚壁耐热钢管的组织为单一的马氏体组织，且性能优异，均能满足ASME CC2179-6的要求。

Description

一种无铁素体大口径厚壁耐热钢管材料

技术领域

本发明属于超临界火电机组用钢管技术领域，特别是提供了一种无铁素体大口径厚壁耐热钢管材料，无铁素体大口径厚壁耐热钢管的最佳化学成分范围，适用于大型先进超超临界火电机组用大口径厚壁耐热管道的制造。

背景技术

火电机组蒸汽参数越高，发电效率就越高(见表1)，进而降低资源和能源消耗以及大幅度减少温室气体排放，保证国家能源安全。限制火电机组蒸汽参数提高的关键制约因素是高温段耐热钢管的开发和应用。我国在超超临界火电机组的建设方面已经迈出可喜的步伐，但是高端能源用钢长期依赖进口，耗费大量资金且工期无法保证，严重影响了我国电站技术形成核心竞争力。

表1火电机组性能参数对比

广泛应用的P92锅炉管是在P91的基础上通过添加W、B等合金元素发展而来，其许用应力明显高于P91、P122等钢种，是目前超临界、超超临界火电机组锅炉集箱、蒸汽管道等大口径厚壁管件首选用钢，该钢已被纳入ASME SA335 Code Case 2179-6，其成分范围(wt％)是：C 0.07-0.13％；Si≤0.50％；Mn 0.30-0.60％；P≤0.020％；S≤0.010％；Cr 8.5-9.5％；Ni≤0.40％；W 1.5-2.0％；Mo 0.3-0.6％；Nb 0.04-0.09％；V 0.15-0.25％；N 0.03-0.07％；B 0.001-0.006％；Al＜0.04％；其余为Fe。

P92钢化学成分中铁素体形成元素Cr、V、W、Mo、Nb等含量较高，使得合金相图中γ(奥氏体)相区缩小，δ铁素体相区增大。生产过程中，若成分配比、热加工工艺及热处理工艺调控不当，则生产的P92钢管组织中易形成δ铁素体。国内外的工业实践已经表明，按ASME SA335 CC2179-6规范生产P92大口径厚壁锅炉管组织均可能存在一定含量的铁素体。同时研究也表明，δ铁素体的存在降低了P92钢的冲击韧性和持久强度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种无铁素体大口径厚壁耐热钢管材料，是在P92锅炉钢的基础上通过优化成分配比、添加合金元素Co、Cu，是一种性能优异的无铁素体的大口径厚壁耐热钢管材料。

本发明提供的化学成分的重量百分比为：碳：0.090～0.12％；硅：＜0.3％；锰：0.40～0.6％；磷：≤0.020％；硫：≤0.010％；铬：8.5～9.0％；镍：0.1～0.3％；钨：1.7～2.0％；Mo：0.3～0.5％；铌：0.04～0.07％；钒：0.15-0.22％；氮：0.04～0.07％；硼：0.001～0.004％；钴：0.01～0.03％；铜：0.01～0.07％；铝：0～0.01％；铁：余量。

本发明提供的化学成分范围的选取是基于如下原理：

P92钢组织中较难避免δ铁素体的根本原因在于该钢中含有较多的Cr、W、Mo、Nb、V、Si等铁素体稳定化元素，扩大了合金相图中的铁素体区，这种影响可归结为元素对Creq(Cr当量)和Nieq(Ni当量)的影响。研究表明，使用于P92的Creq和Nieq公式为：

Creq＝Cr+0.75W+1.5Mo+2Si+5V+1.75Nb+1.5Ti+5.5Al

Nieq＝30C+Ni+0.5Mn+25N+Co+0.3Cu

下调Cr当量，上调Ni当量，有利于减少或者避免δ铁素体的生成。但是，和Cr当量有关的W、Mo、Nb、V等铁素体稳定化元素是P92钢中的主要强化元素，元素Cr是P92钢抗氧化腐蚀性能的保证；下调铁素体稳定化元素含量，降低了Cr当量，但势必会影响P92钢的综合性能。另外，工业生产时，浇铸过程难以避免的成分偏析，使得钢锭中的化学成分不均匀，即使下调Cr当量，也很难完全避免δ铁素体的生成。因此，在ASME标准范围内(见下表2)，仅通过调整成分范围而达到既避免δ铁素体的生成又不影响P92钢的力学性能的目的，是比较困难的。

表2P92钢化学成分(wt％)

Co、Cu均是奥氏体化元素，能够有效提高Ni当量，扩大相图中的奥氏体相区，本发明中添加钴、铜，其一是抑制δ铁素体的生成；其二是提高持久强度。研究表明，Co能够间接的影响钢中主要强化相的析出，Co含量增加，高铬耐热钢中的MX、M₂₃C₆析出量也随之增加；另外，铁素体系耐热钢中加入Cu后，蠕变过程中富铜相沿马氏体板条析出，能够抑制阻碍位错的滑移，保持了马氏体板条结构的稳定，从而提高了耐热钢的持久强度，延长了蠕变断裂时间。

本发明选取的化学成分及其配比，其目的是，在ASME标准成分范围内，下调Cr当量，上调Ni当量，同时，添加元素Co、Cu，不仅有利于避免δ铁素体的生成，还能保证钢管的常规力学性能。各元素具体含量的控制范围如下：

碳和氮：C和N均为奥氏体形成元素，有效增加Ni当量，可抑制δ铁素体的形成，N可改善短时蠕变强度而C对长时蠕变强度更有效。但C含量过高，与铬的碳化物析出后粗化较快，影响持久强度，故本专利的C含量控制在0.09-0.11％，N含量控制在0.04-0.07％。

硅：Si为炼钢时的残存元素，因其明显提高Cr当量，故其含量应加以控制，同时考虑冶炼成本问题，本发明范围为低于0.3％。

硼：B通过提高晶界强度来改善持久强度。但需要防止形成大块的BN，B含量按中下限控制。

铝：Al是有效的脱氧剂，但也是铁素体稳定化元素，促进δ铁素体的形成，在Cr当量公式中系数最大，故其含量控制在0.01％以下。

锰：Mn是奥氏体稳定化元素，有益于抑制δ铁素体的形成，成分取中上限。

硫和磷：这两个元素的含量应尽可能低。

铬：Cr是P92中的主元素，提高钢的抗氧化腐蚀性能，也是铁素体稳定化元素，促进δ铁素体的形成，本专利控制范围为8.5-9.0％。

镍：Ni降低A1点，损害组织的高温稳定性，但Ni可以消减Cr当量，抑制δ铁素体的形成，故本专利Ni控制在0.1-0.3％

铌和钒：Nb、V和C、N结合形成弥散细小的MX沉淀析出相，有效提高持久强度，但二者均为铁素体稳定化元素，增加Cr当量，本专利中二者的化学成分按中下限控制

钨和钼：W、Mo为铁素体稳定化元素，对Creq有贡献，促进δ铁素体的析出，但P92主要是以W为主W-Mo复合固溶强化，W含量低会明显降低持久强度，故本发明把W含量控制在上限1.7-2.0％，Mo控制在中下限0.3-0.5％，且要求Mo当量(Mo+1/2W)＞1.2％。

钴与铜：Co、Cu均为奥氏体化元素，能够抑制δ铁素体的形成，并且对于钢的持久性能有利，故本发明中添加了0.01-0.03％的Co与0.01-0.07％的Cu。

本发明无铁素体的大口径厚壁耐热钢管的制备方法与现有技术相似，可采用如下流程：电弧炉+炉外精炼+真空或保护气氛浇铸→铸锭开坯→热轧穿管或热挤压制管或冲孔-拔伸锻造→热处理→检验入库。

本发明的有益效果为：

在P92钢的基础上，通过优化成分及配比，并添加合金元素Co、Cu，调控Cr、Ni当量，提供了一种无铁素体的性能优异的大口径厚壁耐热钢管材料，以此材料生产的钢管，其力学性能满足如下要求：

按ASME CC2179-6：室温下，R_m≥620MPa，R_p0.2≥440MPa，A≥20％

附图说明

图1Cr、Ni当量对δ铁素体影响的Schaffeler图。

图2实施例1(Φ298.5×33mm)的微观组织(完全回火马氏体)。

图3实施例2(Φ610×102mm)的微观组织(完全回火马氏体)。

图4比较例1(Φ298.5×30mm)的微观组织(含有约1％的δ铁素体)。

图5比较例2(Φ610×97mm)的微观组织(含有约5％的δ铁素体)。

具体实施方式

以下用实施例对本发明做更详细地描述。这些实施例仅仅是对本发明最佳实施方式的描述，并不对本发明的范围有任何限制。

共采用了2组实施例与2组对比例具体的说明本发明，化学成分质量百分比见下表3：

表3实施例与对比例的化学成分(wt％)

4组实施例及对比例的生产工艺如下：

采用EAF+AOD冶炼、模铸成锭，钢锭加热→穿孔机延伸→周期轧管→检查外观及尺寸→机加工→热处理→钢管精整→包装入库。

热加工工艺及热处理工艺参数见下表4：

表4实施例与对比例的生产工艺参数及热处理后微观组织

注：δ铁素体含量的测定参照GB/T 13305-1991《奥氏体不锈钢中α相面积含量金相测定法》，检测面积不小于10mm²。分别从上述钢管的横截面的不同位置取料，测试室温和高温短时力学性能，结果见下表5：

表5实施例与对比例的横向力学性能

由表4和表5可以看出，按本发明设计的成分范围和工艺制度试制的2炉实施例能够满足ASME CC2179-6的各项性能要求，其组织为全回火马氏体，无δ铁素体，钢管横截面力学性能均匀，且强度、塑韧性指标都较优异。

比较例1与比较例2组织中分别含有1％与5％含量的δ铁素体，其强度与韧性指标总体上低于2炉实施例，且钢管横截面的力学性能波动较大，塑性指标接近标准的下限。

从实施例与比较例可以看出，采用本发明所设计的化学成分，可以生产出无铁素体的性能优异的大口径厚壁耐热锅炉钢管。

Claims

1.一种无铁素体大口径厚壁耐热钢管材料，其特征在于，化学成分的重量百分比为：碳：0.090～0.12％；硅：＜0.3％；锰：0.40～0.6％；磷：≤0.020％；硫：≤0.010％；铬：8.5～9.0％；镍：0.1～0.3％；钨：1.7-2.0％；Mo：0.3-0.5％；铌：0.04～0.07％；钒：0.15-0.22％；氮：0.04～0.07％；硼：0.001～0.004％；钴：0.01～0.03％；铜：0.01～0.07％；铝：0～0.01％；铁：余量。