[发明专利]一种高韧性奥氏体锅炉钢

说明书

技术领域

本发明属于奥氏体钢技术领域，特别是涉及一种高韧性奥氏体锅炉钢，适用于制造超超临界火电机组过热器和再热器管。

背景技术

节能减排是受到世界范围内广泛关注的人类面临的重大问题。研究表明，传统的发电锅炉和蒸汽轮机的热效率与蒸汽温度、压力之间具有显著的正相关性。如蒸汽参数为593℃/30MPa的发电机组的热效率比蒸汽参数为538℃/18.5MPa的发电机组的热效率提高6％。于是，人们试图通过发电厂设计提高电厂热效率和降低CO₂排放量。改善电厂热效率的有效途径是提高蒸汽参数，即提高蒸汽温度和压力。欧盟预计将蒸汽温度提高到700℃，能使发电机组的热效率从目前的47％提高到55％，使煤耗大幅降低，CO₂排放量减少15％。目前，美国正开展760℃/35MPa项目的研究，该项目预计CO₂排放量比现在通用的亚临界电站降低22％。而国内电站的平均热效率约33％，远低于发达国家水平。目前，我国经济发展迅速，电能需求激增。为适应经济发展和环境保护，国内电力生产企业对超超临界火电机组的建设需求增长迅速。

随着发电机组蒸汽参数的提高，发电热效率得到了提高，同时，对电站材料也提出了更苛刻的要求。目前，适用于超超临界电站的主要材料种类有，铁素体类包括：P91，P92；奥氏体类耐热钢包括：TP347HFG、S30432、NF709、S31042等。其中P91和P92主要用作主蒸汽管道和联箱。TP347HFG、S30432、NF709、S31042主要用作过热器和再热气管道。由于电站材料长期暴露于高温高压蒸汽环境中，对该类材料的抗高温蒸汽腐蚀和高温持久强度提出了更高要求。由于铁素体钢中Cr含量较低，难以满足更高温度下，过热器和再热器管道的使用要求，一般用奥氏体钢作为再热器和过热器管道。在以上列出的几种奥氏体耐热钢中，TP347HFG和S30432钢由于Cr含量相对较低，在长期高温蒸汽和高应力作用下，形成的氧化层剥落，造成管道堵塞，容易爆管，影响电站正常生产。S31042钢中Cr含量最高，抗蒸汽腐蚀的能力最强，但是，该钢的高温长期高温服役或时效后冲击韧性变得较低。为提高电厂运行的安全性，一般使过热器和再热器管壁厚度较大，这不但导致换热效率降低，而且还会因为奥氏体钢的膨胀系数大引发其它问题。因此，如何提高S31042钢长期高温服役或时效后的冲击韧性，是亟待解决的问题。

S31042钢是在传统310型奥氏体耐热钢的基础上，添加一定量的元素Nb、N而获得。该钢被纳入ASME Code Case 2115-1，该标准要求成分(wt％)为：C：0.04-0.10，Si≤1.00，Mn≤2.00，P≤0.030，S≤0.030，Cr：24.0-26.0，Ni：19.0-22.0，N：0.15-0.35，Nb：0.20-0.60，Fe：其余。Nb与C的原子结合力强于Cr与C的原子结合力，可以将C原子束缚在晶内，抑制Cr₂₃C₆相在晶界上的析出，抑制晶间腐蚀。再者Nb与C和N形成NbC、NbN或Nb(C，N)颗粒能起到弥散强化的作用，Nb在钢中还形成NbCrN相颗粒，这种颗粒比较稳定，能够起到强化作用。因此S31042钢具有比传统310型奥氏体耐热钢更高抗高温蒸气腐蚀能力和高温持久强度。但是，这种钢经过高温长期服役或长时时效后，其室温冲击韧性变得很低。研究表明，韧性降低是晶界处析出大量的Cr₂₃C₆所致。设法和抑制晶界处Cr₂₃C₆相大量析出对改善S31042钢的高温长时服役和长时时效态冲击韧性非常有效。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种高韧性奥氏体锅炉钢，成分设计合理，经高温长时服役或高温长时时效后具有更高韧性的奥氏体耐热钢材料。

根据本发明的目的，本发明所提出经高温长时服役或高温长时时效后具有更高韧性的奥氏体耐热钢材料，是以S31042钢为基础，通过调整优化S31042钢的化学成分、增添合适的合金元素，使本发明的奥氏体耐热钢具备更好的韧性。