一种锅炉管用耐热钢及其生产方法和应用与流程

本发明属于耐热钢，具体涉及一种锅炉管用耐热钢及其生产方法和应用，可应用于制造温度625℃～650℃超超临界锅炉管。

背景技术：

1、随着我国经济的稳步发展，人们在日常生活中对电力的需求不断增加，而火力发电在我国电源结构中占据主流地位。因此，开发高效、节能、清洁、大容量的火力发电技术是我国电力发展的重要趋势，不仅能满足国民经济快速发展所增加的用电需求，同时也可节约资源和能耗、减少污染物的排放。

2、世界上主要火电机组的运行参数达到600～620℃，在我国600℃级别的超超临界机组已大规模运营，这使得我国高参数火电技术达到了世界先进水平。若要进一步提高电站热效率，降低能耗，最有效的方法之一就是提高发电机组容量和蒸汽参数，而随着发电机组蒸汽参数的提高，对于主蒸汽锅炉管道用耐热钢的使用要求也在不断提高，这对材料的使用性能提出了更高的要求。

3、在600℃蒸汽参数超超临界锅炉管钢使用中，使用最多的材料为p92耐热钢，实践证明p92使用温度上限为625℃左右，不超过630℃。同时650℃～750℃所需超超临界锅炉管用材料主要包括：inconel740h主要用于700～750℃钢管制造，新型奥氏体耐热钢sanicro25，常用于670～700℃温度段，但625～650℃这一温度段所需的大口径耐热钢管尚无对应的材料，若将镍基合金和奥氏体耐热钢应用于大口径钢管的制造，将大幅增加发电成本，不符合我国的国情。最经济可行的方法是将常用的铁素体耐热钢的使用温度提高到650℃，通过材料的化学成分设计提高钢的性能，625～650℃下耐热钢就是这一背景下提出的。

4、钢铁研究总院结合marbn钢的研究基础上开发的钢种g115，已经开展工业试制，并小规模应用。但g115钢为保证材料高温性能，碳含量控制范围偏低，对于实际冶炼造成一定的困难。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种锅炉管用耐热钢及其生产方法，主要加入w元素、co元素及稀土元素nd，提高钢的蠕变强度及高温稳定性，通过成分优化设计提出了钢的最佳化学成分控制范围，获得的钢具有良好的韧性和高温持久性能。

2、本发明还有一个目的在于提供一种锅炉管用耐热钢的应用，用于制造温度625℃～650℃超超临界锅炉管，其在使用期间能够承受的最高温度可达650℃，承受压力可达35mpa主蒸汽锅炉管道的高温、高压和腐蚀作用。

3、本发明具体技术方案如下：

4、一种锅炉管用耐热钢，包括以下质量百分比成分：

5、c 0.06％～0.11％、si 0.20％～0.50％、mn 0.25％～0.85％、cr 8.4％～9.4％、w 2.45％～3.55％、b 0.008％～0.017％、v 0.05％～0.35％、co 2.45％～3.55％、nb0.05％～0.12％、nd 0.015％～0.065％、n 0.005％～0.015％、ti≤0.01％、ni≤0.15％、al≤0.020％、p≤0.010％、s≤0.006％，其余为fe和其它不可避免的杂质。

6、所述锅炉管用耐热钢的成分还满足：

7、10.98％≤铬当量≤15.02％，铬当量＝cr+2si+5v+1.75nb+0.75w；

8、4.50％≤镍当量≤7.80％，镍当量＝ni+co+30c+0.5mn+25n；

9、log[n]＝-0.40log[b]-2.77；

10、以上公式中各成分，表示该成分在钢中含量×100％；

11、本发明各成分设计思路如下：

12、c：c是奥氏体形成元素，能够固溶于基体中或者以碳化物的形式存在，起到提高材料高温强度的作用，耐热钢中碳含量越高高温性能越差，同时考虑到其固溶强化作用对室温力学性能的影响及对ni当量的影响，故c含量控制在0.06％～0.11％。

13、si：si对提高材料的强度和耐腐蚀性能有利，降低si含量可以改善钢的韧性，因为si可以促进钢中laves相的产生。但si含量过高会提高钢的脆性，因此，si含量控制在0.20％～0.50％。

14、mn：耐热钢中加入mn主要作用是提高热强性。也可稳定p、s等。研究表明当mn含量低于0.2％时，mn起不到明显作用。当mn含量高于1％时，对材料的冲击韧性有害。所以，mn含量控制在0.25％～0.85％。

15、cr：其主要作用是提高耐热钢的抗腐蚀性和抗氧化能力。同时，cr也是强碳化物形成元素，能够促进m23c6的形成，同时cr元素也是提高材料cr当量的主要元素，过多的cr元素则会引起钢中高温铁素体的出现，使材料的性能降低。对于耐热钢当cr在9％左右时其蠕变强度能够达到最大值，过高会促使z相析出，故应将cr含量控制在8.4％～9.4％。

16、w：w会进入m23c6，因w的热扩散系数较低，抑制了m23c6碳化物的粗化，当w含量超过3.6％时，laves相逐渐长大，又会损害钢的持久强度；故w控制在2.45％～3.55％。

17、co：co在耐热钢中的作用与ni的作用类似，也属于奥氏体形成元素，能扩大奥氏体相区，马氏体耐热钢co元素的添加能促进其他合金元素沉淀相的析出，从而提高钢的高温强度。研究表明钢中加入3％左右的co时对钢的持久强度具有最佳效果。故将co含量控制在2.45％～3.55％。

18、v和nb：v和nb均是碳化物主要的形成元素，生成的碳化物抑制马氏体的回复，同时起沉淀强化的作用。v和nb在马氏体耐热钢中存在一定的比例关系，研究表明，在600℃以上使用的马氏体耐热钢中，v，nb的最佳含量分别为0.2％和0.05％。故将v含量控制在0.05％～0.35％，将nb含量控制在0.05％～0.12％。

19、b和n：在铁素体耐热钢中，n的含量通常在0.0080％以上，由于n可以固溶的方式强化奥氏体。而微量的b在耐热钢中主要起到强化晶界的作用，从而提高钢的高温性能，并改善钢的持久塑性，降低钢的蠕变脆性倾向。同时b还能够置换出m23c6中的部分c，形成m23(c0.85b0.15)6，起到沉淀强化作用。研究表明，b含量0.010％左右可以抑制碳化物的粗化，并在焊接过程中耐热钢不会出现ⅳ型裂纹，故将n含量控制在0.0050％～0.0150％，b含量控制在0.008％～0.017％。

20、nd：nd可以提高钢蠕变塑性和疲劳性能，并有较强的脱氧脱硫能力，可以净化钢液；延缓耐热钢中碳化物沿晶界析出，阻碍碳化物聚集长大，改变碳化物的形状和分布作用。本发明将nd含量控制在0.015％～0.065％。

21、al:al是提高抗氧化性的元素。高温下，al在氧化铁皮的表面形成al2o3，成为坚固的保护膜，起到提高抗氧化的作用。但钢中al元素过多容易会与n元素结合形成，不利于n元素在钢中发挥作用，故将al元素含量控制在0.020％以内。

22、ni:ni是稳定奥氏体和扩大奥氏体区元素，但ni含量过多对耐热钢高温性能不利，因此本发明中ni含量控制在0.15％以内。

23、ti：ti是强碳化物形成元素，容易影响m(cn)的析出，且ti还会与钢中氮结合生成tin夹杂，影响钢的最终性能，故本发明钢ti含量控制在0.01％以内。

24、p、s:为保证钢水洁净度，及产品的最终使用性能，将钢中p含量控制在0.010％以内，钢中s含量控制在0.0060％以内。

25、在耐热钢使用中，δ铁素体通常被认为是影响其力学性能和高温稳定性的重要因素，为控制钢中δ铁素体出现，借助于ni当量和cr当量计算公式将钢中元素进行归一化处理。根据cr当量和ni当量计算公式可知cr、v、si、w等元素是铁素体形成元素扩大铁素体相区，促进δ-铁素体形成，c、mn、co等元素是奥氏体形成元素增加其量可以扩大奥氏体相区。同时分别考虑各个元素对当量的影响，cr、si、w、v、nb在钢中的量每增加0.1％，那么其cr当量分别增加0.1、0.2、0.075、0.5、0.175，分别在其公式前增加贡献系数1、2、0.75、5、1.75。同时，计算c、mn、ni、co、n元素对ni当量的影响，根据计算结果在其元素前分别乘以贡献系数30、0.5、1、1、25。

26、因此，得到当量计算公式10.98％≤铬当量≤15.02％，铬当量＝cr+2si+5v+1.75nb+0.75w；4.50％≤镍当量≤7.80％，镍当量＝ni+co+30c+0.5mn+25n。

27、为保证耐热钢的高温蠕变性能，抑制析出相m23c6粗化，要合理控制b、n的含量，钢中n会降低b在基体中的固溶度，从而促使b进入碳化物中以复杂的含b化合物形式析出，当b和n含量均很高时会导致bn析出，甚至形成粗大bn夹杂，反而对材料蠕变性能有害。故为防止生成bn析出物，b、n之间应满足log[n]＝-0.40log[b]-2.77关系。

28、本发明提供的一种锅炉管用耐热钢的生产方法，包括热处理，所述热处理包括正火和回火；

29、所述正火，加热至1070～1090℃，保温，空冷至室温；

30、所述正火，正火的保温时间t为：t由钢管壁厚s决定，t＝0.5～1.5×s，t单位为min，s单位为mm；将以上单位条件下的数值带入公式计算即可。

31、所述正火，钢管以100℃/h±10℃的速度加热至1070～1090℃；

32、所述回火，将钢管加热至750～770℃，保温，空冷至室温。

33、所述回火，加热火保温时间t由钢管壁厚s决定，t＝1.2～4.5×s，t单位为min，s单位为mm，再空冷至室温；将以上单位条件下的数值带入公式计算即可。

34、所述回火，将钢管以110℃/h±10℃的速度加热至750～770℃。

35、所述钢管壁厚在50mm～140mm。

36、以上热处理后的钢管，室温力学性能满足硬度≤25hrc、屈服强度≥620mpa、抗拉强度≥760mpa、伸长率≥20％、冲击功(纵向)＞160j；650℃，10万小时持久强度外推值≥110mpa。

37、所述锅炉管用耐热钢的生产方法，包括以下工艺流程：

38、电弧炉或转炉冶炼→lf炉精炼→真空脱气(rh/vd)→圆坯连铸→圆坯打孔→圆坯加热→穿管→定径→热处理→钢管修磨→探伤→包装入库。

39、本发明提供的一种锅炉管用耐热钢的应用，用于制造温度625℃～650℃超超临界锅炉管。

40、与现有技术相比，本发明通过成分设计，匹配设计对应的热处理工艺，获得的钢具有良好的韧性和高温持久性能，室温力学性能满足硬度≤25hrc、屈服强度≥620mpa、抗拉强度≥760mpa、伸长率≥20％、冲击功(纵向)＞160j；650℃，10万小时持久强度外推值≥110mpa；650℃拉伸性能为屈服强度≥280mpa、抗拉强度≥320mpa，伸长率≥25％，适用于制造625℃～650℃锅炉管用耐热钢。且本发明不含cu,降低生产成本，避免加入cu在续热变形加工过程中容易产生铜脆、降低成材率的问题。