一种超超临界机组主蒸汽管道耐热钢及其制备方法

本发明涉及耐热钢，具体为一种超超临界机组主蒸汽管道耐热钢及其制备方法。

背景技术：

1、近年来，随着高发电效率的超超临界发电机组的大力投运，我国超超临界机组技术水平、发展速度、装机容量和机组数量均已跃居世界前列。超超临界机组主蒸汽锅炉管道的耐热部件是制造发电厂的瓶颈。

2、目前投入商业运行或者正在建设的600℃或620℃等级超超临界机组，其高温蒸汽管道主蒸汽管道和高温再热蒸汽管道常采用新型马氏体耐热钢p92钢。超过630-650℃的温度时，常用于600-620℃超超临界机组的高强度p92钢已不能满足700℃超超临界机组锅炉热强性要求，否则将出现持久强度不足和抗环境腐蚀性能不足的问题。

3、因此，为了克服上述问题，本发明一种超超临界机组主蒸汽管道耐热钢及其制备方法。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供一种超超临界机组主蒸汽管道耐热钢及其制备方法，以解决上述背景技术提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种超超临界机组主蒸汽管道耐热钢，含有的各元素按质量百分比为：

3、c：0.08～0.12％；si：0.35～0.55％；mn：0.55～0.65％；cr：9.0～10.5％；mo：0.6～1.0％；co：2.0～3.5％；zr：0.12～0.2％；v：0.22～0.35％；nb：0.06～0.014％；n：0.03～0.07％；b：0.003～0.011％；ni：0.6～1.0％；w：0.15～0.3％；质量比为1:1的ce和la的混合物：0.05～0.1％；hf：0.01～0.05％；ta：0.01～0.05％；sc：0.01～0.05％；ir：0.01～0.03％；余量是fe和杂质。

4、作为本发明的一种优选技术方案，所述杂质中的al≤0.01wt.％，ti≤0.01wt.％，p≤0.008wt.％，s≤0.005wt.％。

5、一种超超临界机组主蒸汽管道耐热钢的制备方法，具体步骤如下：

6、s1：合金原料通过高真空电弧熔炼法熔炼合金，并在熔炼过程中进行电磁搅拌，以确保成分均匀，完成熔炼后，通过吸铸系统获得铸态合金；

7、s2：将铸态合金进行两次正火处理：

8、s21：第一次正火处理，加热至1050～1150℃，保温2.5～3.0h后空冷，用于细化晶粒并消除内应力；

9、s22：第二次正火处理，加热至900～1000℃，保温1.5～2.5h后空冷，用于提高材料的韧性和抗蠕变性能；

10、s3：对正火处理后的合金进行淬火处理，具体为：

11、s31：将合金加热至980～1020℃，保温1.5～2.5h后快速冷却至室温，形成马氏体组织，用于提高材料的硬度和强度；

12、s4：对淬火后的合金进行回火处理，具体为：

13、s41：将合金加热至600～700℃，保温后空冷，通过析出强化相，用于提升材料的高温强度和稳定性；

14、s5：对制备好的耐热钢进行喷丸处理，通过高速喷射小颗粒，在材料表层引入压应力，形成致密的fecr2o4保护层，以提高材料的抗氧化性能。

15、作为本发明的一种优选技术方案，步骤s1采用高真空电弧熔炼法制备铸态合金的步骤包括如下：

16、s11：通过抽真空使熔炼炉内部达到高真空状态，待熔炼炉内部达到高真空状态后，通入适量氩气作为保护气体，使炉内气压达到-0.5mpa；

17、s12：使用电弧枪熔炼纯钛进行脱氧；

18、s13：将电弧枪移至熔炼坩埚位置，将电弧枪电流加至230a开始熔炼合金，待合金原料熔融后持续30s电磁搅拌，保持恒定电流30s，然后将电弧枪电流降至0a，磁搅拌电流为2a；

19、s14：重复步骤s13的熔炼合金4次，使合金成分均匀，熔炼完成后，制得初始铸态合金；

20、s15：将熔炼坩埚内冷却的初始铸态合金通过长柄拔勺放置于吸铸坩埚内，重复合金熔炼操作，重复熔炼以得到熔融金属液，此时电弧枪电流增高至270-280a；

21、s16：待吸铸坩埚内初始铸态合金完全熔融后，通过吸铸系统，将熔融状合金吸入铜模中，制得铸态合金钢锭。

22、作为本发明的一种优选技术方案，步骤s13中的电磁搅拌电流为2a。

23、作为本发明的一种优选技术方案，步骤s11的真空为10-5pa。

24、作为本发明的一种优选技术方案，正火处理后的合金在淬火过程中采用淬火介质为60℃的淬火油，淬火后形成以马氏体为主的组织。

25、作为本发明的一种优选技术方案，步骤s41中的回火处理采用温度为600～700℃，加热速率为80℃/h，保温时间为1.5～4h，随后空冷至室温。

26、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

27、1、本发明提供的一种超超临界机组主蒸汽管道耐热钢通过添加氮、钒和铌可以显著的提升合金的高温持久强度；加入硼和钴，控制钼的含量，可以提高合金的抗蠕变性能；加入铬可增强合金的高温持久强度和抗蠕变强度；加入硅可以提高抗氧化强度。

28、2、本发明提供的一种超超临界机组主蒸汽管道耐热钢，通过控制铝、钛、磷和硫在较低水平，抑制了高温和腐蚀条件下杂质在晶界上的偏析。

29、3、本发明通过引入稀土元素(ce和la的混合物)、钽、铪、钪和铱，形成稳定的氧化物膜和碳化物相，极大地增强了耐热钢的高温抗氧化能力和抗蠕变性能。

30、4、本发明提供的一种超超临界机组主蒸汽管道耐热钢通过正火和回火精细控制，使合金元素完全溶解于奥氏体中，并析出细小弥散分布的m23c6型碳化物，钽、铪的引入进一步增强了碳化物的稳定性，铱、钪的引入提高了材料的高温稳定性和抗蠕变性能，从而得到强韧性的马氏体耐热钢。

31、综上所述，本发明提供了一种超超临界机组主蒸汽管道耐热钢的制备方法，该方法可以制备得到具有优异的高温力学性能和高温蠕变等性能，可满足650℃蒸汽温度下使用要求的超超临界机主蒸汽管道耐热钢。

技术特征：

1.一种超超临界机组主蒸汽管道耐热钢，其特征在于：含有的各元素按质量百分比为：

2.根据权利要求1所述的一种超超临界机组主蒸汽管道耐热钢，其特征在于：所述杂质中的al≤0.01wt.％，ti≤0.01wt.％，p≤0.008wt.％，s≤0.005wt.％。

3.一种如权利要求1-2任一项所述的超超临界机组主蒸汽管道耐热钢的制备方法，其特征在于：具体步骤如下：

4.根据权利要求3所述的一种超超临界机组主蒸汽管道耐热钢的制备方法，其特征在于：步骤s1采用高真空电弧熔炼法制备铸态合金的步骤包括如下：

5.根据权利要求4所述的一种超超临界机组主蒸汽管道耐热钢的制备方法，其特征在于：步骤s13中的电磁搅拌电流为2a。

6.根据权利要求4所述的一种超超临界机组主蒸汽管道耐热钢的制备方法，其特征在于：步骤s11的真空为10-5pa。

7.根据权利要求3所述的一种超超临界机组主蒸汽管道耐热钢的制备方法，其特征在于：正火处理后的合金在淬火过程中采用淬火介质为60℃的淬火油，淬火后形成以马氏体为主的组织。

8.根据权利要求3所述的一种超超临界机组主蒸汽管道耐热钢的制备方法，其特征在于：步骤s41中的回火处理采用温度为600～700℃，加热速率为80℃/h，保温时间为1.5～4h，随后空冷至室温。

技术总结
本发明公开一种超超临界机组主蒸汽管道耐热钢及其制备方法，各元素按质量百分比为：C：0.08～0.12；Si：0.35～0.55；Mn：0.55～0.65；Cr：9.0～10.5；Mo：0.6～1.0；Co：2.0～3.5；Zr：0.12～0.2；V：0.22～0.35；Nb：0.06～0.014；N：0.03～0.07；B：0.003～0.011；Ni：0.6～1.0；W：0.15～0.3；Ce和La(1:1质量比)：0.05～0.1；Hf、Ta、Sc：0.01～0.05；Ir：0.01～0.03，余量Fe和杂质。本发明引入钼、钪和铱，提升耐热钢的高温蠕变抗力、机械稳定性、强度及抗腐蚀性能。

技术研发人员：丁云飞,颜宇,张慎之,杨旭,徐帅
受保护的技术使用者：江苏海洋大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/26