超（超）临界机组用S30432钢的研发与工业化生产

LIU1018

超（超）临界机组用S30432钢的研发与工业化生产

    编者按：超级304H钢是超超临界锅炉使用的主力钢种，目前主要依赖进口。受各种因素影响，这种产品的供应严重制约了我国大容量、高效率火电机组的发展，因此国产化是一个亟待解决的问题。本文就S30432钢在工业化生产方面遇到的一些技术的问题进行了分析。    　　
1 前言
    发电效率或者说每度电煤耗的降低以及燃烧完善程度、烟气排放清洁度是随着机组参数（蒸汽压力、温度、蒸发量）提高而优化，为了提高热效率，减少二氧化碳排放量，适应环境保护和节约能源的要求，世界各国都在大力发展超临界发电机组等这种节能、环保型发电设备。近年来，电站蒸汽参数从亚临界17.6MPa/540℃发展到了超临界25.4MPa/571℃，再到超超临界34.5MPa/649℃，单机容量从12.5万千瓦发展到30万、60万、100万千瓦。机组的大型化、运行参数的提高，特别是现在的超超临界机组，对关键钢铁材料的要求也更为苛刻。
    目前，我国超超临界机组是按国外技术设计的，国内已具备了制造超超临界机组的能力，但在材料技术上与国外仍存在很大差距，高温材料严重依赖进口。超级304H钢是超超临界锅炉使用的主力钢种，目前主要依赖进口。由于供需严重失衡，国际市场上这种材料的价格约为TP347H钢管的2倍。该材料不仅进口价格昂贵，而且订货周期长，且不能保证交货期，已严重制约了我国大容量、高效率火电机组的发展，该材料迫切需要国产化。所以进行S30432钢的工业化生产工艺技术研究具有重要意义。
    2  工业化生产工艺流程
    S30432钢工业化生产工艺流程：EAF+AOD+LF炉→模铸 →开坯→坯精整→热轧管坯→ 热轧穿孔→钢管冷加工→钢管热处理→检验→入库。
    3  S30432钢轧制工艺研究
    3.1  冶炼
    根据宝钢、钢铁研究总院等对S30432钢的研究成果，考虑合金元素对高温力学性能及对高温抗氧化性的影响，及该钢富Cu析出相的强化机理，同时考虑用户对晶间腐蚀的要求，在成分控制的实际设计上对C、Cr、Ni、Cu、Nb、N等元素制定了严格的内控要求；选料上强化五害元素的控制，冶炼上强化脱氧，脱碳、去气、去夹杂等冶炼过程，并在AOD和LF炉上分步实施；成分、温度微调在LF炉中进行，调整达内控要求后按工艺要求起吊浇注钢锭；浇注过程采用防止二次氧化的保护浇注等工艺措施。对于已生产的96炉钢进行统计分析，其熔炼成分完全达到达标准要求；成品平均氧含量34.4PPm，A、B、C、D各类夹杂物粗系和细系的检测结果见表1。
   
                   表1  S30432钢夹杂物检验结果统计平均值
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    项目            A（级）        B（级）        C（级）         D（级）
                细系    粗系    细系    粗系    细系    粗系   细系    粗系
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    最大值       0.5     0      2.0     0.5     1.0     0.5     1.5    1.0
    最小值       0.5     0      1.0       0       0       0     0.5      0
    96炉平均值   0.5     0     1.03    0.11    0.08    0.01    0.61   0.23
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    3.2  初轧开坯与管坯轧制工艺
    钢锭在规定的时间内脱模，热送至初轧厂进行开坯。加热工艺与压下规程按预设计划进行，以保证钢坯质量。钢坯质量良好，表面精整后热轧管坯。
    钢坯在步进炉中进行加热，加热工艺按预设计进行；管坯轧制，严格控制出钢速度，确保钢坯烧透和温度均匀，保证管坯质量，为制管创造条件。
    3.3  钢管制造工艺技术研究
    3.3.1  热轧穿孔工艺
    将热轧管坯采取剥皮方式清除表面缺陷后落料，剥皮后的光坯表面质量良好。剥皮管坯在三段斜底式天然气连续加热炉内加热，从高温到低温进行热穿孔工艺研究。从荒管的质量情况来看，在较低加热温度下，由于温度低，钢的变形抗力较高，热塑性较差，一次咬入条件不佳，引起头部扭曲，并导致头部出现夹层，但内外层表面质量良好。在较高加热温度下，由于穿孔温升而产生了内壁裂纹，尾部裂纹更甚。因此，控制S30432穿孔质量的关键是控制管坯的加热温度和穿孔温升。这需控制管坯的加热温度和穿孔参数。
    3.3.2  钢管冷加工工艺
    S30432钢与TP347H钢相比，主要的差异是高的铜含量，铜的增加降低了S30432的冷加工硬化率，对改善其冷加工性能有利。S30432钢管的冷加工变形量对钢管的质量有影响，需适当控制。不同规格需要不同的冷加工变形设计。
    3.3.3  钢管中间固溶热处理工艺
    研究表明提高钢管冷加工过程的中间软化固溶热处理温度，可使S30432中的Nb和Cr的碳、氮化合物更多的溶于基体内，有利于提高S30432钢的高温强度。经过研究建立了钢管中间在制品的控制氧化的软化固溶处理工艺制度，既保证成品钢管的力学性能，又能良好的控制钢管的表面质量。
    4   S30432钢强化机理
    4.1  固溶强化
    研究表明S30432钢只有少量的N（约占氮含量的10%）与Nb结合生成金属间化合物NbN，大量的N固溶于奥氏体基体中，对基体具有很好的固溶强化作用。
    4.2  析出强化
    ①碳化物析出强化
    研究表明S30432钢经固溶+时效处理后，有M23C6、Nb（C，N）、M6C等碳化物析出 ，对钢产生析出强化作用。钢中加入的Nb是强碳化物形成元素，几乎80%的Nb与C形成稳定的NbC型碳化物，以颗粒状或条状弥散的分布于基体上。一方面，这些颗粒与位错交互作用，阻止位错的移动,从而提高了钢的强度。另一方面，由于细化晶粒，可以在一定程度上改善钢的韧性。
    ②铜的强化作用
    Cu在γ-Fe中的溶解度随温度的降低而剧降，把含铜较高的钢进行固溶和时效处理，固溶于基体中的铜在时效过程中，以细小、弥散、球状富铜相的形式析出，强化基体。Cu的加入可以提高奥氏体晶格的层错能，层错与溶质原子的交互作用使溶质原子偏聚在层错附近，形成铃木气团，铃木气团同样可以钉扎位错造成强化。
    5  钢管热处理工艺与力学性能
    根据S30432钢的强化机理，确定成品管试验热处理工艺见表2。钢管经表2热处理工艺处理后，测定室温和高温力学性能，图1是S30432 钢管固溶后室温力学性能曲线；图2是S30432钢管高温力学性能。从图1中可以看出，随着固溶温度的提高，钢的强度和塑性变化不大。
   
    表2  S30432成品管试验热处理工艺
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    工艺编号          热处理工艺
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    1）           1050℃×25min水冷
    2）           1100℃×25min水冷
    3）           1150℃×25min水冷
    4）           1180℃×25min水冷
    5）           1200℃×25min水冷
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    6  固溶热处理工艺与晶间腐蚀
    经不同的固溶工艺处理后的S30432钢管，按GB/T 4334.5 规定的晶间腐蚀检验方法，经650℃×2h敏化处理后，进行晶间腐蚀试验表明，随固溶温度的提高，S30432钢管的抗晶间腐蚀性能变好。
   
    表3  固溶热处理工艺与晶间腐蚀的关系
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    固溶热处理工艺    晶间腐蚀   结果判定
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    1050℃×25min       严重     不合格
    1100℃×25min       较轻     不合格
    1150℃×25min       无       合格
    1180℃×25min       无       合格
    1200℃×25min       无       合格
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    7   高温持久性能
    对?51×9.5mm成品钢管随机取样，按GB/T 2039-1997标准进行650℃高温持久试验，试验结果见图3。在650℃下的10万小时持久强度外推值分别为132.24MPa、135.95 MPa（国产钢管）和129.75 MPa（住友钢管），国产的S30432钢管与日本住友的Super 304H钢管的持久性能完全相当。满足ASME Code Case 2328-1高压锅炉管的技术规范。
    8   结论
    通过对S30432工业化生产若干工艺技术问题的研究，得出结论如下：
    ●采用EAF+AOD+LF冶炼工艺，强化冶炼过程控制，冶炼的S30432钢的化学成分及纯洁度满足S30432无缝不锈钢管的技术要求，同时满足ASME Code Case 2328-1高压锅炉管的要求。
    ●研究开发的S30432钢的开坯工艺、管坯热轧加工艺、热轧穿孔工艺、钢管的冷加工工艺及钢管的固溶工艺合理，所生产的钢管质量良好，掌握了S30432钢管工业化生产技术。
    ●研究生产的S30432钢管的高温拉伸性能、高温持久性能与日本住友Super 304H钢管的性能相当，满足ASME Code Case 2328-1高压锅炉管的技术规范。
    按研究开发的S30432工业化生产工艺生产的S30432钢管的常规各项性能指标完全符合锅炉厂S30432无缝不锈钢管技术要求，同时满足ASME Code Case 2328-1高压锅炉管的要求。