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0 1 9年1月第4 3卷第1期Vol.

43N o . 1J a n .

2 0

1 9 D O I :

1 0.

1 1

9 7

3 / j x g c c l

2 0

1 9

0 1

0 0

1 收稿日期:

2 0

1 7 G

0 9 G

2 8;

修订日期:

2 0

1 8 G

1 1 G

1 1 基金项目: 中国大唐集团公司2

0 1 7年科技项目 作者简介: 张新(

1 9

8 0-) , 男, 江苏丰县人, 高级工程师, 博士 S a n i c r o2 5耐热钢的研究现状及应用前景 张新, 蔡文河, 杜双明, 张坤(中国大唐集团科学技术研究院火力发电技术研究院, 北京

1 0

0 0

4 0 ) 摘要:综述了S a n i c r o2 5耐热钢的显微组织、 低温和高温力学性能、 耐腐蚀性能、 加工性能、 焊 接性能等, 并对S a n i c r o2 5耐热钢的应用现状进行了总结, 对S a n i c r o2 5耐热钢的应用前景进行了 展望. 关键词: S a n i c r o2 5耐热钢;

超超临界机组;

显微组织;

力学性能 中图分类号: T G

1 4

1 文献标志码:A 文章编号:

1 0

0 0 G

3 7

3 8 (

2 0

1 9 )

0 1 G

0 0

0 1 G

0 7 R e s e a r c hS i t u a t i o na n dA p p l i c a t i o nP r o s p e c t o fS a n i c r o2 5H e a t G R e s i s t a n t S t e e l Z H A N GX i n , C A IW e n h e , D US h u a n g m i n g , Z H A N GK u n ( I n s t i t u t eo fT h e r m a lP o w e rG e n e r a t i o nT e c h n o l o g y , C h i n aD a t a n gC o p o r a t i o nS c i e n c ea n dT e c h n o l o g yR e s e a r c hI n s t i t u t e , B e i j i n g1

0 0

0 4 0, C h i n a ) A b s t r a c t : T h e m i c r o s t r u c t u r e ,m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa th i g ha n dl o wt e m p e r a t u r e s , c o r r o s i o nr e s i s t a n c e , p r o c e s s a b i l i t ya n dw e l d a b i l i t yo fS a n i c r o2 5h e a t G r e s i s t a n ts t e e lw e r er e v i e w e d . T h ea p p l i c a t i o ns t a t u so fS a n i c r o2

5 h e a t G r e s i s t a n t s t e e lw a ss u mm a r i z e d . T h ea p p l i c a t i o np r o s p e c to fS a n i c r o2 5h e a t G r e s i s t a n t s t e e lw a se x p e c t e d . K e yw o r d s : S a n i c r o2 5h e a t G r e s i s t a n t s t e e l ;

u l t r as u p e r c r i t i c a l u n i t ;

m i c r o s t r u c t u r e ;

m e c h a n i c a lp r o p e r t y

0 引言我国是世界上少有的几个以煤为主要一次能源 的国家之一, 随着 节能减排 压力的不断增大, 提高 燃煤机组的效率、 降低 C O

2 的排放量势在必行[ 1] . 我国 十二五 规划已明确将 推进传统能源清洁高 效利用 作为我国能源战略的中长期发展目标, 煤炭 的高效清洁利用已经成为我国能源可持续发展的重 要内容, 其中7

0 0 ℃超超临界燃煤发电关键技术是 实现高效洁净燃煤发电的重要技术.发改委、 能源 局也下发了? 能源技术革命创新 行动计划(

2 0

1 6~

2 0

3 0年) ? , 该计划明确要进一步发展7

0 0 ℃超超临 界燃煤发电技术.目前, 我国已经具备自行研发、 建 设超超临界机组的能力, 同时已有大量我国设计生 产的6

0 0~10

0 0MW 的超超临界机组建成, 且运行 良好[

2 G 4] . 综合分析国内外燃煤机组所用材料, 特别是锅 炉受热面管、 集箱、 汽轮机转子、 阀门铸锻件等材料 的生产和研发现状, 可知目前尚不具备7

0 0 ℃超超 临界机组建设的条件.6

3 0 ℃超超临界燃煤机组成 为研发和建设6

3 0~7

0 0 ℃超超临界燃煤机组的主 力过渡型机组, 这是由于一方面6

3 0 ℃超超临界燃 煤机组的发电煤耗较6

2 0℃超超临界机组的降低了 0.

0 0 3g ?W-1 ? h-1 , 另一方面,

6 3

0 ℃超超临界燃煤 机组所用材料可在目前6

2 0℃超超临界机组所用材 料的基础上进行优化和改进, 以满足设计和使用要 求[

5 G

7 ] . 十二五 规划出台以来, 随着国家环保政策 的日益严格, 火电企业污染治理设施及其工艺得到不 断发展和应用[

8 ] , 这对火电机组的环保监管提出了更 高的要求, 因此发展更加节能、 更加环保的6

3 0 ℃及 以上等级超超临界机组已成-种必然趋势. 目前, 满足6

2 0℃超超临界机组性能要求的耐热 钢体系主要包括铁素体钢( 如T

92、T91钢) 和奥氏体 钢( 如S u p e r

3 0

4 H、 H R

3 C、 T P

3 4

7 H F G钢) 等.提升机 组参数后, 过热器、 再热器等受热面的合理选材是锅 炉设计的一个关键环节.与6

2 0 ℃超超临界燃煤机 组中的锅炉相比,

6 3 0℃超超临界燃煤机组中锅炉的 蒸汽温度升高、 压力有所增大, 这就要求过热器、 再 热器等主要受热面管材具有良好的高温持久性能

1 张新, 等: S a n i c r o2 5耐热钢的研究现状及应用前景 (

7 0 0~7

5 0 ℃/

1 0

5 h下的持久强度大于1

0 0 MP a ) 、 耐高温腐蚀性能(

1 0

5 h后金属截面的厚度损失小于 1mm) 、 长期组织稳定性、 冷热加工性能、 焊接性能, 以及管内壁良好的抗蒸汽氧化性能、 管外壁优良的耐 烟气腐蚀及抗飞灰冲蚀能力, 低成本等特点.

6 2

0 ℃ 超超临界燃煤机常组用的 T

9 2钢的许用应力不足, S u p e r

3 0

4 H 钢的抗蒸汽氧化能力不足, H R

3 C钢的持 久强度较低, 镍基合金的成本过高.因此, 亟需开发 一种耐腐蚀性能更好和持久强度更高的适合6

3 0 ℃ 及以上等级超超临界机组使用的耐热钢. S a n i c r o2 5钢是瑞典山特维克(Sandvik) 公司依托欧洲 A D

7 0 0计划研发的新型奥氏体耐热钢, 是 专门为新一代发电站中高效率燃煤蒸汽锅炉设计的 材料, 该耐热钢具有较高的蠕变强度、 良好的高温性 能和组织稳定性、 优良的加工性能, 以及出色的抗蒸 汽氧化和抗烟气腐蚀能力, 能满足6

3 0 ℃及以上等 级超超临界机组材料的要求, 成为其过热器和再热 器的理想材料[ 9] .S a n i c r o2 5耐热钢已经由 A S ME C o d eC a s e2

7 5 3确认批准, 列入 A S MES A G

2 1

3 M、 A S TM A

3 1

2 /

3 1

2 M、 S A G

2 1

3 标准中,其牌号为UN S S

3 1

0 3 5;

S a n i c r o2 5耐热钢还得到欧洲承压设 备特殊材料评审( PMA) 的认证, 并已纳入德国质量 技术监督局( V D TUV) 材料数据表.由山特维克材 料科技推出的 S a n i c r o2 5耐热钢于2

0 1 5年6月在 北京通过全国锅炉压力容器标准化技术委员会的技 术评审, 并获全国锅炉压力容器标准化技术委员会 技术评审证书.为了给相关人员提供参考, 作者对 S a n i c r o2 5耐热钢的研究进展进行了综述, 并展望 了其后续的研究方向.

1 显微组织和性能 1.

1 化学成分和显微组织 S a n i c r o2 5耐热钢的化学成分如表

1 所示, 其 钢坯的制备工艺为电弧炉熔炼、 氩气脱碳、 钢包精 炼、 连续铸造;

钢坯经热挤压和皮尔格轧管制成冷轧 无缝钢管, 最后进行11

8 0~12

5 0 ℃固溶热处理. 冷轧无缝钢管的外径在2 5~1

1 4. 3mm, 壁厚在3~

1 6mm [

1 0 G

1 1 ] . 表1 S a n i c r o2 5耐热钢的化学成分( 质量分数) T a b l e1 C h e m i c a lC o m p o s i t i o no fS a n i c r o2 5h e a t G r e s i s t a n t s t e e l m a s s % C M n P S S i C u C o W C r N i N b N B 0.

0 4~0.

1 0 ≤0.

6 0 ≤0.

0 2

5 ≤0.

0 1

5 ≤0.

4 0 2. 5~3. 51. 0~2. 03. 0~4.

0 2 1. 5~2 3.

5 2 3. 5~2 6.

5 0.

4 0~0.

6 0 0.

2 0~0.

3 0 0.

0 0 2~0.

0 0

8 S a n i c r o

2 5 耐热钢在传统奥氏体耐热钢TP310H基础上, 添加了钨、 钴、 铜、 硼等元素, 且具 有较高含量的铬元素.该钢中的钨和钴元素起到替 位固溶强化的作用;

氮和碳元素起到间隙固溶强化 的作用;

铌元素和碳、 氮等元素形成的纳米碳化物和 碳氮化物以及纳米富铜相起到析出强化的作用;

质 量分数2 3%左右的铬元素使该钢在高温下具有较 高的蠕变强度, 良好的抗蒸汽氧化性能和抗炉面腐 蚀( 灰和气腐蚀) 性能;

较低含量的钼、 硅元素降低了 σ相形成的概率, 确保该钢在使用温度下具有良好 的组织稳定性;

镍和氮的添加使该钢具有良好的结 构稳定性和可加工性能. 固溶处理后S a n i c r o2 5耐热钢的显微组织为奥 氏体, 晶粒度等级为5~6级, 同时析出 N b( C, N) 、 N b C r N、 M2 3C

6 以及纳米级的富铜相等沉淀相.因此, 固溶强化和析出相沉淀强化是 S a n i c r o2 5耐热 钢的主要强化方式, 且析出相沉淀强化是获得长时 高温组织稳定性的关键因素之一[

1 2 ] .赵博[

1 3] 利用 T h e r m o G C a l c热力学软件得到 S a n i c r o2 5耐热钢析 出相的种类及其含量的变化规律, 发现其平衡态析 出相主 要有M2 3C

6 相、 MX 相、 M2 B 相、 C r

2 B 相、 L a v e s相、 σ相和 Z 相, 且增加碳、 钨含量可以增加 M2

3 C

6 相的析出量, 减少氮、 铬的含量可以增加 MX 相的析出量, 增加铌含 量、 减少氮含量可以增加Z相的析出量. 研究表明, S a n i c r o2 5耐热钢在7

0 0 ℃时效后, 随着时效时间的延长, 晶界上的析出相增多, 且呈片 状或链状分布, 晶内析出相为 Z 相, 晶界析出物为 M2

3 C

6 相[

1 4] .毕艳艳[

1 5] 研究发现, S a n i c r o2 5耐热 钢在7

0 0℃时效3

00 0 0h后的析出相主要有 M2

3 C

6 相、 MX 相、 M2 B相、 C r

2 B相、 L a v e s相、 σ相和........