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超超臨界鍋爐用S30432不銹鋼管國產化試驗研究及應用
發布者:不銹鋼管廠(www.0000317.buzz) 發布時間:2020/5/3 閱讀:449

  為加速國外高等級耐熱鋼管國產化進程,滿足國內超超臨界鍋爐大力發展的需要,國內鍋爐行業結合鍋爐規程的要求、國內鋼鐵行業設備能力和電力行業實際,匯同鋼鐵行業一起對ASME SA-213(2008補遺)中的S30432奧氏體耐熱不銹鋼管進行了國產化試驗研究,并獲得成功。浙江宏盛特鋼有限公司介紹了S30432不銹鋼管國產化時,所做的國外不銹鋼管基礎調研分析、國內對S30432不銹鋼管開發時制管工藝優化試驗、性能試驗研究(特別是持久試驗驗證)和焊接性能試驗研究等結果,以及對國內不銹鋼管廠依據工藝優化試驗結論而批量生產的國產S30432不銹鋼管與進口鋼管的成分、性能特征的對比統計分析。結果表明:國產的S30432不銹鋼管滿足ASME規范的要求,也達到國外同類產品實物質量水平。文中也介紹了國產S30432不銹鋼管在國內超超臨界工程中鍋爐上的實際應用情況。

 


 S30432不銹鋼管系ASME SA-213M(2008補遺)標準中的鋼號,原系由日本在18-8型不銹耐熱鋼基礎上,通過加入約Cu、Nb、N、B等元素,集固溶強化、沉淀強化與晶界強化的多重強化效果于一體,從而得到很高許用應力、主要用于超(超)臨界鍋爐過熱器和再熱器的一種新型18-8奧氏體不銹耐熱鋼管。我國GB5310-2008中也列入了此鋼,名稱為10Cr18Ni9NbCu3BN。該鋼目前已作為我國鍋爐用鋼系列中一個重要鋼種,在國內超超臨界鍋爐中得到廣泛應用。 然而,能生產該不銹鋼管廠家僅有日本住友與歐洲DMV公司,其產能有限,無法滿足市場需求。從降低我國鍋爐制造業的原材料采購成本、縮短交貨周期,以及振興民族工業角度來看,該鋼管的國產化對國內冶金、鍋爐、電力行業的發展具有重要意義。 有鑒于此,在國內早期對國外鋼管研究的基礎上,結合國內實際情況,國內鍋爐行業自2003年起,匯同鋼鐵行業積極推動S30432不銹鋼管的國產化進程。先后經歷了對國外標準、技術交流資料與實物鋼管的分析、冶煉試制、制管工藝試驗研究、性能試驗研究階段,現國內已形成了批量生產能力。浙江宏盛特鋼有限公司簡要介紹S30432不銹鋼管國產化所做的主要工作、國內外S30432不銹鋼管性能對比及國產鋼管在工程中的實際應用。

 

一、對國外鋼管的基礎調研要點

  針對鍋爐用鋼具體要求和行業實際,綜合分析國外技術資料、鋼管實物及相近鋼種的開發情況和國內早期試制的結果及存在問題,提煉出此鋼管的可能要點如下。

 

 1. 化學成分優化

  ASME SA-213(2008補遺)規范對S30432不銹鋼的化學成分要求和國內的優化成分均列于表。化學成分決定鋼的性能,標準只對其做了一定范圍限制,而要想取得最佳性能組合,須對成分進行優化并控制。從表可看出,規范成分范圍相當寬,而優化成分控制范圍較規范嚴得多,并增加少量Mo。這主要基于各元素作用特點,實物管剖析以及國內研究。 碳含量處于下限,可改善焊接性與抗腐蝕性;氮含量處于上限,可補償碳量減少導致高溫強度下降和奧氏體相不穩定,進一步提高抗腐蝕性;鈮含量處于中上限,可形成穩定的NbN和NbCrN,起到強化作用;鉬含量在規范中未提到,但國外實物管中均能檢測到,由于其能提高鋼的持久強度、抑制滲碳體的聚集、促進彌散的特殊碳化物析出,因而加以考慮。

 

 2. 金相組織

 在對鋼材性能的各種影響因素中,金相顯微特征極其重要,特別是在高溫用鋼在高溫下應用時的組織及其穩定性。然而,在ASME Code case 2328-1以及ASME SA-213標準中,并未有金相組織要求,只是提到應在不低于1100℃的溫度下進行固溶處理。一般認為,作為奧氏體鋼,經過固溶處理后的金相組織應為奧氏體。然而,在S30432不銹鋼中有不少強化元素,不會為單純的奧氏體;對國外實物管的解剖分析也是如此。 其經固溶處理后的金相組織應為:奧氏體+均勻分布的微細第二相。

 

 3. 晶粒度

 規范中同樣未提不銹鋼管晶粒度要求,各資料中也未明確晶粒度要求。但從高溫用途來分析,采用細晶粒,可得到更佳高溫抗氧化性。 晶粒度應為:7級或更細。

 

 4.晶間腐蝕

  在ASME SA-213 2008補遺中未對不銹耐熱鋼的晶間腐蝕做出規定,而在實際運行工況下并沒有晶間腐蝕環境,故該性能并非強制要求;我國的鍋爐規程也只是提到對新研制的鋼種應提供晶間腐蝕數據,對國產化鋼種只要求按國外標準進行生產。 實際上,不銹耐熱鋼的晶間腐蝕與成分有關。在鍋爐用鋼的國產化時,首先其成分、常規性能和高溫性能等應滿足規范的要求,再考慮其它性能。

 

 5.制管及熱處理工藝

 由于Nb(CN)在普通固溶處理溫度下難溶于奧氏體,故結合國外奧氏體不銹鋼生產多采用熱擠壓及國內不銹鋼管企業設備實際,提出優化制管工藝,并得到驗證。 即:1200℃以上高溫軟化處理+高比例冷軋+稍低溫度的固溶處理。


 

二、S30432不銹鋼制管工藝優化試驗簡述

   對制成最終成品管尺寸前的坯管,采用:1230~1250℃高溫軟化+冷軋+1150~1170℃固溶(簡稱“高溫軟化+固溶”)與1170℃低溫軟化+冷軋+1150~1170℃固溶(簡稱“低溫軟化+固溶”)制管,再進行對比性微觀分析和部分性能試驗。

 

 1.試驗結果

  a.微觀分析

  圖為兩種狀態下的金相組織,圖則為掃描電鏡特征。圖表明“高溫軟化+固溶”晶粒均勻細小,基體內的第二相質點也較小;圖則顯示“低溫軟化+固溶”晶粒大小均勻性不佳,基體內存在較多、較粗、且有沿晶分布傾向的第二相質點;這些金相組織特征與圖中對應狀態的掃描特征完全符合。這表明高溫軟化對鈮的碳、氮化物有明顯的固溶作用,為后期冷軋和較低溫度重新固溶處理時的第二相彌散析出打下了良好的基礎。

 b.性能

 表給出了低溫軟化+固溶和高溫軟化+固溶的兩種狀態管子的性能。 從表中可以看出,經過了高溫軟化+固溶的成品管,其屈服強度和硬度相對高些、斷后伸長率也不低,同時高溫性能有所提高。

 

 2.制管工藝研究小結

  采用高溫軟化+固溶生產的管子,無論其顯微特征還是性能均優于低溫軟化+固溶工藝的管子。這為后期的管子試制打下了基礎。

 

三、性能試驗研究

  對按優化工藝試制的鋼管進行性能試驗研究,包括化學成分、金相特征、力學性能、晶間腐蝕試驗、持久性能等等,均符合標準要求,在此不一一細述。這里主要介紹對高溫用鋼極為重要的持久試驗驗證結果,并與國外數據對比。

 

 1.持久試驗

  按GB/T2339-1997標準《金屬拉伸蠕變及持久強度試驗方法》對試制S30432不銹鋼樣管取樣進行高溫持久試驗,試驗溫度為700℃;對試驗數據點進行擬合外推,以對試制鋼管的長期持久性能進行評定,驗證其是否滿足標準要求。

 

 2.持久試驗結果分析

 對試制管持久試驗數據點,進行雙對數擬合外推10萬小時持久強度,結果見表。 從表可知,國產S30432不銹鋼管持久試驗結果外推值均在標準規定值附近,遠高于標準規定最小值的要求。 為更加準確地判斷國產鋼性能是否達到國外水平,將國內試驗數據點與國外數據點所制分散帶比較,示于圖。從圖中可以看出,國內數據均處于國外試驗數據下分散帶之上,說明國內試制的管子的持久性能滿足要求。

 

四、焊接工藝試驗研究

 為評價試制不銹鋼管的焊接性能,采用熱絲TIG焊、焊材為Φ1.0的YT-304H進行焊接試驗后,取樣對接頭進行拉伸試驗、彎曲試驗、沖擊試驗、硬度試驗和金相檢測。 試驗結果表明,各接頭室溫抗拉強度均大于母材要求的最低抗拉強度(試驗結果在635~685MPa間,均高于590MPa)、各接頭短時高溫強度與母材在相應溫度強度相當、沖擊功也較高(均不低于100J)、90°彎曲試驗也未開裂,接頭焊縫、熱影響區和母材硬度差不超過40HV,接頭金相組織均為奧氏體+第二相,熱影響區晶粒度為4-5級。 這表明,國產的S30432不銹鋼管具有較好的焊接性能。

 

五、國產管與進口管對比分析

  由于資源原因,東方鍋爐所使用的S30432不銹鋼管,在國內主要從武進公司(以下簡稱“武進”)采購,從國外則從DMV公司(以下簡稱“DMV”)采購。下面以東鍋為例,對DMV(118批次)和武進(225批次)管子特性進行了對比分析。

 

 1.化學成分對比

 對關鍵元素C、Cr、Ni、Cu、Nb、N的含量進行對比分析結果如圖所示。 由圖可以看出,除了Cu相近外,國產管的C量更低,Cr、Ni、N、Nb均要高些,更接近于表中的優化成分。

 

 2.力學性能對比

 力學性能數據對比見圖所示,由圖可以得出:在強度指標方面,武進比DMV略低,但武進的強度多批次分布更穩定;塑性方面武進比DMV略高。

 

 3.晶粒度對比

  圖為晶粒度對比圖,由其可以得出,武進和DMV所供鋼管的晶粒度絕大部分都在8-8.5級,二者相差不大。

 

 4.對比小結

  通過上述的對比分析可以看出:以武進為代表的國產S30432不銹鋼管性能穩定,各項指標與DMV所供產品相當甚至更好,能夠滿足規范要求。

 

六、應用情況

  現在,國內多家不銹鋼管制造公司嚴格按優化工藝生產的S30432不銹鋼管已向鍋爐制造公司供貨,如武進不銹鋼廠集團有限公司和江蘇銀環精密鋼管有限公司向東方鍋爐(集團)股份有限公司供貨、常熟華新特殊鋼有限公司和浙江久立特材有限公司向哈爾濱鍋爐有限責任公司供貨,用于國內超超臨界鍋爐的部分關鍵部件的制造。
目前,在實際工程中得以良好應用,并在實際運行的是東方鍋爐的信陽工程660MW超超臨界鍋爐,到現在已經成功運行半年。

 

七、結語

  多家不銹鋼管公司試制的ASME SA-213 S30432不銹鋼管通過行業組織的技術評審表明,該鋼管的國產化已經取得成功;同時,國內外管子的技術數據對比分析表明,國內生產的S30432不銹鋼管達到了國外鋼管的水平。 應該說,國內成功試制生產S30432不銹鋼管,不僅解決了進口不銹鋼管存在的交貨周期和價格問題,保證了我國發電設備制造企業的生產周期,降低采購成本也打破了國外對此鋼管的技術封鎖;而且對國內不銹鋼管制造企業的技術改造、產品的升級換代有明顯的推動作用。

 

 

 
 

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