[发明专利]一种铁素体耐热钢

说明书

技术领域

本发明设计一种金属结构及功能材料，具体地说，涉及一种超超临界燃煤火电站锅炉用耐高温、耐腐蚀的耐热合金钢。

背景技术

 耐热钢的发展与能源、动力和机械工业的进步密切相关。在火力发电、原子核能、宇航、航空、石油和化学工业等新技术开发领域中，耐热钢性能的优劣是其成功与否的关键性环节，因此耐热钢的重要性日益提高。特别是近年来为解决日益突出的能源短缺及环境污染问题，高效率的超(超)临界压发电在国际上成为热门话题。世界各国火力发电机组参数正由亚临界参数(16.77MPa、540℃)向超临界参数(25.0MP、540℃～566℃；24.0～30.0MPa、580℃～610℃)及以上发展，这样热效率可提高6～7％。改善热效率主要是热动力问题，在535℃的温度区间，压力提高到30MPa后热效率约提高约1.9％，而温度提高到650℃热效率可提高5.7％，压力和温度的同时增长可使热效率提高大于8％。因此，电厂主要是通过提高蒸汽温度来提高热效率。蒸汽压力大于水与蒸汽的临界参数（22.115MPa/374.15℃）的燃煤火电锅炉称为超临界锅炉，而蒸汽的压力介于大于30MPa/600℃的火电锅炉称为超超临界锅炉，配套的汽轮机分别称为超临界汽轮机和超超临界汽轮机。在超临界与超超临界状态，水由液态直接转变成为汽态，热效率高。超超临界机组的发电效率比亚临界机组高出10%，比超临界机组高6%～8%，每度电可节省最高达50g煤，同时还能大幅度降低SO₂、NOx和CO₂的排放量。通过发展超超临界火电机组从而提高燃煤利用率、降低能源消耗和减少CO₂排放量是现代热电厂的主要发展方向。当前只有超超临界技术是最现实、可行、经济、可靠的燃煤火电大规模减排二氧化碳的技术，对于全球减少CO₂排放量将有意义。蒸汽温度的提高对发电机组锅炉管用钢的使用性能提出了更高的要求，因此采用各种各样的先进技术和工艺手段，进一步提高耐热钢的蒸汽使用温度，以期提高锅炉管热交换效率的研究势在必行，目前各国都在积极地开展新型耐热钢材的研究与开发。  

    蒸汽温度的提高对锅炉用钢的使用性能提出了更高要求。锅炉管中的耐热钢在高温、高压和蒸汽腐蚀中长期工作，钢材的组织和性能将会发生变化，使金属高温性能明显恶化，从而影响设备运行的安全性。这一切要求锅炉管用耐热钢具有如下优良的性能匹配：①高的抗拉强度和屈服强度，良好的冲击韧性；②优异的高温持久性能、抗蠕变性能，良好的高温组织稳定性；③良好的高温抗氧化和抗蒸汽腐蚀性能；④优良的冷热加工性能、焊接性能及弯曲性能；⑤低热膨胀系数和良好导热性；⑥良好的经济性能。  

    为进一步提高耐热钢的蒸汽使用温度，以期提高锅炉管热交换效率，目前各国都在积极地开展适宜于在高蒸汽参数下使用的新型耐热钢材的研究与开发。美国、欧洲和日本等发达国家纷纷牵头研发认证，一方面建立超(超)临界发电机组的耐热钢体系，另一方面完善现有的耐热钢体系并研制开发更先进的耐热钢。中国专利申请CN200910197633.5公开了一种铁素体耐热钢，其按重量百分比计的化学成分为： C：0.05～0.15％，Si：0.10～0.50％，Mn：0.25～1.0％，Cr：10.0～ 13.0％，Mo：0.10～1.0％，V：0.10～0.50％，Nb：0.01～0.10％，W：0.50～ 3.0％，Co：0.50～3.0％，Cu：0.10～1.0％，B：0.001～0.008％，N：0.04～ 0.12％，稀土元素：0.005～0.2％，余量为Fe和不可避免的杂质。该耐热钢在超过600℃的高温下具有良好的抗氧化性能，良好的时效冲击性能，而且具有极好的高温强度。

    国内外锅炉用钢分铁素体和奥氏体耐热钢两类。铁素体耐热钢是一类广泛应用于超超临界火力发电机组的材料。这类钢具有优良的高温断裂强度和抗热腐蚀能力，填补了低合金钢和奥氏体钢之间的空白，是近年来火电用钢发展的主流，也是相关领域的一个主要研发方向。与奥氏体钢相比，铁素体耐热钢因其优异的综合性能已成为锅炉管用钢的首选钢种。铁素体钢的发展可分为两条主线：一是纵向通过逐渐提高主要耐热元素Cr的含量(从2.25Cr到12Cr)；二是横向通过添加V、Nb、Mo、W和Co等。从简单的C-Mn钢开始到9～12％Cr铁素体耐热钢，通过采用合金化和组织控制，相应的高温蠕变强度提高了近10倍，其中9～12％Cr系高铬铁素体耐热钢最高。因此，发达国家已将研发重点转向了9～12％Cr系高铬铁素体耐热钢。  

发明内容