[发明专利]一种粗晶奥氏体耐热钢材料的制造方法

说明书

技术领域

本发明属于耐热钢技术领域，特别是涉及一种粗晶奥氏体耐热钢材料的制造方法，适用于超超临界火电机组建设具有粗晶组织的奥氏体耐热钢锅炉管的生产制造，也适用于高温条件下使用的、具有粗晶奥氏体组织的其他金属部件的制造。

背景技术

极端天气频繁出现，节能减排越来越受到世界各国关注。发电行业作为能源消耗大户，节能减排任务艰巨。提高蒸汽温度及其压力，可以显著改善燃煤发电机组的热效率，蒸汽参数为593℃/30MPa的发电机组的热效率比蒸汽参数为538℃/18.5MPa的发电机组的高6%。欧盟预计将蒸汽温度提高到700℃，将发电机组的热效率从目前的47%提高到55%，使煤耗大幅降低，CO₂排放量减少15%。美国正开展760℃/35MPa项目的研究，该项目预计CO₂排放量比现在通用的亚临界电站降低22%。而国内电站的平均热效率约33%，远低于发达国家水平。目前，我国经济发展迅速，经济总量已居世界第二位，能源消耗巨大，环境保护面临空前压力。

随着发电机组蒸汽参数的提高，发电热效率固然得到改善，但对电站材料的综合性能也提出了更高的要求。对用于燃煤火电锅炉用耐热钢而言，最受关注的三项性能是，首先，耐热钢要具有良好高温持久强度；第二，耐热钢要具有良好抗高温蒸汽氧化腐蚀的能力；第三，耐热钢要具有适当的高温低周疲劳强度；三项性能综合良好，才能保证燃煤火力电站在长期使用过程中的稳定性和安全性。目前，奥氏体类耐热钢的用量越来越大，而且细晶组织的奥氏体耐热钢，诸如，TP347HFG、S30432已经不能满足综合性能的要求；需要含Cr量更高的奥氏体耐热钢来满足高温蒸汽腐蚀性能的要求。目前，用于超超临界电站锅炉的奥氏体耐热钢主要有S31025、S31042、Sanicro25(22Cr25NiWCoCu)等。高温蠕变条件下，蠕变速率随着晶粒尺寸的增大而降低，蠕变（持久）强度从而随着晶粒尺寸的增大而升高，因此，要求上述奥氏体耐热钢具有粗大晶粒组织。一方面，粗大晶粒减少了钢中的界面，蠕变过程中的扩散通道减少，从而显著降低蠕变速率，提高蠕变断裂强度，延长持久（蠕变）断裂寿命，金属材料的蠕变强度与其组织的晶粒尺寸和蠕变温度存在如下关系：

ϵ·=kd]]>高温（T/T_f≤0.5）（1）

式中：d为最小晶粒直径，k为材料常数，T为蠕变温度，T_f为金属材料的熔点。式（1）表明，随着晶粒尺寸增大，高温蠕变过程中蠕变速率降低，蠕变速率降低，蠕变断裂寿命随之延长。

另一方面，晶粒粗大，合金元素向晶界扩散距离加长，促使第二相在晶内析出，使晶界上析出相占总析出相总量的比例降低，晶粒增大有利于第二相的弥散分布程度，即，弥散程度愈高第二相颗粒间距愈小，弥散强化效果愈好。对不同晶粒度的S31042钢在700℃下进行了0～5000小时的时效，对比了它们的短时高温强度数据，发现它们的短时高温抗拉强度没有明显区别，重要的是，时效300小时后，2级晶粒度的钢（粗晶）的屈服强度就明显高于5级晶粒度的钢的屈服强度，前者在时效1000小时后其短时高温强度约为250MPa，而后者仅为220MPa，相差约30MPa，在700℃的试验温度下这个差值是相当显著的，如附图3所示。究其原因是，粗晶钢经时效后更多的二次相更加弥散分布在晶粒内部，使其强度提高，较细晶粒钢更多的二次相析出长大在晶界上，对提高其高温强度不太有利。因此，粗大晶粒的奥氏体耐热钢更有利于在高温下发挥弥散强化的作用，进一步降低蠕变速率，提高蠕变断裂强度，延长蠕变断裂寿命，改善燃煤发电锅炉运行的安全可靠性。