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1、- 1 - 超超临界机组用奥氏体不锈钢管研制和开发 宋建新，吴方敏 江苏武进不锈钢管厂集团有限公司，江苏武进 213111 摘摘 要要：本文主要介绍超临界、超超临界电站锅炉用奥氏体不锈钢无缝管的研制和开发，主要牌号有S30432、TP347HFG 和 TP310HCbN，重点介绍 S30432 的整个试制过程及产品的生产工艺流程。 关键词关键词：奥氏体不锈钢、无缝钢管、S30432、研制和开发 1.前言 超超临界发电技术是国际上先进的燃煤发电技术，主要通过提高锅炉主蒸汽的温度和压力，以提高锅炉的热效率、降低煤耗、减少环境污染，在欧美、日本等发达国家广泛采用。 我国是燃煤火力发电大国，长期以来，
2、燃煤发电存在两大突出问题：燃烧后污染物排放量大，能耗高、资源浪费严重。我国对发展高效、节能、环保的大容量电站锅炉已引起高度重视，对提高锅炉主蒸汽温度和压力已势在必行。然而锅炉运行的环境相当苛刻，特别是过热器、再热器等部件，既要承受高温高压，又要承受高温下的氧化腐蚀，因此，对钢材的热强性、工艺性及经济性提出了更高的要求。对于超（超）临界电站锅炉用过热器/再热器受热面奥氏体不锈钢钢管，S30432 与 TP347HFG 同为 18Cr 钢，前者因加入铜和氮，其强度性能优于 TP347HFG，但其煤灰腐蚀则大于 TP347HFG。TP310HCbN 为高铬镍钢，具有优良的抗氧化和抗高温腐蚀的性能，当
3、要求有高的抗高温腐蚀，例如采用高硫煤，烟气中的 SO2 或煤灰中的硫酸盐含量较高时，以及机组起停次数较多，要求有好的抗氧化性能时，考虑采用 TP310HCbN1。 表 1 过热器/再热器受热面奥氏体钢材性质 许用应力，MPa 名 称 主要成份 许可金属 温度 600650晶 粒蒸 汽 氧 化 垢 (650 1000 h) 煤 灰 腐 蚀 mg/cm3(6 5020h) 批准单 位 S30432 18Cr-9Ni-3CuNb 670 121 78 8.518m 35 ASME CC2328TP347HFG 18Cr-11Ni-0.9Nb 650 108 66 8.717m 28 ASME CC2
4、159TP310HCbN 25Cr-20Ni-Nb-N 665 107 69 4.52.5m 12 ASME CC2115注：煤灰腐蚀是在下列条件：烟气 1%SO2-5%O2-15%CO-其余 N2，灰：1.5MNa2SO4-1.5MK2SO4-1MFe2 为进一步优化企业产品结构，提高企业竞争力，抓住市场机遇，我公司把握机遇，积极开发超临界、超超临界电站锅炉用 S30432、TP347HFG 和 TP310HCbN 不锈钢无缝管。 2.S30432 不锈钢无缝管的研制 作者简介：宋建新，男，江苏武进，本科、工程师，研究方向：不锈钢钢管的研制和开发。 - 2 - 2.1 S30432 不锈钢无
5、缝管国内外制作工艺比较 2.1.1 国外制作工艺国外制作工艺 目前国外主要采用热轧（挤压）的制作工艺，即：圆管坯加热热挤压热处理冷拔热处理矫直酸洗检验标记入库。 热挤压的变形量大，金属沿轧制方向流动，减少穿孔造成的对金属的破坏，特别适用于难变形的镍基合金等材料的加工，热挤压可以改变钢锭的铸造组织，细化钢材的晶粒，并消除显微组织的缺陷，从而使钢材组织密实，力学性能得到改善。这种改善主要体现在沿轧制方向上，从而使钢材在一定程度上不再是各向同性体；炼钢时形成的气泡、裂纹和疏松，也可在高温和压力作用下被熔合。但经过热挤压之后，钢材内部的非金属夹杂物（主要是硫化物和氧化物，还有硅酸盐）被压成薄片，出现分
6、层（夹层）现象。而且，热挤压的材料利用率偏低，造成成品钢管价格的提高。 2.1.2 国内制作工艺国内制作工艺 目前国内主要采用冷轧的制作工艺，即：圆管坯穿孔冷轧热处理冷轧热处理矫直酸洗检验标记入库。 穿孔工艺具有成形速度快、产量高；穿孔加工的材料利用率高，成本低，加工非难以成形的奥氏体不锈钢有明显优势。冷轧可以使钢材产生很大的塑性变形，从而提高了钢材的屈服点。同时其经济成本相对也较低。表面光滑且尺寸精度较高；比较热挤压工艺，一次冷轧变形量小，可能要经过多次轧制才能到成品，因此效率也相对较低。 2.2 我公司 S30432 不锈钢无缝钢管研制 公司从 2004 年开始研制 S30432 不锈钢无
7、缝管，该新产品主要经过以下几个阶段的国产化过程。 2.2.1 与宝钢股份特殊钢分公司合作，开发与宝钢股份特殊钢分公司合作，开发 S30432 管坯管坯 管坯作为钢管的原料，其各项性能直接决定钢管的性能并最终影响钢管的使用和寿命。公司与宝钢股份特殊钢分公司积极开展合作，反复探讨 S30432 管坯技术要点， ，规定管坯的化学成分、非金属夹杂、晶粒度、低倍组织、尺寸及表面质量等，联合开发 S30432 管坯。 S30432 管坯在化学成分上与 TP304H 相比较，主要在以下几个方面产生差异： 1. C 0.070.13% 碳是奥氏体形成元素，对于提高奥氏体铬镍钢的耐热强性有益。但对不锈钢的耐蚀性
8、不利。不锈钢奥氏体化时碳的最大溶解度为 0.50%，在冷却过程中碳的溶解度减少，不断析出，由于碳和铬的亲和力很大，它能与铬形成一系列复杂的碳化物，碳化物的类型因钢中铬含量的不同而异, 不锈钢中的碳化物主要以（Fe.Cr）23C6形式存在。碳与铬形成碳化物时要占用不锈钢中的一部分铬，若以 Cr23C6为例计算： Cr23C6:（铬原子量23）/（碳原子量6）=（5223）/（126）17 不锈钢中的碳与 17 倍的铬结合，生成碳化物，固溶体中的铬含量必然要减少，钢的耐腐蚀性能就要降低。 2. Cu 2.53.5% Cu 是形成奥氏体元素，形成能力镍形成奥氏体元素的 0.3 倍，Cu 在钢中与 C
9、、O、N 和 Fe 形成化合物的倾向很低，一般保持单质状。固溶于奥氏体基体的铜以细小弥散球状富铜相的形式析出，提高钢的热强性。 - 3 - 3. Nb 0.30.6% 铌在钢中的溶解度首先决定于所在的温度，温度越高溶解度越高；其次是化合物的与其配偶的 C、N等的含量。两者的浓度相乘积服从质量作用定律。Log(Nb)(C)+ 6/7(N)=-6750/T+3.21 温度控制与 Nb（C、N）溶度积必须相匹配，按照溶度积原理，Nb 在不锈钢中的溶解度决定于钢中的 C、N 含量和温度，关系服从溶度积，并且与钢的基本成分 Cr、Ni、Mn 等有关。运用这一公式只具有相当的近似。铌的碳氮化物可以“钉扎”
10、晶界，“钉扎”力大于该温度下的再结晶趋动力，因而阻止晶粒长大，Nb(CN)的“钉扎”作用可达 1100，在热变形时晶界“弓出”而分割晶界。固溶铌由于铌的原子半径比铁大得多。固溶态 Nb 在晶界富集浓度高达 1.0%以上(原子比)，而晶内较低。所以铌具有强列的拖曳晶界移动能力。铌的双重作用表现出阻止晶粒长大的最佳效果。 在 1100-900之间的热加工的道次之间， 不发生再结晶， 变形量可以累加，在加工温度下必须有足够数量的细小析出物为形变热处理提供“钉扎物”，抑制再结晶后晶粒的长大，溶质Nb 对晶格重组、位错迁移有托拽作用，对细化组织有利。 4. N 0.050.12% N 是非常强烈的奥氏体
11、形成元素，是镍形成奥氏体元素能力的 30 倍。N 正日益成为奥氏体不锈钢中的重要合金元素，N 的作用除代替部分昂贵的镍外，主要是作为固溶强化元素提高奥氏不锈钢的强度，而并不显著降低钢的塑韧性；N 提高奥氏体不锈钢的耐晶间腐蚀、孔蚀、缝隙腐蚀性能。 在奥氏体不锈钢中氮和碳有许多共同特性，如增加奥氏体稳定性，能有效提高钢的冷加工强度等。氮与铬的亲和力要比碳与铬的亲和力小， 但氮含量超过 0.120.15%时， 冷热加工性和冷成型性能下降， Cr2N沿晶界析出，会提高晶间腐蚀敏感性。因此，加适量的氮能在提高钢的强度和抗氧化性能的同时，不降低不锈钢的抗晶间腐蚀性能。另外 N 的加入也会减缓 M23C6
12、 析出。 5. B0.0010.01%，加微量的硼可使奥氏体不锈钢的热态塑性改善。 6. Al 0.0030.03%，与硼一起 B 锁住晶界 由宝钢股份特殊钢分公司试制，配料EAF 炉AOD 炉模铸钢锭精整开坯热轧（锻造）矫直精整检验包装入库； 根据协议要求， 宝钢股份特殊钢分公司于 04 年 9 与份提供第一炉 S30432管坯。经本公司复检，规格为 80mm 管坯的各项性能指标均符合技术协议要求。而且硫、磷等有害元素含量控制得非常低，铬、镍含量控制在规定的中上限，这样，S30432 钢管在原材料上得到了有效保证。 2.2.2 探索探索 S30432 钢管的生产工艺钢管的生产工艺 超超临界电
13、站锅炉用 S30432 不锈钢无缝管是引进和消化日本住友金属所的专利产品（钢牌号 Super 304H）研制开发的，它是在 TP304H 的基础上降低 Mn 和 Si 含量，加入约 3%的 Cu、0.5%的 Nb 和一定量的 N 等化学元素，以提高材料的抗高温蒸气性能和高温性能。 S30432 钢管新增的化学元素，特别是 Cu，该元素的加入能改善材料的冷加工性能，但热加工性能变差，故对圆钢热穿孔的加热温度、保温时间、穿孔温度进行探索和控制。 在穿孔过程中，管坯的加热温度和保温时间是控制荒管质量的关键，温度控制不好，会造成穿荒管内裂、翘皮、分层以及外表的开裂等，严重时可能造成荒管的报废，而且由于
14、该钢中 Cu 含量较高，热塑性差，且含有 Nb、N、B、Al 等多种元素和该钢种本身高温性能强的特点，给穿孔带来了更大的难度。我们结合以前成熟的 TP304H、TP347H 以及其他高温合金材料的穿孔加热工艺，进行 S30432 管坯的试穿孔，并在试制过程中不断改进，最终确定了 S30432 钢穿孔的加热温度和保温时间曲线，见图 1。 - 4 - 图 1 S30432 钢穿孔的加热温度和保温时间曲线 冷轧加工和热处理工艺。在研制中发现，要同时满足晶粒度要求且不产生晶间腐蚀，按常规的冷轧加工和热处理工艺根本无法解决。我们针对晶间腐蚀问题，开展了攻关试验，下表是我们试验中的一组加热温度、保温时间与
15、晶粒度和晶间腐蚀关系数据表。 表 1 部分试验数据表 热处理温度 保温时间 晶粒度 晶间腐蚀 1060 2530 7.58.0 不合格 1080 2530 7.07.5 不合格 1100 2530 7.07.5 不合格 1120 2530 6.57.0 不合格 1140 2025 5.06.0 轻微 1150 2025 5.05.5 合格 1160 20 4.55.5 合格 1180 20 4.05.0 合格 晶粒细化和晶间腐蚀是一对矛盾，从上表看出，所有的加热温度都没有保证晶粒度和晶间腐蚀同时合格，但我们也从中找出了一些规律：要保证晶间腐蚀合格，热处理的最低温度是 1150以上。 2.1 高
16、温固溶热处理工艺 对 S30432 钢管制定特殊的高温固溶热处理工艺，利用先进生产设备，确保 S30432 钢管具有良好的机械性能、工艺性能和高温蠕变、高温抗氧化性能。 我们进行了无数试验，历时一年多，在试验中，我们发现，晶粒度的粗细和晶间腐蚀对于热处理温度的要求是一对矛盾。按常规的热处理工艺根本无法解决。在此期间，我们进行了各种工艺的试验，包括从高温到低温、从低温到高温、低温加高温、高温加低温的各种热处理试验，最终摸索出了一套既能保证晶1100-112010800300600900120015000153045607590 105 120 135 120 150 165 180 时间(min)温度()- 5 - 粒度细化 710 级，又能保证晶间腐蚀性能合格的热处理工艺。高温软化加热曲线见图 2。 图 2 高温软化加热曲线 为使有效成分相尽量多地溶入基体中，得到单项组织，并得到均匀合适的
