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620~650℃锅炉过热器/再热器用新型奥氏体耐热钢SP2215的研发*

更新时间:2016-07-05

目前,我国的电力供应一直以火电为主。1956—2005年我国火电站的蒸汽温度都低于566℃,但这种情况在2006年以蒸汽参数为600℃和26.25 MPa的超超临界电站投产为标志而迅速改观[1]。近年来,越来越多的600℃、1 000 MW超超临界电站机组相继投入服役,目前服役的600℃、1 000 MW超超临界电站机组已超过100台。目前,我国已经开发出620℃超超临界电站机组,其中一部分已投入服役;亦正在考虑进一步开发630~650℃的超超临界锅炉。

奥氏体钢TP347H、Super304H、HR3C是传统的600℃超超临界电站锅炉材料[2],其中很大部分的锅炉过热器/再热器设备都使用Super304H奥氏体钢制造。Super304H虽然具有良好的持久强度,但是其抗腐蚀/氧化能力却很差。HR3C具有很好的抗腐蚀/氧化性能,但是其持久强度却不如Super304H。为此,我国的620℃超超临界电站项目亟需一种同时具有高的持久强度和良好的抗腐蚀/氧化性能的新型奥氏体耐热钢来制造过热器/再热器管件。

4.5.3 免费开放感知对地方依赖有正向影响 模型结果显示,免费开放对地方依赖为正向影响,以地方依赖为中介的间接影响,进而影响地方认同.地方依赖对地方认同的影响较大,路径系数达到0.93.说明公园绿地免费开放后,对居民更多的是在地方依赖方面,能够使居民感觉到城市公园是生活中不可或缺的一个公共空间,进而形成对地方的认同.

1 传统材料的时效析出强化机理

TP347H、Super304H、HR3C是传统的600℃超超临界电站锅炉材料,在研发新型奥氏体耐热钢之前,需对传统材料的时效析出强化机理进行研究。

TP347H、Super304H、HR3C的名义化学成分见表1,650℃下的持久强度如图1所示。从强化效果来看,Super304H在650℃下的持久强度是这3种钢材中最好,TP347H则最差。3种钢材的基本组织都是奥氏体基体上分布着纳米级的强化相,晶界有碳化物相析出,起到补充强化的作用[3]

表1 TP347H、Super304H、HR3C的名义化学成分(质量分数) %

钢种TP347H 0.08 C Si Mn Cr Ni Nb N 0.6 1.6 18 10 0.80 -Cu Fe 强化相- 剩余 MX Super304H 3.0 剩余 MX+富Cu相0.10 0.2 0.8 18 9 0.40 0.2 HR3C 0.060.4 1.2 25 20 0.45 0.2- 剩余 MX+NbCrN

图1 TP347H、Super304H、HR3C在650℃下的持久强度

显然,新型奥氏体耐热钢SP2215在650~700℃具有最高的持久强度,并且合金化元素含量最低。它应是拥有高持久强度和良好抗腐蚀/氧化性能的更经济的620~650℃超超临界锅炉过热器/再热器管材耐热钢材料。

综上所述,尿素行情的频繁涨跌引发一定的操作风险,业内对低吸高抛虽有认同但难抵大多数经销商的谨慎观望心态。降低库存、随进随出不失为避险策略,只是对于生产企业而言,略显被动。短期用于炒作涨价的几点因素缺少新意,能保“一周行情”实属不易。国内尿素市场供求面可概括为“不卑不亢”,对当前高价位尿素也算是重要支撑,但可提供的促涨动力毕竟有限。

众所周知,奥氏体钢中含有20%~25%的Cr时,在700℃下就具有足够的抗腐蚀和抗氧化性能。HR3C因为含有大量的Cr而具有良好的抗腐蚀/氧化性能;NF709具有最少的Cr含量;Tempaloy A-3和SP2215拥有同一水平的Cr含量,相对HR3C的Cr含量则要略少一点。这些奥氏体钢HR3C、TempaloyA-3、NF709都在 Eddystone电站,632℃、32 MPa条件下进行了约10年的考评。与Super304H相比,HR3C、NF709、Tempaloy A-3没有明显的向火侧氧化损伤。新型奥氏体钢SP2215拥有足够的Cr和Ni相配合,并加入一定量的Nb和N,尤其是加入了大量的Cu。SP2215中大量的Cu起到了重要的强化作用。从表5可见,SP2215在700℃,105 h时效后的持久强度大于80 MPa,而只有Nb和N的Tempaloy A-3仅为63 MPa,比SP2215的持久强度要低近20 MPa。650℃和700℃/105 h下NF709根据日本新日铁公布的数据几乎与SP2215的持久强度相当,但经我国复核,日本公布的数据偏高,缺乏可靠性。但是NF709的Cr+Ni含量是45%而SP2215的Cr+Ni含量仅为37%。另外NF709还含有1.5%Mo进行固溶强化,而SP2215是含有3.5%Cu进行时效析出强化。富Cu相的时效析出强化相对于NF709中用Mo的固溶强化更加有效,何况合金化元素Mo的价格远高于Cu。

6、向外撬动阀体,同时迅速的将钢板插入阀体与油箱侧安装法兰之间,确认抽力吸住钢板后,松动预留螺栓,拆除开裂阀门。此时,应注意使钢板均匀受力,避免破坏真空而漏油。(如图)

图2 TP347H在650℃,1 000 h时效后的HRTEM照片

图3 Super304H在650℃,1 000 h时效后组织中富Cu相颗粒的HRTEM照片

图4 Super304H在650℃,1 000 h时效后组织中富Cu相的HRTEM照片

图5 Super304H在650℃长期时效过程中富Cu相的长大速率

图6 Super304H在650℃长期时效后富Cu相的强化效果

图7 位错与富Cu相的交互作用示意

三维原子探针层析技术(3DAP)分析显示:在650℃时,Super304H中Cu原子的聚集就发生在1 h左右这样很短的时效时间里,650℃时效时富Cu相的形核与形成如图8所示[4]。650℃时效至100 h可以清晰地见到富Cu原子团簇的形成,至500 h以上则可以看到富Cu相形成[5]

220 mm×220 mm规格 SP2215锻造钢坯和Φ110 mm规格SP2215热轧管坯的宏观腐蚀照片如图 11~12所示。Φ50.8 mm×9.24 mm规格SP2215管材热处理后的晶粒度在ASTM标准4~5级,如图13所示。依据GB/T 10561—2005《钢中非金属夹杂物含量的测定 标准评级图显微检验法》判定SP2215管材夹杂物的等级,A、B、C、D类夹杂物等级依次为0、1.0、0.5、0.5级。Φ50.8 mm×9.24 mm规格SP2215成品管材的扩口和压扁试验结果如图14所示,该SP2215成品管材具有制作锅炉部件的优良工艺性能。

图8 Super304H在650℃时效时中富Cu相的形核与形成

图9 HR3C在700℃,10 000 h时效后组织中NbCrN相的HRTEM照片、衍射花样、EDAX图

患者配戴角膜塑形镜前后在各个随访时期的TMH值见表1,结果显示戴镜后的各个时间点TMH较戴镜前并未出现明显的变化,差异无统计学意义(P>0.05)。

2 新型奥氏体耐热钢SP2215的开发

新型奥氏体耐热钢SP2215已由永兴特种不锈钢股份有限公司和江苏武进不锈股份有限公司采用全冶金生产工艺流程来进行常规化超超临界锅炉过热器/再热器管材的生产。SP2215管材的生产流程为:电弧炉冶炼→AOD氩氧脱碳精炼→炉外精炼→锻造→热轧→圆钢→热穿孔→冷轧→热处理→成品入库。整个冶金生产过程进行得很顺利,且成品表面质量良好。在全冶金生产过程中,锻造钢坯规格为220 mm×220 mm,热轧管坯规格为Φ110 mm,成品管材规格为Φ50.8 mm×9.24 mm。

这种思路的实践成果在高分辨透射电镜照片上已经成功地展示出来,多相(MX、富Cu相、NbCrN)复合强化的HRTEM照片如图10所示。从图10可以清晰地看到,纳米级强化相——MX、富Cu相、NbCrN三种相在650℃,500 h时效后的Fe-Cr-Ni奥氏体钢中共存。MX、富Cu相、NbCrN三种强化相的共存使其强化效果优于MX强化的TP347H、MX+富Cu相强化的Super304H和MX+NbCrN强化的HR3C。

图10 多相(MX、富Cu相、NbCrN)复合强化的HRTEM照片

基于上述多相复合强化机理,一种命名为SP2215的新型奥氏体耐热钢已经开发出来,且取得了专利[6]。新型奥氏体耐热钢SP2215的名义化学成分见表2。该新型奥氏体耐热钢SP2215具有高强度和良好的耐腐蚀、耐氧化性能,它得益于含有大量的Cr(含量22%)以保证良好的抗腐蚀/氧化性能和含量15%的Ni使得奥氏体基体能保持稳定。

表2 新型奥氏体耐热钢SP2215的名义化学成分(质量分数) %

C 0.050.6 Si Mn Cr Ni Cu 0.4 22 15 3.5 Nb N Fe 0.5 0.25 剩余

开发一种同时具有高强度和良好耐腐蚀/氧化性的新型奥氏体耐热钢的思路就是采用多相复合(MX+富Cu相+NbCrN)强化于Fe-Cr-Ni奥氏体钢的奥氏体基体上。这意味着把上述3个钢种的优点集合在一种新型的耐热钢上。

NbCrN相是HR3C中的重要强化相。HR3C在700℃,10 000 h时效后组织中NbCrN相的HRTEM照片、衍射花样、EDAX图如图9所示,清楚地显示了纳米级NbCrN相的形成。

图11 220 mm×220 mm SP2215锻造坯的腐蚀形貌

图12 Φ110 mm SP2215热轧管坯的腐蚀形貌

图13 SP2215成品管材的晶粒度

图14 SP2215成品管材的扩口和压扁试验结果

3 新型奥氏体耐热钢SP2215的力学性能

不同温度下新型奥氏体耐热钢SP2215的拉伸性能和持久性能以及Larson-Miller关系曲线如图15~17所示。图17所示中,LMP为拉森-米勒参数,LMP=T(17+lg t r×10-3;T为温度,t r为蠕变断裂时间。SP2215棒材和管材的高温持久试验(600~825℃)总计时间已达20万h。

图15 不同温度下新型奥氏体耐热钢SP2215的拉伸性能

图16 不同温度下新型奥氏体耐热钢SP2215的持久性能

图17 新型奥氏体耐热钢SP2215的拉森-米勒关系曲线

SP2215与Super304H、HR3C在650℃和700℃下保持105 h的持久强度见表3。

新型奥氏体耐热钢SP2215不仅在650℃和700℃具有比Super304H、HR3C更高的持久强度,而且在长期时效后具有比HR3C更高的冲击韧性。

表3 SP2215与Super304H、HR3C在650℃和700℃下保持105 h的持久强度

注:①所有的105 h持久强度数据都是外推所得。②由宝钢集团有限公司测定。③由上海发电设备成套设计研究院有限责任公司测定,苏州热工研究院有限公司亦进行了700℃持久强度测定。

钢种 类型105 h持久强度/MPa 650℃ 700℃Super304H18Cr9Ni3CuNbN 122.1 72.6 HR3C 25Cr20NiNbN 109.3 64.9 SP221522Cr15Ni3CuNbN ∧130 ∧80

热处理态的HR3C和SP2215的冲击功分别是210 J和230 J,它们几乎是处于同一水平。HR3C、SP2215在650℃和700℃下长期时效后的冲击功见表4。可以看出,经过650℃,1 000 h长期时效后HR3C的冲击功迅速跌至50 J,而SP2215的冲击功还能保持在109 J高水平上;即便经过700℃,1 000 h长期时效,SP2215的冲击功仍比HR3C高出一倍多。

这些主要的强化相MX、MX+富Cu相、MX+NbCrN分别在TP347H、Super304H、HR3C中析出而起到强化作用。显然在MX、富Cu相、NbCrN三种时效析出强化相中,富Cu相具有非常好的稳定性,而且有约3%的含量均匀地分布在奥氏体基体上,起到了卓越的强化效果。

表4 HR3C和SP2215在650℃、700℃下长期时效后的冲击功J

注:①10 mm×10 mm×55 mm棒材冲击试样;②5 mm×10 mm×55 mm管材冲击试样。

钢种 热处理态 650℃/1 000 h时效700℃/1 000 h时效HR3C SP2215 210 50 5 230 109 13

4 讨 论

620~650℃超超临界火电站锅炉过热器/再热器管材要求在服役温度下不仅具有高的持久强度,还要有良好的抗蒸汽腐蚀和抗烟气氧化的能力。620~650℃蒸汽温度的超超临界锅炉的过热器/再热器的向火侧温度可以达到680~700℃甚至更高。由此可见,管材必须具有700℃的高持久强度。部分Cr-Ni奥氏体耐热钢105 h的持久强度见表5,显然新型奥氏体耐热钢SP2215在650℃和700℃下都拥有最高的持久强度。

因为工作的关系,我的微信朋友圈里,有一半是娱乐圈的人。我发现了一个有趣的现象,明星们几乎都不发自己的照片,而不是明星的那些人几乎都在发自己的照片。这很好懂,因为明星看自己照片看到快要吐了……他们的自我已经被充分地展现过,在这方面很有安全感、很满足。所以,偶尔发一碗馄饨汤,或是买到的一件衣服,就足够了。

表5 部分Cr-Ni奥氏体耐热钢105 h的持久强度MPa

注:①高温持久强度摘录自文献[7]。经我国两次复验,NF709在650℃、105 h持久强度仅分别为117.39 MPa和118.50 MPa。由此可见,日本新日铁提供的数据缺乏可靠性。②SP2215的数据由上海发电设备成套设计研究院有限责任公司所测。

钢种 类型 温度/℃650 700 HR3C25Cr-20Ni0.45NbN 125 67 Tempaloy A-3 22Cr-15Ni0.7NbN 102 63 NF709 20Cr-25Ni-1.5Mo0.2NbTiN 130 85 SP221522Cr-15Ni-3.5Cu-0.5NbN ∧130 ∧80

TP347H在650℃,1 000 h时效后的HRTEM(High Resolution Transmission Electron Microscopy,高分辨率透射电镜)照片如图2所示,可以看出TP347H以纳米级的MX相(主要是NbC)析出强化为主。Super304H在650℃,1 000 h时效后组织中富Cu相颗粒的HRTEM照片如图3所示,透射电镜照片如图4所示,650℃长期时效过程中富Cu相的长大速率如图5所示。Super304H中富Cu相析出在奥氏体基体上进行强化(图3)。大约3%的富Cu相均匀地分布在奥氏体基体上(图4),富Cu相非常稳定并且在650℃,10 000 h长期时效过程中仍能保持35 nm左右的尺寸,Super304H在650℃长期时效后富Cu相的强化效果如图6所示。大量的纳米级富Cu相起到了卓越的强化效果,从而使得Super304H具有了良好的抗拉强度和硬度。位错与富Cu相的交互作用如图7所示。

当然,现在的线上线下混合式教学改革还只是迈出了一小步,还存在许多问题值得我们进一步反思和研究,如:在应用中如何对学生的自主学习过程进行设计与监测、该模式应用效果如何从量化的角度加以论证与评价等,本文只是抛砖引玉,期待在现今的教学改革中激起一片小小涟漪。

5 结 论

(1)多相(MX相、富Cu相、NbCrN相)复合强化的Fe-Cr-Ni奥氏体钢SP2215具有高持久强度和良好的抗腐蚀/氧化性能,而且亦具有良好的冶金生产和锅炉管件制造的工艺性能;

(2)新型奥氏体耐热钢SP2215具有高持久强度,其105 h外推值在650℃和700℃分别大于130 MPa和 80 MPa;

(3)新型奥氏体耐热钢SP2215通过常规的全冶金生产流程已经顺利投产,其过热器/再热器用成品管材也已经生产成功;

(4)SP2215新钢种相对于HR3C的Cr(22%)和Ni(15%)含量更低,但是它具有更高的持久强度和足够的抗腐蚀和氧化性能。所以,它是620~650℃超超临界锅炉过热器/再热器管材选材中具有高性价比的耐热钢。

新型奥氏体耐热钢SP2215的研究和开发是在生产工厂、科研机构和大学的通力协作下进行的。现向提供资金支持使得研发工作顺利进行的国家自然科学基金委员会、中国钢研科技集团有限公司、上海发电设备成套设计研究院有限责任公司以及中信金属-巴西矿业公司(CITIC-CBMM)深表感谢。

有西方学者从组织行为学的角度对预算绩效进行深入研究。他们认为,在预算程序上应当采取“预算参与”的方式,预算目标设置过程的参与能够鼓励组织中的成员充分认识和接受目标,并为预算目标的实现提高努力程度。组织成员参与的预算管理过程实质上是“目标内在化”的过程,会对其工作相关态度、预算相关态度和组织相关态度产生正面影响。

6 参考文献

[1] Lin F S,Cheng SC,Xie X S.Ultrasupercritical power plant development and high temperature materials applications in China[J].Energy Materials:Materials Science and Engineering for Energy Systems,2008,3(4):201-207.

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[3]于鸿垚.纳米强化相在先进奥氏体耐热钢中的析出行为[D].北京:北京科技大学,2012.

[4] Chi C Y,Yu H Y,Xie X S,et al.The precipitation strengthening behavior of Cu-rich phase in Nb contained advanced Fe-Cr-Ni type austenitic heat resistant steel for USC power plant application[J].Progress in National Science:Materials International,2012,22(3):176-185.

[5]迟成宇.600~700℃超超临界电站锅炉高温管道材料的研究与开发[D].北京:北京科技大学,2013.

[6]谢锡善,于鸿垚,迟成宇,等.一种复合强化22/15铬镍型高强抗蚀奥氏体耐热钢:201310719141.4[P].2016-01-06.

[7] Shibli A.Coal power plant materials and life assess-ment[M].Amstendam:Elsevier,2014.

谢锡善,艾卓群,迟成宇,于鸿垚,杨辉,宋建新,崔正强,罗坤杰
《钢管》 2018年第01期
《钢管》2018年第01期文献

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