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摘 要:通过研究高中压转子材料的发展及国内外对12%Cr钢的研究现状,本文对高中压转子用钢12%Cr的发展、状况、性能进行了初步介绍,并初步探讨了化学成分对性能的影响,为12%Cr钢的工艺开发奠定了基础。
关键词:12%Cr钢;高中压转子;高温性
1、高中压转子材料的性能要求
高中压转子工作时承受著高应力、高温度的双重作用,还要承受交替变化的热应力,使高中压转子发生蠕变损伤和热疲劳损伤或者二者的叠加,因此,要求其材料必须具有很高的高温蠕变断裂强度和疲劳强度[1]。汽轮机高中压转子材料的选择除要考虑材料对冲击韧性、疲劳强度、脆性转变温度的要求外,还要考虑:在工作温度下,具有优异的蠕变断裂强度,良好的组织稳定性;要求热导率高和膨胀系数小;制作大型钢锭时组织偏析小;淬透性和工艺性能良好[2]。目前,高中压转子的材料主要为CrMoV、12%Cr钢、改进型高Cr钢,并且正在发展新12%Cr钢及奥氏体钢、超合金,其中最常用的材料是CrMoVWNbN钢, Cr元素的含量从1%~13%不等。
2、12%Cr钢的技术发展
(1)国外技术发展
德国KWU公司制造出第一支用于汽轮机发电机组的12%CrMoV超临界转子钢。随后美国、日本相继生产出各自的12%Cr型超临界转子。目前,已经开发的12%Cr铁素体耐热钢有12Cr1MoV钢(HT91)、12Cr1MoWV钢(HT91)、12Cr1Mo1WVNb钢(HC12)、12Cr0.5Mo2WCuVNb钢(HCM12A),开发的12CrWCoNiVNb钢(NF12)和12CrWCoVNb钢(SAVE12)作为650℃等级材料,以提高高温下的抗氧化性。
日本迄今开发了多种12%Cr型耐热钢用作在566℃以上工作的高温转子材料[2-3],并且生产了一系列能用于593℃、621℃及648℃高参数的12%Cr改进型的系列钢种,TMK1、TMK2、TR1200,TMK1、TMK2已广泛应用于制造超超临界高中压转子。改进型转子钢的性能表现为持久强度、断裂韧性、疲劳特性都得到了显著提高,工艺特点是:减少Si、S含量、杂质元素含量,减少铸件内部偏析,添加W、Nb、N、B等合金元素以提高蠕变断裂强度,并适当降低Cr含量;改进热处理工艺,使金相组织为均匀的回火马氏体组织或铁素体。TOS101主要作为566℃工作的转子材料,具有更高的蠕变断裂强度。TOS107用于593℃工作的高压-低压联合转子材料,由于W的固溶强化作用,蠕变断裂强度得到很大提高。TOS110中W含量更高,并添加Co和B,降低了Mo含量,蠕变断裂强度更加优异,用于630℃以上工作的超超临界汽轮机发电机组。TMK系列钢具有非常优异的蠕变破断强度,有的可满足超超临界机组的使用要求。TR1200钢是日本新开发的可以用在593℃以上高温的高中压转子钢,并有进一步提高使用温度的潜力。
欧洲开发了10.5CrMoVNbWN系的COST‘E’转子钢和10.2CrMoVNbN系的COST‘F’转子钢。美国已开发的应用于566℃超临界汽轮机转子钢有AISI422、GE钢及其改进型等。表2列出了已经运用于不同超临界参数机组高、中压转子钢的化学成分[4-6],这些新型的12%Cr转子钢在超临界高压蒸汽条件下具有非常优良的抗蠕变断裂性能,高温强度和常温韧性。
(2)国内技术发展
我国发电设备制造行业已经全面掌握了300MW、600WM亚临界机组的设计和制造技术,已具备600MW亚临界参数机组的制造能力,技术水平也接近国际先进水平。对于超临界技术,国内很早就进行了跟踪研究 [7],国内从2003年开始对12%Cr超超临界转子用钢及制造技术进行研究。哈尔滨汽轮机厂与重机厂联合开展了12%Cr转子钢的研制课题,就600MW ~1000MW超超临界汽轮机铸锻件材料与制造工艺进行合作研究,已成功生产出钢锭重97t的1000MW超超临界机组高压转子。上海重型机器厂也对12%Cr超超临界转子用钢进行了大量的基础性研究。中国第二重型集团公司在2008年生产出一支百万千瓦机组超超临界发电机转子,填补了我国百万千瓦级超超临界发电机转子生产空白。
(3)12%Cr钢的冶炼工艺
目前,12%Cr钢的冶炼工艺有EAF+LF+VCD/ESHT/ESR/PESR,12%Cr钢冶炼难度大,电弧炉冶炼时产生的以铬氧化物为主的夹杂物易于凝集在钢锭底部,且钢锭下部易形成含碳量少的负偏析区,对于含有Co、B等元素的12%Cr转子钢,必须采用ESR(电渣重熔法)冶炼,才能获得高纯净度和均质的钢锭,避免成分偏心,获得均匀组织[8-9]。
3、结论
CrMoV低合金钢在566℃下达到使用极限,普通12%Cr钢在593℃以上时蠕变强度不足,其性能已不能满足发展的需要,改进型12% Cr钢和新12% Cr钢由于添加合金元素及对化学成分的调整,性能得到很大提高,是超临界和超超临界高中压转子的主要材料。本文在国内外对转子用12%Cr钢研究的基础上,对其技术发展现状进行了初步分析,为工艺开发奠定一定的基础。
参考文献:
[1]朱德勇,姜华伟,高建强.超超临界汽轮机高温部件材料选择与防止固粒侵蚀措施[J].汽轮机技术,2009,51(2):153-155.
[2]王雷刚,邓东梅,刘助柏.90年代汽轮机转子用钢的新进展[J].大型铸锻件, 2001, (1): 43-44, 54.
[3]傅万堂,张百忠,王宝忠.超临界与超超临界转子材料发展情况综述[J].大型铸锻件,2008,(5):33-36.
[4]金子丈治,浅沼裕等.蒸氣タ—ビソ設備の設計と材料[A].火力原子力發電,2002.
[5]T. Tsuchiyama. Development and manufacturing of an advanced 12%Cr steel for super -critical steam conditions. Proceedings of the 4th International Charles Parsons Turbine Conference, Advances in Turbine Materials, Design and Manufacturing, 2000: p45.
[6]刘显惠,林锦棠.国外汽轮机高效化与转子锻件材料的开发.东方电气评论,2004,18(2):60-67.
[7]沈邱农,程钧培.我国超临界汽轮机研制的展望[J].上海汽轮机,2001,(1):10-16.
[8]王宝忠. 12%Cr超超临界转子的热加工过程物理模拟及研制.燕山大学工学博士学位论文. 2007, 12.
[9]吕振家. 汽轮机转子用9-12%Cr钢发展情况综述[J].大型铸锻件,2019,(2):1-5.
作者简介:
段飞虎(1986年3月),性别:男,民族:汉族,籍贯(精确到市):河南省周口市,当前职务:审查员,当前职称:助理研究员,学历:硕士研究生,研究方向:金属无切削加工.
关键词:12%Cr钢;高中压转子;高温性
1、高中压转子材料的性能要求
高中压转子工作时承受著高应力、高温度的双重作用,还要承受交替变化的热应力,使高中压转子发生蠕变损伤和热疲劳损伤或者二者的叠加,因此,要求其材料必须具有很高的高温蠕变断裂强度和疲劳强度[1]。汽轮机高中压转子材料的选择除要考虑材料对冲击韧性、疲劳强度、脆性转变温度的要求外,还要考虑:在工作温度下,具有优异的蠕变断裂强度,良好的组织稳定性;要求热导率高和膨胀系数小;制作大型钢锭时组织偏析小;淬透性和工艺性能良好[2]。目前,高中压转子的材料主要为CrMoV、12%Cr钢、改进型高Cr钢,并且正在发展新12%Cr钢及奥氏体钢、超合金,其中最常用的材料是CrMoVWNbN钢, Cr元素的含量从1%~13%不等。
2、12%Cr钢的技术发展
(1)国外技术发展
德国KWU公司制造出第一支用于汽轮机发电机组的12%CrMoV超临界转子钢。随后美国、日本相继生产出各自的12%Cr型超临界转子。目前,已经开发的12%Cr铁素体耐热钢有12Cr1MoV钢(HT91)、12Cr1MoWV钢(HT91)、12Cr1Mo1WVNb钢(HC12)、12Cr0.5Mo2WCuVNb钢(HCM12A),开发的12CrWCoNiVNb钢(NF12)和12CrWCoVNb钢(SAVE12)作为650℃等级材料,以提高高温下的抗氧化性。
日本迄今开发了多种12%Cr型耐热钢用作在566℃以上工作的高温转子材料[2-3],并且生产了一系列能用于593℃、621℃及648℃高参数的12%Cr改进型的系列钢种,TMK1、TMK2、TR1200,TMK1、TMK2已广泛应用于制造超超临界高中压转子。改进型转子钢的性能表现为持久强度、断裂韧性、疲劳特性都得到了显著提高,工艺特点是:减少Si、S含量、杂质元素含量,减少铸件内部偏析,添加W、Nb、N、B等合金元素以提高蠕变断裂强度,并适当降低Cr含量;改进热处理工艺,使金相组织为均匀的回火马氏体组织或铁素体。TOS101主要作为566℃工作的转子材料,具有更高的蠕变断裂强度。TOS107用于593℃工作的高压-低压联合转子材料,由于W的固溶强化作用,蠕变断裂强度得到很大提高。TOS110中W含量更高,并添加Co和B,降低了Mo含量,蠕变断裂强度更加优异,用于630℃以上工作的超超临界汽轮机发电机组。TMK系列钢具有非常优异的蠕变破断强度,有的可满足超超临界机组的使用要求。TR1200钢是日本新开发的可以用在593℃以上高温的高中压转子钢,并有进一步提高使用温度的潜力。
欧洲开发了10.5CrMoVNbWN系的COST‘E’转子钢和10.2CrMoVNbN系的COST‘F’转子钢。美国已开发的应用于566℃超临界汽轮机转子钢有AISI422、GE钢及其改进型等。表2列出了已经运用于不同超临界参数机组高、中压转子钢的化学成分[4-6],这些新型的12%Cr转子钢在超临界高压蒸汽条件下具有非常优良的抗蠕变断裂性能,高温强度和常温韧性。
(2)国内技术发展
我国发电设备制造行业已经全面掌握了300MW、600WM亚临界机组的设计和制造技术,已具备600MW亚临界参数机组的制造能力,技术水平也接近国际先进水平。对于超临界技术,国内很早就进行了跟踪研究 [7],国内从2003年开始对12%Cr超超临界转子用钢及制造技术进行研究。哈尔滨汽轮机厂与重机厂联合开展了12%Cr转子钢的研制课题,就600MW ~1000MW超超临界汽轮机铸锻件材料与制造工艺进行合作研究,已成功生产出钢锭重97t的1000MW超超临界机组高压转子。上海重型机器厂也对12%Cr超超临界转子用钢进行了大量的基础性研究。中国第二重型集团公司在2008年生产出一支百万千瓦机组超超临界发电机转子,填补了我国百万千瓦级超超临界发电机转子生产空白。
(3)12%Cr钢的冶炼工艺
目前,12%Cr钢的冶炼工艺有EAF+LF+VCD/ESHT/ESR/PESR,12%Cr钢冶炼难度大,电弧炉冶炼时产生的以铬氧化物为主的夹杂物易于凝集在钢锭底部,且钢锭下部易形成含碳量少的负偏析区,对于含有Co、B等元素的12%Cr转子钢,必须采用ESR(电渣重熔法)冶炼,才能获得高纯净度和均质的钢锭,避免成分偏心,获得均匀组织[8-9]。
3、结论
CrMoV低合金钢在566℃下达到使用极限,普通12%Cr钢在593℃以上时蠕变强度不足,其性能已不能满足发展的需要,改进型12% Cr钢和新12% Cr钢由于添加合金元素及对化学成分的调整,性能得到很大提高,是超临界和超超临界高中压转子的主要材料。本文在国内外对转子用12%Cr钢研究的基础上,对其技术发展现状进行了初步分析,为工艺开发奠定一定的基础。
参考文献:
[1]朱德勇,姜华伟,高建强.超超临界汽轮机高温部件材料选择与防止固粒侵蚀措施[J].汽轮机技术,2009,51(2):153-155.
[2]王雷刚,邓东梅,刘助柏.90年代汽轮机转子用钢的新进展[J].大型铸锻件, 2001, (1): 43-44, 54.
[3]傅万堂,张百忠,王宝忠.超临界与超超临界转子材料发展情况综述[J].大型铸锻件,2008,(5):33-36.
[4]金子丈治,浅沼裕等.蒸氣タ—ビソ設備の設計と材料[A].火力原子力發電,2002.
[5]T. Tsuchiyama. Development and manufacturing of an advanced 12%Cr steel for super -critical steam conditions. Proceedings of the 4th International Charles Parsons Turbine Conference, Advances in Turbine Materials, Design and Manufacturing, 2000: p45.
[6]刘显惠,林锦棠.国外汽轮机高效化与转子锻件材料的开发.东方电气评论,2004,18(2):60-67.
[7]沈邱农,程钧培.我国超临界汽轮机研制的展望[J].上海汽轮机,2001,(1):10-16.
[8]王宝忠. 12%Cr超超临界转子的热加工过程物理模拟及研制.燕山大学工学博士学位论文. 2007, 12.
[9]吕振家. 汽轮机转子用9-12%Cr钢发展情况综述[J].大型铸锻件,2019,(2):1-5.
作者简介:
段飞虎(1986年3月),性别:男,民族:汉族,籍贯(精确到市):河南省周口市,当前职务:审查员,当前职称:助理研究员,学历:硕士研究生,研究方向:金属无切削加工.