锅炉金属材料

电厂锅炉金属材料第一节电厂锅炉用钢一、锅炉用钢具有的性能制造锅炉用的主要金属材料是钢材。锅炉本体设备是由在常温下承受静载荷的部件(钢架，支座，平台等)和承受高压高温的部件（汽鼓、联箱、受热面的管子及承受高温的支吊、定位部件等）所组成。前一种部件可用一般的结构钢制造，后一种部件须用具有特殊性质的钢材即所谓锅炉钢来制造。要求锅炉钢具有以下性能：1、在高温条件下工作时，能持久地保持必需的机械性质，制造锅炉用的主要金属材料是钢材。锅炉本体设备是由在常温下承受静载荷的部件(钢架，支座，平台等)和承受高温、高压的部件(汽强度、塑性、韧性等，以承受锅炉内部的压力和变动以及冲击负荷的作用，如在400℃以上工作则还要考虑蠕变现象。一般钢材当温度在100～150℃时强度极限比常温下稍有降低，在200～300℃时略有增大，再升高温度又降低。到400℃以上特别是450℃以上长期工作时，钢材的应力即使还远远低于弹性极限，但往往会发生一种缓慢而连续的变形。从显微结构上看，低温时晶粒之间的连结强度比晶粒本身的强度高，在外力作用下金属的变形主要是晶粒自身的变形；然而在高温和应力的作用下，晶粒之间的连结强度会受到破坏，以致在晶粒之间发生位移，这种现象称为蠕变。蠕变对温度是很敏感的，400～500℃的碳素钢增加12～15℃，或合金钢增加20～25℃，蠕变速度会增加一倍。在有蠕变现象存在的情况下工作时，必须使材料在所处的温度和应力条件下的蠕变速度不超过许可的限度，以保证材料的安全使用。在锅炉设计中，要求材料的蠕变速度为每小时长度变形不超过一千万分之一，这个速度相当于工作十万小时后材料变长1%。钢材制成品经过一定时间后会发生韧性降低、硬度提高的现象，称为时效作用。一般在200～300℃时这个作用最为强烈。低碳钢(含碳量0.1%左右)的时效倾向尤大，而高碳钢和含有钼、钡或钨的合金钢则不易产生时效。对于锅炉钢板，要求冲击韧性的下降率不大于50%，或冲击韧性的绝对值不小于3～3.5公斤米/厘米2。2、要有良好的组织稳定性。如果金相组织发生变化，例如产生球化(碳化铁不再呈片状而化为球状)或石墨化(碳化铁中的碳析出成为游离的石墨存在于晶粒之间)等现象，对金属的工作是很危险的。过去的实践表明，低碳钼钢(如15Mo及20Mo)在500℃左右工作时容易发生石墨化现象，使钢质变脆以致破裂造成事故，这种钢材脱氧时，加入铝的数量若超过0.25公斤/吨，尤易发生石墨化。根据研究结果，在钼钢中加入少量铬(0.4～0.6%)，对于石墨化及球化均有稳定作用，因此近年来对于在接近500℃下工作的锅炉承压部件已不采用一度通用的15Mo、20Mo等钼钢而改用铬钼钢等材料。3、对于锅炉用钢，不仅要求低温下良好的耐腐蚀性，对于高温下工作的部件还要求在高温下有良好的抗氧化性。尤其是过热器和再热器部件，在高温下工作时，应不易发生氧化起皮等现象，通常要求在工作温度下氧化深度的发展速度小于0.1毫米/年。加入合金元素铬、镍、铝和硅能提高钢的抗氧化性能，钢内含铬量大于12%就称为不锈钢。4、金属组织应均匀，内部缺陷要在容许范围之内，要求钢的分层、非金属夹杂、气孔、疏松等缺陷尽可能少，不允许有白点及裂纹。5、机械加工性能(包括热加工和冷作加工)和可焊性好。二、锅炉管道用钢锅炉管道是指水冷壁管、过热器管、再热器管、省煤器管、联箱及蒸汽导管等。温度在450℃以下的低压锅炉钢管主要使用10号、20号优质碳素钢；中高压锅炉，除了水冷壁管和省煤器用20A碳钢外，其它受热面管子大多采用低合金钢管。锅炉管道用钢选择的主要依据是金属的温度。锅炉管子用钢的化学成分和用途见表17-1。表17-1锅炉受热面管子用钢的化学成分和用途钢号化学成分(%)用途CSiMnCrMoVWTiB其它200.17～0.220.17～0.370.35～0.65壁温450℃导管；壁温≤500℃受热面管子12CrMo≤0.150.20～0.400.40～0.700.40～0.700.40～0.55壁温≤510℃导管；壁温≤540℃受热面管子15MnV0.12～0.180.20～0.601.20～1.600.04～0.12用作12CrMo的代用钢15CrMo0.12～0.180.17～0.370.40～0.700.80～1.100.40～0.55壁温≤510℃导管；壁温≤540℃受热面管子12MnMoV0.08～0.150.50～0.800.80～1.200.40～0.650.25～0.35用作15CrMo代用钢12Cr1MoV0.08～0.150.17～0.370.40～0.700.90～1.200.25～0.350.15～0.30壁温≤540℃导管；壁温≤570℃过热器、再热器等12MoVWBSiRe(无铬8号)0.08～0.150.60～0.900.40～0.700.45～0.650.30～0.500.15～0.400.060.008～0.010Re0.15壁温≤580℃的过热器、再热器等12Cr2MoWVB(钢102)0.08～0.150.45～0.750.45～0.651.60～2.100.50～0.650.23～0.420.30～0.550.08≤0.180.008壁温≤600℃过蒸器及导管12Cr3MoVSiTiB(П11)0.09～0.150.60～0.900.50～0.802.50～3.001.00～1.200.25～0.350.22～0.380.005～0.011壁温600～620℃过蒸器及导管Mn17Cr7MoVNbBZr0.05～0.120.50～0.8017.0～19.07.0～9.00.80～1.100.25～0.450.005～0.012Zr0.08Nb0.3～0.5壁温620～680℃过热器再热器及导管14MoV630.10～0.180.15～0.350.30～0.600.30～0.600.50～0.650.25～0.35≤540℃过热器及导管等10CrMo910≤0.150.15～0.500.40～0.602.0～2.50.9～1.1≤540℃过热器及主蒸汽管X12CrMo91(HT7)≤0.150.25～1.000.30～0.608.0～10.00.9～1.1≤560℃受热面管子X20CrMoW-V121(F11)0.17～0.230.15～0.500.40～0.7011.0～12.50.80～1.200.25～0.350.4～0.6N10.3～0.8650℃过热器管；600℃主蒸汽管X20CrMoV121(F12)0.17～0.230.15～0.500.40～0.7011.0～12.50.8～1.20.25～0.35N10.3～0.8≤650℃过热器管；600℃主蒸汽管Mn17Cr7MoVNbBZr0.05～0.120.50～0.8017.0～19.07.0～9.00.80～1.100.25～0.450.005～0.012Zr0.08Nb0.3～0.5壁温620～680℃过热器再热器及导管14MoV630.10～0.180.15～0.350.30～0.600.30～0.600.50～0.650.25～0.35≤540℃过热器及导管等三、汽包用钢汽包处于高温高压状态下工作，它除了受较高的内压外，还受到冲击，蒸汽介质的腐蚀和热应力的作用。此外，在汽包的制造过程中，还要经过卷板、焊接、热处理等各种冷热加工工序，因此汽包用钢必须具有较高的强度、良好的塑性、韧性、冷弯性能、焊接性能以及低的缺口敏感性(即对由于开孔等而产生的应力集中不敏感)。电厂中低压锅炉汽包一般为优质碳素钢(20g、22g)或普通低合金钢板(16Mng、15MnVg等)；高压超高压锅炉汽包均采用普通低合金钢板制造。四、吹灰器及固定零件用钢锅炉设备中的燃烧室、水冷壁管、过热器、省煤器、空气预热器部件均有吹灰装置，其作用是定期吹落积浮在这些设备上的烟灰渣子。吹灰器的工作时间很短，但是工作温度高。为了保证吹灰器有一定的使用寿命，吹灰器用钢应选用抗氧化性和高温强度都较高的钢，如铁素体耐热钢中的Cr25Ti，奥氏体耐热钢中的1Cr18Ni9Ti，马氏体耐热钢中的1Cr13等。当温度小于450℃时应尽量采用低合金钢、碳钢和耐热铸铁。锅炉设备中的固定零件主要指：管夹、定位板、吊架、支座等，它们通常工作在较高的烟气温度下，且无冷却介质冷却，因此要求所用的钢材有较高的抗腐蚀能力和高温强度。锅炉吹灰器及固定零件用钢应根据工作温度来选用，如表17-2所示。表17-2锅炉吹灰器及固定零件用钢牌号CSiMnCrNi其它组织类别许用温度(开始强烈氧化)Cr6SiMo≤0.15≤0.705.0～6.50.60Mo0.45～0.60珠光体钢750℃1Cr13≤0.15≤0.60≤0.6012.0～14.0马氏体钢1000℃Cr25Ti≤0.12≤1.0≤0.8024.0～27.0Ti0.8铁素体钢800℃1Cr18Ni9Ti≤0.12≤0.80≤2.017.0～19.08.0～11.0奥氏体钢900～1000℃Cr20Ni14Si2≤0.201.0～3.01.519～2012～15奥氏体钢900～1000℃Cr25Ni12MnSi20.202.01.022～2712～15奥氏体钢900～1000℃25Cr18Mn11SiN(D1)0.20～0.281.5～2.010.5～12.517.5～19.0N0.22～0.30奥氏体钢900～1000℃Cr18Mn9Ni2Si2N(钢101)0.12～0.202.0～2.56.5～8.017～192.0～3.0N0.3奥氏体钢900～1000℃五、磨煤机主要零件用钢磨煤机是锅炉的主要辅机之一，它的任务是将煤磨成粉以供锅炉燃烧用。在运行过程中，磨煤机的耐磨部件除了与煤发生激烈的摩擦外，还受到煤块的强大冲击力的作用，因此磨煤机的耐磨部件的表面层应极硬、耐磨，且有一定的韧性以防脆断，例如用Mn13高锰钢来制造钢球和钢甲以及中速轧辊式磨煤机的轧辊等；此外冷激铸铁(即表面有一定程度的极硬的白口铸铁层和中心具有一定韧性的灰口铸铁)也常用于中速轧辊式磨煤机的轧辊，有的电厂也用其作低速钢球磨煤机的钢球。第二节钢在高温时性能和组织的变化一、钢在高温时性能的变化火力发电厂热力设备中许多零部件长期处在高温高压和腐蚀介质条件下工作。实践证明，钢材在运行过程中由于多种原因使组织和性能发生变化，甚至有时会导致某些零部件的失效而造成事故，直接影响发电。因此，现代火力发电厂对热力设备中的承压部件、钢材质量、焊接质量、管道蠕变以及钢的球化和石墨化等实行金属监督，掌握热力设备零部件在运行中组织和性能变化的规律，对于保证设备的正常运行，具有重要的意义。实践证明，钢长期在高温下运行，其组织、结构和性能将发生显著的变化，钢在高温时所表现出来的性能和常温时的性能有很大的差别，因此钢材的室温机械性能不能代替其高温性能。为保证发电厂的安全经济生产，必须了解和掌握钢在高温条件下长期运行时所发生的组织和性能的变化。1．机械性能的变化1)温度对强度和塑性的影响(公斤/毫米2)(a)(b)图17-1高温下钢的机械性能钢在各种温度下的强度特性如图17-1(a)所示。由图知，温度对材料的强度有很大的影响，当超过某一温度时，钢的强度极限就要降低，温度愈高，强度愈低。此外，钢在高温下使用的时间愈长，强度也愈低，表17-3是40号碳钢在不同温度及速度的强度)(b值。由表可知，20℃或200℃时，钢的强度与加载时间无关，高于此温度后，钢的强度不仅与温度有关，还与使用时间有关。例如温度500℃时40号钢的瞬时强度(指拉伸试验中加载时间很短时的强度，这里是加载时间1分钟时的强度)为40公斤/毫米2，但在该温度下连续运行(或试验)20分钟后，负的强度便降为30公斤/毫米2。因此，如果钢在高温下长期工作，则钢的瞬时强度不能作为它的性能指标的，也不能以室温性能来代替高温性能。表17-340号钢在不同温度及速度的强度)(b值(公斤/毫米2)温度(℃)拉断试样的时间(分)15102030602070707