锅炉用耐热钢的发展动向

锅炉用耐热钢的发展动向前言耐热钢可分为铁素体系和奥氏体系两大类。各类钢又包含性能、用途不同的若干钢种。本文介绍用于占发电设备55％的火电厂锅炉用耐热钢及其焊接技术。随着能源情况的变化及对环保问题的高度关注，电力公司以进一步提高发电设备的热效率为目标而大力进行了技术开发。发电用锅炉也在不断朝着蒸汽的高温高压化及容量的大型化发展，以降低成本、提高效率减少CO2排放总量，保护环境。在新的火力发电设备方面，一直在建设超临界压力锅炉、加压流动床锅炉、燃气透平复合发电锅炉以及高效工业废物发电锅炉等。为了适应上述的高强度化、高耐蚀性等要求，材料生产厂家开发了新材质耐热钢及新材质用焊接材料并进行了实用化。火电厂蒸汽条件的变化随着经济的发展和技术的进步，现在日本的火电厂透平（即汽轮机）用蒸汽压力已达24～25MPa、温度则多为593～600℃且还有进一步升高的趋势，这必然促使耐热钢向高强化发展。昀近锅炉用耐热钢概况1、铁素体耐热钢为了提高耐热钢的高温蠕变断裂强度，从上世纪80年代开始就开发了断裂强度达100MPa级的T91（9Cr－1MoVNb）和HCMl2（12Cr－1Mo－1WVNb）。T91是以9Cr－1Mo系钢为基础，添加了碳（C）化物形成元素V和Nb，从而提高了耐热钢的强度，各国都已收入标准。当时，T91具有昀高的蠕变强度，广泛用于发电锅炉的过热管、管道等区域。此材料的出现，可代替高价的奥氏体系耐热钢而用于600℃高温的超高临界发电设备的主要耐压部位。并且，在90年代还开发了蠕变断裂强度约为140MPa级（是T91的1.3倍）的NF616（9Cr－0.5Mo－2WVNb）和HCMl2A（12Cr－0.4Mo－2WCuVNb）。其蠕变断裂强度的提高是因加入有沉淀强化作用的V、Nb、N元素和有固溶强化作用的W、Mo等元素而实现。这些新钢种从1997年以后就逐步取代了T91，从而进一步促进了发电设备蒸汽条件的提升。2、奥氏体系耐热钢作为主要用于过热器、加热器管道的材料，一直被广泛使用SUS347HTB和SUS321HTB等属于奥氏体系钢。然而，近年为了减轻环境污染，迫切需要进行蒸汽的超高温高压化；并且，即使在现有火电厂，也正在大力应用经济型高强度奥氏体钢，以进行设备、管道的薄壁化设计，充分发挥低成本优势。高强度奥氏体钢有17－14CuMo和Esshetel250等15Cr－15Ni钢，因减少钢中Cr量而产生了耐蚀性变差的问题。为此，开发了TempaloyA－1（18Cr－8NiNbTi）和SUPER304H（18Cr－9Ni－3Cu－Nb－N）。这是以SUS304HTB为基础开发的材料，具有成本低的优势；且因是细晶粒钢，故耐水蒸汽氧化性好，从90年代中期后就一直在使用。TempaloyA－1是复合添加了Nb和Ti以进行沉淀强化，从而提高蠕变断裂强度的材料。而SUPER304H则是加Cu材料。在蠕变中Cu富集相在奥氏体基体中细小弥散整合沉淀，从而大幅度提高了钢的蠕变断裂强度；且因复合加入了Nb和N而实现了钢的更高强度化。另外，开发的比上述钢种的耐高温腐蚀性及耐水蒸汽氧化性更优良的材料是20－25Cr系钢：HR3C（25Cr－20NiNbN）、NF709（20Cr－25NiMoNbTi）、TempaloyA－1（22Cr－15NiNbN）等。这类材料主要用于垃圾焚烧炉等腐蚀条件比电厂锅炉更恶劣的环境中。焊接材料开发新材质材料时，须有配套的焊接材料。在实用化方面，已开发了共晶系焊接材料。已开发出了SMAW、GTAW、GMAW、SAW等焊接工艺用的焊接材料，并已实际应用于T91钢材的焊接施工中，还在1996年进行了材料的标准化。然而，开发的铁素体系耐热钢NF616、HCMl2A钢用的焊接材料，虽已成功用于SMAW、GTAW焊接工艺中，但应用于SAW焊接工艺时尚存在蠕变强度不足等质量问题。此外，还开发了奥氏体系新材质以及SMAW、GTAW焊接工艺用的焊接材料。奥氏体系耐热钢主要用于过热器和加热器管材，因管壁不厚，故多采用GTAW焊接工艺。新材质用焊接材料的主要成分系与母材相同。这些焊接金属多数场合均保持凝固组织或是焊后热处理，故难以得到充分的特性。因此，须对之进行精心的成分设计。代表性的用于铁素体HCMl2A钢焊接材料（焊丝）的成分为0．09％C、1．44％Cu、1．13％Ni、10．16％Cr、0．29％Mo、1．65％W、0．21％V、0．05％Nb、0．200％N；在常温和600℃的抗拉强度分别为386N/mm2和375N/mm2。用于奥氏体系SUPER304H钢焊接材料的代表性成分为0．01％C、3．04％Cu、16．16％Ni、18．36％Cr、0．85％Mo、0．62％Nb、0．200％N；在常温和550℃的抗拉强度分别为655N/mm2和455N/mm2。焊接工艺在设备制造厂仍采用传统的焊接工艺；而在生产现场，工件可旋转，故可进行SAW、GMAW、GTAW等多种自动焊接。只是SAW尚有些问题而未实用化。另外，为了使GTAW工艺高效化，在窄坡口中，同时采用了热焊丝法和双焊丝法，还开发了多头焊接装置并成功实用化了。结语伴随火电厂的蒸汽高温高压化，已成功开发出并应用了相应的耐热钢、焊接材料和技术。今后还有进一步开发的广阔空间。