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《江苏大学》 2010年
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超(超)临界火电机组传热管用不锈钢的研究

李丹  
【摘要】:超(超)临界火电机组用高压蒸汽管道、过热器管道等关键组件的材料及其制造技术是动力装备制造业的瓶颈,得到了世界各国的高度重视。长期以来,我国锅炉用钢的标准和生产从数量、品种规格、钢种类型以及内在质量和表面质量均不能全面满足我国电力工业发展超(超)临界机组的需求。目前,这些钢种除少数钢号外,基本上都依赖进口,但周期较长、价格昂贵。 为实现超(超)临界火电机组中关键传热管用材的国产化,针对日本住友的Super304H钢,研究开发Fe-Cr-Ni-Ti-N等系列新型奥氏体不锈钢及其关键技术。论文工作在江苏省科技成果转化项目“超(超)临界火电机组关键管材开发及产业化”(BA2007033)的支持下,取得了一些阶段性成果。 在分析Super304H等不锈钢成分、组织和性能关系的基础上,设计新型奥氏体不锈钢。主要思路是:①以N代替C合金化;②减少Nb含量;③适当调低Ni含量。为此新设计两组奥氏体不锈钢,一组为低C高N奥氏体不锈钢(S01),一组为低Ni高Mn奥氏体不锈钢(S02),为分析研究S01和S02奥氏体不锈钢的组织和性能变化,同时也对宝钢按Super304H标准熔炼的奥氏体不锈钢S03进行分析。采用真空感应熔炼炉(ZG-0.05)熔炼不锈钢,用热场发射JSM-7001F扫描电子显微镜观察金相组织和断口形貌,日本理学D/MAX2500PC型射线衍射仪进行物相分析,使用RDL100型电子高温蠕变试验机进行蠕变试验,对奥氏体不锈钢进行高温氧化试验。 显微组织分析表明,由于C含量的降低,S01试验钢组织中第二相主要是NbN,没有出现高温δ铁素体。从腐蚀试验结果可知,企业试生产的奥氏体不锈钢S03晶界腐蚀敏感性较大,在分析蠕变试验后的金相组织时发现,S03钢的晶界析出相(Cr23C6)最多。S02不锈钢出现了少量高温铁素体,第二相主要为NbN,晶界腐蚀敏感性较小。 对三种奥氏体不锈钢进行了力学性能试验,结果表明室温抗拉强度都高于住友Super304H钢的规定值,尤其是S02钢,高出规定值30%,室温延伸率也都满足规定值,符合分析计算结果;S01和S03钢在高温短时抗拉强度上与Super304H钢管实测值有一些差距,而S02钢的高温抗拉强度大于Super304H的实测值。拉伸和冲击断口分析可知,韧窝底部都有不同形态第二相,出现了粗大的纯Nb相,说明冶金质量有提高的空间。 在600℃对奥氏体不锈钢的蠕变性能进行了尝试性试验,断口主要呈脆性断裂,沿晶断面周围有撕裂棱。S01钢晶粒表面有大量微小韧窝,表明晶界出现显微空洞并慢慢长大形成裂纹源,同时在断口分析时发现,在相当数量的晶棱(三晶粒交界)处出现了裂纹,晶界显微孔洞和三叉晶界处出现的裂纹导致S01钢蠕变断裂。S03钢晶粒表面没有微小韧窝,出现了条状NbC第二相,周围有明显的撕裂棱,说明条状第二相边缘首先出现微裂纹。蠕变试验结果显示,降低C含量的S01钢蠕变持久强度最好。 在700℃时,由于不同氧化物形成的Gibbs自由能不同,所以不同合金高温氧化膜的结构也会有所差别。在700℃氧化过程中,S01和S03钢表面优先形成Cr203,氧化后,其氧化膜主要由Cr203和少量尖晶石结构的FeCr2O4组成。S02钢Mn含量高,氧化膜中存在尖晶石结构的复合氧化物MnFe2O4。从氧化动力学曲线可知,根据平均氧化速度的评级标准,三种奥氏体不锈钢“完全抗氧化”。 采用焊接电流(直流)为180A和210A的氩弧焊焊接工艺,适当的提高焊接速度,分别对S02和S03进行焊接,HAZ观察不到Cr23C6的存在,说明晶界附近C和Cr元素没发生明显扩散。 此外分析了影响材料本构关系中流变应力的因素,得到了Super304H流变应力修正JC模型。
【学位授予单位】:江苏大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TK225;TG142.71

【参考文献】
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