[发明专利]蒸汽温度超超临界火电机组用钢及制备方法

说明书

技术领域

本发明属于耐热钢技术领域，特别是提供了一种蒸汽温度超超临界火电机组用钢及制备方法，可用于650℃蒸汽参数超超临界火电机组的G115钢及其大口径锅炉管制备。

背景技术

我国经济高速发展，资源和能源短缺已成为瓶颈问题。近年国家发展对电力需求之大和增速之快，大大超出国家原定的电力发展规划，以至于对2020年电力需求的预测不得不做多次修正，规划的总装机容量已从9.6亿kWh调整到16亿kWh。在未来相当长的一段时间内，以燃煤发电机组为绝对主力的火力发电将仍然是中国电源结构的绝对主体，这是由中国的自然资源和国情所决定的。煤是一种化石燃料，储量有限，不可再生, 燃煤发电过程产生和排放大量的CO₂、SO₂、NO_x，污染环境，而提高火电机组运行参数是实现节能减排的最重要手段。机组运行参数越高，机组的热效率就越高，煤耗就越低,排放就越少，就越节约资源和能源。

目前世界范围内主要超超临界火电机组的蒸汽参数为600℃，我国自1996年浙江玉环第一台600℃超超临界火电机组投运以来，已先后建成近百台600℃超超临界火电机组。为进一步降低煤耗、提高热效率和降低排放，欧美、日本、韩国等正在研制700℃蒸汽参数超超临界火电机组，我国2010年也启动了700℃蒸汽参数超超临界火电机组研制国家计划。随着蒸汽温度和蒸汽压力的提高，超超临界火电机组对耐热材料的性能提出了更高的要求，主要表现在以下几个方面：（1）更高的高温持久和蠕变强度；（2）优异的组织稳定性；（3）良好的冷、热加工性能；（4）良好的抗氧化和耐蚀性能；（5）良好的焊接性能等。

耐热材料是制约火电机组向高参数发展的主要“瓶颈”问题，而大口径锅炉管和集箱则是“瓶颈中的瓶颈问题”。700℃蒸汽参数超超临界火电机组锅炉中的蒸汽温度是从600℃逐步升温到700℃，各个关键温度段均需要有满足使用要求的候选耐热材料。根据目前的研究结果，马氏体耐热钢P92可用于620℃蒸汽温度以下部分大口径锅炉管制造，镍基耐热合金CCA617可用于650-700℃蒸汽温度段大口径锅炉管制造。由于奥氏体耐热钢的热导率低、热膨胀系数大，不适合用于制造高参数超超临界火电机组的大口径锅炉管，目前世界范围内在620-650℃蒸汽温度段尚无成熟的可用于大口径锅炉管制造的耐热材料。把镍基耐热合金应用于650℃以下温度段管道的制造，在电站经济性上基本上是不可接受的。可行的方案只能是在P92钢的基础上，把铁素体型耐热钢使用温度的上限推进到650℃，该温度已经接近铁素体型耐热钢使用的极限温度，因此新钢种的研发技术难度非常大。

日本Takashi Sato等人申报的美国专利US20090007991A1中介绍了一种基于P92改进型的9%Cr铁素体耐热钢9Cr0.5Mo1.8WNbVN，该专利内容仅仅是实验室阶段的研究成果，没有工业试制数据支撑。日本国家材料研究所（NIMS）的Fujio Abe等人研发的9Cr3W3CoBN系马氏体耐热钢（MARBN）具有优异的高温持久强度，其持久强度数据明显高于P92钢，且日本住友金属公司试制了MARBN钢大口径锅炉管，该钢有望用于先进超超临界电站650℃蒸汽温度段的大口径锅炉管制造。与9Cr0.5Mo1.8WNbVN 钢相比，9Cr3W3CoBN钢650℃温度下持久强度的提升主要得益于所谓的“B冶金”强化机制（见Abe等人近年发表的技术文献）。

本发明是在“多元素复合强化”理论指导下，结合MARBN钢的研究基础，通过添加沉淀析出型元素Cu以进一步提高发明钢的强度，充分发挥B冶金强化作用，进一步提高发明钢高温下晶界的强度和韧性，同时控Ni控Al，控制B和N元素之间的配比，根据上述成分优化设计和试验结果，提出了发明钢的最佳化学成分控制范围。根据实验室研究和两轮工业试制实践，专利发明人提出了采用该发明钢制造大口径锅炉管的冶炼、热加工和制管工序，提出了最佳热加工工艺和最佳热处理工艺制度。该发明钢的钢铁研究总院企业牌号为G115钢。

发明内容

本发明的目的在于提供一种蒸汽温度超超临界火电机组用钢及制备方法，涉及一种锅炉钢的最佳化学成分范围、最佳热加工工艺和最佳热处理工艺，适用于先进超超临界火电机组的大口径锅炉管和相关管道的制造。