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为了节能减排、降本增效,火力发电公司需要提高火力发电机组蒸汽参数(温度和压力),以此来提高电厂的燃煤效率。蒸汽参数的提高要求铁素体钢的高温性能提出更高的要求。随着经济的高速发展,国内加大了服役在更高蒸汽温度和压力的超(超)临界火力机组的投建,这必然对铁素体钢的高温性能提出更高的要求。对这种新型带有高温热强性的新型铁素体钢需求基本上依靠国外进口,这实际限制国内市场对它的需求,从而限制了电力行业的发展。作为国内的钢铁龙头老大,宝钢势必要紧跟国内市场对新型高铬铁素体耐热钢需要,加大研发力度,从以往的引进国际产品到自主创新的转变。宝钢目前已经有能力生产符合ASEM T91钢,来满足国内亚临界和超临界火力发电机组对铁素体钢的需求为了将来设计和研制开发新型带有更高热强性的铁素体型耐热钢,理解钢中主要强化元素对铁素体耐热钢的微观组织、蠕变性能和氧化行为的影响是非常必要的。基于上述问题,我们做了如下研究工作。
首先,通过真空冶炼炉冶炼了六种高铬(12％)铁素体试验钢来研究V,Nb,Mn,Ni,Cu,Co对铁素体钢微观组织和蠕变特性的影响。这六种试验钢分别为基础钢(1＃钢),在1＃钢基础上添加微量元素0.2%V和0.05%Nb的钢(2＃钢)以及在2＃钢基础上,添加合金元素1%Hi的3＃钢、3%Cu的4＃钢、3%CO的5＃钢和2.5%Mn的6＃钢。1＃钢和2＃钢内由回火马氏体和δ-铁素体两相组成:Ni,Cu,Co,Ma的添加有效地抑制δ-铁素体相的形成;Mn扩大γ-相区,提高淬透性,使6＃钢内部原奥氏体晶粒变大和马氏体板条更加宽化。常温拉伸实验揭示了1＃钢的强度最低、塑性最好;6＃钢的强度最高、塑性最差;其它四种钢适中。与常温拉伸性能明显不同,在650℃和140 Mpa下,六种试验钢的蠕变特性发生明显变化:1＃钢蠕变特性最差,仅仅维持了21h就发生了蠕变断裂:2＃钢蠕变时间提高1200 h;与2＃钢比较,添加Cu的4＃钢和添加Co的5＃钢蠕变抗力明显提高,它们蠕变时间分别为1580 h和1680 h;而添加Ni的3＃钢和添加Mn的6＃钢的蠕变抗力反而下降,它们蠕变时间分别为1080 h和500 h。2＃钢蠕变特性提高在于微量合金元素和VNb的加入形成了尺寸为30-50 nm MX型析出相对位错和界面有效钉扎作用。3＃和6＃钢蠕变特性下降在于过量Ni和Mn的引入降低了奥氏体化A1转变温度,这势必导致在高温下原有马氏体组织不稳定,容易向奥氏体转变,从而发生回复再结晶。3%Cu的加入提高铁素体钢固溶强化,同时部分Cu在基体内形成了纳米级别(尺寸约为100 nm)的弥散富Cu析出相,这有效地抑制了位错运动、提高了组织的稳定性,因此与2＃钢相比,4＃钢蠕变性能显著提高。5＃钢蠕变特性提高在于Co的固溶强化作用。基于目前试验结果,合金元素Cu和Co是两种有效的铁素体耐热钢强化元素。
其次,在12%Cr基体钢内,通过添加0.2%V和0.05%Nb强碳氮化物形成元素,和添加0.5%Cu和2%Co,以及降低Mn含量到0.5%和不添加Ni试制一种新型高铬(12%Cr)铁素体耐热钢。在650℃和三种不同加载应力(110MPa,120MPa,130 Mpa)进行蠕变实验,研究这种新型高铬铁素体钢的蠕变特性,并结合OM,SEM和TEM等分析设备研究了微观组织的转变过程和钢中元素的偏聚现象。试验结果表明,在类似加载应力下,这种新试制的铁素体耐热钢蠕变抗力优于商业上运行的成熟的T91,T92和T122。随着蠕变进行,试验钢组织发生回复、亚晶结构逐渐形成:钢中Fe,Cr,W,Mo,V,Nb,Cu发生一定的偏聚现象,这可能导致M23C6型析出相的粗化和Fe2(W,Mo)和Z相(Cr(V,Nb)N)两种金属间化合物新相形成;绝大多数微米级蠕变空洞形成于三叉晶界和夹杂处。基于上述的实验结果,在今后开发新型铁素体耐热钢时,应该进一步稳定组织,延缓新出相的粗化,以及在炼钢时尽量减少不必要的杂质存在。
另外,基于上述新试制铁素体钢,通过OM,SEM,XPS,ASE和XRD等分析手段,研究了在不同蠕变阶段(100h1000 h和4000 h)下铁素体钢表面氧化膜组织结构的进化过程。结果表明,随着蠕变的进行,氧化膜结构和组成发生明显改变。当蠕变持续到100 h时,在铁素体钢表面形成的氧化膜比较密实,主要以尖晶石型的Mn1.5Cr1.5O4、赤铁矿型的(Fe0.6Cr0.4)2O3、Mn3O4氧化物和SiO2复合氧化物组成,同时混有少量的CrN、单质Cr和Mn等元素。在蠕变1000 h时,氧化膜由以含有Fe,Cr,Mn,Si的复合氧化物的内层氧化膜和由Fe2O3和Fe3O4构成的外层氧化膜组成的双层结构氧化膜,其中由Fe2O3和Fe3O4构成的外层氧化膜在金相显微镜下观察界面出现很多空洞型缺陷。当蠕变持续到4000h,铁素体钢表面氧化膜分为三层结构。靠近基体的第一层和第二层氧化膜的成分分别与蠕变1000 h的内层氧化膜和外层氧化膜的成分一致,而第三层氧化膜(最外层氧化膜)又变成由尖晶石型的MnCr2O4、四方结构的Cr1.3Fe0.7O3和体心立方结构的Fe2O3组成的复合氧化膜。