一種發電鍋爐噴燃器火嘴用鋼及其製造方法

2023-04-26 11:12:51

專利名稱：：一種發電鍋爐噴燃器火嘴用鋼及其製造方法
技術領域：
：本發明涉及含鉻、鈮的合金鋼
技術領域：
，具體是一種發電鍋爐噴燃器火嘴用耐熱鑄鋼。發電鍋爐噴燃器火嘴是發電鍋爐的關鍵部件。它長期處於高溫1000-1300℃範圍內工作，並承受煤粉的高速衝刷磨損，噴燃器火嘴的性能直接影響火電廠的安全經濟運行。目前，國內常用1Cr18Ni9Ti、Cr20Ni14Si2等鋼板焊接製作噴燃器火嘴。這類鋼的高溫抗氧化性、高溫力學性能和高溫磨料磨損性能均較差，使用中常被磨透，變形開裂，使用壽命達不到一個大修期要求，影響發電廠安全經濟運行，而且Cr20Ni14Si2鋼，含Ni量高，價格昂貴。目前，國外耐熱鋼大多採用一系列高鎳合金鋼製造發電鍋爐噴燃器火嘴。例如，美國ASTM-HT(Cr17Ni35)，ASTM-HK(Cr25Ni20)等，這類鋼高溫抗氧化性能好，但含Ni量太高，價格昂貴，國內Ni資源缺乏，使其在推廣應用中受到限制。另外，國家標準GB8492-87《耐熱鋼鑄件》，提供了12個鋼號，其中不含Ni或少Ni的ZG30Cr18Mn12Si2N，ZG35Cr24Ni7SiN等，由於其抗氧化性差，高溫強度低，只適用於熱處理爐用爐底板；另一類如ZG40Cr25Ni20，ZG30Ni35Cr15等，雖其抗氧化性能好，且具有較高高溫強度，但含Ni量已高達20-35％，故價格昂貴，亦不宜選作火嘴用鋼。為了節Ni，國內亦開展了少Ni耐熱鋼研究。《鑄造技術》1996年第一期7頁「稀土在含氮奧氏體耐熱鋼中的作用機理和冶煉工藝」一文公開的ZG3Cr18Mn9Ni4Si2NRE鋼號，其不足之處是使用溫度為1050℃，抗氧化性能為0.2g/M2·h，均不能滿足火電廠鍋爐噴燃器火嘴使用要求。本發明的目的是提供一種發電廠鍋爐噴燃器火嘴用鋼及其製造方法，該種鑄鋼不僅具有較高的高溫強度，而且具有良好的高溫抗氧化性能和抗高溫磨料磨損性能，其工藝性好，成本較低，也可廣泛用於工作溫度在1200-1320℃及其以下的其他耐熱構件。本發明是這樣實現的一種發電鍋爐噴燃器火嘴用鋼，其特徵在於為它具有如下化學成分百分含量的鑄鋼C0.1-0.35，Cr31-35，Ni6-8，Si0.4-1.0，Mn0.4-1.0，P≤0.030，S≤0.030，Ti0.01-0.3，RE0.01-0.10，Nb0.3-1.0，Ca0.0015-0.0045，Mg0.001-0.005，餘為Fe。其最佳化學成分百分含量為C0.2-0.3，Cr31-33，Ni6-7，Si0.4-0.8，Mn0.4-0.8，P≤0.030，S≤0.030，Ti0.03-0.10，RE0.03-0.050，Nb0.5-1.0，Ca0.002-0.003，Mg0.002-0.005，餘為Fe。本發明在化學成分設計上採用超高Cr，以便大幅度增加高溫抗氧化性能，另一方面在鋼中加入適量Ni，以提高高溫強度、高溫硬度。同時加入微量Nb、Ca、RE、Mg、Ti等元素，實現多微合金強化，保證在高溫條件下，具有較高高溫強度，高溫硬度，良好的塑韌性等優異的綜合性能。選擇適宜碳量以保證鋼具有高強度、高硬度，又不產生(Fe、Cr)7C3碳化物，以免在使用過程中，火嘴開裂。保證發電廠安全經濟發電。現將本發明耐熱鋼的化學成分設計依據及限定含量範圍的理由綜述如下(1)碳量為保證鋼在高溫下具有較高的高溫強度，又具有良好的高溫抗氧化性能，以及良好熔鑄、焊接等工藝性能，故選定碳含量在0.1-0.35範圍內。(2)鉻量鉻是本發明鋼中保證具有高抗氧化性能的主加合金元素。只有加入足夠數量的Cr才能在金屬表面生成連續緻密的氧化膜，才能具有較高高溫抗氧化能力。本發明鋼的Cr量控制在31-35％範圍內，以使鋼的抗氧化溫度能達到1200-1320℃，並使鋼具有較高的高溫硬度。(3)鎳量Ni是擴大r相區的元素，由於Cr是縮小r相區的元素。當鋼中不加Ni時，其金相組織主要是鐵素體和碳化物，碳化物降低鋼的耐蝕性，並使鋼變脆，導致火嘴使用過程開裂。加入適量Ni後，可使金相組織中出現適量奧氏體組織，增加溶碳能力。在本發明鋼C、Cr含量範圍內，可消除(Fe，Cr)7C3碳化物。同時由於Ni的固溶強化，可提高鋼的強度。由於Ni貴，綜合考慮，本發明鋼將Ni定為6-8％。(4)矽、錳量從淨化鋼水的需要，又限制Si使鋼變脆，Mn損害鋼的抗氧化性能。故把Si、Mn控制在常規範圍內即Si0.4-1.0％，Mn0.4-1.0％。(5)硫、磷含量在本發明鋼中視S、P為有害元素，應儘可能降低其含量，應分別控制在S≤0.030％，P≤0.030％範圍內。(6)稀土加入微量RE是用來淨化鋼水，細化晶粒，提高強度和韌性，改善鑄造性能，減少熱裂傾向。加入微量RE元素，還會使氧化膜更加穩定，從而明顯提高鋼的抗氧化性能。但加入過量稀土元素，會產生非金屬夾雜物，損害鋼的力學性能。故將RE控制在0.01-0.10％範圍內。(7)鈮量Nb是強烈形成碳化物的元素，與鋼中碳形成穩定碳化物NbC，彌散分布於基體中，可以顯著提高鋼的高溫強度和抗氧化性能。這是本發明鋼與現有火嘴用鋼重要區別之一。由於Nb的價格貴，在保證鋼使用性能前提下，應儘量降低其加入量。故將Nb控制在0.3-1.0％範圍內。(8)鈦量微量Ti可與鋼中C、Nb形成Nb和Ti的複合碳化物，提高碳化物高溫穩定性，從而進一步提高鋼的高溫強度和高溫硬度。本發明鋼將Ti控制在0.01-0.3％範圍內。(9)鎂量鎂在高溫狀態下，發生汽化，促使鋼水沸騰，起到去氣、攪拌、淨化鋼水的作用，可細化晶粒，提高鋼的強韌性，消除非金屬夾雜物造成的鋼的脆性和熱裂現象。鋼中加入適量Mg還可使NbC更加精細化，且均勻分布於整個晶界面上，提高鋼的熱強性，Mg的合適含量應為0.001-0.005％範圍內。(10)鈣量向鋼中加入微量Ca，可充分脫氧、去氣、脫硫，淨化晶界。Ca與S、O易於化合形成CaS和CaO，減少S、O有害作用，且能細化晶粒，可明顯提高鋼在高溫下的塑性和韌性，防止火嘴部件的開裂，延長使用壽命。Ca應為0.0015-0.0045。本發明還提供了上述鋼的如下製造方法其特徵是將用電爐熔煉的原鋼水進行複合變質處理，首先用鋁對原鋼水進行脫氧處理，然後將矽鈣合金加入鋼液中，使Ca達到要求化學成分，最後用高稀土低鎂矽鐵合金加入鋼包中，用鋼水衝熔，使RE、Mg、Si等達到要求化學成分，電爐可用電弧爐或中頻電爐等。由於其鑄造性能甚佳，故可採用水玻璃砂，或樹脂砂澆鑄壁厚8毫米以上的各種規格形狀的噴燃器火嘴，無熱裂，表面光潔，鑄件組織緻密，且以鑄態供貨，可省去通常的高溫固溶熱處理。根據要求，鑄件可進行機加工、焊接。本發明鋼與現有製造發電鍋爐噴燃器火嘴用鋼相比，具有下述優點1、加入較高Cr含量，未有意加有害抗氧化性的Mn元素，同時加入多種提高抗氧化性能的元素，使該鋼具有較高抗氧化性能，加入適量C、Ni使鋼鑄態無碳化物(Fe，Cr)7C3，只有彌散分布的NbC顆粒，使本鋼既具有良好高溫耐磨性，又使工件使用中不開裂，本發明鋼未加入易產生氣孔的N元素，保證鑄件組織緻密。2、本發明鋼所採用的高稀土低鎂矽鐵合金與矽鈣合金聯合處理鋼液，變質處理後，可細化組織，提高高溫強度以及抗氧化性能，且可基本消除鑄件熱裂現象。3、本發明鋼綜合性能好，具有較高高溫強度、高溫硬度、高溫抗氧化性以及具有高的耐磨性，使其製造的火嘴使用壽命可達二個大修期。比原用Cr20Ni14Si2鋼火嘴提高1倍，而比1Cr18Ni9Ti鋼火嘴，提高5倍以上。保證了發電廠安全經濟發電。下面以實施例進一步說明本發明鋼的性能和使用效果。實施例1根據本發明所設計的化學成分範圍進行配料，在中頻感應爐中熔煉，待鋼水溫度達到1580-1620℃，用鋁終脫氧，再加入矽鈣合金，例如加入SiCa31，SiCa28，SiCa24等，在鋼水包中加入高稀土低鎂矽鐵合金，例如加入包鋼稀土一廠生產的FeSiMg2RE27，FeSiMg2RE30等，出鋼衝熔，澆注噴燃器火嘴鑄件及Y型試塊，型內保持8小時，開型清理鑄件，鑄態使用。將Y型試塊按相應國標標準加工成測試各項性能試樣，並按相應標準測試，其結果如下1、化學成分見表5。2、力學性能測試結果，見表1。表1試驗溫度℃抗拉強度σbMPa伸長率δ5％斷面收縮率ψ％衝擊吸收功AKVJ2090010007122521936.536477.15462343、高溫硬度試驗溫度900℃，維氏硬度HV185.2、83.4、84.5。4、高溫抗氧化試驗1000℃×500h平均氧化增重速度為0.075g/M2·h。5、裝爐使用效果將生產的火嘴裝於670t/h發電鍋爐，運行2個大修期，比原用Cr20Ni14Si2焊接火嘴使用壽命提高一倍以上。實施例2製造方法同實施例1，測試各項數據如下1、化學成分見表5。2、力學性能測試結果，見表2表23、高溫硬度試驗溫度900℃，維氏硬度HV187.6、87.5、86.8。4、高溫抗氧化試驗1000℃×500h平均氧化增重速度為0.072g/M2·h。5、裝爐使用效果某熱電廠原用某廠生產的火嘴，在75t/h發電鍋爐使用1個小修期(半年左右)，就被燒損磨穿就需更換。使用實施例2生產的火嘴，使用2年，經檢查燒蝕磨損甚微，預計能使用2個大修期，使用壽命提高3倍以上。保證該電廠安全經濟發電。實施例3，生產方法同實施例1，檢測各項數據如下1、化學成分見表5。2、力學性能測試結果，見表3表33、高溫硬度試驗結果試驗溫度900℃，維氏硬度HV189.3、89.1、89。4、高溫抗氧化性試驗結果1000℃×500h平均氧化增重速度為0.079g/M2·h。5、裝爐使用效果生產16件方形發電鍋爐噴燃器火嘴，在某發電廠運行20200小時，經檢測仍良好，予計可使用兩個大修期，使用壽命可比原火嘴提高1倍以上。本發明鋼的實施例與現有技術對比結果，見表4。注數據來源(1)Cr20Ni14Si2數據系從成品火嘴取樣測得。(2)2G4Cr24Ni9Si2NRE鋼數據自《水力電力機械》1991年第3期42頁「火電廠鍋爐耐熱件用新型耐熱鋼」。(3)ZG4Cr27Ni10SiMn鋼數據來自《鋼鐵》1994年第3期「雙相耐熱ZG4Cr27Ni10SiMn鋼的高溫性能」一文。(4)ZG3Cr18Mn9Ni4Si2NRE，1Cr25Ni20Si2鋼種數據來自《鑄造技術》1996年第1期7頁「稀土在含氮奧氏體耐熱鋼中的作用機理和冶煉工藝」一文。實施例鋼化學成分重量百分含量見表5注實施例4、5、6性能均符合要求，略。通過對比表明，本發明鋼與現有高鉻鎳奧氏體鋼相比，本發明鋼Ni含量僅為高鉻鎳鋼的1/2，所以成本低；而本發明高溫強度、抗氧化性卻遠遠高於高鉻鎳鋼；本發明鋼由於採用多元微合金化及變質技術，高溫強度與高溫抗氧化性，均顯著高於現有技術鋼種，必然使火嘴使用壽命提高1-2倍。本發明具有較高的經濟效益與社會效益。權利要求1.一種發電鍋爐噴燃器火嘴用鋼，其特徵在於為具有如下化學成分百分含量的鑄鋼C0.1-0.35，Cr31-35，Ni6-8，Si0.4-1.0，Mn0.4-1.0，P≤0.030，S≤0.030，Ti0.01-0.3，RE0.01-0.10，Nb0.3-1.0，Ca0.0015-0.0045，Mg0.001-0.005，餘為Fe。2.根據權利要求1所述的火嘴用鋼，其特徵是最佳化學成分百分含量為C0.2-0.3，Cr31-33，Ni6-7，Si0.4-0.8，Mn0.4-0.8，P≤0.030，S≤0.030，Ti0.03-0.10，RE0.03-0.050，Nb0.5-1.0，Ca0.002-0.003，Mg0.002-0.005，餘為Fe。3.一種根據權利要求1或2所述的發電鍋爐噴燃器火嘴用鋼的製造方法，其特徵是將用電爐熔煉的原鋼水進行複合變質處理，首先用鋁對原鋼水進行脫氧處理，然後將矽鈣合金加入鋼液中，使Ca達到要求化學成分，最後用高稀土低鎂矽鐵合金加入鋼包中，用鋼水衝熔，使RE、Mg、Si等達到要求化學成分。全文摘要本發明涉及一種發電鍋爐噴燃器火嘴用鋼及其製造方法,該鑄鋼具有如下化學成分百分含量:C0.1—0.35,Cr31—35,Ni6—8,Si0.4—1.0Mn0.4—1.0,Ti0.01—0.3,R文檔編號C22C38/50GK1170771SQ9710078公開日1998年1月21日申請日期1997年2月27日優先權日1997年2月27日發明者王樹炎,刁家亮,梁盡忠,沈忠,牟錫民申請人:河北電力設備廠