电厂用抗蠕变铁素体钢

图 1 燃煤发电厂的净效益增长
电厂技术发展的主要驱动力是对提高经济效益的需求。在过去，人们改善设计改进以及 使用更好性能的新钢材来满足这种需求，图 1 给出了燃煤发电厂从 1930 年到现在的效益增 长。
在那段时间内每千瓦电的燃料消耗降低了 2.6 倍，这意味着电厂效益增长和每千瓦电 CO2 排放的降低，这正成为一个越来越重要的问题。电厂效益的变化不是一条光滑曲线。曲 线的转折点反应了一种新型抗蠕变钢的引进。目前我们正处在一个新钢材的发展促进效益增 长的阶段。
电厂用抗蠕变铁素体钢
Ingo von Hagen，Walter Bendick Mannesmann Forschungsinstitut GmbH，Ehinger Strasse 200，47259 Duisburg, Germany 摘要：电力设备技术向大功率高效率方向发展是与抗蠕变铁素体钢的发展紧密相关的。从简 单的碳锰钢开始，采用新的合金元素和显微结构，蠕变强度不断得到提高。铌已经成为最成 功的新元素之一，在最新的 9％～12％Cr 系的高强度钢中都含有铌。这些钢的使用允许电厂 设计的蒸汽温度最高达 625℃，目前正在开发的铁素体钢允许最高蒸汽温度达 650℃，这被 认为是这类钢所能达到的极限。
0.20 0.02 0.0005 max.
–0.10 0.50 –0.60 0.030
–2.60
–0.30 –1.75
–0.30 –0.08 –0.006 0.030
0.08 0.25 0.30 max.
8.0
0.90
–0.15 –1.00 –0.60 0.040
–10.0
–1.00
0.17 0.15 max. max.
0.15 0.04 max. 0.040
–0.13 0.50 0.70 0.040 –1.70 –12.5 0.50 –0.60 –2.50
–0.30 –0.10 0.005 –0.100
图 3：CMn 钢和 Mo 钢的强度性能
1.1 CMn-钢
钢种 P235 被看作是一种典型的具有铁素体珠光体结构的 CMn-钢。碳和锰含量是影响 强度的主要因素。图 3 为 0.2％屈服强度值和平均 105 小时的蠕变破裂强度与温度的关系。 欧洲设计标准考虑低温的最小屈服强度值和高温的蠕变破裂强度值，两种机制被屈服强度和 蠕变破裂强度曲线的相交点分开，P235 大约在 420℃相交，在 420℃之上设计与时间相关， 因为元件的寿命受蠕变过程的限制。
7 8CrMoNiNb9-10
8 7CrMoVTiB10-10
9
10
X11CrMo9-1
11 X20CrMoNiV11-1
12 X10CrMoVNb9-1
13 X11CrMoWVNb9-1-1
14
15
A
T/P11 T/P22
T/P24 T/P23 T/P9
T/P91 T/P911 T/P92 T/P122
表 1 列出了用于电厂的管道系统用抗蠕变铁素体钢的概况，表中将它们划分为 CMn-钢 （1 号和 2 号），Mo-钢（3 号和 4 号），低合金 CrMo-钢（5～9 号）和 9～12％Cr-钢（10～ 15 号）。因为钢种太多，每个系列只列出一些典型的代表性钢种。通常情况下使用新的欧洲 钢材牌号，在任何可能的时候，也给出比照的 ASTM 牌号。一些比照较新的钢种只被包括 在 ASTM 中，但不包括在欧洲标准中。
10.0 0.30 0.80
0.25
–0.23 –0.50 1.00 0.040
–12.5 –0.80 –1.20
–0.35
0.08 0.20 0.30 max.
8.00 max. 0.85
0.18 0.06
0.030
–0.12 –0.50 –0.60 0.040
–9.50 0.40 –1.05
–0.25 –0.10
1.3 CrMo-钢
人们已经发现，随着钼含量的增加钢的蠕变塑性显著降低，因而钼的强化作用不能被充 分利用。钼钢在应用中的另一个限制是在 500℃以上铁碳化物的分解，对这两个问题的解决 办法是铬作为合金元素和钼一起使用。实际上 CrMo-钢是第一种允许电力车间的蒸汽温度达 到 500℃以上的钢。
典型的 CrMo-钢是 13CrMo4-5 和 11CrMo9-10，它们的蠕变破裂强度明显地高于简单的 Mo-钢（如图 4 所示），这主要是高的含钼量的结果。CrMo-钢形成稳定的碳化铬，在 500℃
–2.50 –0.80 –1.10
10x%C
0.05 0.15 0.30 max.
2.20
0.90
0.05 0.20
0.0015 max.
–0.10 –0.45 –0.70 0.020
–2.60
–1.10
–0.10 –0.30
–0.007 0.010
0.04 max. 0.10 max.
1.90
0.05 1.45
max. max. 0.40 min. max. max. max. max.
0.16 0.35 –0.80 0.020 0.30 0.30 0.30 0.08
max. 0.15 1.00 max.
0.015
0.22 –0.35 –1.50 0.060
–0.10
0.12 0.15 0.40 max.
根据合金元素量的增加的排序列出钢种，因而化学成分变得更加复杂。从表 1 可以看出， 铌是一个很重要的元素。每个钢系列中都发现有含铌钢。添加铌用做不同的目的，这将在后 边讨论。
显微结构的复杂性反映了化学成分的复杂性，已经使用不同的硬化机制来得到优化的产 品，结果是蠕变破裂强度能提高了 10 倍（图 2）。下面将给出不同钢的强度性能更加详细的 特征。
随后，在 T/P91 的基础上发展了新的钢牌号，象 X11CrMoWVNb9-1-1（T/P9111），T/P92 和 T/P122(2)。这些钢牌号代表着抗蠕变铁素体钢现在的发展情况，它们的性能和应用后面 要详细讨论。
P235 重要的改进钢种是含铌钢 P355，由于加入铌使晶粒细化从而大大地提高屈服强度 值。然而，蠕变破裂强度提高却很小。屈服强度值增长主要是由于固溶强化元素锰的增加。 因为屈服强度和蠕变破裂强度没有等量的增长，蠕变强度和屈服强度机制的交叉点移到 400 ℃，P355 的优势明显是在这个温度之下应用。
–0.070
0.09 0.10 0.30 max.
8.50 0.10 0.90 0.90
0.18 0.06 0.0005 0.050
–0.13 –0.50 –0.60 0.040
–9.50 –0.40 –1.10 –1.10
–0.25 –0.10 –0.005 –0.090
0.07 max. 0.30 max.
1.4 9-12％Cr-钢
在 CrMo-钢中铬的含量增加到 7％以上，便产生新的系列钢，它有和马氏体一般特点的 微观结构。这种微观结构采用了一种新的结构强化方法，这种结构具有高的位错密度和由 M23C6 沉淀稳定的马氏体条结构。因此，结构强化造成 X11CrMo9-1 钢的强度比 11CrMo9-10 钢（图 5）有大的增加。通过钒、铌、钨和硼的合金化使蠕变强度进一步提高。在 60 年代 初期 X20CrMoNiV11-1 的使用成为提高电厂效率上成为一个主要措施（1），这一点从图 1 可以清楚地看出。钢在 450℃的蠕变破裂强度约是那个时代低合金铁素体钢的两倍（例如， 105h 的 10CrMo9-10 的蠕变强度是 78MPa，相比之下，X20CrMoNiV11-1 的蠕变强度是 147MPa）。X20CrMoNiV11-1 的相变行为与微观结构类似于 X11CrMo9-1，它的高蠕变破裂 强度主要是由高的含碳量产生大量的 M23C6 而引起的。
图 2：管道用耐热钢的蠕变破裂强度
表 I 电厂用抗蠕变铁素体钢的化学成分
EN-
比照
化学成分 (mass-%)
No.
牌号
ASTM 钢级 C
Si Mn Al Cu Cr Ni Mo W
Ti
V
Nb
B
N
1
P 235
2
P 355
3
16Mo3
4 9NiCuMoNb5-6-4
5
13CrMo4-5
6
11CrMo9-10
图 4：CrMo-钢的强度性能
该系列中另一个重要的 CrMo-钢是 8CrMoNiNb9-10。这也是一种含铌钢，它反映了在 抗蠕变铁素体钢中的用途的另一方面。这种钢已经应用在核工业上，用在液体钠冷却快速增 值反应堆中。低铬铁素体钢象 T/P22 钢和高铬奥氏体钢一起使用时出现了一个问题，高铬奥 氏体钢的高碳亲合力引起碳的大规模扩散，碳从铁素体钢经由液体钠扩散进入到奥氏体钢 中，结果导致了铁素体钢的强度下降和奥氏体钢的脆化。通过在 T/P22 中的铌合金化形成碳 化铌，而不是碳化铬，从而解决了这个问题，碳和铌的强亲合力阻止了铁素体钢的碳的耗尽， 防止强度降低。
1.2 Mo-钢
和图 3 中示出的一样，对 Mo-钢也有相似的结果。这些钢基本上是同一系列，约含 0.3 ％Mo，Mo 是一个强固溶强化元素。固溶强化作用是蠕变破裂强度增强的主要原因，这对 CMn-钢和 Mo-钢是相似的。9NiCuMoNb5-6-4 也被称为 WB 36，屈服强度有很大的增长， 其中一部分是由于铌的细晶强化作用。此外，铜的沉淀析出强化也提高了屈服强度。
以上仍稳定，因而石墨化不再是问题，同时图 4 所示，7CrMoVTiB10-10 钢（T/P24）和 T/P23 显示了极高的强度性能。这些钢 是在 T/P22 的基础上新发展起来的，和 T/P22 有相似的微观结构，在 T/P24 中通过钛、钒和 硼的合金化，在 T/P23 中通过钨、钒、铌和硼的合金化，使得它们的强度性能大大提高。使 用和性能上更多的细节将在后面给出。