鍋爐高強(qiáng)低合金鋼材料的研制技術(shù)分析

侯學(xué)軍

鞍山市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)所

高強(qiáng)度低合金鋼是一種含碳量和合金元素都較低，但機(jī)械強(qiáng)度較高的鋼材料。它的機(jī)械性能和抗腐蝕能力都比一般碳鋼要優(yōu)秀許多。高強(qiáng)度低合金鋼的典型應(yīng)用在大型結(jié)構(gòu)中，如；汽車(chē)，起重機(jī)，鍋爐等，其在鍋爐中的應(yīng)用因?yàn)樽陨砭邆漭^高的蠕變斷裂強(qiáng)度而備受歡迎，本文將從研制技術(shù)的角度出發(fā)，結(jié)合鍋爐高強(qiáng)度低合金鋼材料的實(shí)際，對(duì)鍋爐高強(qiáng)低合金鋼材料的研制技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)要的分析。

前言

高強(qiáng)度低合金鋼在鍋爐制造中的應(yīng)用，其最大的優(yōu)勢(shì)就在于自身極高的強(qiáng)度，在鍋爐用料標(biāo)準(zhǔn)10000h 外推蠕變斷裂強(qiáng)度上要比傳統(tǒng)的鋼材高1.8 倍。同時(shí)因?yàn)樘己勘容^低，所以其自身的焊接性能也較為優(yōu)秀，作為鍋爐用鋼其本身優(yōu)異的焊接性能為鍋爐的加工提供了更多的便利。當(dāng)前對(duì)于這樣一種優(yōu)秀的鍋爐用鋼材料的研制技術(shù)分析具有鮮明的現(xiàn)實(shí)意義。

應(yīng)用性能

顯微組織和韌性

高強(qiáng)低合金鋼材料因?yàn)樽陨硖荚睾亢推渌饘僭氐暮勘容^低，所以材料自身的強(qiáng)度極高。合金元素的含量低還為高強(qiáng)低合金鋼材料帶來(lái)了一個(gè)好處，那就是韌性的提升。從微觀角度分析高強(qiáng)低合金鋼材料通體由回火貝氏體組成，不含有鐵素體，在傳統(tǒng)的鋼材料中因?yàn)殇摬淖陨淼奶己枯^高，其中蘊(yùn)含的碳元素極容易與鋼材中的其他元素在高溫鍛制過(guò)程中形成化合物，比較典型的就是Mo2C，這種碳化合物本身的強(qiáng)度是較低的，所以其在鋼材內(nèi)部的存在會(huì)導(dǎo)致鋼材內(nèi)部容易形成一種空心效應(yīng)，進(jìn)而降低鋼材的整體強(qiáng)度。而在高強(qiáng)低合金鋼材料中因?yàn)樽陨淼奶己勘容^低，所以主要的沉淀物是V、M23C6 和M2C 等化合物，并沒(méi)有W2C 這樣的軟質(zhì)化合物，高強(qiáng)低合金鋼材料因?yàn)閮?nèi)部V、M23C6 和M2C 等化合物的存在而大大提高了自身的韌性，因?yàn)檫@些化合物本身是一種硬質(zhì)化合物，其在高強(qiáng)低合金鋼材料中的均勻分布讓鋼材料的整體韌性有巨大的增長(zhǎng)。高強(qiáng)低合金鋼材料的這種高韌性特點(diǎn)直接導(dǎo)致了其在鍋爐中應(yīng)用的高效性，其在經(jīng)過(guò)熱處理以后自身的沖擊值差別很小，轉(zhuǎn)變溫度極低。

高溫性能

作為鍋爐用材料其自身必須要具備極強(qiáng)的高溫性能，這種性能主要包括有高溫時(shí)的抗拉伸強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度以及蠕變斷裂強(qiáng)度，其中蠕變斷裂是指材料在長(zhǎng)時(shí)間的恒溫恒應(yīng)力作用下緩慢產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象稱為蠕變。零件由于這種變形而引起的斷裂稱為蠕變斷裂。蠕變斷裂是鍋爐用材料的一個(gè)主要性能考察指標(biāo)，因?yàn)殄仩t用材料的固有特性在長(zhǎng)時(shí)間的高溫狀態(tài)下受到長(zhǎng)時(shí)間的固定應(yīng)力影響其自身會(huì)產(chǎn)生塑性形變，這種形變對(duì)鍋爐的系統(tǒng)的影響是極為嚴(yán)重的，會(huì)導(dǎo)致鍋爐整體發(fā)生形變，鍋爐與配套系統(tǒng)之間結(jié)合嚴(yán)密度下降，鍋爐整體的運(yùn)行效率下降等等嚴(yán)重的后果。高強(qiáng)低合金鋼材料在室溫下的抗拉伸強(qiáng)度為600MPa，在室溫下的屈服強(qiáng)度為500MPa，這種抗拉伸和屈服性能都大大超過(guò)了傳統(tǒng)的鍋爐用鋼材料，同時(shí)其自身在延展性方面的超強(qiáng)性能也能夠滿足鍋爐管道的設(shè)計(jì)要求。

為了考察高強(qiáng)低合金鋼材料的外推蠕變斷裂強(qiáng)度，對(duì)高強(qiáng)低合金鋼材料進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)10000h 的測(cè)試，在測(cè)試過(guò)程中模擬了鍋爐燃燒過(guò)程中的高溫和膨脹氣體向外的推力。測(cè)試結(jié)果顯示高強(qiáng)低合金鋼材料在600℃高溫下10000h 的外推蠕變斷裂輕度比傳統(tǒng)鋼材高1.8 倍。高強(qiáng)低合金鋼材料的這種超高的蠕變斷裂強(qiáng)度是因在鋼材鍛制過(guò)程中用W 代替了部分的Mo 并添加了微量的B 獲得的。

長(zhǎng)期時(shí)效性能

鍋爐用鋼材因?yàn)殄仩t運(yùn)行的特殊性，其不僅要面對(duì)長(zhǎng)時(shí)間的高溫考驗(yàn)，同時(shí)也會(huì)面對(duì)巨大的溫差變化，在鍋爐系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中往往需要經(jīng)受極長(zhǎng)時(shí)間的高溫烘烤，在鍋爐系統(tǒng)停機(jī)時(shí)期自身的溫度又會(huì)迅速下降。鍋爐用鋼材料在面對(duì)巨大溫差變化的同時(shí)自身還要保持一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，為了驗(yàn)證高強(qiáng)低合金鋼材料的這一方面的性能，在經(jīng)過(guò)外推蠕變斷裂強(qiáng)度試驗(yàn)以后，進(jìn)行了0 度沖擊試驗(yàn)。所謂0 度沖擊試驗(yàn)就是指在材料經(jīng)過(guò)高溫試驗(yàn)以后，通過(guò)冰水混合物、酒精、液氮等溶液將試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)的溫度降到0度左右并進(jìn)行材料的抗沖擊性能試驗(yàn)，零度沖擊試驗(yàn)是為了驗(yàn)證試驗(yàn)材料在極端環(huán)境中的機(jī)構(gòu)強(qiáng)度，在鍋爐的運(yùn)行過(guò)程中因?yàn)殄仩t材料要經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的高溫烘烤，其自身的韌性會(huì)出現(xiàn)一定的下降，這種韌性下降在低溫狀態(tài)下會(huì)導(dǎo)致鍋爐整體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度脆化在外力作用下容易發(fā)生形變和破裂，所以對(duì)鍋爐用材料在持續(xù)高溫下的韌性下降程度考察十分必要，經(jīng)過(guò)10000h 的外推蠕變斷裂強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)以后高強(qiáng)低合金鋼材料已經(jīng)具備了進(jìn)行抗沖擊試驗(yàn)的條件，經(jīng)過(guò)低溫沖擊試驗(yàn)測(cè)試表明即使經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的使用，其自身也能夠保證較強(qiáng)的抗沖擊能力。

高溫抗腐蝕性能

在鍋爐運(yùn)行的過(guò)程中，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生對(duì)鋼材料本身的腐蝕性，這種腐蝕主要表現(xiàn)為兩種形式一種是高溫?zé)岣g、一種是蒸汽氧化性腐蝕，金屬材料在高溫下由于環(huán)境因素反應(yīng)而沉積在其表面上的沉積物在氧和其他腐蝕性氣體同時(shí)作用下加速腐蝕的現(xiàn)象稱為熱腐蝕。抗氧化性，是指金屬材料在高溫時(shí)抵抗氧化性氣氛腐蝕作用的能力稱為抗氧化性。經(jīng)過(guò)系統(tǒng)試驗(yàn)可以明顯看出高強(qiáng)低合金鋼材料的抗熱腐蝕性能和抗整齊氧化性能基本與傳統(tǒng)的鍋爐用鋼材料持平。

加工性能

焊接性能

高強(qiáng)低合金鋼材料因?yàn)樽陨淼暮剂枯^低，所以其在焊接活動(dòng)中表現(xiàn)出了很低的淬硬性，其焊接性能得到了極大的提升。在傳統(tǒng)的鍋爐用鋼中因?yàn)橐獌?yōu)先保證鋼材料在應(yīng)用活動(dòng)中的高溫性能、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和耐腐蝕性等工作需求，所以傳統(tǒng)鋼材料往往在應(yīng)用性能上較強(qiáng)，而在以焊接性能為主的加工性能上較差，導(dǎo)致在鍋爐用鋼材料的加工和組裝過(guò)程中存在著嚴(yán)重的困難，但是這也是鍋爐用鋼材料的一種必然選擇，只有保證鍋爐用鋼材的應(yīng)用性能才能讓鍋爐用鋼材料實(shí)現(xiàn)自己的價(jià)值，發(fā)揮應(yīng)有的作用。所以在傳統(tǒng)的鍋爐用鋼材料的應(yīng)用中一般都會(huì)采取高溫加工或者預(yù)熱的措施來(lái)降低鋼材料的加工的難度。但是與此同時(shí)鋼材料加工的效率就大大降低了。新型高強(qiáng)低合金鋼材料因?yàn)樽陨淼奶己勘容^低，所以表現(xiàn)出了極強(qiáng)的機(jī)械性能，在試驗(yàn)活動(dòng)中利用Y 型坡口限制焊接裂紋試驗(yàn)來(lái)對(duì)其裂紋敏感性進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明高強(qiáng)低合金鋼材料即使是在室溫條件下進(jìn)行焊接，其本身也不會(huì)產(chǎn)生裂紋，說(shuō)明高強(qiáng)低合金鋼材料具有極為優(yōu)秀的焊接性能。

焊接接頭性能

鋼材料在加工活動(dòng)中一個(gè)重要的加工指標(biāo)就是其焊接接頭的性能，高強(qiáng)低合金鋼材料作為一種新型鋼材料其在研發(fā)過(guò)程中就配屬了專業(yè)的焊接消耗材料，用于焊接接頭的焊接。焊接接頭的性能會(huì)產(chǎn)生對(duì)鍋爐整體連結(jié)性能的影響，在實(shí)驗(yàn)測(cè)試中可以發(fā)現(xiàn)在20℃的溫度下不經(jīng)過(guò)焊后熱處理，高強(qiáng)低合金鋼材料的焊接接頭硬度也保持在HV300～350 的低值，這表明高強(qiáng)低合金鋼材料的焊縫不需要焊前預(yù)熱和焊后的熱處理，就能達(dá)到相對(duì)較高的焊接強(qiáng)度。對(duì)焊接接頭進(jìn)行焊后的熱處理往往能夠?qū)⒑附咏宇^的強(qiáng)度進(jìn)一步提升。

在鍋爐建造中應(yīng)用高強(qiáng)低合金鋼材料，是一種整體性的應(yīng)用也就是說(shuō)高強(qiáng)低合金鋼材料的焊接接頭的各方面性能，都應(yīng)該達(dá)到與高強(qiáng)低合金鋼材料相近的水平，作為鍋爐組成的一部分其首先要考察的就是焊接接頭的蠕變斷裂強(qiáng)度，一般來(lái)講在鋼材料焊接接頭的蠕變斷裂強(qiáng)度會(huì)隨著溫度的提升和時(shí)間的延長(zhǎng)而降低，但是在高強(qiáng)低合金鋼材料中應(yīng)用的焊接接頭在550℃、600℃、650℃溫度之下，其自身的蠕變斷裂強(qiáng)度基本沒(méi)有發(fā)生改變。

結(jié)語(yǔ)

高強(qiáng)低合金鋼材料作為一種優(yōu)秀的低碳鋼材料，其自身在外推蠕變斷裂強(qiáng)度、韌性、耐腐蝕性能上都有較為突出的優(yōu)勢(shì)，本文從應(yīng)用性能和加工性能兩個(gè)角度對(duì)這一鋼材料的研制技術(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)要的分析，以期為鍋爐高強(qiáng)低合金鋼材料的研制技術(shù)水平提升提供支持和借鑒。