12%Cr型超超臨界轉(zhuǎn)子材料的研究進(jìn)展

龔 虎 劉建生 龔 豹 徐 月

(1.太原科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西030024；2.太原科技大學(xué)重型機(jī)械教育部工程研究中心，山西030024)

12%Cr型超超臨界轉(zhuǎn)子材料的研究進(jìn)展

龔 虎1劉建生1龔 豹2徐 月1

(1.太原科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西030024；2.太原科技大學(xué)重型機(jī)械教育部工程研究中心，山西030024)

介紹了世界發(fā)達(dá)國家12%Cr型超超臨界轉(zhuǎn)子材料的研究歷程及發(fā)展概況，闡述了我國12%Cr型超超臨界轉(zhuǎn)子鋼的發(fā)展現(xiàn)狀。指出我國已基本具備超超臨界轉(zhuǎn)子材料的研究條件和擁有制造生產(chǎn)大型轉(zhuǎn)子鍛件的能力，對我國以后超超臨界機(jī)組的研究內(nèi)容及發(fā)展趨勢提供了指導(dǎo)意義。

12%Cr；超超臨界；轉(zhuǎn)子材料

超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)高效先進(jìn)，比超臨界機(jī)組的熱效率高出四個百分點左右，整體優(yōu)勢明顯優(yōu)于普通燃煤發(fā)電機(jī)組。大型轉(zhuǎn)子鍛件是火力發(fā)電機(jī)組中關(guān)鍵的零部件之一，其轉(zhuǎn)子材料的綜合性能直接影響機(jī)組的運行質(zhì)量和服役周期。

1 超超臨界轉(zhuǎn)子技術(shù)要求及主要成分

1.1 技術(shù)要求

火力發(fā)電機(jī)組中的大型轉(zhuǎn)子鍛件的工作環(huán)境極其苛刻，其高速運轉(zhuǎn)于高溫高壓的過熱水蒸氣中。這就要求轉(zhuǎn)子材料應(yīng)具有優(yōu)異的綜合性能[1-5]：良好的室溫和高溫強(qiáng)度、優(yōu)良的塑性和韌性、良好的高溫蠕變強(qiáng)度以及較低的脆性轉(zhuǎn)變溫度(FATT)，長期服役后仍保持較高的斷裂韌性，優(yōu)良的熱加工工藝性能和焊接工藝性能。

1.2 主要成分

12%Cr型超超臨界轉(zhuǎn)子鋼主要化學(xué)成分見表1。從表1可以看出，該鋼種的主要化學(xué)元素含量范圍較寬，增加了冶煉難度。而且，不同種類的元素的含量對該鋼種的綜合使用性能影響很大。將適量的Si元素添加到該耐熱鋼中會降低沖擊韌性，但對蠕變斷裂強(qiáng)度影響不顯著，需嚴(yán)格控制該元素的添加量。W元素的作用[6]是能夠在金屬間化合物和碳化物的間隙中形成相當(dāng)穩(wěn)定的第二相，這提高鋼中基體的再結(jié)晶溫度，進(jìn)而提升轉(zhuǎn)子材料的抗高溫蠕變能力。在12%Cr型超超臨界轉(zhuǎn)子鋼中，Nb元素與C元素形成的NbC能提高蠕變斷裂強(qiáng)度。N元素的最佳添加量和最佳效果需要根據(jù)形成氮化物元素的種類、數(shù)量以及熱處理溫度來決定。適當(dāng)調(diào)整元素B和Co的添加量能進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)子材料的高溫性能和高溫工作條件下綜合力學(xué)性能[7]。

2 國外超超臨界轉(zhuǎn)子材料研究概況

2.1 歐洲

歐洲國家在1986年就開始研究超超臨界機(jī)組轉(zhuǎn)子材料，研究計劃主要集中在COST(Co-operation in science and technology)項目，該項目旨在進(jìn)一步提高9%～12%CrMoV轉(zhuǎn)子鋼綜合性能。主要經(jīng)歷了三個重要的研究階段[8]，分別是：COST 501計劃、COST 522計劃和COST 536計劃。COST 501計劃的目標(biāo)蒸汽溫度需要達(dá)到600℃/600℃和600℃/620℃，重點開發(fā)的轉(zhuǎn)子鋼材料為9%～12%Cr，先進(jìn)轉(zhuǎn)子鋼COST-E和COST-F就誕生于此計劃。COST 522計劃的超超臨界機(jī)組目標(biāo)蒸汽參數(shù)是30MPa/600℃/650℃，熱效率將達(dá)到50%，該計劃成功研制的COST-FB2鋼預(yù)計在德國和美國的實際生產(chǎn)中得以應(yīng)用[9-10]。德國薩爾公司采用電渣重熔(ESR)技術(shù)和85 MN壓機(jī)等先進(jìn)制造技術(shù)試制了COST-FB2鋼轉(zhuǎn)子鍛件[11]，并進(jìn)行了解剖試驗。對該轉(zhuǎn)子鍛件的不同位置進(jìn)行化學(xué)成分檢測、室溫和高溫拉伸試驗、微觀組織、超聲檢測等，結(jié)果表明該轉(zhuǎn)子鍛件各項指標(biāo)均滿足使用要求。COST 536計劃實際上指“環(huán)境友好電廠的關(guān)鍵部件合金的開發(fā)”，目的是在COST 501計劃和COST 522計劃的基礎(chǔ)上進(jìn)行三個層次上的技術(shù)革新和改進(jìn)[12]。為了將發(fā)電凈效率提高到53%，歐盟國家從1998年便啟動了長達(dá)17年的超超臨界技術(shù)研發(fā)項目“AD-700℃計劃”來代替鎳基超合金鋼，最終目標(biāo)是將蒸汽溫度提高到700℃/720℃。表2是歐洲12%Cr型超超臨界轉(zhuǎn)子鋼主要化學(xué)成分[2，13-14]。

表1 12%Cr型超超臨界轉(zhuǎn)子鋼主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Main chemical compositions of 12%Cr type ultra supercritical rotor steel (mass fraction，%)

表2 歐洲12%Cr型超超臨界轉(zhuǎn)子鋼主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 2 Main chemical compositions of 12%Cr type ultra supercritical rotor steel in European countries (mass fraction,%)

表3 日本12%Cr型超超臨界轉(zhuǎn)子鋼主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 3 Main chemical compositions of 12%Cr type ultra supercritical rotor steel in Japan (mass fraction, %)

2.2 日本

從20世紀(jì)80年代至今，日本電力發(fā)展中心(EPDC)一直著手對超超臨界轉(zhuǎn)子鋼進(jìn)行系統(tǒng)的開發(fā)和研制，研制出的超超臨界轉(zhuǎn)子鋼處于世界先進(jìn)水平。l979年，日本正式實施超超臨界技術(shù)開發(fā)的可行性研究，1981年成功啟動了該技術(shù)開發(fā)的具體計劃，由東芝、日立和三菱公司全權(quán)負(fù)責(zé)。該超超臨界研發(fā)計劃主要分成兩個階段[15]，第一階段是1981年至1994年，目標(biāo)是將蒸汽溫度從538℃/538℃提升到649℃/593℃，熱效率再增加2.2%。第二階段是在1995～2001年期間重點研制新型9%～12%Cr鐵素體轉(zhuǎn)子鋼，目標(biāo)蒸汽溫度為630℃/630℃，熱效率在超臨界機(jī)組的基礎(chǔ)上再提高4.8%。為了減少氣體的排放量，2008年3月日本又啟動了長達(dá)7年的“給地球降溫-新能源技術(shù)計劃”，目標(biāo)是實現(xiàn)超超臨界發(fā)電技術(shù)蒸汽溫度達(dá)到700℃等級的粉煤發(fā)電商業(yè)化運營。

迄今為止，日本已開發(fā)研制出了多種12%Cr型超超臨界耐熱鋼轉(zhuǎn)子材料，如TMK1、TMK2、TOS101(12%Cr)和TOS107(改進(jìn)型12%Cr)等鋼種，其中TMK1、TMK2、TOS107和TOS101已經(jīng)廣泛應(yīng)用[16]于制造超超臨界高中壓轉(zhuǎn)子，這些材料的持久強(qiáng)度、斷裂韌度以及疲勞特性[17]有了明顯提高。在此基礎(chǔ)上，日本三大汽輪機(jī)研發(fā)公司(東芝公司、日立公司和三菱公司)又分別研究開發(fā)了機(jī)組參數(shù)更高的TOSll0(被稱為新12%Cr型鋼)、HRl200、MTRlOA三種鐵素體轉(zhuǎn)子鋼，這些新轉(zhuǎn)子鋼種的共同點是均含有極少量元素B和Co，其中新12%Cr型鋼有望運用于630℃甚至更高蒸汽溫度運行的轉(zhuǎn)子鍛件。據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計顯示，TMK1運行5次，TMK2運行2次，TOS107運行7次，TOS110運行2次。而且，其合金化原則也非常地相似[18]，為了提高抗蒸汽氧化能力，都將Cr含量提高至9%～12%；將Si、Mn和Ni元素的含量降到最低，以增加蠕變強(qiáng)度；為了抑制δ鐵素體析出，添加了1%～3%的Co；添加了極少量(0.002～0.010%)的B，目的是穩(wěn)定M23C6碳化物，從而顯著提高了材料微觀組織的穩(wěn)定性和持久蠕變強(qiáng)度[19]。表3是日本成功研制的12%Cr型超超臨界轉(zhuǎn)子鋼主要化學(xué)成分，這些鋼種都具有較高的抗蠕變斷裂性能、高溫強(qiáng)度和常溫韌性等特點。

2.3 美國

美國電力研究院(EPRI)是世界上最早開始致力于研究超超臨界轉(zhuǎn)子材料的科研機(jī)構(gòu)之一，在20世紀(jì)50年代后期便成功制造出第一支12%Cr超臨界轉(zhuǎn)子鍛件。在20世紀(jì)80年代開發(fā)出一種綜合性能優(yōu)異的9%Cr轉(zhuǎn)子鋼(T/P91鋼)，在我國核電亞臨界和超臨界機(jī)組中得到廣泛應(yīng)用。1978年開始研究更加經(jīng)濟(jì)型的燃煤技術(shù)，其目標(biāo)是將12%Cr型轉(zhuǎn)子鋼[20-22]蒸氣溫度提高到600℃及以上，已開發(fā)應(yīng)用于566℃超臨界轉(zhuǎn)子鋼有AISI422、GE鋼以及其改進(jìn)型鋼種等。并于1999年提出Vision21計劃，2002年美國能源部(DOE)正式將超超臨界汽輪機(jī)技術(shù)的研究計劃項目立項，最終目標(biāo)是計劃將蒸汽溫度定位到35 MPa/760℃/760℃/760℃，熱效率達(dá)到55%，重點大幅度減少CO、SO2等污染物的排放量。這些火電機(jī)組技術(shù)的快速發(fā)展需要綜合性能更加先進(jìn)的耐熱鋼[23]。美國開發(fā)超超臨界機(jī)組技術(shù)有兩個明確的目標(biāo)[24]，分別是使超超臨界火電機(jī)組的選材成本具有更強(qiáng)地競爭性的同時又達(dá)到環(huán)保的要求，進(jìn)一步提升超超臨界機(jī)組核心燃煤技術(shù)在世界各個國家中的綜合競爭力。

2.4 韓國

2002年韓國正式啟動了超超臨界機(jī)組技術(shù)開發(fā)[25]的研究計劃，目標(biāo)是建立蒸汽溫度為26 MPa/610℃/621℃的1000 MW超超臨界機(jī)組。韓國斗山(DOOSAN)重工采用電渣重熔(ESR)技術(shù)冶煉出70 t的大型鋼錠，經(jīng)鍛造、熱處理、軸頸堆焊等工藝過程成功試制了直徑為1100 mm的10%Cr-Nb-W全尺寸高中壓轉(zhuǎn)子鍛件。并對該轉(zhuǎn)子鍛件進(jìn)行了一系列的性能測試分析，結(jié)果表明該轉(zhuǎn)子鍛件的成分均勻、抗高溫蠕變性能和低溫脆性轉(zhuǎn)變溫度(FATT)都優(yōu)于[26]常規(guī)制造技術(shù)生產(chǎn)的轉(zhuǎn)子鍛件。

3 我國超超臨界轉(zhuǎn)子鋼發(fā)展現(xiàn)狀

根據(jù)“十一五”規(guī)劃，在未來幾十年里，我國的電力工業(yè)必將迎來高速發(fā)展時期。我國超臨界火電機(jī)組，尤其是超超臨界火電機(jī)組市場潛力巨大，引起了國內(nèi)大型鍛件供應(yīng)商和發(fā)電設(shè)備制造商對12%Cr型超超臨界大型轉(zhuǎn)子鍛件的高度重視。根據(jù)《新材料產(chǎn)業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》，在“十二五”期間，我國核電運行裝機(jī)容量將達(dá)到4000萬kW，在未來很長一段時間，核電大型鍛件用鋼、高溫高壓轉(zhuǎn)子用鋼將會得到迅速發(fā)展。核電用鋼對鋼種的強(qiáng)度、韌性、化學(xué)成分以及尺寸精度等方面要求極其嚴(yán)格。因此，在冶煉過程中，需要嚴(yán)格控制雜質(zhì)元素，從而保證鋼的純凈度， 并嚴(yán)格執(zhí)行超聲檢測，以滿足使用要求。

我國從2003年開始對超超臨界轉(zhuǎn)子鋼及其核心制造技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)性研究。華能玉環(huán)電廠是我國首次投資建設(shè)國產(chǎn)1000 MW 超超臨界機(jī)組的電廠，對我國超超臨界機(jī)組的建設(shè)和發(fā)展有著重要作用。文獻(xiàn)[3-8,27-29]介紹了我國超超臨界機(jī)組材料的研究概況，2003年中國第一重型機(jī)械集團(tuán)公司與燕山大學(xué)和哈爾濱汽輪機(jī)廠等合作，為東方汽輪機(jī)廠生產(chǎn)出了一只1000 MW的高壓轉(zhuǎn)子鍛件。哈爾濱汽輪機(jī)廠與重機(jī)廠合作研制12%Cr型轉(zhuǎn)子鋼，通過對該汽輪機(jī)鑄鍛件的材料和制造工藝進(jìn)行分析，制造出1000 MW的高中壓轉(zhuǎn)子鍛件。2008年中國第二重型機(jī)械集團(tuán)公司生產(chǎn)出一支1000 MW級超超臨界發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子鍛件。上海重型機(jī)器廠對12%Cr型超超臨界轉(zhuǎn)子鋼進(jìn)行了大量基礎(chǔ)試驗研究，取得了一定的成果[30]。上海汽輪機(jī)廠借鑒歐美轉(zhuǎn)子材料的研發(fā)技術(shù)路線，在添加微量元素B和Co的基礎(chǔ)上，調(diào)整Si、Ni、Mn元素的含量，成功研制了應(yīng)用于620℃蒸汽溫度的轉(zhuǎn)子鍛件，對該轉(zhuǎn)子鍛件的冶金質(zhì)量和綜合性能進(jìn)行了分析，表明該耐熱鋼轉(zhuǎn)子鍛件的各項性能優(yōu)良，可用于蒸汽溫度為620℃的超超臨界汽輪機(jī)機(jī)組。據(jù)相關(guān)部門介紹，2016年8月，我國超超臨界機(jī)組將目標(biāo)蒸汽溫度定為700℃，重點研究國產(chǎn)鎳基合金高溫材料制造的關(guān)鍵部件在700℃下試驗超過30 000 h，形成700℃超超臨界發(fā)電熱力系統(tǒng)和機(jī)組優(yōu)化集成技術(shù)，工況下的發(fā)電凈效率要超過50%。

4 結(jié)束語

國外對12%型超超臨界轉(zhuǎn)子鋼的研究已取得實質(zhì)性突破，尤其是歐洲國家和日本的該類型轉(zhuǎn)子材料的開發(fā)與研制技術(shù)日趨成熟，許多新型轉(zhuǎn)子材料已成功實踐。我國對12%型超超臨界轉(zhuǎn)子材料的研究與歐美、日本等發(fā)達(dá)國家仍有明顯的差距。根據(jù)國內(nèi)外對超超臨界轉(zhuǎn)子材料及其核心制造技術(shù)的研究，我國重點需要解決鋼鐵冶煉中鋼均勻性的本質(zhì)問題。不僅要提高鋼鐵冶煉技術(shù)，還必須采用新一代核電用鋼標(biāo)準(zhǔn)來衡量，這是實現(xiàn)核電用鋼國產(chǎn)化的關(guān)鍵。由于目前核電用鋼種類繁多、規(guī)格復(fù)雜、種類不全面以及標(biāo)準(zhǔn)體系不夠完善，還不能完全滿足核電站建設(shè)的需求，更不能達(dá)到ASME(美國機(jī)械工程師協(xié)會)規(guī)范設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)。因此，我國將面臨材料牌號的確定、生產(chǎn)制造、質(zhì)量要求、檢測方法等一系列工藝技術(shù)的新難題。

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編輯 杜 敏

Research and Development of 12%Cr Type Ultra Supercritical Rotor Material

Gong Hu, Liu Jiansheng, Gong Bo, Xu Yue

Research experience and development situation of 12%Cr type ultra supercritical rotor material in the developed countries have been introduced, and current development status of 12%Cr type ultra supercritical rotor material at home has been described. It has been proved that China possesses research situation of ultra supercritical rotor material and production capability of large sized rotor forgings, which provided direction for research content and development tendency of the ultra supercritical units at home.

12%Cr; ultra super-criticality; rotor material

2016—11—06

龔虎(1989—)，男，碩士研究生，主要研究方向為大型鑄造理論與新技術(shù)。

TG142.73

A