轉(zhuǎn)子用12%Cr鋼的技術(shù)發(fā)展

摘 要：通過研究高中壓轉(zhuǎn)子材料的發(fā)展及國(guó)內(nèi)外對(duì)12%Cr鋼的研究現(xiàn)狀，本文對(duì)高中壓轉(zhuǎn)子用鋼12%Cr的發(fā)展、狀況、性能進(jìn)行了初步介紹，并初步探討了化學(xué)成分對(duì)性能的影響，為12%Cr鋼的工藝開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：12%Cr鋼;高中壓轉(zhuǎn)子;高溫性

1、高中壓轉(zhuǎn)子材料的性能要求

高中壓轉(zhuǎn)子工作時(shí)承受著高應(yīng)力、高溫度的雙重作用，還要承受交替變化的熱應(yīng)力，使高中壓轉(zhuǎn)子發(fā)生蠕變損傷和熱疲勞損傷或者二者的疊加，因此，要求其材料必須具有很高的高溫蠕變斷裂強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度[1]。汽輪機(jī)高中壓轉(zhuǎn)子材料的選擇除要考慮材料對(duì)沖擊韌性、疲勞強(qiáng)度、脆性轉(zhuǎn)變溫度的要求外，還要考慮：在工作溫度下，具有優(yōu)異的蠕變斷裂強(qiáng)度，良好的組織穩(wěn)定性;要求熱導(dǎo)率高和膨脹系數(shù)小;制作大型鋼錠時(shí)組織偏析小;淬透性和工藝性能良好[2]。目前，高中壓轉(zhuǎn)子的材料主要為CrMoV、12%Cr鋼、改進(jìn)型高Cr鋼，并且正在發(fā)展新12%Cr鋼及奧氏體鋼、超合金，其中最常用的材料是CrMoVWNbN鋼， Cr元素的含量從1%～13%不等。

2、12%Cr鋼的技術(shù)發(fā)展

（1）國(guó)外技術(shù)發(fā)展

德國(guó)KWU公司制造出第一支用于汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組的12%CrMoV超臨界轉(zhuǎn)子鋼。隨后美國(guó)、日本相繼生產(chǎn)出各自的12%Cr型超臨界轉(zhuǎn)子。目前，已經(jīng)開發(fā)的12%Cr鐵素體耐熱鋼有12Cr1MoV鋼（HT91）、12Cr1MoWV鋼（HT91）、12Cr1Mo1WVNb鋼（HC12）、12Cr0.5Mo2WCuVNb鋼（HCM12A），開發(fā)的12CrWCoNiVNb鋼（NF12）和12CrWCoVNb鋼（SAVE12）作為650℃等級(jí)材料，以提高高溫下的抗氧化性。

日本迄今開發(fā)了多種12%Cr型耐熱鋼用作在566℃以上工作的高溫轉(zhuǎn)子材料[2-3]，并且生產(chǎn)了一系列能用于593℃、621℃及648℃高參數(shù)的12%Cr改進(jìn)型的系列鋼種，TMK1、TMK2、TR1200，TMK1、TMK2已廣泛應(yīng)用于制造超超臨界高中壓轉(zhuǎn)子。改進(jìn)型轉(zhuǎn)子鋼的性能表現(xiàn)為持久強(qiáng)度、斷裂韌性、疲勞特性都得到了顯著提高，工藝特點(diǎn)是：減少Si、S含量、雜質(zhì)元素含量，減少鑄件內(nèi)部偏析，添加W、Nb、N、B等合金元素以提高蠕變斷裂強(qiáng)度，并適當(dāng)降低Cr含量;改進(jìn)熱處理工藝，使金相組織為均勻的回火馬氏體組織或鐵素體。TOS101主要作為566℃工作的轉(zhuǎn)子材料，具有更高的蠕變斷裂強(qiáng)度。TOS107用于593℃工作的高壓-低壓聯(lián)合轉(zhuǎn)子材料，由于W的固溶強(qiáng)化作用，蠕變斷裂強(qiáng)度得到很大提高。TOS110中W含量更高，并添加Co和B，降低了Mo含量，蠕變斷裂強(qiáng)度更加優(yōu)異，用于630℃以上工作的超超臨界汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組。TMK系列鋼具有非常優(yōu)異的蠕變破斷強(qiáng)度，有的可滿足超超臨界機(jī)組的使用要求。TR1200鋼是日本新開發(fā)的可以用在593℃以上高溫的高中壓轉(zhuǎn)子鋼，并有進(jìn)一步提高使用溫度的潛力。

歐洲開發(fā)了10.5CrMoVNbWN系的COST‘E轉(zhuǎn)子鋼和10.2CrMoVNbN系的COST‘F轉(zhuǎn)子鋼。美國(guó)已開發(fā)的應(yīng)用于566℃超臨界汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子鋼有AISI422、GE鋼及其改進(jìn)型等。表2列出了已經(jīng)運(yùn)用于不同超臨界參數(shù)機(jī)組高、中壓轉(zhuǎn)子鋼的化學(xué)成分[4-6]，這些新型的12%Cr轉(zhuǎn)子鋼在超臨界高壓蒸汽條件下具有非常優(yōu)良的抗蠕變斷裂性能，高溫強(qiáng)度和常溫韌性。

（2）國(guó)內(nèi)技術(shù)發(fā)展

我國(guó)發(fā)電設(shè)備制造行業(yè)已經(jīng)全面掌握了300MW、600WM亞臨界機(jī)組的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)，已具備600MW亞臨界參數(shù)機(jī)組的制造能力，技術(shù)水平也接近國(guó)際先進(jìn)水平。對(duì)于超臨界技術(shù)，國(guó)內(nèi)很早就進(jìn)行了跟蹤研究 [7]，國(guó)內(nèi)從2003年開始對(duì)12%Cr超超臨界轉(zhuǎn)子用鋼及制造技術(shù)進(jìn)行研究。哈爾濱汽輪機(jī)廠與重機(jī)廠聯(lián)合開展了12%Cr轉(zhuǎn)子鋼的研制課題，就600MW ～1000MW超超臨界汽輪機(jī)鑄鍛件材料與制造工藝進(jìn)行合作研究，已成功生產(chǎn)出鋼錠重97t的1000MW超超臨界機(jī)組高壓轉(zhuǎn)子。上海重型機(jī)器廠也對(duì)12%Cr超超臨界轉(zhuǎn)子用鋼進(jìn)行了大量的基礎(chǔ)性研究。中國(guó)第二重型集團(tuán)公司在2008年生產(chǎn)出一支百萬千瓦機(jī)組超超臨界發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，填補(bǔ)了我國(guó)百萬千瓦級(jí)超超臨界發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子生產(chǎn)空白。

（3）12%Cr鋼的冶煉工藝

目前，12%Cr鋼的冶煉工藝有EAF+LF+VCD/ESHT/ESR/PESR，12%Cr鋼冶煉難度大，電弧爐冶煉時(shí)產(chǎn)生的以鉻氧化物為主的夾雜物易于凝集在鋼錠底部，且鋼錠下部易形成含碳量少的負(fù)偏析區(qū)，對(duì)于含有Co、B等元素的12%Cr轉(zhuǎn)子鋼，必須采用ESR（電渣重熔法）冶煉，才能獲得高純凈度和均質(zhì)的鋼錠，避免成分偏心，獲得均勻組織[8-9]。

3、結(jié)論

CrMoV低合金鋼在566℃下達(dá)到使用極限，普通12%Cr鋼在593℃以上時(shí)蠕變強(qiáng)度不足，其性能已不能滿足發(fā)展的需要，改進(jìn)型12% Cr鋼和新12% Cr鋼由于添加合金元素及對(duì)化學(xué)成分的調(diào)整，性能得到很大提高，是超臨界和超超臨界高中壓轉(zhuǎn)子的主要材料。本文在國(guó)內(nèi)外對(duì)轉(zhuǎn)子用12%Cr鋼研究的基礎(chǔ)上，對(duì)其技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了初步分析，為工藝開發(fā)奠定一定的基礎(chǔ)。

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作者簡(jiǎn)介：

段飛虎（1986年3月），性別：男，民族：漢族，籍貫（精確到市）：河南省周口市，當(dāng)前職務(wù)：審查員，當(dāng)前職稱：助理研究員，學(xué)歷：碩士研究生，研究方向：金屬無切削加工.