鍋爐高強低合金鋼材料的研制技術分析

侯學軍

鞍山市特種設備監督檢驗所

高強度低合金鋼是一種含碳量和合金元素都較低，但機械強度較高的鋼材料。它的機械性能和抗腐蝕能力都比一般碳鋼要優秀許多。高強度低合金鋼的典型應用在大型結構中，如；汽車，起重機，鍋爐等，其在鍋爐中的應用因為自身具備較高的蠕變斷裂強度而備受歡迎，本文將從研制技術的角度出發，結合鍋爐高強度低合金鋼材料的實際，對鍋爐高強低合金鋼材料的研制技術進行簡要的分析。

前言

高強度低合金鋼在鍋爐制造中的應用，其最大的優勢就在于自身極高的強度，在鍋爐用料標準10000h 外推蠕變斷裂強度上要比傳統的鋼材高1.8 倍。同時因為碳含量比較低，所以其自身的焊接性能也較為優秀，作為鍋爐用鋼其本身優異的焊接性能為鍋爐的加工提供了更多的便利。當前對于這樣一種優秀的鍋爐用鋼材料的研制技術分析具有鮮明的現實意義。

應用性能

顯微組織和韌性

高強低合金鋼材料因為自身碳元素含量和其他金屬元素的含量比較低，所以材料自身的強度極高。合金元素的含量低還為高強低合金鋼材料帶來了一個好處，那就是韌性的提升。從微觀角度分析高強低合金鋼材料通體由回火貝氏體組成，不含有鐵素體，在傳統的鋼材料中因為鋼材自身的碳含量較高，其中蘊含的碳元素極容易與鋼材中的其他元素在高溫鍛制過程中形成化合物，比較典型的就是Mo2C，這種碳化合物本身的強度是較低的，所以其在鋼材內部的存在會導致鋼材內部容易形成一種空心效應，進而降低鋼材的整體強度。而在高強低合金鋼材料中因為自身的碳含量比較低，所以主要的沉淀物是V、M23C6 和M2C 等化合物，并沒有W2C 這樣的軟質化合物，高強低合金鋼材料因為內部V、M23C6 和M2C 等化合物的存在而大大提高了自身的韌性，因為這些化合物本身是一種硬質化合物，其在高強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。高強低合金鋼材料的這種高韌性特點直接導致了其在鍋爐中應用的高效性，其在經過熱處理以后自身的沖擊值差別很小，轉變溫度極低。

高溫性能

作為鍋爐用材料其自身必須要具備極強的高溫性能，這種性能主要包括有高溫時的抗拉伸強度、屈服強度以及蠕變斷裂強度，其中蠕變斷裂是指材料在長時間的恒溫恒應力作用下緩慢產生塑性變形的現象稱為蠕變。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主要性能考察指標，因為鍋爐用材料的固有特性在長時間的高溫狀態下受到長時間的固定應力影響其自身會產生塑性形變，這種形變對鍋爐的系統的影響是極為嚴重的，會導致鍋爐整體發生形變，鍋爐與配套系統之間結合嚴密度下降，鍋爐整體的運行效率下降等等嚴重的后果。高強低合金鋼材料在室溫下的抗拉伸強度為600MPa，在室溫下的屈服強度為500MPa，這種抗拉伸和屈服性能都大大超過了傳統的鍋爐用鋼材料，同時其自身在延展性方面的超強性能也能夠滿足鍋爐管道的設計要求。

為了考察高強低合金鋼材料的外推蠕變斷裂強度，對高強低合金鋼材料進行了長達10000h 的測試，在測試過程中模擬了鍋爐燃燒過程中的高溫和膨脹氣體向外的推力。測試結果顯示高強低合金鋼材料在600℃高溫下10000h 的外推蠕變斷裂輕度比傳統鋼材高1.8 倍。高強低合金鋼材料的這種超高的蠕變斷裂強度是因在鋼材鍛制過程中用W 代替了部分的Mo 并添加了微量的B 獲得的。

長期時效性能

鍋爐用鋼材因為鍋爐運行的特殊性，其不僅要面對長時間的高溫考驗，同時也會面對巨大的溫差變化，在鍋爐系統運行過程中往往需要經受極長時間的高溫烘烤，在鍋爐系統停機時期自身的溫度又會迅速下降。鍋爐用鋼材料在面對巨大溫差變化的同時自身還要保持一定的結構強度，為了驗證高強低合金鋼材料的這一方面的性能，在經過外推蠕變斷裂強度試驗以后，進行了0 度沖擊試驗。所謂0 度沖擊試驗就是指在材料經過高溫試驗以后，通過冰水混合物、酒精、液氮等溶液將試驗目標的溫度降到0度左右并進行材料的抗沖擊性能試驗，零度沖擊試驗是為了驗證試驗材料在極端環境中的機構強度，在鍋爐的運行過程中因為鍋爐材料要經過長時間的高溫烘烤，其自身的韌性會出現一定的下降，這種韌性下降在低溫狀態下會導致鍋爐整體的結構強度脆化在外力作用下容易發生形變和破裂，所以對鍋爐用材料在持續高溫下的韌性下降程度考察十分必要，經過10000h 的外推蠕變斷裂強度實驗以后高強低合金鋼材料已經具備了進行抗沖擊試驗的條件，經過低溫沖擊試驗測試表明即使經過長時間的使用，其自身也能夠保證較強的抗沖擊能力。

高溫抗腐蝕性能

在鍋爐運行的過程中，其內部會產生對鋼材料本身的腐蝕性，這種腐蝕主要表現為兩種形式一種是高溫熱腐蝕、一種是蒸汽氧化性腐蝕，金屬材料在高溫下由于環境因素反應而沉積在其表面上的沉積物在氧和其他腐蝕性氣體同時作用下加速腐蝕的現象稱為熱腐蝕。抗氧化性，是指金屬材料在高溫時抵抗氧化性氣氛腐蝕作用的能力稱為抗氧化性。經過系統試驗可以明顯看出高強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的鍋爐用鋼材料持平。

加工性能

焊接性能

高強低合金鋼材料因為自身的含碳量較低，所以其在焊接活動中表現出了很低的淬硬性，其焊接性能得到了極大的提升。在傳統的鍋爐用鋼中因為要優先保證鋼材料在應用活動中的高溫性能、結構強度和耐腐蝕性等工作需求，所以傳統鋼材料往往在應用性能上較強，而在以焊接性能為主的加工性能上較差，導致在鍋爐用鋼材料的加工和組裝過程中存在著嚴重的困難，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用性能才能讓鍋爐用鋼材料實現自己的價值，發揮應有的作用。所以在傳統的鍋爐用鋼材料的應用中一般都會采取高溫加工或者預熱的措施來降低鋼材料的加工的難度。但是與此同時鋼材料加工的效率就大大降低了。新型高強低合金鋼材料因為自身的碳含量比較低，所以表現出了極強的機械性能，在試驗活動中利用Y 型坡口限制焊接裂紋試驗來對其裂紋敏感性進行測試，測試結果表明高強低合金鋼材料即使是在室溫條件下進行焊接，其本身也不會產生裂紋，說明高強低合金鋼材料具有極為優秀的焊接性能。

焊接接頭性能

鋼材料在加工活動中一個重要的加工指標就是其焊接接頭的性能，高強低合金鋼材料作為一種新型鋼材料其在研發過程中就配屬了專業的焊接消耗材料，用于焊接接頭的焊接。焊接接頭的性能會產生對鍋爐整體連結性能的影響，在實驗測試中可以發現在20℃的溫度下不經過焊后熱處理，高強低合金鋼材料的焊接接頭硬度也保持在HV300～350 的低值，這表明高強低合金鋼材料的焊縫不需要焊前預熱和焊后的熱處理，就能達到相對較高的焊接強度。對焊接接頭進行焊后的熱處理往往能夠將焊接接頭的強度進一步提升。

在鍋爐建造中應用高強低合金鋼材料，是一種整體性的應用也就是說高強低合金鋼材料的焊接接頭的各方面性能，都應該達到與高強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度，一般來講在鋼材料焊接接頭的蠕變斷裂強度會隨著溫度的提升和時間的延長而降低，但是在高強低合金鋼材料中應用的焊接接頭在550℃、600℃、650℃溫度之下，其自身的蠕變斷裂強度基本沒有發生改變。

結語

高強低合金鋼材料作為一種優秀的低碳鋼材料，其自身在外推蠕變斷裂強度、韌性、耐腐蝕性能上都有較為突出的優勢，本文從應用性能和加工性能兩個角度對這一鋼材料的研制技術進行了簡要的分析，以期為鍋爐高強低合金鋼材料的研制技術水平提升提供支持和借鑒。