超超臨界汽輪機轉子用耐熱鋼研究進展

熊林敞　田仲良

(1.寶山鋼鐵股份有限公司規劃與科技部，上海　201900;2.鋼鐵研究總院特殊鋼研究所，北京　100081)

超超臨界(Ultra Super Critical)燃煤發電機組具有能耗低、熱效率高、運行可靠等優點，已成為世界火電裝備發展的主流。目前投入運營的火電機組蒸汽溫度為600～625 ℃，熱效率可達45%。下一代700 ℃超超臨界機組熱效率可高達50%[1- 3]。

轉子是汽輪機中的重要零件，其質量約為幾十t到上百t，在高溫、高壓環境中高速旋轉帶動發電機發電，其材料性能的提升帶動著超超臨界機組的發展[4]。

1　轉子耐熱鋼及其性能要求

1.1　轉子耐熱鋼

目前火電機組用耐熱鋼主要有奧氏體耐熱鋼和鐵素體耐熱鋼。奧氏體耐熱鋼存在熱膨脹系數大、導熱系數低、抗疲勞性能差等諸多不足，不能用來制造較大型的轉子。因此，早期汽輪機尺寸都較小，發電量也較低。同時奧氏體鋼熱膨脹和高溫下的腐蝕導致汽輪機關停時存在一系列的問題，直到鐵素體耐熱鋼的出現才使這些問題得到解決，汽輪機得以快速發展[5]。

鐵素體耐熱鋼具有熱導率高、熱膨脹系數低、抗疲勞性能好、抗晶間腐蝕和抗應力腐蝕性能良好以及較低的生產成本等特點，已成為大截面主蒸汽管道、蒸汽輪機轉子及葉片等USC關鍵部件的候選材料。

1.2　轉子耐熱鋼的性能要求

低壓轉子的工作溫度一般不超過400 ℃，性能要求以常溫及高溫瞬時力學性能為主；高、中壓轉子在400 ℃以上工作，除常溫及高溫瞬時力學性能外，更重要的是高溫長期服役條件下材料的力學性能穩定性。

對650 ℃級USC汽輪機轉子用耐熱鋼的要求可歸納如下[6- 7]：

(1)較高的韌性、強度及疲勞強度；

(2)650 ℃下105h持久強度達到100 MPa；

(3)良好的抗氧化和耐腐蝕性能；

(4)較高的熱導率和較小的熱膨脹系數；

(5)優異的鍛造性能和良好的焊接性能。

2　轉子耐熱鋼的發展

2.1　轉子耐熱鋼的早期發展

早在20世紀40年代，為滿足渦輪盤和汽輪葉片的要求，12%Cr(質量分數，下同)鋼得到了廣泛的研究。20世紀50年代開發出的H46、Fv448等鋼種，都具有良好的持久強度。1955年德國KWU公司制造出第一支12%CrMoV鋼超臨界汽輪機轉子。20世紀50、60年代美國在H46的基礎上降低Nb、Cr含量得到10.5Cr1MoVNbN(GE)以及GE改進型，同時還在12CrMoV鋼的基礎上開發出含W的12%Cr轉子用AISI- 422鋼。日本在H46基礎上添加硼開發出了10.5Cr- 1.5MoVNbB鋼，用于小型汽輪機轉子[6]。

2.2　鐵素體轉子耐熱鋼的演變

圖1是高、中壓轉子耐熱鋼的演變過程，化學成分見表1[8]。最初轉子材料以CrMoV鋼為主，最高使用溫度為545 ℃。為滿足更高的溫度和耐腐蝕性要求，引入了12CrMo系的X12CrMoV121鋼，其最高使用溫度為560 ℃。隨后在12CrMoV鋼的基礎上添加Nb和Ta形成碳化物，以提高使用溫度。日本通過添加Ta+N，通用電氣通過添加Nb+N，西屋電氣通過添加W，產生了三種轉子用鋼，分別為11CrMoVTaN、11CrMoVNbN、12CrMoVW鋼，使用溫度達到了565 ℃。20世紀80年代，隨著汽輪機耐熱材料研究的發展，轉子用鋼的使用溫度提升到了593 ℃。在Nb- N或Ta- N鋼中添加W來改善固溶強化作用，如日本開發的TOS107(也稱為GE改進型)和歐洲COST 501開發的X12CrMoVWNbN1011(E型)。TMK1或TR1100合金則是將Mo由1%提高到1.5%形成穩定的碳化物，其性能優于之前的12Cr鋼。

620 ℃級轉子鋼的演變有兩種不同的途徑。一種是歐洲COST501研制的X18CrMoVNbB91鋼，是在X12CrMoVWNbN鋼的基礎上添加B去除W，達到620 ℃蠕變強度的要求。另一種是日本在TOS107的基礎上，將W的質量分數由1%提高到1.84%的TMK2。

650 ℃級轉子鋼是在620 ℃級鋼中添加3%Co和0.01%B，并繼續提高W的質量分數到2.7%而得到的HR1200和FN5，該等級的轉子鋼105h斷裂強度大于125 MPa。

圖1　HP/IP汽輪機轉子用耐熱鋼的演變Fig.1　Evolution of heat- resistant steels for HP/IP steam turbine rotor

表1　高溫汽輪機轉子用耐熱鋼的化學成分(質量分數)Table 1　Chemical composition of the heat- resistant steels for high- temperature rotor(mass fraction)　%

3　超超臨界轉子用耐熱鋼研究進展

3.1　高中壓轉子用耐熱鋼

為滿足高參數超超臨界汽輪機高溫部件用材料的要求，歐洲開展了COST項目[9]。該項目分COST 501(1986- 1997)、COST 522(1998- 2003)和COST 536(2004- 2009) 3個階段，完成了600和625 ℃汽輪機轉子鍛件用材的開發，材料成分見表2[10- 11]。COST 501項目開發的轉子用鐵素體- 馬氏體耐熱鋼包括COST F、COST E和COST B。COST F(與日本TMK1 相似)是在COST E的基礎上，將Mo質量分數由1%提高到1.5%并去除W而研制成的。相比于常規材料，這類材料的蠕變強度和在制造、焊接過程中的抗脆裂性能大大改善。COST E和COST B是在9%～10%Cr基礎上分別添加1.5%Mo和1%Mo+1%W，以提高材料的蠕變強度，將使用溫度提高到600 ℃以上。目前已用COST F制造出直徑1 380 mm重44 t的轉子，用COST E制造出直徑1 280 mm重45 t的轉子，均已應用于600 ℃的高溫環境中[12]。

COST522項目在9%～10%Cr鋼中添加Co、B去除W而獲得成分為9Cr- 1.5Mo- 1Co- 0.010B 的FB2耐熱鋼，能滿足620 ℃級汽輪機高、中壓轉子的性能要求，被廣泛應用于德國和美國的火電廠[10]。FB2鋼均勻細小的馬氏體組織和高的位錯密度使其具有良好的蠕變強度，經過105h時效處理后蠕變強度達到100 MPa左右，相應的蠕變斷后伸長率大于10%，FB2鋼室溫屈服強度大于700 MPa，且淬透深度最少可達1 200 mm[13]。

表2　COST轉子用耐熱鋼的化學成分(質量分數)Table 2　Chemical composition of the heat- resistant steels for COST rotor(mass fraction)　%

COST522中Boehler通過電渣澆注(BEST)工藝試制了第一支重約17 t的FB2鋼轉子。另一支FB2鋼轉子在Saarschmiede工廠通過電渣重熔(ESR)工藝試制，其直徑1 200 mm、長4 000 mm、總重28 t。該轉子鋼加入了100×10-6的B和1.2%的Co，成分見表3[12,14]。

FB2鋼的熱處理工藝為：1 100 ℃/17 h奧氏體化，噴水淬火。經570 ℃/20～24 h/空冷、700 ℃/20～24 h/空冷兩次回火，可保證形成回火馬氏體。超聲檢測(2 MHz)結果表明，直徑1 215 mm的鍛件熱處理后最小可探測缺陷的尺寸為2 mm， 滿足該尺寸高壓汽輪機轉子的要求(圖2)。如圖3所示， 鍛件心部與邊緣性能的均勻性優良[12]。

表3　COST FB2鋼的化學成分和ESR試制成分(質量分數)Table 3　Specified and ESR composition of COST FB2 steel(mass fraction)　%

圖2　FB2鋼鍛件超聲檢驗的部位和可探測的 最小缺陷的尺寸Fig.2　Positions of ultrasonic inspection and sizes of detectable minimum defects in the FB2 steel forging

圖3　圖2所示鍛件的取樣部位和力學性能測試結果Fig.3　Sampling positions in the forging shown in Fig.2 and resulting mechanical properties

意大利 Societa della fucine Termi (SDF)公司采用傳統工藝試制了第三支FB2鋼轉子，其最終重量為28 t。三種轉子的尺寸見圖4[10]。

COST536項目研究了600～650 ℃時硼對材料性能的影響[15]。研究表明，B減緩了M23(C,B)6的粗化，合適的B、N含量可避免BN轉變為有害的Z相。優化B、N含量，并降低COST B2中Mn的含量、增加Mo獲得了COST FB4鋼，其成分見表4。

圖4　三種轉子的尺寸對比Fig.4　Sizes of three rotors

COST536項目中Saarschmiede公司試制了直徑1 250 mm、重30 t的FB4鋼轉子。熱處理后鍛件超聲檢測心部最小缺陷的尺寸為1.1 mm，達到了無硼10%Cr轉子鋼的范圍，明顯低于含硼的FB2鋼。

3.2　低壓轉子耐熱鋼

超超臨界低壓轉子應滿足[16]：(1)高的強度和韌性，良好的塑性；(2)低的韌脆轉變溫度；(3)較高的斷裂韌度； (4)較小的殘余應力； (5)良好的淬透性；(6)整體性能均勻。超純凈30Cr2Ni4MoV鋼較高的持久強度、良好的抗氧化、抗腐蝕性能及低周疲勞性能，已能滿足目前超超臨界機組低壓轉子的性能要求。

表4　三種COST鋼的成分(質量分數)Table 4　Composition of three COST steels(mass fraction ) 　%

20世紀60年代，世界先進工業國研制了低碳2%～4%NiCrMoV鋼(ASTM A470 5、6、7級鋼)[17]，其心部組織基本為貝氏體，具有高的強度、良好的塑性與低溫韌性，韌脆轉變溫度(FATT)在室溫以下。20世紀80年代，我國引進了美國西屋公司的300MW和600MW亞臨界機組制造技術[18]，30Cr2Ni4MoV鋼作為低壓轉子材料，其成分與國外的3.5%NiCrMoV鋼相同。這種鋼因具有高強度、良好的淬透性和低溫韌性而用于當時汽輪機轉子。其缺點是易產生回火脆性，易形成粗大的奧氏體晶粒，伴有組織遺傳現象。目前，國內外已對30Cr2Ni4MoV鋼的組織及性能進行了深入的研究[19- 22]。

采用純凈化冶煉工藝嚴格控制有害元素生產的超純凈30Cr2Ni4MoV鋼，改善了350 ℃以上長期時效后的脆化傾向。與常規純度30Cr2Ni4MoV鋼相比，超純凈30Cr2Ni4MoV鋼高溫持久強度、腐蝕疲勞抗力、低周疲勞性能均有所提高。表5是不同國家超純凈的轉子用3.5%NiCrMoV鋼的化學成分[18]。

純凈的30Cr2Ni4MoV鋼的冶煉工藝為電弧爐煉(EAF)- 鋼包精煉(LF)- 電渣重溶(ESR)- 真空澆注(VCD)等現代冶金技術[23- 24]，控制P、Si、Mn、As、Sn等有害元素含量。低壓轉子材料的純度得到了較大幅度的提高，力學性能也得到了明顯的改善，轉子的韌脆轉變溫度為-20 ℃左右。

表5　國外轉子用超純凈3.5%NiCrMoV鋼的化學成分(質量分數)Table 5　Chemical composition of foreign ultra- pure 3.5%NiCrMoV rotor steels (mass fraction) 　%

3.3　我國700 ℃汽輪機轉子用耐熱材料展望

700 ℃超超臨界發電技術尚處于研發階段，汽輪機高中壓轉子候選材料以鎳基耐熱合金為主。700 ℃汽輪機轉子的發展技術路線主要有兩條，一是整體鍛造高溫耐熱合金轉子，二是采用焊接工藝生產轉子，即高溫部分為鎳基耐熱合金，中溫部分為鐵素體耐熱鋼。我國的科研院所、高校、冶金企業等都已開展700 ℃超超臨界轉子高溫材料的研究工作，在借鑒國外研究成果的基礎上，發揮各自的技術優勢，將會在短時間內取得技術突破。以形成具有自主知識產權的700 ℃超超臨界汽輪機轉子用鎳基耐熱合金技術為目標，實現我國700 ℃超超臨界汽輪機轉子的自主制造。

4　結束語

隨著冶煉、鍛造、熱處理技術的不斷進步，600 ℃超超臨界汽輪機轉子用鐵素體耐熱鋼得到了快速發展，促進了600 ℃電站的建設。未來研發700 ℃超超臨界電站用汽輪機轉子仍需進一步加強“產學研”合作及基礎理論的研究，以實現我國700 ℃超超臨界汽輪機轉子的自主制造。

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