奧氏體合金的制作方法
【專(zhuān)利摘要】一種奧氏體合金，其包含(以重量％計(jì))：C：0.01-0.05Si：0.05-0.80Mn：1.5-2Cr：26-34.5Ni：30-35Mo：3-4Cu：0.5-1.5N：0.05-0.15V：≤0.15余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)，其特征在于40≤％Ni+100×％N≤50。
【專(zhuān)利說(shuō)明】奧氏體合金

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種根據(jù)權(quán)利要求1前序部分所述的奧氏體合金。本發(fā)明還涉及一種 包含本發(fā)明奧氏體合金的燃燒設(shè)備的組件。

【背景技術(shù)】
[0002] 基于生物質(zhì)燃燒的發(fā)電被認(rèn)為是可持續(xù)的和碳平衡的，并且正變成日益重要的能 源。
[0003] 生物質(zhì)燃燒的一個(gè)問(wèn)題是，所用的廣泛生物質(zhì)燃料的燃燒產(chǎn)物是腐蝕性的，并且 可能造成生物質(zhì)發(fā)電設(shè)備中組件上的沉積。生物質(zhì)發(fā)電設(shè)備和常規(guī)蒸汽鍋爐中特別暴露的 是過(guò)熱器、再熱器和蒸發(fā)器。在生物質(zhì)發(fā)電設(shè)備中的另一個(gè)問(wèn)題是，組件中的材料由于發(fā)電 設(shè)備中的高溫和高壓而開(kāi)始蠕變?，F(xiàn)在，生物質(zhì)設(shè)置在150-200巴的壓力下和在500-550°C 的溫度下操作。未來(lái)，生物質(zhì)發(fā)電設(shè)備溫度預(yù)計(jì)會(huì)比現(xiàn)在還要高，600-650°C。這將會(huì)對(duì)發(fā) 電設(shè)備的結(jié)構(gòu)部件的耐熱腐蝕性和抗蠕變強(qiáng)度產(chǎn)生更高的要求。
[0004] 已經(jīng)嘗試增加鋼的耐腐蝕性。例如，US 4876065和W0 0190432描述了在油和天然 氣行業(yè)中被設(shè)計(jì)用于在腐蝕性環(huán)境中使用的鋼。
[0005] 研究進(jìn)一步表明，Mo含量高的奧氏體不銹鋼顯示良好的耐高溫腐蝕性James R. Keisler，Oak ridge National laboratory (橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室），NACE Corrosion (美國(guó) 防腐蝕工程師協(xié)會(huì)腐蝕）2010,第10081期。
[0006] 然而，這些鋼沒(méi)有表現(xiàn)出在生物質(zhì)發(fā)電設(shè)備中適用的所必需的抗蠕變強(qiáng)度。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 因此，本發(fā)明的目的在于獲得一種如下的奧氏體合金，所述合金表現(xiàn)出高耐腐蝕 性和高抗蠕變強(qiáng)度。本發(fā)明的另一個(gè)目的在于獲得包含本發(fā)明合金的蒸汽鍋爐設(shè)備的組 件。
[0008] 根據(jù)本發(fā)明，通過(guò)一種如下的奧氏體合金來(lái)實(shí)現(xiàn)所述目的，所述奧氏體合金包含 (以重量％計(jì)）：
[0009] C ：0. 01-0. 05
[0010] Si ：0. 05-0. 80
[0011] Μη ：1. 5-2
[0012] Cr :26-34. 5
[0013] Ni :30-35
[0014] Mo ：3-4
[0015] Cu :0.5-1. 5
[0016] N :0.05-0. 15
[0017] V 0. 15
[0018] 余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)，其特征在于
[0019] 40 彡％ Ni+100X % N 彡 50。
[0020] 本發(fā)明的奧氏體合金具有良好的耐高溫腐蝕性，特別是良好的耐火側(cè)腐蝕性。通 過(guò)平衡合金中鎳和氮的添加以滿足條件40 < % Ni+100X % N < 50,在合金中進(jìn)一步實(shí)現(xiàn) 高抗蠕變強(qiáng)度和高延性。良好的耐高溫腐蝕性與高抗蠕變強(qiáng)度相結(jié)合使得本發(fā)明的奧氏體 合金非常適合作為蒸汽鍋爐結(jié)構(gòu)部件的材料。本發(fā)明的合金特別適用于在高溫高壓下在腐 蝕條件下操作的生物質(zhì)發(fā)電設(shè)備。
[0021] 優(yōu)選地，所述奧氏體合金滿足了要求：40<% Ni+100X % 50。則所述合金表 現(xiàn)出非常好的抗蠕變強(qiáng)度和高延性。當(dāng)所述材料用于蒸汽鍋爐中時(shí)，這將是有利的，因?yàn)槠?允許所述材料在鍋爐開(kāi)啟和關(guān)閉過(guò)程中高熱塑性地膨脹和收縮。因此，所述材料能夠經(jīng)受 循環(huán)加熱和冷卻而不開(kāi)裂。
[0022] 優(yōu)選地，所述奧氏體合金中二氧化娃（Si)的含量為0. 3-0. 55重量％。因?yàn)樽畹?限度地形成脆的σ相且最低限度地形成含氧夾雜物，從而在合金中實(shí)現(xiàn)非常高的抗蠕變 強(qiáng)度。
[0023] 優(yōu)選地，所述奧氏體合金中碳（C)的含量為0. 01-0. 018重量％，以?xún)?yōu)化耐腐蝕性。
[0024] 本發(fā)明還涉及一種包含本發(fā)明奧氏體合金的用于燃燒設(shè)備的組件，所述燃燒設(shè)備 優(yōu)選地是生物質(zhì)發(fā)電設(shè)備或生物質(zhì)蒸汽鍋爐。
[0025] 所述組件可以例如是過(guò)熱器或再熱器或蒸發(fā)器，優(yōu)選地是此類(lèi)過(guò)熱器、再熱器或 蒸發(fā)器的管，并且其中所述組件當(dāng)處于操作位置時(shí)經(jīng)受煙道氣和高溫。作為可選方案，本 發(fā)明因此可以被限定為燃燒設(shè)備，優(yōu)選地，生物質(zhì)發(fā)電設(shè)備，其包括鍋爐，優(yōu)選地生物質(zhì)蒸 汽鍋爐，其包括布置在鍋爐中并在其操作過(guò)程中經(jīng)受所述鍋爐所產(chǎn)生的煙道氣和熱量的組 件，優(yōu)選過(guò)熱器管、再熱器管或蒸發(fā)器管，其中所述組件包含本發(fā)明的合金。
[0026] 發(fā)明詳述
[0027] 本發(fā)明的奧氏體合金包含以下合金元素：
[0028] 碳（C)
[0029] 碳是奧氏體穩(wěn)定化元素，并且因此在本發(fā)明合金中的含量應(yīng)為至少0.01重量％。 碳因形成碳氮化物而對(duì)增加材料的抗蠕變強(qiáng)度來(lái)說(shuō)更重要。然而，在存在鉻的情況下，碳形 成碳化鉻，碳化鉻增加了晶間腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)。高碳含量還降低焊接性。為了最小化碳化鉻的 形成并確保良好的焊接性，碳含量應(yīng)不超過(guò)〇. 05重量％。為了進(jìn)一步抑制碳化鉻的形成， 碳含量應(yīng)優(yōu)選在〇. 01-0. 018重量％的范圍。
[0030] 硅（Si)
[0031] 硅在鋼生產(chǎn)中被用作脫氧元素。然而，高硅含量對(duì)焊接性不利。為了確保鋼中的氧 含量低并因而夾雜物少，硅含量應(yīng)為至少〇. 05重量％。然而，硅含量應(yīng)不超過(guò)0. 80重量％ 以確保鋼的焊接性。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)硅含量在〇. 30-0. 55重量％范圍內(nèi)時(shí)，本發(fā)明的合金實(shí)現(xiàn) 非常高的抗蠕變強(qiáng)度。據(jù)認(rèn)為，當(dāng)硅含量超過(guò)0.55重量％時(shí)，〇相的形成增加。 〇相降低 本發(fā)明合金的延性，因此也降低抗蠕變強(qiáng)度。低于〇. 30重量％的情況下，抗蠕變強(qiáng)度因含 氧夾雜物的形成增加而減少。
[0032]錳（Μη)
[0033] 錳，同Si -樣，是脫氧元素，而且它也可有效改進(jìn)熱加工性。需要限制錳的最大含 量以控制本發(fā)明合金在室溫下的延性和韌性。因此，錳含量應(yīng)在1. 50-2. 0重量％范圍內(nèi)。
[0034] 鉻（Cr)
[0035] 鉻是改進(jìn)耐火側(cè)腐蝕性和抗蒸汽氧化性的有效元素。為了實(shí)現(xiàn)足夠的耐熱腐蝕性 以用作例如生物質(zhì)燃燒發(fā)電設(shè)備中的鍋爐管，需要至少26%的鉻含量。但是，如果鉻高于 34. 5%，那么鎳含量必須進(jìn)一步增加，因?yàn)檩^高的Cr含量可以增加金屬間相，例如σ相的 形成的風(fēng)險(xiǎn)。因此，鉻含量應(yīng)處于26.0重量％-34. 5重量％的區(qū)間。在本發(fā)明的情況下， 鉻含量在26. 0-29. 0重量％范圍內(nèi)時(shí)獲得非常好的材料性能，因此所述范圍被視為優(yōu)選范 圍或至少更有限的范圍，在此范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)效果。
[0036] 鎳（Ni)
[0037] 鎳是用于如下的目的的必要元素：在本發(fā)明合金中確保穩(wěn)定的奧氏體結(jié)構(gòu)，以使 得如σ相的金屬間相的形成被抑制。 〇相是具有鉻和鑰的硬而脆的金屬間相，其在高溫下 形成。σ相對(duì)鋼的延性和伸長(zhǎng)率具有負(fù)面影響。通過(guò)穩(wěn)定合金中的奧氏體相， 〇相的形成 被最小化。因此，鎳對(duì)于確保鋼的充分的延性的伸長(zhǎng)率是重要的。鎳還對(duì)本發(fā)明合金的耐 蝕性具有正面影響，因?yàn)樗龠M(jìn)鈍化Cr氧化膜的形成，該鈍化Cr氧化膜抑制進(jìn)一步氧化物 生長(zhǎng)、sc.結(jié)垢。在本發(fā)明的合金中，鎳的含量應(yīng)至少為30重量％，以保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、耐 腐蝕性和延性。然而，鎳是相對(duì)昂貴的合金元素，為了保持低的生產(chǎn)成本，應(yīng)限制鎳的含量。 鎳還降低氮在合金中的溶解度，因此，鎳的含量應(yīng)不超過(guò)35重量％。
[0038] 鑰（Mo)
[0039] 在本發(fā)明合金中包含鑰以改進(jìn)鍋爐管火側(cè)的耐熱腐蝕性。添加 Mo還改進(jìn)了本發(fā) 明合金對(duì)一般腐蝕的耐性。然而，Mo是昂貴的元素并促進(jìn)〇相析出，從而導(dǎo)致鋼的韌性劣 化。為了確保良好的耐熱腐蝕性，在所述鋼材中鑰的含量應(yīng)為至少3重量％。鑰的上限為 4重量％，以避免σ相的析出。
[0040] 銅（Cu)
[0041] 添加銅可以通過(guò)析出在基質(zhì)中精細(xì)而均勻地析出的富銅相而改進(jìn)抗蠕變強(qiáng)度。然 而，過(guò)量的銅導(dǎo)致加工性降低。高量的銅也可能導(dǎo)致延性和韌性降低。因此，本發(fā)明合金中 銅的含量應(yīng)處于〇. 5-1. 5重量％的區(qū)間中。在本發(fā)明的情況下，銅含量在0. 8-1. 2重量％ 范圍內(nèi)時(shí)，獲得特別好的結(jié)果，因此，至少出于這個(gè)原因，所述范圍被認(rèn)為是優(yōu)選的范圍或 至少更有限的范圍，在所述范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)效果。
[0042] 氮（N)
[0043] 氮對(duì)奧氏體結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的穩(wěn)定作用，因此降低了 〇相的形成。這對(duì)鋼的延性具 有積極作用。在本發(fā)明合金中，氮的主要作用是，它與碳一起形成呈碳氮化物形式的析出 物。小的碳氮化物粒子通常在鋼的晶界處析出并且阻止位錯(cuò)在鋼晶粒內(nèi)擴(kuò)展。這極大地增 加了鋼的抗蠕變性。本發(fā)明合金中氮的含量應(yīng)為至少〇. 05重量％，以確保穩(wěn)定的奧氏體結(jié) 構(gòu)，并且形成足量的碳氮化物。然而，如果氮以高含量存在，那么可能出現(xiàn)氮化物的大的初 級(jí)析出物，這些析出物降低本發(fā)明合金的延性和韌性。因此，在本發(fā)明合金中的氮含量應(yīng)限 制至0. 15重量％。
[0044] 釩（V)
[0045] 添加釩、鈦或鈮有助于通過(guò)MX相的析出而改進(jìn)蠕變斷裂強(qiáng)度。然而，過(guò)量釩可降 低焊接性和熱加工性。因此本發(fā)明合金中釩含量可允許為< 0. 15重量％。
[0046]磷（P)和硫（S)
[0047] 磷和硫通常在本發(fā)明合金的原材料中以雜質(zhì)形式包括在內(nèi)，并可能造成大量焊接 裂紋。因此，磷應(yīng)不超過(guò)0.035%。硫應(yīng)不超過(guò)0.005%。
[0048] 要求：40 彡％ Ni+100X % N 彡 50
[0049] 在本發(fā)明合金中，鎳含量和氮含量應(yīng)該被平衡以滿足要求：40 Ni+100X % 50。已經(jīng)表明，在此區(qū)間內(nèi)，實(shí)現(xiàn)非常好的抗蠕變強(qiáng)度和延性。據(jù)信，良好的抗蠕變強(qiáng) 度是鎳與氮的協(xié)同效應(yīng)的結(jié)果。優(yōu)選地，鎳含量和氮含量應(yīng)該被平衡以滿足要求：40 < % Ni+100X % N < 45。
[0050] 如上所述，氮形成碳氮化物，所述碳氮化物通過(guò)增加合金中的蠕變應(yīng)變而提升抗 蠕變強(qiáng)度。然而，抗蠕變強(qiáng)度受任何脆性相，例如σ相的負(fù)面影響。添加鎳和氮二者抑制 了鋼中σ相的形成，從而增加合金的斷裂伸長(zhǎng)率或延性。這將降低應(yīng)力集中和可能的裂紋 萌生和擴(kuò)展。因此，這導(dǎo)致抗蠕變強(qiáng)度增加。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0051] 圖1 :合金組成表。
[0052] 圖2 :顯示本發(fā)明合金和對(duì)比合金在600°C下蠕變?cè)囼?yàn)的結(jié)果的圖。
[0053] 圖3 :顯示本發(fā)明合金和對(duì)比合金在650°C下蠕變?cè)囼?yàn)的結(jié)果的圖?！揪唧w實(shí)施方式】 實(shí)施例
[0054] 以下將參照具體的實(shí)施例描述本發(fā)明合金。
[0055] 通過(guò)常規(guī)煉鋼方法制備十爐鋼（steel heat)。各爐鋼的組成列于表1中。制備所 述十爐鋼所根據(jù)的常規(guī)冶金工藝如下：
[0056] 利用A0D法烙煉-熱乳-擠壓-冷乳（cold pilgring)(冷變形）-固溶退火-水 淬?？招陌舨脑跓釘D壓后隨后進(jìn)行冷軋（cold pilgred)，冷變形在40%至80%之間，隨后 視尺寸在1050至1180°C的溫度下進(jìn)行固溶退火。下表列示詳細(xì)信息。
[0057]

【權(quán)利要求】
1. 一種奧氏體合金，其包含（以重量％計(jì)）： C ：0. 01-0. 05 Si ：0. 05-0. 80 Μη ：1. 5-2 Cr :26-34. 5 Ni :30-35 Mo ：3-4 Cu ：0. 5-1. 5 N :0. 05-0. 15 V 0. 15 余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)，其特征在于 40 彡％ Ni+100X % N 彡 50。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的奧氏體合金，其中 40 彡％ Ni+100X % N 彡 45。
3. 根據(jù)任一權(quán)前述利要求所述的奧氏體合金，其中 Si :0· 3-0. 55。
4. 根據(jù)任一權(quán)前述利要求所述的奧氏體合金，其中 C ：0. 01-0. 018〇
5. -種燃燒設(shè)備的組件，其特征在于所述組件包含根據(jù)權(quán)利要求1 一 4中的任一項(xiàng)所 述的奧氏體合金。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的燃燒設(shè)備的組件，其中所述組件是過(guò)熱器或再熱器或蒸發(fā) 器。
【文檔編號(hào)】C22C38/58GK104066862SQ201380006041
【公開(kāi)日】2014年9月24日 申請(qǐng)日期:2013年1月16日 優(yōu)先權(quán)日:2012年1月18日
【發(fā)明者】柴國(guó)才, 揚(yáng)·赫格貝里, 索非亞·阿克松, 烏爾班·福斯伯格 申請(qǐng)人:山特維克知識(shí)產(chǎn)權(quán)股份有限公司