一种超超临界汽轮机用含B和N的马氏体耐热铸钢材料及制备方法技术

一种超超临界汽轮机用含B和N的马氏体耐热铸钢材料及制备方法，涉及一种耐热铸钢材料及制备方法。耐热铸钢材料中Cr为8.5～9.5wt％，W为2.50～3.50％，Co为2.80～3.30％，不含RE；制备方法：首先称取原料和初炼，然后进行一级精炼和二级钢包精炼，浇注后继续热处理和性能热处理。Cr元素含量作用是提高材料高温强度，不产生δ‑铁素体相；采用电弧炉初炼和两步精炼有利于成分调整及优化，并去除夹杂物；退火、性能热处理能够改善原有的铸造组织和避免有害的δ‑铁素体相产生，提高材料的性能。本发明专利技术适用于制备超超临界汽轮机用含B和N的马氏体耐热铸钢材料。

A Martensite Heat Resistant Cast Steel Material Containing B and N for Ultra Supercritical Steam Turbine and Its Preparation Method

The invention relates to a martensite heat-resistant cast steel material containing B and N for ultra-supercritical steam turbine and a preparation method thereof, and relates to a heat-resistant cast steel material and a preparation method thereof. The content of Cr in heat-resistant cast steel is 8.5-9.5wt%, W is 2.50-3.50%, Co is 2.80-3.30%, and RE is not contained. The preparation methods are as follows: firstly, raw materials and primary refining are weighed, then primary refining and secondary ladle refining are carried out, then heat treatment and performance heat treatment are continued after pouring. The effect of Cr element content is to improve the high temperature strength of the material without producing delta ferrite phase; EAF primary smelting and two-step refining are conducive to the adjustment and optimization of composition and removal of inclusions; annealing and performance heat treatment can improve the original casting structure and avoid harmful delta ferrite phase formation and improve the properties of the material. The invention is suitable for preparing martensite heat-resistant cast steel material containing B and N for ultra-supercritical steam turbine.

【技术实现步骤摘要】
一种超超临界汽轮机用含B和N的马氏体耐热铸钢材料及制备方法
本专利技术涉及一种耐热铸钢材料及制备方法。
技术介绍
随着电厂对汽轮发电机组效率和CO2排放的要求越来越高，机组的参数也越来越高。目前，国内外正在研发蒸汽温度高达650℃的汽轮机技术。这就对汽轮机高温材料提出了很高的要求。美国在上世纪50年代就采用Ni基合金和奥氏体钢制造了主蒸汽温度为650℃的超超临界汽轮机，但是，由于Ni基合金和奥氏体钢固有的物理特性，即线膨胀系数大，导热性差，导致机组部件频繁出现热应力造成的失效问题。现有的含有Cr元素的铁素体耐热钢既具有优异的高温性能，又具有合适的物理特性；电渣重熔方法是将冶炼好的钢铸造或锻压成为电极，通过熔渣电阻热进行二次重熔的精炼工艺，也称ESR。电渣重熔的热源来自熔渣电阻热，重熔时自耗电极浸入熔渣中，电流通过电离后的熔渣，使熔渣升温达到比被熔自耗电极熔点高得多的温度。插入熔渣中的自耗电极端头熔化后形成熔滴，并靠自重穿越渣池，得到渣洗精炼而后在减少空气污染的情况下进入金属熔池。钢锭与结晶器壁之间形成薄的渣皮，既减缓了径向冷却，也改善了成品钢锭表面质量，借助结晶器底部水冷，凝固成轴向结晶倾向和偏析少的重熔钢锭，改善了热加工塑性，由上述可知，电渣重熔工艺适合于制造钢锭，而不适合结构复杂的汽轮机部件的浇筑。并且现有采用电渣重熔方法制备的铁素体耐热钢中N元素和B元素主要以BN夹杂物的形式存在，会降低铁素体耐热钢的高温蠕变强度，因此，铁素体耐热钢的高温蠕变持久性能差。
技术实现思路
本专利技术为了解决现有电渣重熔方法制备的铁素体耐热钢的高温蠕变持久性能差和不适合结构复杂的汽轮机部件的浇筑的问题，提出一种超超临界汽轮机用含B和N的马氏体耐热铸钢材料及制备方法。本专利技术超超临界汽轮机用含B和N的马氏体耐热铸钢材料中元素及重量百分比为：元素及重量百分比为：碳：0.10～0.15％，硅：0.20～0.50％，锰：0.60～1.00％，铬：8.5～9.5％，钨：2.50～3.50％，钴：2.80～3.30％，铌：0.03～0.07％，钒：0.15～0.25％，氮：0.004～0.020％，硼：0.010～0.016％，镍：≤0.20％，铝：≤0.020％，铁为余量；其中不可避免杂质元素及重量百分比为：磷：≤0.015％，硫：≤0.010％，铜≤0.10，砷≤0.025％，锡≤0.015％，锑≤0.0015。上述超超临界汽轮机用含B和N的马氏体耐热铸钢材料的制备方法按以下步骤进行：步骤一、称取原料和初炼：按耐热铸钢材料中元素及重量百分比为：碳：0.10～0.15％、硅：0.20～0.50％、锰：0.60～1.00％、磷：≤0.015％、硫：≤0.010％、铬：8.5～9.5％、钨：2.50～3.50％、钴：2.80～3.30％、铌：0.03～0.07％、钒：0.15～0.25％、氮：0.004～0.020％、硼：0.010～0.016％、镍：≤0.20％、铝：≤0.020％和余量为铁称取硅铁合金、锰铁合金、铬铁合金、钨铁合金、电解钴铁合金、铌铁合金、钒铁合金、氮化铬铁合金、硼铁合金、电解镍铁合金、铝锭和生铁作为原料，将称取的原料置于电弧炉内进行初炼得到熔体；所述初炼温度为1570～1680℃；步骤二、对步骤一得到的熔体进行一级精炼：所述一级精炼为氩氧脱碳精炼或真空吹氧脱碳精炼；所述氩氧脱碳精炼和真空吹氧脱碳精炼在钢包炉中进行；步骤三、对步骤二中一级精炼后的熔体进行二级精炼：所述二级精炼为钢包精炼；步骤四、浇注：在大气条件下将二级精炼后的熔体进行浇注成型，得到铸件；步骤五、对步骤四得到的铸件进行热处理：所述热处理工艺为：首先在1080～1120℃下正火，正火后保温，保温后缓冷至500℃以下切割去除冒口；所述正火后保温时间为：每24～26mm厚铸件保温1h；然后在680～720℃下退火，退火后保温，保温后缓冷至300℃，最后出炉空冷至室温；步骤六、对步骤五中热处理后的铸件进行性能热处理：所述性能热处理工艺为：首先在1100～1140℃下正火，正火后保温，保温后风冷至室温；然后在730～750℃下回火，回火后保温，保温后空冷，即完成。本专利技术原理及有益效果如下：1、本专利技术中，Cr元素含量为8.5～9.5wt％，最佳含量为9wt％，Cr元素的作用是提高钢的抗氧化性，固溶于基体中起到固溶强化作用，形成M23C6等碳化物起到沉淀强化作用，提高材料高温强度；该含量下不会促进δ-铁素体相产生、降低钢的抗氧化性以及降低M23C6碳化物强化相的数量；本专利技术是在630℃等级耐热铸钢材料ZG13Cr9Mo2Co1NiVNbNB基础上，通过添加2.50～3.50％的W，提高Co和B含量，进而提高了材料的高温蠕变持久性能，使其使用温度提高到650℃，解决了使用温度为650℃汽轮机汽缸、阀壳、隔板套等高温部件用材问题；铁素体耐热钢中添加N元素和B元素可以显著提高钢的蠕变持久强度，这主要是通过形成M23(C,B)6型碳化物和M(C,N)型碳氮化物实现的。然而，如果形成BN夹杂物，则会大大减少钢中有效N元素和B元素的含量，从而显著降低钢的蠕变持久强度。但少量BN夹杂物有利于提高钢的塑韧性。本专利技术利用了为耐热钢中N元素和B元素的含量平衡关系；耐热钢中N元素和B元素的含量平衡关系图如图1所示，图中，代表含有为少量的BN夹杂物，■代表不含有BN夹杂物，□代表含有大量的BN夹杂物；由图1可知，本专利技术耐热钢中N和B含量可以保证钢中会形成适量的BN夹杂物，在提高塑性情况下，又不降低蠕变持久强度；RE虽然可以有效的强化晶界，提高材料的高温强度，但是其活性极强，非常容易被氧化，形成夹杂物，从而降低材料的性能，因此本专利技术不含RE；2、本专利技术制备的耐热铸钢材料的的屈服强度Rp0.2≥630MPa，拉伸强度Rm≥700～850MPa，延伸率A≥15％，收缩率Z：≥40％，650℃高温拉伸屈服强度：≥250Mpa；3、本专利技术所采用的精炼炉均为钢包炉，因此能够将钢液倒入铸模中完成复杂结构的浇注。4、本专利技术采用电弧炉初炼，同时采用两步精炼，采用氩氧脱碳精炼或真空吹氧脱碳精炼进行一级精炼，然后采用钢包精炼进行二级精炼，有利于成分调整及优化，并去除夹杂物；本专利技术的预备热处理中，680～720℃下退火可以使材料发生充分的珠光体转变，有效的改善原有的铸造组织，从而提高材料的性能。性能热处理中，淬火温度控制在1140℃以下，有效的避免有害的δ-铁素体相产生；性能回火温度控制在730～750℃之间，既保证材料具有合适的室温强度，又为后续去应力处理提供充分的裕度。附图说明图1为耐热钢中N元素和B元素的含量平衡关系图。具体实施方式：本专利技术技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意合理组合。具体实施方式一：本实施方式超超临界汽轮机用含B和N的马氏体耐热铸钢材料中元素及重量百分比为：碳：0.10～0.15％，硅：0.20～0.50％，锰：0.60～1.00％，铬：8.5～9.5％，钨：2.50～3.50％，钴：2.80～3.30％，铌：0.03～0.07％，钒：0.15～0.25％，氮：0.004～0.020％，硼：0.010～0.016％，镍：≤0.20％，铝：≤0.020％本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超超临界汽轮机用含B和N的马氏体耐热铸钢材料，其特征在于：该耐热铸钢材料中元素及重量百分比为：碳：0.10～0.15％，硅：0.20～0.50％，锰：0.60～1.00％，铬：8.5～9.5％，钨：2.50～3.50％，钴：2.80～3.30％，铌：0.03～0.07％，钒：0.15～0.25％，氮：0.004～0.020％，硼：0.010～0.016％，镍：≤0.20％，铝：≤0.020％，铁为余量。

【技术特征摘要】
1.一种超超临界汽轮机用含B和N的马氏体耐热铸钢材料，其特征在于：该耐热铸钢材料中元素及重量百分比为：碳：0.10～0.15％，硅：0.20～0.50％，锰：0.60～1.00％，铬：8.5～9.5％，钨：2.50～3.50％，钴：2.80～3.30％，铌：0.03～0.07％，钒：0.15～0.25％，氮：0.004～0.020％，硼：0.010～0.016％，镍：≤0.20％，铝：≤0.020％，铁为余量。2.如权利要求1所述的超超临界汽轮机用含B和N的马氏体耐热铸钢材料的制备方法，其特征在于：该制备方法按以下步骤进行：步骤一、称取原料和初炼：按耐热铸钢材料中元素及重量百分比为：碳：0.10～0.15％、硅：0.20～0.50％、锰：0.60～1.00％、磷：≤0.015％、硫：≤0.010％、铬：8.5～9.5％、钨：2.50～3.50％、钴：2.80～3.30％、铌：0.03～0.07％、钒：0.15～0.25％、氮：0.004～0.020％、硼：0.010～0.016％、镍：≤0.20％、铝：≤0.020％和余量为铁称取硅铁合金、锰铁合金、铬铁合金、钨铁合金、电解钴铁合金、铌铁合金、钒铁合金、氮化铬铁合金、硼铁合金、电解镍铁合金、铝锭和生铁作为原料，将称取的原料置于电弧炉内进行初炼得到熔体；所述初炼温度为1570～1680℃；步骤二、对步骤一得到的熔体进行一级精炼：所述一级精炼为氩氧脱碳精炼或真空吹氧脱碳精炼；所述氩氧脱碳精炼和真空吹氧脱碳精炼在钢包炉中进行；步骤三、对步骤二中一级精炼后的熔体进行二级精炼：所述二级精炼为钢包精炼；步骤四、浇注：在大气条件下将二级精炼后的熔体进行浇注成型，得到铸件；步骤五、对步骤四得到的铸件进行热处理：所述热处理工艺为：首先在1080～1120℃下正火，正火后保温，保温后缓冷至500℃以...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕振家，彭建强，鞠红霞，王德彪，刘新新，庞庆，李兴东，徐佰明，于洋，赵义瀚，张小伍，冯天澍，韩亮，
申请(专利权)人：哈尔滨汽轮机厂有限责任公司，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23