【文章內(nèi)容簡介】 發(fā)展和使用上都有了很大的依賴，所以在今后的發(fā)展中，耐熱鋼的作用將會越來越大。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)論文 6 我們國家使用耐熱鋼的時間是在 20 世紀 70 年代出，可以算是使用耐熱鋼比較早的一個國家，主要是用于大型的火力發(fā)電廠以及大型的壓力容器中。我們國家使用的是 9%～ 12%Cr 的高鉻馬氏體耐熱鋼，這種鋼有很好的蠕變斷裂強度和耐蝕性以及高溫氧化性 [11]。我們國家初期使用的是比較簡單的馬氏體耐熱鋼，但是在長期的高溫服役過程中，這種馬氏體耐熱鋼的高溫強度難以滿足設(shè)備的要求。在后來人們的不斷探索中終于成功的研發(fā)出了具有優(yōu)良的高溫強度、抗高溫 氧化性能的馬氏體耐熱鋼，主要技術(shù)就是在現(xiàn)有的鋼中加入所需要的合金元素，通過彌散強化使馬氏體耐熱鋼滿足現(xiàn)有設(shè)備各方面的要求。 以往用于大型的發(fā)電廠或者大型的壓力容器中的鋼材綜合性能方面達不到設(shè)備的要求，在使用的過程中經(jīng)常會出現(xiàn)故障，尤其是發(fā)電廠以及大型的壓力容器對于溫度的要求都比較高，而傳統(tǒng)的鋼材在實際應(yīng)用中溫度都比較低，不但限制了大型設(shè)備的使用范圍，同時也增加了大型設(shè)備的造價，由于鋼材的耐高溫性不強，所以設(shè)備的重量往往會很高，這樣往往會給設(shè)備在使用的過程中帶來不可避免的危害。因而傳統(tǒng)的鋼材在設(shè)備的應(yīng)用中慢慢 的已經(jīng)淘汰了。同時研究人員也在不斷的研究新的鋼材來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋼材來滿足設(shè)備的要求。馬氏體耐熱鋼的產(chǎn)生解決了研究人員一直困擾的問題，這種鋼材在實際的應(yīng)用中證明了其綜合性能比傳統(tǒng)用鋼要好的多，馬氏體耐熱鋼在使用溫度上大大的降低了，這樣就會減輕設(shè)備的重量和用量，設(shè)備在使用過程中也會很安全的運行，降低了各種風(fēng)險，增加了安全系數(shù)。而隨著社會的不斷進步，科技的不斷發(fā)展，超臨界的出現(xiàn)又對設(shè)備的使用提出了新的要求，主要還是使用的溫度達不到設(shè)備的要求，科研人員又經(jīng)過努力發(fā)現(xiàn)了在上面的馬氏體耐熱鋼中加入一些合金元素會使馬氏體耐 熱鋼在耐高溫方面達到設(shè)備的要求。目前為止我們國家以及世界上的許多國家都在使用馬氏體耐熱鋼，主要是用于超臨界組中過熱器和再熱器中以及大型的壓力設(shè)備中。 馬氏體耐熱鋼的種類和應(yīng)用 耐熱鋼基本都有很好的高溫強度和塑性以及較好的高溫化學(xué)穩(wěn)定性。耐熱鋼的分類通常是根據(jù)其工作的環(huán)境分為熱強鋼和熱穩(wěn)定性鋼。而根據(jù)它的顯微組織又可以將耐熱鋼分為珠光體耐熱鋼、鐵素體耐熱鋼、奧氏體耐熱鋼、馬氏體耐熱鋼 [12]。馬氏體耐熱鋼因其的較多的鉻而被人們稱為鉻鋼。還有其他的合金元素，比如鎢、鉬、釩等等，這些元素的加入主要是為 了提高馬氏體耐熱鋼的高溫強度。 因為馬氏體耐熱鋼具有較好的、全面的性能，常常被應(yīng)用于重要的行業(yè)中，像石油、化工、機械方面應(yīng)該是使用最多的。馬氏體耐熱鋼得名于它在顯微鏡觀察下內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)論文 7 的組織為馬氏體組織，馬氏體耐熱鋼的種類比較簡單，主要是三種即：普通型馬氏體耐熱鋼、改良型馬氏體耐熱鋼、新型的馬氏體耐熱鋼。三種類別鋼的各種性能相差不多，但是還是會有些許的差別，這要看服役的環(huán)境以及其他必要的條件。各個國家對于馬氏體耐熱鋼的使用情況也略有區(qū)別，就像日本和德國比較常用改良型的，而我們國家最常用的應(yīng)該是新型的馬氏體耐熱鋼，因為我 國馬氏體耐熱鋼使用的工作溫度較其他國家的略微高點。如我國新研制的 SAVE1 ZG1Cr10MoWVNbN、 TOS30 TOS30 TR1150、 NF61 NF12 等 [13]。 新型馬氏體耐熱鋼的特性與應(yīng)用 在上個世紀的 70 年代人們研發(fā)出來了馬氏體耐熱鋼并在實際的生產(chǎn)生活中得到了廣泛的應(yīng)用。在那個期間我們國家的壓力容器設(shè)備正在快速發(fā)展，所以對材料的要求也在不斷加強，在此情況之下人們開始不斷的研究新的材料來滿足現(xiàn)在的設(shè)備要求。到現(xiàn)在為止我們國家先后研制出各種大型設(shè)備的全部使用材料，并且在技術(shù)要求的方面也達到了最高的標(biāo)準。新型的馬氏體耐熱鋼的產(chǎn)生是基于利用較少的合金元素得到性能全面的鋼種，已達到減少成本的要求。目前為止，我們國家的各種大型設(shè)備行業(yè)突飛猛進的發(fā)展，對設(shè)備中材料的各種性能都提出了新的要求，但是由于我們國家工業(yè)方面的技術(shù)不斷完善，技術(shù)的進一步提高，生產(chǎn)出具有綜合性能良好的新型馬氏體耐熱鋼已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)。這種新型的馬氏體耐熱鋼的產(chǎn)生必定會在一定程度上提高設(shè)備的各種使用性能，給人們帶來更多的方便。新型馬氏體的組織結(jié)構(gòu)和低碳馬氏體組織結(jié)構(gòu)是一致的，他們的基本組織都是鐵素體，唯一不同的是新型馬 氏體的晶體內(nèi)是板條狀的馬氏體。 隨著科技的進步，人們的節(jié)約能源的意識不斷提高，而大型工程中的設(shè)備的使用是人們一直熱議的話題，所以說提高大型設(shè)備的使用率一直是科研人員研究的向。其實在 90 年代科研人員已經(jīng)有了設(shè)計低碳微合金化的馬氏體耐熱鋼的思路，主要是因為這種鋼具有節(jié)約能源的作用，以及其優(yōu)良的綜合力學(xué)性能，這種鋼材的出現(xiàn)引起一時的轟動，在各個行業(yè)都能看到這種鋼材的使用，因此也得到了快速的發(fā)展。但是進入 20 世紀，由于發(fā)電廠、石油、化工、制造業(yè)的迅速發(fā)展，對于設(shè)備中使用的鋼材也提出新的要求，在科研人員的不斷努力下， 研發(fā)出來了具有良好性能且能滿足現(xiàn)有設(shè)備的使用要求的鋼材，這就是新型的馬氏體耐熱鋼。這種新型的馬氏體耐熱鋼在一定程度上減少了鋼材中的各種不必要的雜質(zhì)，取而代之的是在其中加入了一些必要的微量元素，通過合金強化增強了鋼的強度、韌性、耐高溫性以抗氧化和抗腐蝕性能，滿足了大型設(shè)備的使用要求之外同時也減少了設(shè)備的用量內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)論文 8 和重量，減少了能源的浪費，給人們帶來了方便。 T91 馬氏體耐熱鋼的發(fā)展與應(yīng)用 T91 鋼是美國國立像樹嶺實驗室和美國燃燒工程公司冶金材料實驗室合作研制的新型馬氏體耐熱鋼 ， 它是在 9Cr1MoV 鋼的基 礎(chǔ)上降低含碳量，嚴格限制硫、磷的含量，添加少量的釩、鈮元素進行合金化 [14]。 T91 馬氏體耐熱鋼主要用于大型的壓力容器中，也用于火力發(fā)電廠的大型設(shè)備中，屬于改進型的馬氏體耐熱鋼，這種鋼的高溫?zé)釓娦砸约翱寡趸芰κ瞧渌愪摲N所不能達到的。在相同的服役環(huán)境中，使用 T91 馬氏體耐熱鋼可以在很大的程度上降低成本，節(jié)省能約，主要是因為它的高溫?zé)釓娦栽趯嶋H應(yīng)用中發(fā)揮的重要的作用。 T91 馬氏體耐熱鋼一般都被用在壓力容器設(shè)備中的過熱器和再熱器中，與其他的鋼種比較 T91鋼中碳含量減少很多，同時控制了產(chǎn)生有害氣體的 S、 P 的含 量，添加了合金元素來代替 S、 P 等元素，在環(huán)境保護方面有了很大的改善。 T91 鋼中的合金元素的加入主要是為了增強鋼的抗氧化性能以及抗腐蝕性能。碳是 T91 鋼中重要的元素之一，碳主要是起到提高鋼的強度的作用，隨著碳含量的增加，鋼的強度會呈現(xiàn)出上升趨勢，但是碳含量過多會使鋼的其他性能下降，所以碳的含量的多少需要我們根據(jù)實際情況來決定。 T91 鋼中 Cr 的加入主要是為了增強鋼的抗氧化性能以及抗腐蝕性能，而加入鉬能使 T91 鋼的熱強性得到增強。盡管如此 T91 鋼在焊接過程中還是會出現(xiàn)問題，這就需要在制定工藝或者通過服役環(huán)境的改 善來進一步確保設(shè)備的正常的運行。不僅如此，在今后的發(fā)展中，我們應(yīng)該把研發(fā)的重點放在如何更環(huán)保、更節(jié)約的利用這種鋼，以達到更全面化，普及到國家的各行各業(yè)，造福國家。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)論文 9 第二章 試驗過程及方法 試驗材料 試驗材料 此次試驗所選用的材料是 ? 42mm5mmHR3C 奧氏體不銹鋼與 T91 馬氏體耐熱鋼進行焊接和 ? 42mm6mmHR3C 奧氏體不銹鋼與 ? 42mm6mmHR3C 奧氏體不銹鋼的焊接 。 HR3C 鋼與 T91 鋼母材的化學(xué)組成成分見下表 21。 HR3C 鋼與 T91 鋼常溫下的力學(xué)性能見下表 22。 試樣分為三個組：第一組是 HR3C/HR3C 標(biāo)為 11；第二組是 HR3C/HR3C 標(biāo)為21；第三組是 HR3C/T91 標(biāo)為 31； 表 21 母材的化學(xué)成分表 (ωt%) 表 22 常溫下母材的力學(xué)性能 [15] 焊接材料 奧氏體不銹鋼與馬氏體耐熱鋼的異種鋼焊接的焊接材料一般有兩種，一種是鎳基焊接材料，另一種是奧氏體焊接材料。根據(jù)有關(guān)研究表明，填充材料是鎳基焊接材料的焊接接頭要比填充材料是奧氏體焊接材料的焊接接頭的 早期失效概率低的多。前者的失效概率在運行 10000 小時后還很小，在運行 100000 小時候才剛剛高于百分之一，而后者發(fā)生失效的時間可能在運行 10000 小時前。其失效的概率在運行10000 小時時就已經(jīng)高于百分之一 [16]。此次試驗我們選取的是規(guī)格為 ? 的ERNiCr3 鎳基焊接材料作為填充金屬，化學(xué)成分見下表 23。 母材 C Mn Si Cr Mo W V S P Ni Nb C T91 — HR3C — — — 母材 ? /Mpa Mpa/b? %/? Akv/J HB T91 ≥ 585 ≥ 415 ≥ 20 ≥ 68 ≥ 250 HR3C ≥ 295 ≥ 655 ≥ 30 — — 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)論文 10 表 23 焊絲的化學(xué)成分 焊絲 C Mn Si Cr Mo W V S P Ni Nb C ERNiCr3 — — — 試驗方法 焊前準備 采用機械方法進行下料，坡口型式是 V 型坡口，采用對接的方法進行焊接，不留鈍邊，選擇的開坡口的角度為 30176。，不留焊縫間隙，焊前要對開坡口處的內(nèi)外側(cè)15mm 以內(nèi)進行油、水、銹等雜質(zhì)的徹底處理，一直處理到焊件顯現(xiàn)出金屬光澤才可以施焊。 焊接工藝 鎢極氬弧焊被稱為 TIG 焊，是通過自帶的不熔化的電極與被焊工件之間產(chǎn)生的熱量的一種電弧焊接方式。與其他一般的焊接方法相比鎢極氬弧焊的特點是電弧熱量集中，溫度高，電弧穩(wěn)定性好，焊縫質(zhì)量好。 本次試驗采用的焊接方法是鎢極氬弧焊，所使用的是松下的焊機進行焊接，焊機的型號為 YEC400TX，在焊接的過程中焊機的控制方式為 IGBT 逆變，總電壓為380V，頻率為 30HZ，功率為 ，焊接過程中的額定輸出電流為 400A，電壓為 36V，主載電壓為 80V。焊前要進行預(yù)熱，預(yù)熱溫度在 400450186。C 之間，在焊接平臺上施焊，焊接過程采 用多層焊，總共焊三層，焊完第一層要進行去氧化皮、去焊渣處理，防止影響下次的焊接。具體的焊接參數(shù)見下表 24。 表 24 焊接工藝參數(shù) 項目 11 21 41 電壓 （ A） 89 811 78 電流 （ V） 8590 95103 8088 焊接速度 （ mm/min） 3540 4550 4560 4560 5565 氬氣流量 （ L/min） 12 12 12 背面氬氣流量 （ L/min） 10 10 10 焊接工藝評定 試樣焊后的工藝評定見下表 25。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)論文 11 表 25 焊接工藝評定 拉伸試驗 試驗條件 本次拉伸試驗的內(nèi)容及所有步驟都是按照 GB/T22820xx 金屬室溫拉伸試驗方法來進行的，以 5mm