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什麼是耐熱鋼

什麼是耐熱鋼?

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耐熱鋼是指在高溫下具有較高强度和良好的化學穩定性的特殊鋼。它包括抗氧化鋼(高溫不起皮鋼)和熱强鋼兩類。抗氧化鋼通常在550~1250℃溫度區間內使用,要求較好的化學穩定性(如抗氧化性及抗高溫腐蝕能力等),但承受的載荷較低,對抗蠕變及抗蠕變斷裂能力要求不高。熱强鋼通常在450~900℃溫度區間內使用,承受應力較大,要求資料兼有良好的抗蠕變、抗破斷性和抗氧化效能。
耐熱鋼用途廣泛。熱電廠的鍋爐、汽輪機和燃氣輪機的主體設備構件都是由耐熱鋼製造的。在石油化工方面的煉油、合成氨及乙烯裝置的關鍵設備均離不開耐熱鋼。此外還廣泛用作冶金、機械、建材、輕工等各種工業爐窯中的耐熱結構資料。在煤的液化、氣化及核能方面(如高溫氣冷堆、快堆)一些覈心部位的結構資料也大量採用耐熱鋼。
簡史由於電站,石油化工工業發展的需要,在20世紀30年代就發現了鉬是提高耐熱鋼熱强性的有效元素,在低碳鋼中加入0.5%鉬,工作溫度可以從450℃提高到500℃。為了解决含鉬鋼石墨化的問題,發展了低合金鉻鉬鋼,英國1938年就把含0.8%鉻、0.5%鉬的鋼(相當15CrMo)用於鍋爐過熱器,其後又發展了效能更高的10.25鉻-0.5鉬及2.25鉻-1鉬等鋼種。為了進一步提高鋼的熱强性,節約鉬資源,發展了鉻鉬釩鋼系列,前蘇聯的12CrlMoV就是典型代表,現在仍然是製造電站鍋爐的主要資料。
20世紀50年代中國開始引進和生產低合金鉻鉬鋼和鉻鉬釩鋼,用於電站鍋爐及石油化工等方面。低合金耐熱鋼以價廉、工藝性能良好等特點一直受到重視,為了進一步提高鋼的效能和工作溫度,60年代以來,國內外通過大量的研究工作,研製出多元的低合金熱强鋼,工作溫度達600~620℃並在使用中部分代替了鎳鉻奧氏體鋼。如中國研製的12Cr2MoWVTiB(102)鋼,其效能超過了其他國家同類鋼的水准,作為過熱器管等已在中國200、300、600Mw機組中普遍應用。
中高合金耐熱鋼基本上是和不銹鋼同時發展起來的,1914年德國史特勞斯等指出,含足够鎳和鉻的鋼具有抗氧化和耐酸作用,1920年以後逐漸研製出鉻和鉻鎳不鏽耐熱鋼,並形成了多種分支。如以12鉻型的中合金耐熱鋼為主的葉片鋼系列,主要用作汽輪機,燃氣輪機葉片;汽車耕耘機中內燃機進排氣閥用閥門鋼,包括鉻矽、鉻鎳及鉻錳鎳氮型鋼;用於冶金機械、石油化工、輕工、建材工業爐用耐熱鋼及耐熱鑄鋼,包括高鉻鐵素體鋼及高鉻鎳奧氏體鋼。由於耐熱鑄鋼比變形材具有更高的蠕變强度,近20年來在石油化工及爐用資料方面得到了廣泛應用,發展了一系列用鎢、鉬、鈮、鈦等强化的高鉻鎳奧氏體耐熱鑄鋼。廣泛用於合成氨及乙烯裂解裝置。在上述耐熱鋼領域,世界已開發國家使用比較成熟,多已形成了自己國家的專用標準。中國自50年代以來,在生產實踐中形成了較完整的耐熱鋼系列和標準牌號。如現在除有GB1221-90一熱鋼棒及GB413890耐熱鋼板基礎標準外,還有高壓鍋爐用鋼管及管坯(GB5310-85,GB5311-89)、汽輪機葉片鋼(GB8732-88)、內燃機氣閥鋼(GB/T1277391)、耐熱鋼鑄件(GB8492-87)等產品標準,基本滿足中國國民經濟發展的需要。在引用國外牌號的同時,結合本國的資源特點,發展了一些新的耐熱鋼牌號,如2Cr20Mn9Ni2Si2N、3Cr24Ni7SiN(RE)、3Cr18Mn12Si2N等,分別列入有關標準,使中國耐熱鋼標準系列具有自己的特色。
合金元素的作用(1)鉻、鋁、矽。這些元素形成和穩定鐵素體,在高溫下能促使鋼表面生成緻密的氧化膜,防止繼續氧化,是提高鋼的抗氧化性、抗高溫氣體腐蝕的主要元素。但鋼中鋁和矽含量過高會使室溫塑性和熱塑性嚴重惡化。鉻能顯著提高低合金鋼的再結晶溫度,含量為2%時,强化效果最好。(2)鎳、錳。可以形成和穩定奧氏體。提高奧氏體鋼的高溫强度和改善抗滲碳性。錳雖然可以代替鎳形成奧氏體,但有損於耐熱鋼的抗氧化性。(3)鉬、鎢。是鐵素體形成元素。可以提高鋼的再結晶溫度,同時主要以固溶强化,提高耐熱鋼的蠕變强度。在低合金鋼中鉬是提高熱强性最關鍵的元素,鎢、鉬複合比單獨加入有更明顯的效果。由於鉬、鎢在高溫下易於揮發和氧化,鋼中加入過多的鉬和鎢,會給高溫抗氧化性帶來不利影響。(4)釩、鈮、鈦。是鐵素體形成元素和强碳化物形成元素,能形成細小彌散的碳化物,提高鋼的高溫强度。鈦、鈮和碳結合還可防止奧氏體鋼在高溫下或焊後產生晶間腐蝕。(5)碳、氮。可擴大和穩定奧氏體,從而提高耐熱鋼的高溫强度,鋼中含鉻、錳較多時,可顯著提高氮的熔解度,加入氮或提高碳含量,可以代替貴重金屬鎳。生成碳化物或碳氮化物,控制其形態和數量可進一步起到强化作用。(6)硼、稀土。均為耐熱鋼中的微量元素。硼溶入固溶體中,使晶體點陣發生畸變,晶界上的硼又能封锁元素擴散和晶界遷移,從而提高鋼的高溫强度。鋼中加入微量稀土,提高鋼的抗氧化性,改善熱塑性;稀土富集晶界,能淨化和强化晶界,有利於提高鋼的熱强性。但加入稀土類型、數量和%26lsquo;加入方法至關重要,要恰當控制稀土在鋼中的存在狀態,否則難以收到預期效果。
分類耐熱鋼按其組織可分為4類,珠光體耐熱鋼,馬氏體耐熱鋼,鐵素體耐熱鋼和奧氏體耐熱鋼。
通常也把沉澱硬化不銹鋼列入耐熱鋼中,這是因為這類鋼在540~650℃範圍內具有較高的熱强性和足够的抗氧化性。
另外,在實際生產中也常按用途將耐熱鋼分為:電站鍋爐用低合金鋼;汽輪機和燃氣輪機用葉片鋼;汽車、艦船用閥門鋼;石油化工和爐用耐熱鋼及耐熱鑄鋼等。
生產工藝耐熱鋼生產工藝主要有冶煉、軋製及熱處理等。
(1)冶煉。耐熱鋼一般採用電弧爐及爐外精煉工藝,葉片鋼則採用電弧爐加電渣工藝,要求較高的高合金耐熱鋼可採用真空感應爐冶煉再經電渣重熔的工藝。低合金耐熱鋼或奧氏體耐熱鋼(Cr18Ni9型)可採用連鑄工藝。
(2)軋製。低合金珠光體鋼和Cr18Ni9、Cr25Ni20等奧氏體鋼可採用初軋開坯,馬氏體或含合金元素較多的奧氏體鋼採用鍛造開坯。奧氏體鋼由於導熱性差,加熱時要均熱透燒,馬氏體鋼及合金化較高的珠光體鋼則應注意鋼錠和軋坯的退火和緩冷,以防裂紋。
(3)熱處理。珠光體鋼一般正火加回火或調質後使用,馬氏體耐熱鋼採用調質處理,以穩定組織,獲得良好綜合力學性能。
鐵素體鋼不能通過熱處理强化,為消除冷變形或焊後所導致的內應力,可在650~830℃進行退火,退火後快速冷卻,以迅速通過475℃脆性溫度範圍。
奧氏體抗氧化鋼採用高溫固溶處理,以獲得良好的冷變形性。奧氏體熱强鋼則先用高溫固溶處理,然後在高於使用溫度60~100℃條件下進行時效處理,使組織穩定化,同時析出第二項,達到彌散强化目的。奧氏體耐熱鑄鋼多在鑄態下使用。
鑄造在耐熱鋼中耐熱鑄鋼佔有相當大的比例,尤其是奧氏體耐熱鑄鋼。鑄造方法,一般的爐用耐熱構件除採用砂型鑄造外,對於表面要求較高的精細零件採用失蠟或樹酯砂等精密鑄造工藝,以獲得表面光滑、尺寸精確的產品。對於合成氨、乙烯裂解爐用高溫爐管及爐底輥和輻射管則採用離心澆注的方法生產。

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