一、研究的背景與問(wèn)題

當(dāng)今，能源危機(jī)加劇、環(huán)境保護(hù)日益重要，煤炭能源高效利用對(duì)我國(guó)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)實(shí)現(xiàn)有重大意義。在此戰(zhàn)略背景下，發(fā)展大容量高參數(shù)超超臨界電站已成為世界火力電站發(fā)展的重要方向，也是我國(guó)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)的重要方案。在超超臨界電站中，材料的使用壽命要求達(dá)到30~40年，而材料服役環(huán)境最為惡劣的部件是燃煤鍋爐中最高溫度段的過(guò)熱器/再熱器管。針對(duì)管道內(nèi)壁受高溫蒸汽腐蝕而外壁受高溫?zé)煔庋趸透g的這一惡劣服役環(huán)境，近年來(lái)國(guó)外已開發(fā)出幾種成熟的奧氏體耐熱合金，其中TP347H，Super304H(S30432)和HR3C(TP310HCbN)是600℃超超臨界電站鍋爐用量最大的三種奧氏體耐熱合金，作為超超臨界電站鍋爐過(guò)熱器/再熱器管材的材料在世界范圍內(nèi)使用。但在對(duì)這三種合金進(jìn)行時(shí)效強(qiáng)化機(jī)理分析發(fā)現(xiàn)，TP347H高溫強(qiáng)度相對(duì)較低；Super304H盡管具有優(yōu)良的高溫強(qiáng)度但其抗氧化腐蝕性能略低；而HR3C抗氧化腐蝕性能較好，但其沖擊韌性及高溫強(qiáng)度略低。隨著我國(guó)620℃及以上超超臨界電站機(jī)組開發(fā)，對(duì)高溫材料性能要求更高，為解決核心材料國(guó)產(chǎn)化、提升鍋爐用鋼使用溫度、滿足高需求低成本，亟需研發(fā)兼具優(yōu)異高溫持久性能和抗高溫腐蝕/氧化性能的國(guó)產(chǎn)新型耐熱合金。

目前超超臨界電站技術(shù)依賴高溫材料的發(fā)展，新合金研發(fā)要兼顧性能、經(jīng)濟(jì)性與可靠性。日本新日鐵在20Cr-25Ni鋼基礎(chǔ)上研發(fā)出NF709合金，但經(jīng)國(guó)內(nèi)測(cè)試，其持久強(qiáng)度低，長(zhǎng)期時(shí)效后明顯脆化。瑞典山特維克公司在NF709上添加鎢、鈷、銅等得到兼具優(yōu)異高溫性能與耐腐蝕性能的新鋼種，但其合金化高、造價(jià)相對(duì)昂貴。

為了滿足更高等級(jí)超超臨界電站鍋爐過(guò)熱器/再熱器的服役條件，即獲得具有優(yōu)良的高溫持久強(qiáng)度和抗氧化腐蝕性能的耐熱合金，同時(shí)為解決現(xiàn)有耐熱合金長(zhǎng)期時(shí)效后沖擊性能顯著降低的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)核心材料國(guó)產(chǎn)化。北京科技大學(xué)研發(fā)團(tuán)隊(duì)提出采用多相復(fù)合強(qiáng)化奧氏體基體的新思路，綜合上述鋼種優(yōu)勢(shì)，得到綜合性能更為優(yōu)異的新型奧氏體耐熱合金SP2215。由永興特鋼制坯、武進(jìn)不銹制管。結(jié)果顯示，SP2215成材率優(yōu)于HR3C等合金，性能優(yōu)良，可替代Super304H、HR3C等合金。

二、解決問(wèn)題的思路與技術(shù)方案

為實(shí)現(xiàn)超超臨界機(jī)組關(guān)鍵管材的國(guó)產(chǎn)化，提高管材服役性能，本項(xiàng)目基于材料研制、產(chǎn)品工程化、產(chǎn)品驗(yàn)證及應(yīng)用，開展SP2215合金全流程工藝探索研究，實(shí)現(xiàn)新合金研發(fā)基礎(chǔ)研究至應(yīng)用替代的最終目標(biāo)，如圖1所示，具體研究思路如下：

圖1 新型耐熱合金研制及其精密管材制備關(guān)鍵成形技術(shù)與應(yīng)用研究路線圖

1、新型奧氏體耐熱合金成分設(shè)計(jì)與優(yōu)化：（1）開展奧氏體耐熱合金析出相的早期析出行為的實(shí)驗(yàn)與理論研究，為新合金的設(shè)計(jì)開發(fā)提供科學(xué)技術(shù)依據(jù)和支撐；（2）提出MX/富Cu相/NbCrN多相復(fù)合強(qiáng)化機(jī)制，通過(guò)熱力學(xué)計(jì)算開展新合金成分設(shè)計(jì)與優(yōu)化研究。

2、SP2215合金鋼管工業(yè)的研制：（1）開展新型耐熱合金塑性成形技術(shù)研究，建立鍛造/軋制過(guò)程溫度場(chǎng)-變形量-壓縮比協(xié)同控制工藝；（2）開發(fā)鋼渣平衡低氧高純精煉技術(shù)，實(shí)現(xiàn)鋼材純凈度精準(zhǔn)調(diào)控；（3）開展熱穿孔工藝模擬優(yōu)化及多方案對(duì)比研究，確定最優(yōu)毛管成型工藝參數(shù)；（4）建立冷加工工藝模擬仿真體系，開發(fā)單道次最大變形量預(yù)測(cè)模型；（5）開展制品與成品熱處理工藝技術(shù)研究。

3、SP2215合金鋼管推廣應(yīng)用研究：（1）系統(tǒng)測(cè)試固溶態(tài)合金各項(xiàng)理化性能指標(biāo)并建立國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)符合性評(píng)價(jià)體系；（2）開展SP2215/Super304H/HR3C合金長(zhǎng)期時(shí)效力學(xué)性能與組織穩(wěn)定性對(duì)比研究；（3）構(gòu)建同種/異種材質(zhì)焊接接頭質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)；（4）開展合金冷成形性能研究，制定冷成形工藝控制規(guī)則；（5）建立抗蒸汽氧化與高溫?zé)煔飧g性能分級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)；(6) 進(jìn)行SP2215耐熱合金應(yīng)用方案研究和成本分析，完成1000MW/660MW等級(jí)鍋爐應(yīng)用方案設(shè)計(jì)與成本效益分析。

通過(guò)本項(xiàng)目研究，成功開發(fā)出同時(shí)具備優(yōu)良的力學(xué)性能和抗腐蝕性能，綜合性價(jià)比優(yōu)于國(guó)外HR3C和Super304H的新型奧氏體耐熱合金SP2215。每臺(tái)超超臨界機(jī)組采用SP2215替代HR3C可節(jié)約360～480萬(wàn)元，同時(shí)降低了管道壁厚和結(jié)構(gòu)重量，可大幅降低溫度和負(fù)荷快速波動(dòng)造成的疲勞損傷應(yīng)力，從機(jī)組全壽命期考慮，每臺(tái)機(jī)組減少3次爆管事故，減少受熱面換管改造費(fèi)用，間接經(jīng)濟(jì)效益超2000萬(wàn)元/臺(tái)。該成果突破國(guó)外耐熱合金技術(shù)壁壘，形成完全具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的合金體系，已在國(guó)內(nèi)多臺(tái)超超臨界機(jī)組上實(shí)現(xiàn)HR3C和Super304H替代，為我國(guó)電力裝備安全提供重要保障。

三、主要?jiǎng)?chuàng)新性成果

1、揭示了納米析出相協(xié)同強(qiáng)化機(jī)制與組織穩(wěn)定性控制原理，提出"富Cu相+MX相+NbCrN相"多相復(fù)合強(qiáng)化理論體系，研發(fā)出綜合性能國(guó)際領(lǐng)先的SP2215新型奧氏體耐熱合金。

項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)通過(guò)系統(tǒng)研究傳統(tǒng)奧氏體耐熱合金的強(qiáng)化機(jī)理與失效機(jī)制，創(chuàng)新性提出多相復(fù)合強(qiáng)化理論，開發(fā)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的SP2215合金，實(shí)現(xiàn)了材料服役性能的重大突破。主要?jiǎng)?chuàng)新成果包括：

（1）建立富Cu相+MX+NbCrN相多相復(fù)合強(qiáng)化理論模型，闡明納米析出相協(xié)同作用機(jī)制：研究了合金的組織演變和強(qiáng)化機(jī)理，從化學(xué)成分、晶體結(jié)構(gòu)和能量驅(qū)動(dòng)等多方面系統(tǒng)揭示了富Cu相、MX和NbCrN相等析出相的形成機(jī)制與結(jié)構(gòu)。NbCrN、MX和M23C6相的復(fù)合析出則表現(xiàn)出卓越的強(qiáng)化效果，且能夠在晶粒內(nèi)和晶界位置均勻分布，顯著提高了材料的高溫力學(xué)性能。

（2）開發(fā)成分精準(zhǔn)調(diào)控技術(shù)，研制出SP215新型耐熱合金，實(shí)現(xiàn)了富Cu相、MX和NbCrN相的協(xié)同強(qiáng)化：基于上述多相復(fù)合強(qiáng)化機(jī)理，結(jié)合熱力學(xué)計(jì)算，團(tuán)隊(duì)通過(guò)加入Cu、Nb、N等合金元素，研發(fā)了一種新型高強(qiáng)抗蝕奧氏體耐熱合金，由于合金中Cr占22%，Ni占15%，故而命名為Special Metal alloy SP2215。新合金兼具優(yōu)異的高溫持久強(qiáng)度和抗氧化腐蝕性能，且合金化元素含量最低，性價(jià)比高。圖2所示為合金持久性能結(jié)果，累計(jì)高溫持久試驗(yàn)時(shí)間超過(guò)35萬(wàn)小時(shí)。SP2215合金在650℃長(zhǎng)期時(shí)效十萬(wàn)小時(shí)后持久強(qiáng)度達(dá)140MPa級(jí)別，優(yōu)于Super304H和HR3C。

圖2 合金在不同溫度下的直線外推曲線

SP2215合金的拉伸性能與HR3C合金相當(dāng)，在超超臨界機(jī)組的工作條件下，高出Super304H約15%；高溫持久強(qiáng)度分別優(yōu)于HR3C和Super304H合金分別是20%和10%；其650℃/1000h時(shí)效下的合金沖擊功是HR3C合金的2倍以上，克服了HR3C合金在高溫時(shí)效后沖擊韌性急速降低的問(wèn)題。

表1 合金室溫力學(xué)性能對(duì)比表

圖3 合金高溫拉伸性能對(duì)比

表2 合金沖擊性能

SP2215具有良好的耐高溫蒸汽氧化腐蝕性能，650℃/27MPa 2000h高溫高壓蒸汽氧化試驗(yàn)后，拋光面氧化膜厚度17.31μm，氧化膜內(nèi)層厚度5.23μm。氧化速率常數(shù)為0.093，氧化速率指數(shù)為2.10。對(duì)穩(wěn)定氧化階段（2000-5000h）的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算顯示：SP2215的抗氧化性級(jí)別為1級(jí)，即完全抗氧化，耐高溫蒸汽氧化腐蝕性能介于HR3C和Super304H合金之間。

模擬煙氣氣氛(15%CO2+3.5%O2+1.0%SO2)測(cè)試合金抗煙氣腐蝕能力，SP2215的腐蝕增重速率較小，抗腐蝕性能介于HR3C和Super304H合金之間。

圖4 三種合金的高溫水蒸汽氧化層厚度動(dòng)力學(xué)曲線

圖5 三種合金675℃煙氣環(huán)境中的腐蝕增重曲線

按照GB/T4334-2008，采用硫酸-硫酸銅腐蝕試驗(yàn)測(cè)試合金抗晶間腐蝕能力，彎曲試樣外表面未發(fā)現(xiàn)因晶間腐蝕而產(chǎn)生裂紋，鋼管的晶間腐蝕試驗(yàn)合格。

SP2215合金焊接性能良好，適合使用TIG和MIG焊。焊接接頭室溫拉伸強(qiáng)度與母材性能相當(dāng)、沖擊性能良好，沖擊吸收功達(dá)82J，遠(yuǎn)高于NB/T 47014-2011標(biāo)準(zhǔn)要求的31J，接頭短時(shí)高溫拉伸強(qiáng)度與母材相當(dāng)。按照GB2039-2012獲得SP2215母材和焊接接頭在700℃下長(zhǎng)期時(shí)效的高溫性能。經(jīng)外推計(jì)算SP2215合金管母材和焊接接頭700℃下10萬(wàn)小時(shí)持久強(qiáng)度分別為76.1和66.4MPa，在同類材料中展現(xiàn)了優(yōu)異的高溫持久性能。SP2215合金工藝性能良好，經(jīng)壓扁工藝及擴(kuò)口性能試驗(yàn)驗(yàn)證，鋼管內(nèi)外表面、端面及擴(kuò)口處均無(wú)可見(jiàn)裂紋或裂口。

綜合而言，新型SP2215合金無(wú)縫管具有冶金質(zhì)量?jī)?yōu)良、非金屬夾雜物含量低、鋼質(zhì)純凈、組織穩(wěn)定性好，加工工藝和焊接性能優(yōu)異、高溫持久強(qiáng)度高于HR3C和S30432，并具有優(yōu)良的抗高溫蒸汽腐蝕性能，明顯改善了傳統(tǒng)耐熱合金高溫長(zhǎng)期時(shí)效后沖擊韌性嚴(yán)重下降的缺點(diǎn)，綜合性能優(yōu)于國(guó)外同類產(chǎn)品先進(jìn)水平，綜合性價(jià)比高。

2、創(chuàng)建奧氏體耐熱合金全流程制備技術(shù)體系，開發(fā)出五大核心制造工藝，實(shí)現(xiàn)SP2215無(wú)縫管材的高效低成本生產(chǎn)。

針對(duì)合金制備過(guò)程中的組織演變問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)構(gòu)建合金的“冶煉-鍛造-穿孔-冷軋-熱處理”全流程工藝體系，工藝流程如圖6所示，關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新包括：

圖6 新鋼種管材的全冶金生產(chǎn)流程

（1）發(fā)明耐熱鋼冶煉鋼渣平衡低氧高純精煉技術(shù)，實(shí)現(xiàn)超高純凈度合金冶煉：通過(guò)耐熱鋼冶煉鋼渣平衡低氧高純精煉技術(shù)和EAF+AOD+LF工藝，控制Si/Al比與渣成分，實(shí)現(xiàn)鋼中溶氧含量穩(wěn)定≤25ppm，非金屬夾雜物評(píng)級(jí)B/C類≤1.0級(jí)，有效保障了鋼材的純凈度，為后續(xù)制管穩(wěn)定及管材性能穩(wěn)定提供了有效支撐。

（2）建立新型耐熱合金塑性成形技術(shù)：通過(guò)精準(zhǔn)控制鍛造或軋制過(guò)程中的加熱溫度和變形量，提高壓縮比技術(shù)工藝控制，使鍛造開坯、軋制壓縮比均≥4，獲得均質(zhì)耐熱合金坯料，顯著提升熱穿孔的加工性能與荒管成材率。

（3）創(chuàng)新精密熱穿孔成形工藝體系：基于熱模擬試驗(yàn)，研究團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)構(gòu)建了SP2215合金的熱成形過(guò)程再結(jié)晶組織演變模型；建立了失穩(wěn)準(zhǔn)則判據(jù)及熱加工規(guī)范。合金的熱變形應(yīng)變補(bǔ)償Arrhenius本構(gòu)模型為：

其中：

合金的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)模型為：

將模型與商業(yè)軟件耦合可準(zhǔn)確預(yù)測(cè)熱成形過(guò)程中的應(yīng)力、應(yīng)變及組織演變等，圖7所示為熱穿孔過(guò)程中等效塑性應(yīng)變場(chǎng)的演變。此外通過(guò)對(duì)比研究圓鋼通孔、半通孔、不通孔三種工藝方案，獲得了該無(wú)縫耐熱合金管生產(chǎn)的最佳工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了無(wú)縫管的低成本高效生產(chǎn)。結(jié)果顯示，通過(guò)對(duì)材料和熱穿孔工藝的設(shè)計(jì)，SP2215合金毛管表面質(zhì)量良好，尺寸精度、性能均滿足要求，見(jiàn)圖8。

圖7 二輥斜軋穿孔過(guò)程中等效塑性應(yīng)變分布

(a) 0.35s (b)0.55s (c) 0.94s (d) 1.24s (e) 2.08s (f) 2.92s

圖8 SP2215熱穿孔

（4）開發(fā)大變形量冷軋技術(shù)，建立組織性能定量調(diào)控模型：對(duì)于小口徑管，較大的冷加工變形量比較容易達(dá)到少次成形。同時(shí)，大變形量的冷軋工藝可有效改善冷軋變形的組織均勻性，大幅減少加工工序，縮短生產(chǎn)周期，降低成本。采用模擬仿真計(jì)算、不同溫度和應(yīng)力持久試驗(yàn)、固溶參數(shù)與再結(jié)晶行為研究、彎管工藝試驗(yàn)等，提出了推薦的冷成形規(guī)范，實(shí)際冷軋過(guò)程中，單道次最大變形量可達(dá)70%。經(jīng)多次試驗(yàn)，冷軋后，管材表面質(zhì)量良好，無(wú)開裂現(xiàn)象，見(jiàn)圖9。

圖9 SP2215無(wú)縫管的冷軋

（5）建立適用于SP2215合金的熱處理制度，實(shí)現(xiàn)對(duì)管材晶粒度和顯微組織調(diào)控：對(duì)成品規(guī)格冷軋管進(jìn)行不同工藝熱處理，試驗(yàn)溫度1180~1250℃。按溫度由低到高，工藝編號(hào)依次記為C1~C3。熱處理試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 成品熱處理

通過(guò)控制熱處理固溶溫度、時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了管坯的多相強(qiáng)化與組織穩(wěn)定性，達(dá)到理想性能。

四、應(yīng)用情況與效果

自2013年SP2215合金成功申請(qǐng)發(fā)明專利以來(lái)，2015年由永興特鋼制坯，江蘇武進(jìn)制管，獲得性能優(yōu)異的無(wú)縫管材。并于2018年成功通過(guò)全國(guó)鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)評(píng)審，被工業(yè)和信息化部列入先進(jìn)金屬材料項(xiàng)目中的先進(jìn)鋼鐵材料。相關(guān)成果先后被納入團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)T/CISA 006-2019 電站鍋爐用07Cr23Ni15Cu4NbN（SP2215）新型奧氏體耐熱鋼無(wú)縫鋼管；國(guó)家能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47019.3鍋爐、熱交換器用管訂貨技術(shù)條件第3部分：規(guī)定高溫性能的非合金鋼和合金鋼；國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5310-2023 高壓鍋爐用無(wú)縫鋼管、GB/T 38804-2020 金屬材料高溫蒸汽氧化試驗(yàn)方法以及國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 24173-2024。

東方鍋爐對(duì)SP2215合金管材料評(píng)定及工程應(yīng)用研究的結(jié)果表明：該合金管的力學(xué)性能、冷成形和焊接等性能良好，兼具優(yōu)異的抗氧化性能和高的許用應(yīng)力，且經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)明顯，可全面替代HR3C。大唐華北院對(duì)SP2215替代HR3C進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析發(fā)現(xiàn)，SP2215在超超臨界機(jī)組上對(duì)HR3C具有良好的替代作用。在600～620℃超超臨界機(jī)組上采用SP2215相較于HR3C可減少約25%原材料成本，設(shè)計(jì)壁溫超過(guò)650℃時(shí)，則可以減少超過(guò)30%原材料成本。按照當(dāng)前國(guó)際原材料價(jià)格估算，每臺(tái)超超臨界機(jī)組可節(jié)約360～480萬(wàn)元。根據(jù)設(shè)計(jì)資料，在鄆城630℃示范項(xiàng)目上用SP2215替代HR3C可節(jié)約30%原材料成本，約500萬(wàn)元/臺(tái)；替代Sanicro25可用減少約40%原材料成本，約3368萬(wàn)元/臺(tái)。

目前該新型耐熱合金已成功應(yīng)用于國(guó)能北侖電廠、蔚州能源等公司的鍋爐以及克雷登熱能設(shè)備（浙江）公司的蒸汽發(fā)生器中，服役狀態(tài)良好。湖州永興特鋼及江蘇武進(jìn)不銹等公司應(yīng)用“新型耐熱合金研制及其精密管材制備關(guān)鍵成形技術(shù)”實(shí)現(xiàn)2019-2024年新增產(chǎn)值約66.6億元，2024年創(chuàng)收外匯131萬(wàn)元。主要研發(fā)團(tuán)隊(duì)獲得相關(guān)授權(quán)發(fā)明專利14項(xiàng)，論文30篇。該成果由中國(guó)鋼鐵工業(yè)協(xié)會(huì)組織專家鑒定，評(píng)為達(dá)到“國(guó)際領(lǐng)先水平”。

信息來(lái)源：北京科技大學(xué)