HR3C不銹鋼和super304H不銹鋼的研究進展

 Super304H不銹鋼是日本公司在上世紀(jì)80年代開發(fā)的，它的出現(xiàn)解決了因為材料性能問題阻礙超超臨界技術(shù)發(fā)展的難題。日本METI標(biāo)準(zhǔn)中牌號為SUS304JIHTB，美國ASME標(biāo)準(zhǔn)中命名為S30432。目前，super304H不銹鋼主要由日本與德國生產(chǎn)。我國引進super304H不銹鋼較晚，目前國內(nèi)超超臨界機組應(yīng)用的super304H不銹鋼依賴進口，價格高昂，供貨周期長，滿足不了我國電力和經(jīng)濟的發(fā)展，為早日實現(xiàn)其國產(chǎn)化，對super304H不銹鋼的各方面進行了研究。Super304H不銹鋼中加入了強碳化物形成元素鈮，在長期服役過程中通過析出穩(wěn)定的碳化物，提高了耐晶間腐蝕能力，同時也提高了強度；利用基體上析出的細小富銅相大大提高了強化作用；氮元素的加入起到了固溶強化和沉淀強化的作用，同時起到穩(wěn)定奧氏體基體的效果。

 大量研究表明：隨銅含量的增加，super304H不銹鋼的持久強度和塑性隨之改變，4％時二者均達到最大，銅含量繼續(xù)增加超過4％，強度和塑性都下降。這是因為隨銅含量改變，富銅相的析出數(shù)量、顆粒大小及分布狀態(tài)有所差異導(dǎo)致的。鋼鐵研究總院還發(fā)現(xiàn)super304H不銹鋼中含有約0.4％的鉬，這在其技術(shù)成分中并沒有標(biāo)示。在600~800℃長期蠕變過程中，每個溫度段下的時間達50000小時便測定一次，結(jié)果表明super304H不銹鋼在長期運行中蠕變斷裂強度始終保持穩(wěn)定，韌性也沒有明顯降低；在600℃/177MPa工作條件下，蠕變斷裂時間最長能達到85426.7小時。有研究學(xué)者認(rèn)為super304H在水蒸氣中的氧化行為源于富鉻氧化膜與氧氣和氫氣形成了CrO2(OH)2，這種物質(zhì)易揮發(fā)，使得鉻含量大大降低，含鐵氧化物生成速率大大增加。袁軍濤等人研究了super304H不銹鋼在700~900℃水蒸氣中的氧化行為，得到其類似于拋物線型的氧化動力學(xué)曲線，認(rèn)為高溫和拋光是增大拋物線速率常數(shù)含F(xiàn)e氧化物的生成速率的影響因素。浙江至德鋼業(yè)有限公司通過模擬煙氣腐蝕環(huán)境，認(rèn)為硫元素會促進堿金屬硫酸鹽的生成，從而加劇腐蝕。通過對我國某電廠安全運行了104小時的super304H不銹鋼管件研究發(fā)現(xiàn)，服役后的再熱器管室溫、高溫下其屈服強度均略有增高，塑性卻顯著降低，究其原因是M23C6和鈮(碳，氮)析出物粗化并在晶界處大量析出，導(dǎo)致脆性增大。

 目前，我國多家鋼企已經(jīng)具備了super304H不銹鋼的實際生產(chǎn)能力，產(chǎn)品質(zhì)量基本滿足國家標(biāo)準(zhǔn)，已經(jīng)在國內(nèi)多家電廠應(yīng)用，但是國產(chǎn)不銹鋼管在性能上有很多方面與日本產(chǎn)品有相當(dāng)大地差距。因此對應(yīng)用國產(chǎn)super304H不銹鋼管的電廠應(yīng)加強監(jiān)督管理，對super304H不銹鋼的研究應(yīng)該更加深入。HR3C不銹鋼是日本住友金屬株式會社在20世紀(jì)90年代針對USC機組應(yīng)用研發(fā)出來的具有高蠕變斷裂強度和優(yōu)異的耐腐蝕性能的奧氏體鋼，是USC機組再熱器、過熱器的首選材料。我國華能玉環(huán)電廠、上海外高橋電廠等USC設(shè)備便大量應(yīng)用了此鋼，但是我國超超臨界發(fā)展較晚，對HR3C不銹鋼的使用主要仍在引進階段。HR3C不銹鋼在抗蒸汽氧化和耐煙氣腐蝕性能方面優(yōu)于super304H不銹鋼。目前，針對HR3C不銹鋼各方面性能各國都在進行研究。

 浙江至德鋼業(yè)有限公司研究了鈮和氮元素對HR3C不銹鋼性能的影響，與不含鈮、氮元素的310S不銹鋼管相比，HR3C不銹鋼蠕變壽命提高了100倍；固溶的氮會與元素鉻形成了鉻-氮團，有力地阻礙了位錯的活動。彌散分布的M23C6和NbCrN微粒提高了HR3C不銹鋼的蠕變性能，在長期的蠕變階段σ相的析出受到抑制。至德鋼業(yè)研究了國產(chǎn)HR3C的蠕變斷裂行為，采用外推法得出該鋼在650℃/105小時條件下持久強度極限為104.98MPa，達到ASME和國家鍋爐用無縫鋼管的要求。浙江至德鋼業(yè)有限公司研究指出在CaSO4/CaO環(huán)境中，HR3C不銹具有良好的抗高溫腐蝕性能；至德鋼業(yè)對應(yīng)用于USC機組的多種鐵素體鋼、奧氏體鋼和鎳基合金腐蝕性能進行研究，發(fā)現(xiàn)在含有NaCl或者不含NaCl的環(huán)境中，HR3C抗腐蝕性能最好；暴露在725℃的蒸汽環(huán)境中1850小時，HR3C氧化層也很少。成丁南模擬煙氣進行氣相-熔鹽環(huán)境下高溫腐蝕性能測試，結(jié)果也證明HR3C不銹鋼耐腐性最強，super304H不銹鋼耐蝕性優(yōu)于TP347HFG不銹鋼。

 HR3C不銹鋼在650℃下運行75075小時后，表面并沒有明顯的腐蝕現(xiàn)象，屈服強度、硬度、抗拉強度均有明顯提高，但沖擊韌性下降、延展率降低。分析微觀組織發(fā)現(xiàn)，晶內(nèi)物質(zhì)為M23C6、NbCrN和Nb（C，N），晶界處的主要析出物是M23C6和G相。胡加瑞等人通過對國內(nèi)某電廠HR3C過熱器管研究發(fā)現(xiàn)，服役15960小時后HR3C硬度有所上升，沖擊韌性大幅度降低，僅為18.1J/cm2，與未服役狀態(tài)下148J/cm2相比，下降了約90％；對玉環(huán)電廠HR3C和super304H不銹鋼管件進行研究發(fā)現(xiàn)，運行5400小時后HR3C的室溫沖擊韌性僅為40J/cm2，super304H的室溫沖擊韌性在80~100J/cm2，之間，遠遠高于HR3C鋼。分析指出，晶界處析出的M23C6是造成HR3C韌性降低的主要原因。我國某臺USC機組末級再熱器HR3C不銹鋼管發(fā)生爆管，浙江至德鋼業(yè)有限公司對其成因分析表明：在HR3C不銹鋼管冷彎成型后并沒有對其進行固溶處理，服役過程中殘余應(yīng)力使管材在腐蝕介質(zhì)環(huán)境中發(fā)生沿晶應(yīng)力腐蝕開裂，進而爆管。我國生產(chǎn)Super304H不銹鋼和HR3C不銹鋼過程中主要采用熱擠壓和冷軋工藝，部分廠家采用的是熱軋穿孔和冷軋工藝，因此研究這HR3C不銹鋼和super304H不銹鋼的熱加工行為對提高產(chǎn)品質(zhì)量有重要的意義。