锅炉高强低合金钢材料的研制技术分析

2015-01-28侯学军

中国科技信息 2015年1期

侯学军

鞍山市特种设备监督检验所

高强度低合金钢是一种含碳量和合金元素都较低，但机械强度较高的钢材料。它的机械性能和抗腐蚀能力都比一般碳钢要优秀许多。高强度低合金钢的典型应用在大型结构中，如；汽车，起重机，锅炉等，其在锅炉中的应用因为自身具备较高的蠕变断裂强度而备受欢迎，本文将从研制技术的角度出发，结合锅炉高强度低合金钢材料的实际，对锅炉高强低合金钢材料的研制技术进行简要的分析。

前言

高强度低合金钢在锅炉制造中的应用，其最大的优势就在于自身极高的强度，在锅炉用料标准10000h 外推蠕变断裂强度上要比传统的钢材高1.8 倍。同时因为碳含量比较低，所以其自身的焊接性能也较为优秀，作为锅炉用钢其本身优异的焊接性能为锅炉的加工提供了更多的便利。当前对于这样一种优秀的锅炉用钢材料的研制技术分析具有鲜明的现实意义。

应用性能

显微组织和韧性

高强低合金钢材料因为自身碳元素含量和其他金属元素的含量比较低，所以材料自身的强度极高。合金元素的含量低还为高强低合金钢材料带来了一个好处，那就是韧性的提升。从微观角度分析高强低合金钢材料通体由回火贝氏体组成，不含有铁素体，在传统的钢材料中因为钢材自身的碳含量较高，其中蕴含的碳元素极容易与钢材中的其他元素在高温锻制过程中形成化合物，比较典型的就是Mo2C，这种碳化合物本身的强度是较低的，所以其在钢材内部的存在会导致钢材内部容易形成一种空心效应，进而降低钢材的整体强度。而在高强低合金钢材料中因为自身的碳含量比较低，所以主要的沉淀物是V、M23C6 和M2C 等化合物，并没有W2C 这样的软质化合物，高强低合金钢材料因为内部V、M23C6 和M2C 等化合物的存在而大大提高了自身的韧性，因为这些化合物本身是一种硬质化合物，其在高强低合金钢材料中的均匀分布让钢材料的整体韧性有巨大的增长。高强低合金钢材料的这种高韧性特点直接导致了其在锅炉中应用的高效性，其在经过热处理以后自身的冲击值差别很小，转变温度极低。

高温性能

作为锅炉用材料其自身必须要具备极强的高温性能，这种性能主要包括有高温时的抗拉伸强度、屈服强度以及蠕变断裂强度，其中蠕变断裂是指材料在长时间的恒温恒应力作用下缓慢产生塑性变形的现象称为蠕变。零件由于这种变形而引起的断裂称为蠕变断裂。蠕变断裂是锅炉用材料的一个主要性能考察指标，因为锅炉用材料的固有特性在长时间的高温状态下受到长时间的固定应力影响其自身会产生塑性形变，这种形变对锅炉的系统的影响是极为严重的，会导致锅炉整体发生形变，锅炉与配套系统之间结合严密度下降，锅炉整体的运行效率下降等等严重的后果。高强低合金钢材料在室温下的抗拉伸强度为600MPa，在室温下的屈服强度为500MPa，这种抗拉伸和屈服性能都大大超过了传统的锅炉用钢材料，同时其自身在延展性方面的超强性能也能够满足锅炉管道的设计要求。

为了考察高强低合金钢材料的外推蠕变断裂强度，对高强低合金钢材料进行了长达10000h 的测试，在测试过程中模拟了锅炉燃烧过程中的高温和膨胀气体向外的推力。测试结果显示高强低合金钢材料在600℃高温下10000h 的外推蠕变断裂轻度比传统钢材高1.8 倍。高强低合金钢材料的这种超高的蠕变断裂强度是因在钢材锻制过程中用W 代替了部分的Mo 并添加了微量的B 获得的。

长期时效性能

锅炉用钢材因为锅炉运行的特殊性，其不仅要面对长时间的高温考验，同时也会面对巨大的温差变化，在锅炉系统运行过程中往往需要经受极长时间的高温烘烤，在锅炉系统停机时期自身的温度又会迅速下降。锅炉用钢材料在面对巨大温差变化的同时自身还要保持一定的结构强度，为了验证高强低合金钢材料的这一方面的性能，在经过外推蠕变断裂强度试验以后，进行了0 度冲击试验。所谓0 度冲击试验就是指在材料经过高温试验以后，通过冰水混合物、酒精、液氮等溶液将试验目标的温度降到0度左右并进行材料的抗冲击性能试验，零度冲击试验是为了验证试验材料在极端环境中的机构强度，在锅炉的运行过程中因为锅炉材料要经过长时间的高温烘烤，其自身的韧性会出现一定的下降，这种韧性下降在低温状态下会导致锅炉整体的结构强度脆化在外力作用下容易发生形变和破裂，所以对锅炉用材料在持续高温下的韧性下降程度考察十分必要，经过10000h 的外推蠕变断裂强度实验以后高强低合金钢材料已经具备了进行抗冲击试验的条件，经过低温冲击试验测试表明即使经过长时间的使用，其自身也能够保证较强的抗冲击能力。

高温抗腐蚀性能

在锅炉运行的过程中，其内部会产生对钢材料本身的腐蚀性，这种腐蚀主要表现为两种形式一种是高温热腐蚀、一种是蒸汽氧化性腐蚀，金属材料在高温下由于环境因素反应而沉积在其表面上的沉积物在氧和其他腐蚀性气体同时作用下加速腐蚀的现象称为热腐蚀。抗氧化性，是指金属材料在高温时抵抗氧化性气氛腐蚀作用的能力称为抗氧化性。经过系统试验可以明显看出高强低合金钢材料的抗热腐蚀性能和抗整齐氧化性能基本与传统的锅炉用钢材料持平。

加工性能

焊接性能

高强低合金钢材料因为自身的含碳量较低，所以其在焊接活动中表现出了很低的淬硬性，其焊接性能得到了极大的提升。在传统的锅炉用钢中因为要优先保证钢材料在应用活动中的高温性能、结构强度和耐腐蚀性等工作需求，所以传统钢材料往往在应用性能上较强，而在以焊接性能为主的加工性能上较差，导致在锅炉用钢材料的加工和组装过程中存在着严重的困难，但是这也是锅炉用钢材料的一种必然选择，只有保证锅炉用钢材的应用性能才能让锅炉用钢材料实现自己的价值，发挥应有的作用。所以在传统的锅炉用钢材料的应用中一般都会采取高温加工或者预热的措施来降低钢材料的加工的难度。但是与此同时钢材料加工的效率就大大降低了。新型高强低合金钢材料因为自身的碳含量比较低，所以表现出了极强的机械性能，在试验活动中利用Y 型坡口限制焊接裂纹试验来对其裂纹敏感性进行测试，测试结果表明高强低合金钢材料即使是在室温条件下进行焊接，其本身也不会产生裂纹，说明高强低合金钢材料具有极为优秀的焊接性能。

焊接接头性能

钢材料在加工活动中一个重要的加工指标就是其焊接接头的性能，高强低合金钢材料作为一种新型钢材料其在研发过程中就配属了专业的焊接消耗材料，用于焊接接头的焊接。焊接接头的性能会产生对锅炉整体连结性能的影响，在实验测试中可以发现在20℃的温度下不经过焊后热处理，高强低合金钢材料的焊接接头硬度也保持在HV300～350 的低值，这表明高强低合金钢材料的焊缝不需要焊前预热和焊后的热处理，就能达到相对较高的焊接强度。对焊接接头进行焊后的热处理往往能够将焊接接头的强度进一步提升。

在锅炉建造中应用高强低合金钢材料，是一种整体性的应用也就是说高强低合金钢材料的焊接接头的各方面性能，都应该达到与高强低合金钢材料相近的水平，作为锅炉组成的一部分其首先要考察的就是焊接接头的蠕变断裂强度，一般来讲在钢材料焊接接头的蠕变断裂强度会随着温度的提升和时间的延长而降低，但是在高强低合金钢材料中应用的焊接接头在550℃、600℃、650℃温度之下，其自身的蠕变断裂强度基本没有发生改变。