轉子用12%Cr鋼的技術發展

摘 要：通過研究高中壓轉子材料的發展及國內外對12%Cr鋼的研究現狀，本文對高中壓轉子用鋼12%Cr的發展、狀況、性能進行了初步介紹，并初步探討了化學成分對性能的影響，為12%Cr鋼的工藝開發奠定了基礎。

關鍵詞：12%Cr鋼;高中壓轉子;高溫性

1、高中壓轉子材料的性能要求

高中壓轉子工作時承受著高應力、高溫度的雙重作用，還要承受交替變化的熱應力，使高中壓轉子發生蠕變損傷和熱疲勞損傷或者二者的疊加，因此，要求其材料必須具有很高的高溫蠕變斷裂強度和疲勞強度[1]。汽輪機高中壓轉子材料的選擇除要考慮材料對沖擊韌性、疲勞強度、脆性轉變溫度的要求外，還要考慮：在工作溫度下，具有優異的蠕變斷裂強度，良好的組織穩定性;要求熱導率高和膨脹系數小;制作大型鋼錠時組織偏析小;淬透性和工藝性能良好[2]。目前，高中壓轉子的材料主要為CrMoV、12%Cr鋼、改進型高Cr鋼，并且正在發展新12%Cr鋼及奧氏體鋼、超合金，其中最常用的材料是CrMoVWNbN鋼， Cr元素的含量從1%～13%不等。

2、12%Cr鋼的技術發展

（1）國外技術發展

德國KWU公司制造出第一支用于汽輪機發電機組的12%CrMoV超臨界轉子鋼。隨后美國、日本相繼生產出各自的12%Cr型超臨界轉子。目前，已經開發的12%Cr鐵素體耐熱鋼有12Cr1MoV鋼（HT91）、12Cr1MoWV鋼（HT91）、12Cr1Mo1WVNb鋼（HC12）、12Cr0.5Mo2WCuVNb鋼（HCM12A），開發的12CrWCoNiVNb鋼（NF12）和12CrWCoVNb鋼（SAVE12）作為650℃等級材料，以提高高溫下的抗氧化性。

日本迄今開發了多種12%Cr型耐熱鋼用作在566℃以上工作的高溫轉子材料[2-3]，并且生產了一系列能用于593℃、621℃及648℃高參數的12%Cr改進型的系列鋼種，TMK1、TMK2、TR1200，TMK1、TMK2已廣泛應用于制造超超臨界高中壓轉子。改進型轉子鋼的性能表現為持久強度、斷裂韌性、疲勞特性都得到了顯著提高，工藝特點是：減少Si、S含量、雜質元素含量，減少鑄件內部偏析，添加W、Nb、N、B等合金元素以提高蠕變斷裂強度，并適當降低Cr含量;改進熱處理工藝，使金相組織為均勻的回火馬氏體組織或鐵素體。TOS101主要作為566℃工作的轉子材料，具有更高的蠕變斷裂強度。TOS107用于593℃工作的高壓-低壓聯合轉子材料，由于W的固溶強化作用，蠕變斷裂強度得到很大提高。TOS110中W含量更高，并添加Co和B，降低了Mo含量，蠕變斷裂強度更加優異，用于630℃以上工作的超超臨界汽輪機發電機組。TMK系列鋼具有非常優異的蠕變破斷強度，有的可滿足超超臨界機組的使用要求。TR1200鋼是日本新開發的可以用在593℃以上高溫的高中壓轉子鋼，并有進一步提高使用溫度的潛力。

歐洲開發了10.5CrMoVNbWN系的COST‘E轉子鋼和10.2CrMoVNbN系的COST‘F轉子鋼。美國已開發的應用于566℃超臨界汽輪機轉子鋼有AISI422、GE鋼及其改進型等。表2列出了已經運用于不同超臨界參數機組高、中壓轉子鋼的化學成分[4-6]，這些新型的12%Cr轉子鋼在超臨界高壓蒸汽條件下具有非常優良的抗蠕變斷裂性能，高溫強度和常溫韌性。

（2）國內技術發展

我國發電設備制造行業已經全面掌握了300MW、600WM亞臨界機組的設計和制造技術，已具備600MW亞臨界參數機組的制造能力，技術水平也接近國際先進水平。對于超臨界技術，國內很早就進行了跟蹤研究 [7]，國內從2003年開始對12%Cr超超臨界轉子用鋼及制造技術進行研究。哈爾濱汽輪機廠與重機廠聯合開展了12%Cr轉子鋼的研制課題，就600MW ～1000MW超超臨界汽輪機鑄鍛件材料與制造工藝進行合作研究，已成功生產出鋼錠重97t的1000MW超超臨界機組高壓轉子。上海重型機器廠也對12%Cr超超臨界轉子用鋼進行了大量的基礎性研究。中國第二重型集團公司在2008年生產出一支百萬千瓦機組超超臨界發電機轉子，填補了我國百萬千瓦級超超臨界發電機轉子生產空白。

（3）12%Cr鋼的冶煉工藝

目前，12%Cr鋼的冶煉工藝有EAF+LF+VCD/ESHT/ESR/PESR，12%Cr鋼冶煉難度大，電弧爐冶煉時產生的以鉻氧化物為主的夾雜物易于凝集在鋼錠底部，且鋼錠下部易形成含碳量少的負偏析區，對于含有Co、B等元素的12%Cr轉子鋼，必須采用ESR（電渣重熔法）冶煉，才能獲得高純凈度和均質的鋼錠，避免成分偏心，獲得均勻組織[8-9]。

3、結論

CrMoV低合金鋼在566℃下達到使用極限，普通12%Cr鋼在593℃以上時蠕變強度不足，其性能已不能滿足發展的需要，改進型12% Cr鋼和新12% Cr鋼由于添加合金元素及對化學成分的調整，性能得到很大提高，是超臨界和超超臨界高中壓轉子的主要材料。本文在國內外對轉子用12%Cr鋼研究的基礎上，對其技術發展現狀進行了初步分析，為工藝開發奠定一定的基礎。

參考文獻：

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[7]沈邱農，程鈞培.我國超臨界汽輪機研制的展望[J].上海汽輪機，2001，（1）：10-16.

[8]王寶忠. 12%Cr超超臨界轉子的熱加工過程物理模擬及研制.燕山大學工學博士學位論文. 2007， 12.

[9]呂振家. 汽輪機轉子用9-12%Cr鋼發展情況綜述[J].大型鑄鍛件，2019，（2）：1-5.

作者簡介：

段飛虎（1986年3月），性別：男，民族：漢族，籍貫（精確到市）：河南省周口市，當前職務：審查員，當前職稱：助理研究員，學歷：碩士研究生，研究方向：金屬無切削加工.