摘要：针对1Crl9NIl 1Nb电站锅炉用钢的使用环境特点，研究了1Crl9NillNb作为耐热不锈钢使用的强化机理，分析了主要合金成分对材料组织和性能的影响，从而确定了合理的化学成分控制目标。通过采用现代先进的“三步法”不锈钢冶炼工艺和“轧拔结合”的不锈钢制管工艺等技术，完成了该品种不锈钢管的试制。试制结果表明，太钢生产的1Crl9NillNb不锈钢管坯和钢管能满足相关技术要求。目前该产品已进入批量生产阶段。
1前言
近年来，随着我国火力发电行业的迅速发展，电站锅炉制造行业对1Crl9NillNb不锈钢无缝钢管的需求与Et俱增。1Crl9NillNb(TP347H)属于含铌Cr—Ni型奥氏体不锈钢[1]，由于含稳定化元素Nb，因此其除具有良好耐晶间腐蚀、较高的持久强度和抗氧化性能之外，还具有良好的弯管和焊接等工艺性能。该材料制作的钢管可用于高温、高压环境，对于承压部件，最高工作温度可达650℃;对于抗氧化部件，其最高抗氧化使用温度可达850℃[2]。在亚临界、超临界压力参数的大型发电锅炉上，1Crl9NillNb不锈钢无缝钢管主要用于制作高温过热器、高温再热器、屏式过热器的高温段以及各种耐高温高压的管件等部件。
为满足电站锅炉制造业需求，太钢成功开发了超(超)临界电站锅炉用1Crl9NillNb不锈钢管坯和无缝钢管，并顺利通过哈尔滨锅炉厂、东方锅炉厂材料研究所评定。目前该品种不锈钢管坯和无缝钢管已批量投放市场，并获用户好评。
2合金成分设计原理及生产工艺开发
根据电站锅炉中过热器、再热器使用环境特点、性能要求，对超(超)临界电站锅炉用1Crl9NillNb不锈钢管坯和无缝钢管的化学成分进行了设计，并开发出相应的生产工艺。成分设计应重点考虑材料的使用性能和工艺性能。
2.1合金成分设计原理
成分设计原理见图1。
1Crl9NillNb是在0Crl8Ni9(18～8)不锈钢基础上添加Nb、Ta(由于Nb和Ta性质相似，又经常伴生于一体[3])等稳定化元素演变成的钢种。在作为耐高温高压的热强钢时，C主要是提高高温强度和蠕变断裂极限，所需最小含碳量为0.04%[4]。除C以外，Nb作为合金元素加人钢中与C形成的碳化物产生沉淀强化作用[5]。材料经高温固溶处理后，在随后的使用过程中，在晶内、层错、位错、晶界上不断沉淀析出NbC。在发生蠕变的过程中，不溶解的NbC由于和基体热膨胀的差异，使NbC周围产生位错，这些位错为即将沉淀的NbC提供格点从而钉扎了新位错，阻止了蠕变滑动[6]，使材料的破断寿命提高(Kallqvist和Zndren发现，TP347H钢中的NbC粒子在700C时粗化得较慢，时效70，000h后其尺寸仍达到40hml7J)。因此在成分设计时，要充分考虑1Crl9NillNb钢中Nb和C的化学计量比、控制C小比，为材料提供更大量的NbC，从而提高蠕变寿命。
图2为Schaeffler’S相图，从图2可看出，室温时在1Crl9NillNb的奥氏体组织中含有5%～10%的铁素体，因此在高温或铸态组织中会产生更高比例的高温铁素体(δ相)。在轧制或热穿孔等热加工过程中，因高温铁素体和奥氏体的延伸系数不同，很容易造成裂纹，从而恶化了热加工性能，故在成分确定和轧制工艺制定时，应尽可能减少高温铁素体的产生。而如果Creq/Nieq控制得太低，则会在连铸急冷过程中，因连铸坯表面和芯部的冷却速度不同，而使钢坯内外产生较大的热应力，最终形成连铸裂纹。因此，冶炼过程中Creq/Nieq比的控制也非常关键。
1Crl9NillNb的化学成分控制范围见表1。
2.2生产工艺开发
太钢生产1Crl9NillNb不锈钢无缝管的工艺流程为：预处理铁水+电炉熔化合金液一K—OBM—S冶炼一VOD精炼一LF炉一模注5.6t方锭(或220mm×220mm连铸方坯加热)一热送初轧开坯一三轧厂或锻钢厂加工一管坯加热一穿孔一冷轧(拔)一热处理一检验一交付。
以铁水为原料，采用“电炉、转炉冶炼+炉外精炼”三步法不锈钢冶炼工艺，可使钢中的N、P、Cu及Pb、Sn、Sb、飚、Bi含量控制在很低水平。利用LF深脱氧、深脱硫技术和钙处理技术，实现了洁净钢生产和对夹杂物形态的控制。
模注时，采用无氧化浇注技术，对浇注温度和浇注速度进行控制，选择合理的模注保护渣和发热剂，缩短了二次缩孔的长度，减少了模注钢锭帽口工艺切头长度。在连铸过程中，通过对该钢种铸态组织结构控制技术的研究，对中间包过热度、连铸拉速、二冷制度和连铸保护渣等合理的选择和控制，成功地避免了由于钢坯表面和芯部冷却速度不同而产生的裂纹。
对钢锭和连铸坯的加热制度应合理选择和控制，结合轧机的实际能力，选用大压缩比的开坯工艺，并提高连铸坯开轧温度，使铸态粗大的奥氏体组织尽可能发生动态再结晶。通过采用上述加热制度和轧制工艺，使管坯材料致密、性能均匀，中心疏松、一般疏松和偏析控制在1.5级以下，皮下气泡在0.5级以下，a相在0.5级以下。
穿孔后的荒管，采用轧、拔结合的制管工艺，以保证钢管的表面质量和尺寸精度。
通过对成品固溶温度和时间及冷却方式的摸索，并结合现场热处理炉的炉况，确定了合理的热处理制度，使每支钢管都能通过敏化态晶间腐蚀实验，并且其晶粒度均控制在5～6级。
3实物质量和性能
3.1化学成分
对试制的Φ38mm×6.6mm 1Crl9NillNb钢管的化学成分进行分析，各元素含量均控制在标准要求范围内，其中，[P]≤0.020%，[S]≤0.0020%，[Cu]≤0.02%，[O]≤0.0030%，[H]≤0.0003%，Pb、Sn、Sb、As、Bi单一元素均不大于0.0030%，残余元素含量低，完全满足SA一213M(2004版)、GB5310—1995的要求。
3.2显微组织
显微组织符合ASME SA一213M、GB5310标准要求，检验结果见表2。1Crl9NillNb管的金相组织见图3。
3.3性能
3.3.1热加工性能
将Φ100mm 1Crl9NillNb(TP347H)不锈钢管坯进行热穿孔试验，共投料112支管坯，计10.1t。穿孔后的荒管内外表面质量良好，穿孔合格率为100%。
3.3.2冷加工性能
按ASME标准规定，分别进行了压扁和扩口试验，见图4a、b。压扁高度为标准规定的计算值27mm。扩口试验用顶芯角度为60。，内径扩口率为26%。试验后均未见裂缝或裂纹。
3.3.3耐晶问腐蚀性能
按GtM334.5—90标准要求进行了晶问腐蚀试验，试验后无因晶间腐蚀而产生的裂纹，见图4c。
3.3.4常温力学性能’
按标准要求，进行室温力学性能测试和硬度测试，所得结果见表3。可见，钢管室温力学性能良好，屈服强度、抗拉强度均有较大余量，塑性仍很好。
4应用情况
太钢开发的1Crl9NillNb不锈钢无缝管管坯及钢管已全部送往哈尔滨锅炉厂和东方锅炉厂材料研究所进行性能评定，按照GB5137、ASMESA一213、GB/r5310—95和各锅炉厂材料采购标准要求，分别进行了表面质量、几何尺寸、化学成分、高低倍组织、晶粒度、夹杂物、室温力学性能、压扁试验、扩口试验、硬度试验、晶间腐蚀性能试验等项目的测试，各项性能均能满足标准要求，产品可用于哈尔滨锅炉厂和东方锅炉厂的电站锅炉制造。目前，太钢已批量生产和销售1000余吨该品种钢管。
5结论
(1)根据1Crl9NillNb在电站锅炉中使用环境的特点，太钢通过合理的成分设计，选择适宜的Nb含量和C刷比，选择并优化试制过程中的冶炼、连铸、轧制及热处理工艺，成功地开发了1Crl9NillNb(TP347H)不锈钢无缝钢管。钢管的综合性能完全能满足超(超)临界电站锅炉用钢的技术要求。
(2)太钢开发的1Crl9NillNb不锈钢管坯和钢管具有良好的冷、热加工性能，并具备组织均匀、性能稳定等特点。
参考文献：
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