新型奧氏體耐熱鋼SP2215 的開發與研究*

吳明華，楊 輝，朱秋華，陳根保，宋建新，高亦斌，王建勇，丁斌華

（1.永興特種材料科技股份有限公司，浙江 湖州 313005；2.江蘇武進不銹股份有限公司，江蘇 常州 213111）

近年來，中國電力工業迅速發展，根據國家統計局公布的數據，早在2019 年中國電力裝機容量為20.1 億kW·h，發電量為75 034.3 億kW·h，發電量和裝機容量均居世界第一位。

中國發電種類主要包括火電、水電、核電、風電及其他綠色環保電力?；痣娛抢妹?、石油和天然氣作為燃料生產電能，在2019 年中國火電發電量占總發電量的比例為69.57%，由于中國煤炭資源非常豐富，且利用煤炭發電的技術成熟，成本較低，所以中國火力發電燃料絕大部分是煤炭，火電在整個國民經濟的發展體系中，占據了很重要的地位。中國火力發電量從2009 年的29 827 億kW·h快速增長到2019 年的52 201 億kW·h，年均復合增長率為5.76%，火電在中國發電量中占絕對優勢，發電工業技術水平也已處于世界前列。目前國家鼓勵清潔能源，優化發展煤電，要依靠科技進步，創建節約型社會，以達到保護資源，高效利用，減少污染的目的［1］。優化發展煤電，除考慮電源的合理布局之外，關鍵是要提高燃煤發電機組的效率和減少污染物的排放。高參數、大容量的發電機組是提高效率和減少排污的有效途徑［2］。

2006 年，中國第一臺百萬千瓦超超臨界發電機組投產，壓力26.25 MPa，溫度600 ℃/600 ℃［3］。反映了電站用金屬材料，特別是高溫超超臨界用新型材料的國產化取得長足的進步，但是鍋爐中的再熱器、過熱器等核心部件材料還主要依賴進口［4］，為了真正意義上解決核心材料國產化，提升鍋爐用鋼材料的使用溫度，降低材料采購成本，由北京科技大學等單位聯合開發出具有我國自主知識產權的新型鋼種SP2215［5-6］，綜合了S30432、HR3C 鋼的主要性能優點，基于多種析出強化相原理，保證了鋼的高抗氧化性、高溫持久性能。本文重點介紹SP2215 鋼的主要性能情況。

1 成分設計和工藝流程

SP2215 和HR3C 的主要化學成分要求見表1。

表1 HR3C、SP2215 的主要化學成分（質量分數）要求 %

SP2215、HR3C 制造成本受鎳價影響很大，如同期鎳價上浮10%，從原料成本增加情況考量，SP2215 原料成本相對于HR3C 要低很多。

考慮材料經濟性，在實際試制過程中，對SP2215 采用類似S30432、HR3C 大生產管坯制造及鋼管加工工藝，整個加工過程中發現，SP2215在制毛管以及加工成品管成材率方面均要優于HR3C。

SP2215 管坯生產工藝流程：原材料準備→電爐冶煉→氬氧脫碳法AOD 精煉→鋼包精煉爐LF精煉→澆鑄508 mm×508 mm（2.3 t）方鋼錠→鍛造或軋制開坯成220 mm×220 mm 方坯→熱軋Φ110 mm 管坯→精整→檢驗。

SP2215 鋼管的生產工藝流程：Φ110 mm 管坯→熱穿孔→酸洗→修磨→冷軋→脫脂→熱處理→矯直→酸洗→修磨→冷軋→脫脂→熱處理→矯直→酸洗→精整→檢驗。

2 工藝性能

2.1 熱塑性

SP2215 和HR3C 鋼試料均為508 mm×508 mm模鑄方鋼錠鍛造開坯220 mm×220 mm 方坯，加熱后軋制成Φ110 mm 的熱軋管坯，其實際化學成分檢驗結果見表2。

表2 SP2215 和HR3C 試驗管坯的化學成分（質量分數） %

按照熱模擬試驗要求，對軋制的管坯使用線切割機，在管坯1/2 半徑處沿長度方向切割Φ12 mm試樣，長度為160 mm。然后經過車床加工成Φ10 mm×120 mm 熱模擬試樣。采用Gleeble 1500 熱模擬試驗機對上述試樣進行拉伸試驗，試樣以15 ℃/s升溫到試驗溫度，再保溫480 s 后，試驗溫度為900，950，1 000，1 050，1 100，1 120，1 150，1 180，1 200，1 220，1 250，1 280 ℃。為了更接近于實際生產，以1.5 s-1的應變速率進行拉伸，直到試樣斷裂，并且立即對試樣進行淬水冷卻［7］。

試樣拉伸斷裂后，計算斷面收縮率及抗拉強度，具體參數結果見表3，兩者軋制態的熱塑性曲線如圖1 所示。

表3 SP2215 和HR3C 拉伸試驗結果

從圖1 及表3 中可以看出，HR3C 熱塑性（斷面收縮率RA≥85%）最佳溫度在1 160～1 220 ℃，在1 180 ℃時RA最高為90.7%，而SP2215 熱塑性（RA≥85%）最佳溫度在1 150～1 260 ℃，在1 180℃時RA高達96.7%。兩者相比，SP2215 高熱塑性溫度區間要寬，表現出的RA值明顯要高。因此，SP2215 具有更優秀的熱塑性，能更好地適應二輥斜軋穿孔工藝的要求。

2.2 焊接性能

表2 成分的Φ50.8 mm×9.24 mm SP2215 成品管在東方電氣集團東方鍋爐股份有限公司進行焊接工藝性能評定，采用手工鎢極氬弧焊，ERNiCrCoMo-1 Φ2.4 mm 焊條，焊接電流90～150 A，焊接電壓10～18 V，焊接接頭拉伸性能見表4，5 mm×10 mm×55 mm 試樣縱向沖擊功88，86，87 J。彎曲試驗后鋼管形貌如圖2 所示。焊縫組織如圖3～4 所示，表明SP2215 焊接接頭綜合性能良好，符合NB/T 47014—2011《承壓設備焊接工藝評定》要求。

圖2 SP2215 成品管彎曲試驗后形貌示意

圖3 SP2215 成品管焊縫形貌

圖4 SP2215 成品管的焊縫組織

表4 SP2215 成品管焊接接頭拉伸試驗結果

3 使用性能

3.1 高溫蒸汽腐蝕性能

同樣取上述表2 成分的Φ50.8 mm×9.24 mm SP2215 成品管進行蒸汽氧化試驗，鋼管金相組織如圖5 所示，取板狀試樣，取樣如圖6 所示，試樣6 個表面經拋光處理后，在無水乙醇中進行超聲波清洗并烘干，使用超超臨界水蒸氣氧化試驗裝置進行水蒸氣氧化試驗。為模擬鍋爐傳熱管內的蒸汽介質，采用去離子水并通入氬氣除氧，水蒸氣的含氧量小于100×10-9，水的蒸發量為2×10-3m3/h，蒸汽參數為650 ℃/27 MPa，試驗時間為200，500，800，1 300，2 000 h，試驗結果見表5，SP2215 氧化膜厚度-時間的關系如圖7 所示。

圖5 SP2215 鋼管蒸汽氧化試驗后的金相組織

圖6 SP2215 鋼管試樣的切割示意

圖7 SP2215 鋼管在650 ℃/27 MPa 的蒸汽參數下氧化膜厚度-時間的關系

表5 SP2215 鋼管在650 ℃/27 MPa 蒸汽氧化條件下的試驗結果

采用氧化膜厚度-時間的關系來表征氧化動力學。氧化膜的生長速率與氧化膜的厚度的冪函數成反比，氧化膜厚度越厚，元素通過氧化膜的擴散速率越慢，因此蒸汽過程中氧化膜的厚度與時間的關系按公式（1）進行擬合［8］。

式中h——氧化膜厚度，μm；

Kp——氧化速率常數；

t——氧化時間，h；

n——氧化速率指數，一般而言n≥1。

SP2215 鋼管擬合參數顯示其在650 ℃/27 MPa蒸汽參數下的氧化速率常數為0.093，氧化速率指數n為2.10。

取SP2215 橫截面氧化物（2 000 h）進行元素面分布分析，如圖8 所示。由圖8 可知SP2215 橫截面氧化膜可分為內外兩層，外層主要為Fe 的氧化物，內層富含Cr，Ni 富集在氧化膜內層中，Cu 只在氧化膜/基體金屬界面局部富集。

圖8 SP2215 鋼管橫截面氧化膜元素面分布（2 000 h）

據相關資料［9］，HR3C 拋光面在650 ℃/26 MPa的蒸汽參數下，500 h 氧化膜深度為2～12 μm，1 500 h 氧化膜深度為13～38 μm，該試驗材料化學成分為：Si0.43%、Mn1.22%、Ni18.83%、Cr24.5%、Nb0.503%。兩個材料短時蒸汽氧化試驗表明，SP2215 的抗氧化性能和HR3C 是比較接近的，均表現出較好的抗蒸汽氧化性能，這主要是由于材料中鉻含量超過22%時，能夠形成致密的富鉻氧化膜，使材料保持很好的抗蒸汽腐蝕性能［10］。

3.2 高溫持久強度

從Φ50.8 mm×9.24 mm SP2215 成品鋼管上取80 件Φ8 mm 的圓柱狀試樣，依據GB/T 2039—2012《金屬材料單軸拉伸蠕變試驗方法》，進行650℃、700 ℃高溫持久強度評定，采用Larson-Miller參數法對評定鋼管現有持久強度試驗數據進行外推，結果為：650 ℃10 萬h 高溫持久強度為126 MPa；700 ℃10 萬h 高溫持久強度為78 MPa，曲線如圖9 所示。

圖9 SP2215 無縫鋼管Larson-Miller 參數法持久強度曲線

式中P——Larson-Miller 參數；

T——絕對試驗溫度，K；

C——常數，這里取14.56；

tr——斷裂時間，h。

根據寶鋼提供的數據［11］，HR3C 和S30432 鋼管采用等溫線法線性外推結果顯示，650 ℃10 萬h高溫持久強度分別為109.3 MPa 和122.1 MPa，700℃10 萬h 高溫持久強度分別為64.9 MPa 和72.63 MPa；S30432、HR3C、SP2215 鋼管高溫持久數據對比見表6。從表6 可以看出，SP2215 鋼管650 ℃和700 ℃10 萬h 的高溫持久強度外推數據具有明顯的優勢，比HR3C 分別高出16.7 MPa 和13.1 MPa，比S30432 分別高出3.9 MPa 和5.4 MPa。

表6 三種材質鍋爐管105 h 高溫持久強度對比 MPa

3.3 長時時效沖擊功及硬度

Φ50.8 mm×9.24 mm SP2215 成品管以及HR3C成品管取樣各7 件，在700 ℃下分別保溫24，100，500，1 000，2 000，3 000 h。然后制成10 mm×5 mm×55 mm 沖擊試樣以及硬度試樣，試驗結果見表7～8，不同時效時間沖擊功和硬度變化如圖10～11 所示。

圖10 SP2215 和HR3C 不同時效時間沖擊功變化

圖11 SP2215 和HR3C 不同時效時間硬度變化

表7 SP2215 和HR3C 成品管試樣經700 ℃時效沖擊功比較 J

從表7 中可以看出，兩種材料交貨狀態時的沖擊功值接近，但隨著時間不斷增加，SP2215 和HR3C 沖擊功值均顯著下降，但SP2215 在100 h 時效后沖擊功值逐步趨于穩定，到3 000 h 沖擊功值仍保持12 J；然而HR3C 一直呈下降趨勢，到3 000 h 沖擊功值僅2.5 J。從表8 可以看出，700 ℃下兩種材料時效處理后，硬度值均有一定上升，SP2215整體硬度值稍高一些。

表8 SP2215 和HR3C 材料700 ℃時效硬度值 HBW

4 結語

（1）生產中SP2215 可采用類似S30432、HR3C 的大生產管坯制造及鋼管加工工藝，如此毛管以及成品管成材率比較高。由于合金元素含量差異，SP2215 在原料成本方面比HR3C 有明顯優勢。

（2）HR3C 熱塑性最佳溫度1 160～1 220 ℃，SP2215 熱塑性最佳溫度1 150～1 260 ℃。兩者相比，SP2215 高熱屬性溫度區間更寬，斷面收縮率RA值顯著要高。因此，SP2215 表現出更優秀的熱塑性，能更好地適應二輥斜軋穿孔工藝。

（3）采用Larson-Miller 參數法對SP2215 評定鋼管現有持久強度試驗數據進行外推，650 ℃10 萬h為126 MPa；700 ℃10 萬h 為78 MPa，比HR3C分別高16.7 MPa 和13.1 MPa，比S30432 分別高3.9 MPa 和5.4 MPa，高溫持久強度具有明顯優勢。SP2215 與HR3C 均有良好的高溫抗蒸汽氧化腐蝕和焊接性能。

（4）SP2215 和HR3C 兩種材料固溶狀態對的沖擊功值接近，經700 ℃時效試驗，隨著時間增加，兩者沖擊功值顯著下降，但硬度值均有一定上升。SP2215 在100 h 時效后沖擊功趨于穩定，但HR3C 一直呈下降趨勢，到3 000 h 時效后SP2215沖擊功為12 J，而HR3C 僅有2.5 J。

（5）SP2215 是具有中國自主知識產權的新型奧氏體耐熱鋼，綜合性能明顯優于HR3C，可作為620～650 ℃超超臨界電站鍋爐用不銹耐熱鋼材料。