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目前中国超超临界火电机组建设急需的锅炉钢管主要是P91、P92、S30432和S31042。现阶段中国锅炉钢管的生产流程以模铸为主,虽然也有冶金企业尝试采用连铸工艺生产P91和P92钢坯料。采用连铸流程生产的P91/P92钢坯料可能存在元素偏析。
中国开展P91/P92钢管试制的时间较晚,直径400mm以上的大口径P91/P92管国内基本上不能生产(指轧管工艺)。一方面是因为现在生产设备条件不完备,另一方面对这两种钢的最佳化学成分配比、最佳热加工工艺和最佳热处理制度还没有完全搞清楚。2007年ASME委员会在北京召开会议,通告了下调铁素体系锅炉钢许用应力值,其中ASMECodeCase2179Grade92钢的许用应力值下调15%,ASMECodeCase2180Grade122钢的许用应力值下调27%。这是因为欧美和日本经过7～10万h的持久实验后发现这类铁素体锅炉钢的持久强度并没有如预测外推的那样直线下降,而是出现了拐点,致使长时间后持久强度值显著低于预测值。各国研究人员正在分析造成这种情况的原因,迄今可以达成共识的结论之一就是δ铁素体组织的出现。关于界面退化和Z相形成问题也是广泛关注的问题,但还没有形成统一的意见。
δ铁素体组织的出现与铬当量和镍当量有直接关系,在锅炉钢的精细成分设计上应给予充分的重视。一般认为铬的质量分数达到11%左右时,钢中难以避免地出现δ铁素体组织,因此Grade92和Grade122钢中的铬元素含量均取下限。众所周知,铬元素是抗高温蒸汽腐蚀的关键元素之一,若其含量低将影响钢的抗氧化等抗腐蚀性能。因此,在确定钢的铬当量和镍当量时,需要一个较全面的考虑来平衡钢的持久强度和抗蒸汽腐蚀性能。目前的认识水平,达到这个要求还有一定的困难,因此,在600℃蒸汽参数下使用的铁素体型锅炉钢的成分优化设计工作还远没有完成。
2003年以来,中国一些冶金企业先后开展S30432钢管的试制工作,目前已取得相当进展,常熟华新、浙江久立、宝钢股份等单位试制的S30432钢管已先后通过有关部门组织的技术评定,产品质量已基本达到设计的要求,下一步将逐步批量投放市场。过去几年中,S30432钢试制过程中遇到的主要困难之一就是晶间腐蚀问题。针对这个问题,钢铁研究总院进行了系统的研究,已摸清影响该钢晶间腐蚀的关键影响因素及其控制方法,即通过严格控制C和Nb元素的含量以及严格控制固溶热处理制度可以避免晶间腐蚀问题。关于晶间腐蚀是否应该成为S30432钢管订货技术条件的内容,国内同行一直有争论,迄今也未达成统一意见。一个已发现的事实是日本进口的S30432钢管实物也普遍存在晶间腐蚀现象。钢铁研究总院的研究结果已表明,解决S30432钢管的晶间腐蚀问题是有办法的,只是产品的制造成本将有所增加。关于加钼问题,国内目前普遍在试制时加入质量分数为0.2%～0.4%的钼,这一点基本上有共识。可以预见,在不久的将来,中国将完全实现S30432钢管的国产化。
S31042钢管的试制国内起步较晚,该钢存在的主要技术问题是持久强度与使用预期相比偏低。该钢由于铬含量很高,抗蒸汽腐蚀性能优越,但由于持久强度偏低,使设计管壁厚度大,增加了材料成本。在S31042钢的基础上,通过成分和工艺优化,使该钢的持久强度略有提高将具有重要实用意义。从2006年开始,钢铁研究总院已开展这方面的研究探索工作,并正在取得一些阶段性进展。
锅炉钢的开发周期漫长,投入巨大,技术难度很大,开发一个新钢种需要10年甚至20年的时间。尽管在1960—1970年,中国在锅炉钢的研究领域曾经处于世界先进水平,但目前中国落后了。日本、欧洲和美国现在处于锅炉钢研制和应用的领先水平,国外的先进经验值得中国借鉴和学习。日本是在引进欧洲锅炉钢技术的基础上,走引进2消化2吸收2仿制2创新2输出的道路,用了不到20年的时间,日本全面超越欧美,走到了锅炉钢技术的最前沿。分析日本在锅炉钢技术研究上的成功经验,有以下几条:(1)国家连续的目标明确的经费支持;(2)重视基础和应用基础研究,设立专门的研究经费,建立材料持久蠕变数据库;(3)建立产学研团队,针对市场需求进行产品开发和推广。这些经验值得中国参考和学习,只有充分吸取国外已有的经验,才能发挥中国的后发优势,用尽可能短的时间赶上或超越国外先进水平。钢铁研究总院程世长教授等人在中国机械工业联合会2007年举办的“超超临界火电机组用钢国产化研讨会”上作了“超超临界机组用耐热钢基础科学问题探讨”主旨报告,详细阐述了锅炉钢研制中所涉及的基础科学问题。希望国内有关单位共同努力,把中国锅炉钢的基础科学研究推到一个新的高度,为中国锅炉钢的跨越发展提供支撑。
超超临界火电机组技术是优化中国电源结构最重要的技术措施。建设高参数超超临界火电机组可降低煤耗、大幅度地减少排放、极大地节约能源和资源,减少电煤运输对交通的压力等,事实已证明建设超超临界火电机组是中国实现节能减排战略目标和保证中国能源和经济安全的最重要措施之一。高端锅炉钢是支撑超超临界火电机组技术的重要基础。中国正在组织全国的力量研制600℃蒸汽参数超超临界机组用锅炉钢,急需的锅炉钢管包括,但不限于,T/P92、S30432和S31042等,预计在不久的将来,中国将逐步实现上述锅炉钢管的国产化。为保障中国锅炉钢技术的持续快速发展,中国应大力开展基础科学研究,建立持久蠕变数据库,为创新性研究提供支撑平台。