转子用12%Cr钢的技术发展

摘 要：通过研究高中压转子材料的发展及国内外对12%Cr钢的研究现状，本文对高中压转子用钢12%Cr的发展、状况、性能进行了初步介绍，并初步探讨了化学成分对性能的影响，为12%Cr钢的工艺开发奠定了基础。

关键词：12%Cr钢;高中压转子;高温性

1、高中压转子材料的性能要求

高中压转子工作时承受着高应力、高温度的双重作用，还要承受交替变化的热应力，使高中压转子发生蠕变损伤和热疲劳损伤或者二者的叠加，因此，要求其材料必须具有很高的高温蠕变断裂强度和疲劳强度[1]。汽轮机高中压转子材料的选择除要考虑材料对冲击韧性、疲劳强度、脆性转变温度的要求外，还要考虑：在工作温度下，具有优异的蠕变断裂强度，良好的组织稳定性;要求热导率高和膨胀系数小;制作大型钢锭时组织偏析小;淬透性和工艺性能良好[2]。目前，高中压转子的材料主要为CrMoV、12%Cr钢、改进型高Cr钢，并且正在发展新12%Cr钢及奥氏体钢、超合金，其中最常用的材料是CrMoVWNbN钢， Cr元素的含量从1%～13%不等。

2、12%Cr钢的技术发展

（1）国外技术发展

德国KWU公司制造出第一支用于汽轮机发电机组的12%CrMoV超临界转子钢。随后美国、日本相继生产出各自的12%Cr型超临界转子。目前，已经开发的12%Cr铁素体耐热钢有12Cr1MoV钢（HT91）、12Cr1MoWV钢（HT91）、12Cr1Mo1WVNb钢（HC12）、12Cr0.5Mo2WCuVNb钢（HCM12A），开发的12CrWCoNiVNb钢（NF12）和12CrWCoVNb钢（SAVE12）作为650℃等级材料，以提高高温下的抗氧化性。

日本迄今开发了多种12%Cr型耐热钢用作在566℃以上工作的高温转子材料[2-3]，并且生产了一系列能用于593℃、621℃及648℃高参数的12%Cr改进型的系列钢种，TMK1、TMK2、TR1200，TMK1、TMK2已广泛应用于制造超超临界高中压转子。改进型转子钢的性能表现为持久强度、断裂韧性、疲劳特性都得到了显著提高，工艺特点是：减少Si、S含量、杂质元素含量，减少铸件内部偏析，添加W、Nb、N、B等合金元素以提高蠕变断裂强度，并适当降低Cr含量;改进热处理工艺，使金相组织为均匀的回火马氏体组织或铁素体。TOS101主要作为566℃工作的转子材料，具有更高的蠕变断裂强度。TOS107用于593℃工作的高压-低压联合转子材料，由于W的固溶强化作用，蠕变断裂强度得到很大提高。TOS110中W含量更高，并添加Co和B，降低了Mo含量，蠕变断裂强度更加优异，用于630℃以上工作的超超临界汽轮机发电机组。TMK系列钢具有非常优异的蠕变破断强度，有的可满足超超临界机组的使用要求。TR1200钢是日本新开发的可以用在593℃以上高温的高中压转子钢，并有进一步提高使用温度的潜力。

欧洲开发了10.5CrMoVNbWN系的COST‘E转子钢和10.2CrMoVNbN系的COST‘F转子钢。美国已开发的应用于566℃超临界汽轮机转子钢有AISI422、GE钢及其改进型等。表2列出了已经运用于不同超临界参数机组高、中压转子钢的化学成分[4-6]，这些新型的12%Cr转子钢在超临界高压蒸汽条件下具有非常优良的抗蠕变断裂性能，高温强度和常温韧性。

（2）国内技术发展

我国发电设备制造行业已经全面掌握了300MW、600WM亚临界机组的设计和制造技术，已具备600MW亚临界参数机组的制造能力，技术水平也接近国际先进水平。对于超临界技术，国内很早就进行了跟踪研究 [7]，国内从2003年开始对12%Cr超超临界转子用钢及制造技术进行研究。哈尔滨汽轮机厂与重机厂联合开展了12%Cr转子钢的研制课题，就600MW ～1000MW超超临界汽轮机铸锻件材料与制造工艺进行合作研究，已成功生产出钢锭重97t的1000MW超超临界机组高压转子。上海重型机器厂也对12%Cr超超临界转子用钢进行了大量的基础性研究。中国第二重型集团公司在2008年生产出一支百万千瓦机组超超临界发电机转子，填补了我国百万千瓦级超超临界发电机转子生产空白。

（3）12%Cr钢的冶炼工艺

目前，12%Cr钢的冶炼工艺有EAF+LF+VCD/ESHT/ESR/PESR，12%Cr钢冶炼难度大，电弧炉冶炼时产生的以铬氧化物为主的夹杂物易于凝集在钢锭底部，且钢锭下部易形成含碳量少的负偏析区，对于含有Co、B等元素的12%Cr转子钢，必须采用ESR（电渣重熔法）冶炼，才能获得高纯净度和均质的钢锭，避免成分偏心，获得均匀组织[8-9]。

3、结论

CrMoV低合金钢在566℃下达到使用极限，普通12%Cr钢在593℃以上时蠕变强度不足，其性能已不能满足发展的需要，改进型12% Cr钢和新12% Cr钢由于添加合金元素及对化学成分的调整，性能得到很大提高，是超临界和超超临界高中压转子的主要材料。本文在国内外对转子用12%Cr钢研究的基础上，对其技术发展现状进行了初步分析，为工艺开发奠定一定的基础。

参考文献：

[1]朱德勇，姜华伟，高建强.超超临界汽轮机高温部件材料选择与防止固粒侵蚀措施[J].汽轮机技术，2009，51（2）：153-155.

[2]王雷刚，邓东梅，刘助柏.90年代汽轮机转子用钢的新进展[J].大型铸锻件， 2001， （1）： 43-44， 54.

[3]傅万堂，张百忠，王宝忠.超临界与超超临界转子材料发展情况综述[J].大型铸锻件，2008，（5）：33-36.

[4]金子丈治，浅沼裕等.蒸氣タ—ビソ設備の設計と材料[A].火力原子力發電，2002.

[5]T. Tsuchiyama. Development and manufacturing of an advanced 12%Cr steel for super -critical steam conditions. Proceedings of the 4th International Charles Parsons Turbine Conference， Advances in Turbine Materials， Design and Manufacturing， 2000： p45.

[6]劉显惠，林锦棠.国外汽轮机高效化与转子锻件材料的开发.东方电气评论，2004，18（2）：60-67.

[7]沈邱农，程钧培.我国超临界汽轮机研制的展望[J].上海汽轮机，2001，（1）：10-16.

[8]王宝忠. 12%Cr超超临界转子的热加工过程物理模拟及研制.燕山大学工学博士学位论文. 2007， 12.

[9]吕振家. 汽轮机转子用9-12%Cr钢发展情况综述[J].大型铸锻件，2019，（2）：1-5.

作者简介：

段飞虎（1986年3月），性别：男，民族：汉族，籍贯（精确到市）：河南省周口市，当前职务：审查员，当前职称：助理研究员，学历：硕士研究生，研究方向：金属无切削加工.