鍋爐用T91鋼的高溫氧化研究.pdf

1、T91鋼是美國上世紀(jì)七十年代研制開發(fā)的火力發(fā)電廠鍋爐蒸汽管道、集熱箱、再熱器、蒸汽導(dǎo)管等用的熱強(qiáng)鋼，該鋼具有高的許用應(yīng)力，高的持久強(qiáng)度，高的蠕變抗力，高的疲勞強(qiáng)度，高的熱導(dǎo)率，良好的焊接性，較好的抗蝕性，以及適當(dāng)?shù)膬r(jià)格。廣泛應(yīng)用于美、歐、日等先進(jìn)國家的火力發(fā)電廠，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。我國于“八五”期間引進(jìn)了該鋼種，并進(jìn)行了國產(chǎn)化研究與生產(chǎn)。本文主要對(duì)T91鋼在高溫水蒸氣介質(zhì)環(huán)境中的氧化行為進(jìn)行了研究，為T91鋼在電站安全運(yùn)行提供可靠

2、依據(jù)。 首先利用熱分析天平連續(xù)稱重法對(duì)T91鋼的高溫氧化動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了研究，無論在水蒸氣還是在空氣介質(zhì)下，隨著溫度的升高，T91鋼氧化腐蝕逐漸加重。另外在有蒸汽的環(huán)境中，550～600℃時(shí)T91鋼氧化動(dòng)力學(xué)都遵守拋物線y<'n>=Kt規(guī)律，由蒸汽量引起的同溫度鋼的氧化腐蝕量的差異可忽略，且氧化腐蝕運(yùn)行評(píng)價(jià)的結(jié)論是安全的，最長在160小時(shí)時(shí)氧化速率就已達(dá)到1級(jí)完全抗氧化性標(biāo)準(zhǔn)‘<0.1 g·m<'-2>·h<'-1>；650～700

3、℃區(qū)間，同溫度下T91鋼的抗氧化性蒸汽量大比蒸汽量小的好，低蒸汽量下慢速氧化階段由拋物線(前期)和直線y=a+bt(后期)組成，高蒸汽量下在試驗(yàn)氧化時(shí)間內(nèi)T91鋼的氧化動(dòng)力學(xué)曲線是拋物線：700℃以上氧化腐蝕已相當(dāng)嚴(yán)重了，氧化速率符合2級(jí)抗氧化性標(biāo)準(zhǔn)‘0.1～1g·m<'-2>·h<'-1>。氧化基本遵守雙直線規(guī)律，氧化量隨蒸汽量增加而增加。 接著借助掃描電鏡、能譜儀和物相分析儀等深入認(rèn)識(shí)了T91鋼氧化腐蝕產(chǎn)物(氧化層)的物相組

4、成、組織結(jié)構(gòu)及形成機(jī)理等。 研究發(fā)現(xiàn)氧化膜脆，隨著溫度升高，氧化膜越松脆且易剝落。氧化膜均呈現(xiàn)三層結(jié)構(gòu)，內(nèi)層為單相無晶界結(jié)構(gòu)；外層為等軸狀晶組織；氧化膜中層低于700℃的為柱狀晶組織，高于700℃的為等細(xì)軸晶組織。氧化層內(nèi)層致密與鋼基體結(jié)合牢固；氧化層中層最為疏松，其柱狀晶之間存在大量空洞，柱狀晶的直徑尺寸約為2μm。氧化層層內(nèi)有縱向裂紋，裂紋容易發(fā)生在中層與外層的接合處，這易使外層剝落。 實(shí)踐研究表明，氧化層內(nèi)層富Cr

5、，中層貧Cr，外層無Cr。內(nèi)層是單相無晶界的非晶體的CrFe<,2>O<,4>層，它是在Cr、Fe與O的供應(yīng)相對(duì)較充足的環(huán)境中，由直徑約0.1～0.2μm的納米級(jí)CrFe<,2>O<,4>氧化物小粒子堆積而成；氧化膜中層是Fe<,3>O<,4>為主CrFe<,2>O<,4>少量的尖晶石層；氧化膜外層為Fe<,2>O<,3>。 氧化膜的生長機(jī)理可描述為，T91鋼在高溫水蒸汽介質(zhì)條件下工作時(shí)，初始在T91鋼表面生成CrFe<,2>O

6、<,4>非晶體納米級(jí)微粒，它們以該非晶體微粒數(shù)量的增多而堆積式生長(與晶體的由原子在晶核晶面上的有序凝聚生長不同)，在側(cè)向生長而布滿鋼的表面后再不斷增厚，生長(氧化反應(yīng))前沿在CrFe<,2>O<,4>層的外表面，所需的Fe和Cr原子(離子)由鋼基體通過CrFe<,2>O<,4>層擴(kuò)散而來，從而形成氧化物的單相無晶界非晶體內(nèi)層。該層內(nèi)Cr量較高，對(duì)鋼的抗氧化性有利。不排除非晶體納米級(jí)微粒為含有大量陽離子空位的CrFe<,2>O<,4>的

7、可能；繼續(xù)氧化時(shí)，再在CrFe<,2>O<,4>非晶體層表面生長出眾多的尖晶石結(jié)構(gòu)的CrFe<,2>O<,4>或Fe<,3>O<,4>新晶核，位向適宜的情況下定向生長成柱狀晶，這就是所說的CrFe<,2>O<,4>或Fe<,3>O<,4>的氧化膜中層；在內(nèi)晶體層生長的初期，(Fe、Cr)：O比與非晶體層一致，但cr漸少而Fe漸多，并且Fe離子在CrFe<,2>O<,4>或Fe<,3>O<,4>氧化物晶體中嚴(yán)重缺位。繼續(xù)氧化(不超過0.5

8、小時(shí))，再在Fe<,3>O<,4>柱狀晶層(中層)表面生成Fe<,3>O<,4>-Fe<,2>O<,3>晶核，長成Fe<,3>O<,4>-Fe<,2>O<,3>等軸晶覆蓋層，F(xiàn)e<,3>O<,4>-Fe<,2>O<,3>層的增厚也如α-Fe氧化時(shí)Fe<,2>O<,3>層的生長那樣，有兩個(gè)生長前沿，即CrFe<,2>O<,4>/Fe<,3>O<,4>-Fe<,2>O<,3>界面和Fe<,3>O<,4>-Fe<,2>O<,3>/O<,2>界