鍋爐用T91鋼的高溫氧化研究.pdf

1、T91鋼是美國上世紀七十年代研制開發(fā)的火力發(fā)電廠鍋爐蒸汽管道、集熱箱、再熱器、蒸汽導管等用的熱強鋼，該鋼具有高的許用應力，高的持久強度，高的蠕變抗力，高的疲勞強度，高的熱導率，良好的焊接性，較好的抗蝕性，以及適當?shù)膬r格。廣泛應用于美、歐、日等先進國家的火力發(fā)電廠，并取得了良好的經濟效益。我國于“八五”期間引進了該鋼種，并進行了國產化研究與生產。本文主要對T91鋼在高溫水蒸氣介質環(huán)境中的氧化行為進行了研究，為T91鋼在電站安全運行提供可靠

2、依據(jù)。 首先利用熱分析天平連續(xù)稱重法對T91鋼的高溫氧化動力學進行了研究，無論在水蒸氣還是在空氣介質下，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T91鋼氧化動力學都遵守拋物線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，且氧化腐蝕運行評價的結論是安全的，最長在160小時時氧化速率就已達到1級完全抗氧化性標準‘<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，高蒸汽量下在試驗氧化時間內T91鋼的氧化動力學曲線是拋物線：700℃以上氧化腐蝕已相當嚴重了，氧化速率符合2級抗氧化性標準‘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識了T91鋼氧化腐蝕產物(氧化層)的物相組

4、成、組織結構及形成機理等。 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)三層結構，內層為單相無晶界結構；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℃的為等細軸晶組織。氧化層內層致密與鋼基體結合牢固；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。 實踐研究表明，氧化層內層富Cr

5、，中層貧Cr，外層無Cr。內層是單相無晶界的非晶體的CrFe<,2>O<,4>層，它是在Cr、Fe與O的供應相對較充足的環(huán)境中，由直徑約0.1～0.2μm的納米級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>。 氧化膜的生長機理可描述為，T91鋼在高溫水蒸汽介質條件下工作時，初始在T91鋼表面生成CrFe<,2>O

6、<,4>非晶體納米級微粒，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)，在側向生長而布滿鋼的表面后再不斷增厚，生長(氧化反應)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>層擴散而來，從而形成氧化物的單相無晶界非晶體內層。該層內Cr量較高，對鋼的抗氧化性有利。不排除非晶體納米級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，再在CrFe<,2>O<,4>非晶體層表面生長出眾多的尖晶石結構的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>氧化物晶體中嚴重缺位。繼續(xù)氧化(不超過0.5

8、小時)，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Fe<,2>O<,3>層的生長那樣，有兩個生長前沿，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