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宝钢特钢发力光热发电用镍基合金及不锈钢产品,已在首航节能、爱能森塔式项目应用
[2017-09-12]
  光热发电系统的各个环节不可避免要用到各种形式和等级的不锈钢产品,而不锈钢产品的耐腐蚀性能则是其中关键的指标。特别是在以熔盐为传热和储热介质的光热电站中,会使用到大量的熔盐,由于熔盐具有一定的腐蚀性,而且还必须在500多度的高温下运行25-30年,这要求与他们接触的必须是高性能的不锈钢材料。此外,在光热电站的太阳岛部分,聚光器的支架制造也需消耗大量钢材。因此说,要保障光热电站的可靠性,好品质的钢材也非常关键。宝钢特钢有限公司(下文简称“宝钢特钢”)的发展一直瞄准国家战略性新兴产业和先进装备制造业,对于太阳能热发电这一新生领域,宝钢特钢也发力颇早,其不锈钢、镍基合金板管已成功应用于塔式太阳能热发电系统中。在由国家太阳能光热产业技术创新战略联盟发起主办的第三届中国太阳能热发电大会上,宝钢特钢高级工程师、宝钢研究院首席研究员马天军对太阳能热发电装备用镍基合金及不锈钢产品的研发进行了介绍。相关发言内容整理如下:
图:马天军研究员在第三届中国太阳能热发电大会上作报告
一、太阳能热发电工程应用业绩 
1、首航节能10 兆瓦塔式熔盐项目
  宝钢特钢与首航节能合作开发的SHBG-2镍基合金板管和TP347H板材应用于首航节能10兆瓦塔式熔盐项目。
图:SHBG-2镍基合金热轧板(左)和SHBG-2镍基合金无缝管(右)
2、深圳爱能森宿迁200kW熔盐塔式项目 
  宝钢特钢UNS N06625合金无缝管应用于爱能森宿迁200kW塔式项目。2016年4月,宝钢特钢完成UNS N06625镍基合金管材试制,性能满足要求。 2016年12月16日, 深圳爱能森宿迁200kW熔盐塔式项目发电成功。
3、首航节能100兆瓦塔式熔盐项目
  宝钢特钢与首航节能合作开发的SHBG-2和UNS N06230镍基合金板管将应用于首航节能100兆瓦塔式熔盐项目中。2016年3月,宝钢特钢与首航节能签署100兆瓦塔式熔盐项目用SHBG-2和UNSN06230合金板材和管材合同;2016年7月, 宝钢特钢已完成部分合同的制造,性能满足要求。
二、太阳能热发电设备用产品制造生产线 
1、板材制造产线
  我们的板材主要有两种途径,镍基合金主要是第二种,TP347不锈钢采用电炉加连铸工艺。
图:板材生产线主要装备
  主要装备有:1)立式连铸:40吨EAF+LF+AOD+立式连铸机,年产能30万吨;2)炉卷热轧:初轧机及炉卷轧机,年产能28万吨;3)冷轧:森吉米尔冷轧及二冷精密冷轧,年产能7.5万吨;4)热处理、酸洗:在线热处理及酸洗装备。
2、管材制造产线 
  钢管主要有几种,一是电炉加连铸,一种是特种的冶炼,加锻造;钢管是用挤压机来做,更适合高性能的产品,后续有冷拉,冷轧等不同规格的产品。
  主要装备有:1)热挤压:2500吨扩孔机,6000吨卧式挤压机,年产能2万吨;2)冷轧管:高速冷轧及精密冷轧机组,年产能0.5万吨;3)核电U型管:精密冷轧、制管及特殊热处理装备,年产能0.1万吨。
图:管材生产线主要装备
三、太阳能热发电设备用镍基合金研究进展 
1、塔式熔盐光热发电设备用镍基合金板管研制进展
  下面我介绍一下太阳能热发电的镍基合金的主要产品,我们有以下几个牌号,其中SHBG-2是我们和首航节能一起开发的。
  在研究进展上,我们通过研究冶炼过程的工艺路径、脱氧、成分控制、夹杂物控制、偏析控制、浇铸等工艺技术以开发出了超低气体含量、超纯净的合金冶炼关键技术,确保了产品高的纯净度,突破镍基合金高纯净化冶炼技术。
图:宝钢镍基合金(625)
  通过研究对加热工艺、变形工艺、变形方式、锻造火次、终锻温度、道次压下量、锻造比等的研究,大锭型产品变形均匀、无内部缺陷,表面质量好,尺寸精度高。镍基合金锻棒最大规格近Φ600mm,产品性能优异,UT合格。突破镍基合金无缺陷管坯锻造工艺技术。
  综上所述,我们镍基合金板管研制进展有:1)通过热加工性能研究,实现了难变形合金长扁坯锻造,热轧钢卷成功率提升,及宽幅超长薄钢板热轧生产。2)通过冷加工性能研究,实现了难变形合金冷轧卷板形的控制,超薄(0.4mm)带材首次试制成功。3)通过性能控制技术研究:掌握了不同厚度对热处理工艺的影响规律;热处理对晶粒组织的影响规律和组织对常、高温性能的影响规律。
图:镍基合金板管研制参数
  我们研究了难变形镍基合金热变形行为、热挤压加热温度、挤压速度和润滑工艺,掌握了合理的热变形工艺温度窗口和热挤压工艺,实现了难变形镍基合金管材的批量试制。
  此外,我们在热轧板和冷轧全流程的工艺上也有所突破,在10年前,中国还不能做这种产品的中板,还有钢卷,到现在国内625钢卷只有我们一台炉卷轧机能够成卷,这是小众产品,国际上只有几家在做。我们已经开发出SHBG-2、625和6230镍基合金系列板管产品。
图: 大口径UNS N06625合金管材
图:镍基合金板
  除了光热发电领域的技术突破,宝钢特钢这几年还在核电,航空航天等领域投入非常大。如今,我们的镍基合金板可应用于塔式熔盐发电吸热器制造、高温气冷堆核电蒸发器、煤化工等行业。
2、塔式熔盐光热发电设备用镍基合金板管产品关键性能
图:UNS N06625、UNS N06230化学成分特点
  625符号是什么产品呢?大家可以看一下,这个产品铁是小于5%,真正的合金,它的硌20%左右,镍60%,9%的钼,3.5%的铌。它是一种Mo含量较高的Ni-Cr-Mo-Nb固溶强化耐蚀合金,固溶态具有典型的纯奥氏体组织;该合金不仅含有较高的Cr、Ni元素而且有较高的Mo和Nb元素,具有优异的疲劳强度和抗氯离子应力腐蚀开裂能力。
  6230合金是一种W含量较高的Ni-Cr-Mo—W固溶强化耐蚀合金,固溶态具有典型的纯奥氏体组织;该合金加入W元素,提高了该合金的高温强度和抗疲劳性能。
图:SHBG-2、UNS N06625、UNS N06230合金高温性能
  除了做产品,这些年我们也在转型,研发部门关键要做应用,包括这个产品有什么性能,应用在哪些工况上。像625应用的腐蚀环境是很多的,因此在研究方面,我们也比较重视腐蚀,腐蚀是比较复杂的。我们也组建了一些腐蚀的团队。对比发现,SHBG-2在硝酸类耐腐蚀是最好的。
图:UNS N06625、UNS N06230合金模拟600℃ 熔盐的腐蚀性能 (引自文献《Materials Corrosion of High Temperature Alloys Immersed in 600℃ Binary Nitrate Salt 》)
  这是模拟在高温下的腐蚀情况,腐蚀坐标是越小腐蚀数据越低,625是比较好的。这块是比较重要的。我看这几天报告大家集中在各种盐,但是实际上这个盐的变化以后,除了装盐的容器,管道能不能承受这种腐蚀也需要考虑。这种腐蚀研究比较重要,国内现在能够做的也不多,我们正在跟复旦大学做这块的研究,一些相关的盐对这个材料的腐蚀性能的研究。
  另外,热发电用的材料,尤其是吸热器,受热不均匀,会有冷热交替循环等情况。温度提高对疲劳的影响是很大的。我们以前做过航空发动机上用的疲劳测试,600度冷到20度的时候,和700度、800度、900度,它的疲劳性,就是裂纹扩展速率,循环的次数差别非常大。
图:UNS N06230和UNS N06625合金冷热疲劳扩展速率比较
  实际上金属组织情况对性能影响非常大,特别是长期使用的性能,我们可以看,625的组织可以控制比较大,细小的综合疲劳这种性能,我们可以通过热处理,还有一些杂质工艺来调整组织情况,所以我们要知道工况怎么用这个材料,这个材料将来应用会更好。
  下面的图是我们在高温气冷堆上做的,这个曲线也是煤电电站做评价一张很重要的图。一般是用1万小时推算10万小时,得到一个应力,这个应力作为设计管道压力的基础,所以,我们为什么这种产品特别难,我们研发,除了核心化成本高以外,还有个时间成本,一般是1万小时推10万,还有2万小时,3万小时推30万,你要用30年,10年它的时间成本特别长,因为这个材料并不是说在700度,600度组织会有一些变化,还有一些吸储物,在组织过程中会变性,随着时间的增加,它的持久强度一直在下降。这套数据不能用理论推算。
图:UNS N06625合金高温持久性能
  总结来说,我们在镍基合金板管新技术突破主要包括:突破太阳岛集热塔用镍基合金薄壁、超长管材的制造技术;镍基合金轧制复合板试制成功,并实现商业应用;镍基合金配套焊接材料研制成功,并已应用推广。
四、太阳能热发电设备用耐热不锈研究进展
1、宝钢特钢耐热钢研发生产概述
    1)长期为亚临界电站研发生产的主要耐热钢材料:TP304H、TP321H、TP347H、T/P91、R102……
    2)长期为600℃超(超)临界电站研发生产的主要耐热钢材料:TP347H、 TP347HFG、S30432(Super 304H)、S31042(HR3C)、T/P91、T/P92;
    3)为620℃以上高参数超(超)临界电站研发的主要耐热钢材料:G115、S30432(Super 304H)、 S31042(HR3C)、C-HRA-1(类似740H)、C-HRA-3(类似617M)、C-HRA-5(类似Sanicro25)、GH984G、HT700;
    4)耐热钢材料生产情况:近十多年来为电站建造供应各种耐热钢材料超过50万吨,其中TP347H(FG)各种型材10.8万吨(含钢管5000余吨)。随着2009年特钢板带生产线的投产,于2012年开始研发347H板材,2014年开始供应市场,至今已累计供应市场347H板材约2000吨。700℃电站关键材料验证平台建设所用关键材料80%以上来自于宝钢特钢。
    5)目前已开发生产的耐热钢板牌号:S34700、S34709、S34700、S30815、SA387-Cr91、SA387-Cr92、S30908、S31008、16Cr25Ni20Si2Mod、2Cr25Ni13Si2MoN。
2、347H物理性能
  我们的TP347H板材已经在首航节能10兆瓦塔式熔盐项目进行了应用。我重点介绍这个产品的性能。
  按国标规定的检测方法,我们对其密度、真比、导热系数、导温系数、杨氏模量、剪切模量及泊松比进行了测试,测试结果如下。密度测试结果为:7.98g/cm3。
  我们还对其高温短时力学性能、高温持久性能、焊接性能都进行了测试。测试已经进行了近两年,现在还在进行。另外,我们也在一些其他地方有一些突破,特别像将来太阳岛集热管用的超长的管子我们取得了突破,还有开发了杂质复合板,一些焊丝焊带等焊接材料。
  从600、620、650,持久性能下降很大,为什么火电也好,核电也好,增加30度、50度非常难,实际也是这个材料造成的原因。它提高以后,性能马上会下降很大。
  还有焊接性能,这是不同材料的,异种的、同种的,在工厂内也有一些区别。还有一些弯曲,正弯、背弯。焊缝的持久不能低于母材的,长期持久1万小时的也要考虑。
  经过10多年的装备改造和产品研发,宝钢特钢实现了中国急需的高端材料国产化。紧跟聚焦太阳能光热发电产业发展的脚步,宝钢特钢开发了装备用镍基合金及耐热不锈钢钢管及板带材产品,并在示范工程中实现了应用。宝钢未来在镍基合金制造新技术上将不断投入,为未来太阳能光热发电项目发展的提供材料保障。

附:宝钢特钢有限公司简介
  宝钢特钢前身为创建于1958年的上海第五钢铁厂,是我国最早的特殊钢生产基地之一。1998年进入宝钢,组建宝钢集团五钢公司,十多年集团累计投资100多亿元建成国际一流新产线。2005年5月,五钢公司核心资产被宝钢股份收购,组建宝钢股份特殊钢分公司。2012年4月,更名为宝钢特钢有限公司。2016年12月,成为中国宝武集团全资子公司。员工3400多人,主营收入88亿左右。产品主要是应用于能源化工,航空航天,交通运输。
图:宝钢特钢产品系列
  宝钢特钢质量体系比较完备,同时拥有一流的检测手段和能力:完备的化学分析手段、全覆盖的性能测试设备、先进的无损检测手段,和高水平的检测能力。

 

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