锅炉用t91钢的高温氧化研究

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1、锅炉用T91钢的高温氧化研究竺篡男浮摘要T91钢是美国上世纪七十年代研制开发的火力发电厂锅炉蒸汽管道、集热箱、再热器、蒸汽导管等用的热强钢，该钢具有高的许用应力，高的持久强度，高的蠕变抗力，高的疲劳强度，高的热导率，良好的焊接性，较好的抗蚀性，以及适当的价格。广泛应用于美、欧、日等先进国家的火力发电厂，并取得了良好的经济效益。我国于“八五”期间引进了该钢种，并进行了国产化研究与生产。本文主要对T91钢在高温水蒸气介质环境中的氧化行为进行了研究，为T91钢在电站安全运行提供可靠依据。首先利用热分析天平连续称重法对T91钢的高温氧化动力学进行了研究，无论在水蒸气还是在空气介质下，随着

2、温度的升高，T91钢氧化腐蚀逐渐加重。另外在有蒸汽的环境中，550～600℃时T91钢氧化动力学都遵守抛物线Y”=Kt规律，由蒸汽量引起的同温度钢的氧化腐蚀量的差异可忽略，且氧化腐蚀运行评价的结论是安全的，最长在160小时时氧化速率就已达到1级完全抗氧化性标准‘<0．1g．m-2·h．“；650～700℃区间，同温度下T91钢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阶段由抛物线(前期)和直线Y=a-l-bt(后期)组成，高蒸汽量下在试验氧化时间内T91钢的氧化动力学曲线是抛物线；700℃以上氧化腐蚀已相当严重了，氧化速率符合2级抗氧化性标准‘O．1～lg·ma·h1’

3、。氧化基本遵守双直线规律，氧化量随蒸汽量增加而增加。接着借助扫描电镜、能谱仪和物相分析仪等深入认识了T91钢氧化腐蚀产物(氧化层)的物相组成、组织结构及形成机理等。研究发现氧化膜脆，随着温度升高，氧化膜越松脆且易剥落。氧化膜均呈现三层结构，内层为单相无晶界结构；外层为等轴状晶组织：氧化膜中层低于700℃的为柱状晶组织，高于700。C的为等细轴晶组织。氧化层内层致密与钢基体结合牢固；氧化层中层最为疏松，其柱状晶之间存在大量空洞，柱状晶的直径尺寸约为2itm。氧化层层内有纵向裂纹，裂纹容易发生在中层与外层的接合处，这易使外层剥落。实践研究表明，氧化层内层富cr，中层贫Cr，外层无cr

4、。内层是单相无晶界的非晶体的CrFe204层，它是在Cr、Fe与O的供应相对较充足的环境中，由直径约O．1～O．2岫的纳米级CrFe204氧化物小粒子堆积而成；氧化膜中层是Fe304为主CrFe204少量的尖晶石层；氧化膜外层为Fe203。氧化膜的生长机理可描述为，T91钢在高温水蒸汽介质条件下工作时，初始在T91钢表面生成CrFe204非晶体纳米级微粒，它们以该非晶体微粒数量的增多而堆积式生长(与晶体的由原子在晶核晶面上的有序凝聚生长不同)，在侧向生长而布满钢的表面后再不断增厚，生长(氧化反应)前沿在CrFe204层的外表面，所需的Fe和Cr原子(离子)由钢基体通过CrFe20

5、4层扩散而来，从而形成氧化物的单相无晶界非晶体内层。该层内cr量较高，对钢的抗氧化性有利。不排除非晶体纳米级微粒为含有大量阳离子空位的CrFe204的可能；继续氧化时，再在CrFe204非晶体层表面生长出众多的尖晶石结构的CrFe204或Fe304新晶核，位向适宜的情况下定向生长成柱状晶，这就是所说的CrFe204或Fe304的氧化膜中层；在内晶体层生长的初期，(Fe、Cr)：O比与非晶体层一致，但cr渐少而Fe渐多，并且Fe离子在CrFe204或Fe304氧化物晶体中严重缺位。继续氧化(不超过0．5小时)，再在Fe304柱状晶层(中层)表面生成Fe304．Fe203晶核，长成F

6、e304-Fe203等轴晶覆盖层，Fe304一Fe203层的增厚也如q．Fe氧化时Fe203层的生长那样，有两个生长前沿，即CrFe204／Fe304-Fe203界面和Fe304．Fe203／02界面，双向生长成等轴状晶外层。Fe304一Fe203层由于Cr离子供应的困难，该层中通常无Cr。短时间内氧化膜的内层、中层、外层依次出现，之后已经具备的三层继续各自的加厚生长。关键词：T91钢；高温水蒸气；动力学；氧化层2TheHigh—TemperatureOxidationBehaviorofT91BoilerSteelDiscipline：MaterialsProcessingEn

7、gineeringstudentSignatu代：z协孑如白弯SupervisorSignatuSincedevelopedinUSAin1970sfortheboilerwatervaporpipelines，heatcollectors，reheatersandwatervaporguidetubeinthermalpowerstation,T91steelhasbeenwidelyemployedinthermalpowerstationindevelopedcountri