一、研究的背景与问题
随着全球温室气体剧增、能源危机以及水资源枯竭，发展高效火电机组已成为国内外发展趋势，材料是关键。机组中过热器和再热器面临的高温高压、高烟气强蒸汽的苛刻环境，长期安全稳定运行，对材料提出了极高性能要求。S31042具有良好高温性能，用于620℃高效超超临界电站承压部件，年需求量万吨以上，其生产工艺复杂，技术水平要求高，国际仅日本住友和德国DMV掌握核心技术，年进口量9000吨以上，国产化率不足10%。
国产S31042市场竞争力弱，年供货不足700吨且效益差（吨钢亏损万余元）。S31042中Cr+Ni＞45%、0.26%N和0.45%Nb，热加工窗口窄，极易开裂。解决方法是采用“径锻+热挤压”工艺生产，通过恒温锻造和挤压，保证最佳热塑性区间完成变形防止开裂。国外日本住友、德国DMV，采用“径锻+热挤压”的方法生产，太钢对标国外工艺生产，但效率低（月产100吨）、成本高。
二、解决问题的思路与技术方案
图1 技术研究方案
围绕S31042“径锻+热挤压”工艺成本高、效率低，“轧制+热穿孔”工艺中热轧开裂、热穿孔开裂及碳化物析出等难题，开展材料热加工、纯净度提升、锭型设计等关键技术研究，旨在开发出“小锥度、浅冒口圆锭+轧制”、“低转速+大送进角”穿孔和“晶界调控碳化物弥散化”等三大创新技术，最终首创一条以“轧制-穿孔”为特征S31042锅炉管短流程精品生产示范线，产品实物质量达国际先进水平，实现材料全部国产化，使我国高效火电机组用关键耐热材料的生产和应用水平进入国际先进行列。
三、主要创新性成果
1、国际上首次提出轧制代替锻制工艺变革的思想，利用太钢现有生产装备，采用“小锥度、浅冒口圆锭+轧制”工艺技术，成功开发出S31042轧制管坯产品。
图2 改进前后管坯表面及组织状况对比
改进前管坯表面存在鱼鳞状裂纹，深度约为10～15mm左右，组织混晶。改进后消除了管坯表面缺陷，组织均匀，锭到坯成材率大幅提升。
2、通过系统研究国内穿孔机的不同类型，结合钢种特性，国际上首次开发荒管生产新工艺：以“低转速+大送进角”穿孔法代替传统热挤压法，并将新工艺延伸应用到其他难变形高温合金的生产，实现了工艺革新。
3、开发了“晶界结构调控的碳化物弥散化”工艺技术，使材料易脆化晶界比例大幅降低，显著提升材料时效冲击韧性。
图3 20%-900℃/6h样品的EBSD分析(a)及晶界取向分布图(b)
图4 不同状态S31042钢在700℃时效后冲击韧性对比
四、应用情况与效果
项目针对S31042径锻工艺成本高、效率低的难题，通过实验室研究和工业化试制，创新开发了“轧制工艺”代替传统的“径锻工艺”、“穿孔工艺”代替传统的“挤压工艺”，经过工业化大生产的检验，稳定形成了一条“轧制-穿孔”生产S31042新工艺路线，生产效率和经济效益得到显著改善。通过大规模工业化生产，实现了S31042的全面国产化，取得良好的经济效益。项目的实施对提高太钢产品竞争力、优化火电结构、保证能源安全、实现节能减排具有重要战略意义。
信息来源：太原钢铁（集团）有限公司
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