一种用于空分装置的进口导叶材料及其制备方法与流程

1.本发明涉及一种导叶材料，尤其涉及一种用于空分装置的进口导叶材料及其制备方法。


背景技术：

2.空分装置是一种将空气各气体组份分离的工业设备，其在一定工况范围内运行，通过提高装置的调节性能可有效节约能源。导叶调节是通过改变进口导叶角度从而改变气流预旋的调节方法，与其它调节方法相比，导叶调节机构具有结构简单、可以在不停车条件下调节及可实现自动化调节等优点，具有广阔的应用前景与研究价值。
3.采用导叶调节机构调节时，进口导叶承受了气流压力和反射作用产生的弯曲应力，以及叶型表面不对称曲线和气流压力交互作用产生的扭应力等交变载荷，受力复杂且受力变化较大，因此要求进口导叶的材料需有一定的强度。同时，由于工作介质为空气，空气中含有水分、二氧化碳、碳氢化合物等杂质，且空分装置管道或入口经常会设置喷淋装置，因此要求材料具有一定的耐蚀性。
4.现有进口导叶的外轮廓通常如图1所示，其长约660mm、宽约100mm、高约100mm，整体尺寸规格比较大；从截面变化情况可以分为叶柄、凸台、叶身三部分，每部分之间的截面尺寸变化均较大。现有进口导叶的材料一般选用透平旋转机械叶片常用材料马氏体不锈钢2cr13，该材料的屈服强度要求为≥450mpa，成型方式为自由锻，形成整体大锻件。但该类材质同时也存在以下缺陷：
5.(1)现有的马氏体不锈钢2cr13由大块锻件材料加工而成，大块锻件在经过热处理后，材料表面与芯部的力学性能和组织性能存在差异，而在加工过程中，将材料强度较好的表面部分加工除去，所剩部分为强度稍差的芯部，由此导致进口导叶的强度等力学性能并不理想。
6.(2)现有的马氏体不锈钢2cr13的焊接工艺性较差。
7.(3)机组会不定期喷水，由空分装置现场运行反馈，进口导叶的耐水腐蚀性能并不理想。


技术实现要素：

8.本发明的目的在于提供一种用于空分装置的进口导叶材料及其制备方法，主要解决现有的马氏体不锈钢2cr13作为进口导叶材料时，所加工导叶的焊接工艺性、强度及耐蚀性均不理想等技术问题。
9.为解决上述技术问题，本发明的技术解决方案为：
10.一种用于空分装置的进口导叶材料，其特殊之处在于，成分以重量百分比计包括：0.05％≤c≤0.12％；0.1％≤si≤0.6％；0.1％≤mn≤0.6％；p≤0.040％；s≤0.030％；10.0％≤cr≤12.0％；0.2％≤ni≤0.5％；0.2％≤mo≤0.5％；0.01％≤cu≤0.35％；0.01％≤v≤0.05％；其余为fe；
11.其中，c当量＜0.8；cr当量为6-10；ni当量为2～4；
12.所述c当量是指将成分中的各种元素对共晶点实际碳量的影响折算成碳的增减，c当量＝c+si/30+mn/20+cu/20+ni/60+cr/20+mo/15+v/10；所述ni当量表示奥氏体形成元素的总含量，ni当量＝ni+30c+0.5mn+0.25cu；所述cr当量表示马氏体形成元素的总含量，cr当量＝20-(cr+1.5ni+0.7si+0.75mn+0.6mo+1.5v+0.2cu)。
13.进一步地，进口导叶材料的成分以重量百分比计包括：c：0.08％；si：0.3％；mn：0.5％；p：0.020％；s：0.005％；cr：11.0％；ni：0.3％；mo：0.3％；cu：0.20％；v：0.01％；其余为fe。
14.此外，本发明还提供了一种用于空分装置的进口导叶材料的制备方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
15.步骤1】冶炼
16.1.1)按照所述进口导叶材料的成分及其重量百分比称取原料；
17.1.2)对所称取的原料混合后进行冶炼和铸造，获得一次钢锭；
18.1.3)对一次钢锭在真空状态下进行二次冶炼和浇注，获得二次钢锭；
19.步骤2】锻造
20.将步骤1.3)得到的二次钢锭在奥氏体单相区进行锻造，堆冷到室温，即获得进口导叶的锻件；
21.步骤3】热处理
22.对进口导叶的锻件依次进行淬火热处理、回火热处理，得到用于空分装置的进口导叶材料。
23.进一步地，步骤2】中，所述奥氏体单相区的始锻温度为1100℃～1150℃，终锻温度为850℃～900℃，锻造比4～6。
24.进一步地，步骤3】中，所述淬火热处理具体为，将锻件在低于250℃的温度下入炉，加热至930～980℃，保温3h～6h，出炉后油冷至低于150℃。
25.进一步地，步骤3】中，所述回火热处理具体为，将淬火热处理后的锻件在低于250℃的温度下入炉，加热至730～770℃，保温2h～4h，出炉后空冷至低于150℃。
26.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
27.1、本发明的进口导叶材料，基于提高导叶零件的材料利用率，结合工艺性需求和零件适用条件，按重量百分比限定各原料成分的含量，尤其是铬、镍、钼、铜、钒元素的含量，同时，控制碳当量、铬当量、镍当量，保证了大型、大截面变化对材料焊接工艺性的要求以及空分装置调节时对零件强度的要求和喷水设置对材料的耐腐蚀性能要求。另外，本发明的进口导叶材料的强度等力学性能略优于2cr13材料，焊接工艺性、耐腐蚀性优于2cr13材料。
28.2、本发明在现有2cr13材料的基础上，结合理论研究和导叶零件的工艺性要求，通过反复试验、验证，优化了原料成分及其制造工艺，得到了一种新型焊接工艺性好且耐腐蚀性优的不锈钢材料，适用于空分装置进口导叶，能够有效解决目前空分装置进口导叶材料2cr13自由锻成型时加工量大而导致材料的力学性能变差等问题，具有使用寿命长的优点。
29.3、本发明进口导叶材料的制备方法，整体工艺简单，尤其是冶炼工艺，不同于2cr13的常规电渣重熔冶炼，仅经过真空冶炼，然后依次经锻造以及淬火热处理和回火热处理，降低了制造工艺的难度，更有利于推广使用。
附图说明
30.图1为进口导叶的结构示意图；
31.图2为采用本发明实施例一制备得到的进口导叶材料的金相组织图；
32.图3为现有马氏体不锈钢2cr13的金相组织图。
具体实施方式
33.本发明的设计原理为：通过进口导叶材料及其制备方法的研究，获得与马氏体不锈钢2cr13相比，焊接工艺性更优、强度和耐蚀性有所提升及材料成本相当的新型进口导叶材料。
34.以下结合具体实施例及附图对本发明的技术方案做进一步详细的描述。
35.本发明提供一种用于空分装置的进口导叶材料，主要成分以重量百分比计，具体包括：0.05％≤c≤0.12％；0.1％≤si≤0.6％；0.1％≤mn≤0.6％；p≤0.040％；s≤0.030％；10.0％≤cr≤12.0％；0.2％≤ni≤0.5％；0.2％≤mo≤0.5％；0.01％≤cu≤0.35％；0.01％≤v≤0.05％；其余为fe和不可避免的杂质。其中，c当量＜0.8；cr当量为6-10；ni当量为2～4。
36.本发明为了满足材料的焊接工艺性，降低了c、cr的含量，c含量的降低虽然使耐蚀性进一步提高、但却使强度降低，cr含量降低则使耐蚀性、强度都降低，因此，为了保证材料的强度和耐蚀性，本发明增加了ni、mo、cu、v元素及含量，但这些元素的增加会影响焊接工艺性且可在一定程度上提高成本，因而进一步控制了ni、mo的含量。本发明对碳当量、铬当量、镍当量进行综合控制，各元素的组成，并不是简单的拼凑，其含量范围也不是简单的单一试验能够获得的，是充分考虑了材料的焊接工艺性需求和强度、耐蚀性等适用条件，经过反复试验和实际验证，结合理论研究确定的。
37.本发明通过对各元素种类及配比进行合理设计，进而得到综合性能较优的进口导叶材料。其中，c当量表示焊接熔池形成时各种合金元素对共晶点实际碳量的影响，包含c(主要)、si、cr、mo、v等，其控制主要用于保证焊接工艺性；cr当量表示马氏体形成元素包括cr(主要)、ni、mo、v，其控制主要用于保证材料的耐蚀性和强度；ni当量表示奥氏体形成元素包含ni(主要)、c、mn、cu等，其控制主要用于保证材料的耐蚀性、改善焊接工艺性。上述c当量、ni当量、cr当量，能够同时影响焊接工艺性、强度和耐蚀性，通过各元素的相互作用，满足进口导叶的制造及使用要求。
38.本发明的进口导叶材料组成中，cr元素是具有代表性的马氏体形成元素，它的主要作用是提高强度和耐蚀性，当cr含量大于10％时，进口导叶材料的耐腐蚀性会急剧变好，另外cr含量还能够提高进口导叶材料的淬透性从而提高强度但焊接性会变差，综上结合进口导叶材料的实际应用进行研究，确定cr含量应当控制在10.0-12.0％。ni元素是具有代表性的奥氏体稳定元素，能够增强进口导叶材料的抗腐蚀能力，同时，有利于叶片材料拥有优良的韧性和延展性，从而改善材料的焊接工艺性，若ni含量过高，材料的强度会变低。mo元素和v元素是铁素体的形成元素，可以提高淬透性、细化晶粒从而提高材料的强度，一定量的mo还可以有效提高材料钝化膜的强度，从而增强材料的抗腐蚀能力，但是，当mo和v含量过高时，铁素体数量就会增加，严重影响进口导叶材料的焊接工艺性。cu元素是奥氏体形成元素，突出的作用是改善耐蚀性，特别是和磷配合使用时能够显著提高进口导叶材料的耐
蚀性，但是，过高的cu元素则会导致材料的塑性急剧下降而影响焊接工艺性，cu≤0.5时对焊接性能影响不大。mn元素是扩大及稳定奥氏体元素，还可提高进口导叶材料的淬透性从而提高强度，但是，过高的mn含量可促进б相析出，使进口导叶材料具有脆性，对进口导叶的可焊性不利。si是铁素体形成元素，含量越高，进口导叶材料的强度越高，其与mo、cr结合提高耐蚀性，但含量越高焊接性越差。c元素为扩大奥氏体区域元素，为保证耐蚀性和焊接工艺性其含量应控制在0.12％以下。
39.综上，各原料成分共同作用形成了本发明叶片材料的原料，各原料的比例也是相辅相成的。
40.基于上述进口导叶材料，本发明还提供了一种用于空分装置的进口导叶材料的制备方法，具体如下：
41.步骤1】冶炼
42.1.1)按照上述进口导叶材料的成分及其重量百分比称取原料；
43.1.2)对所称取的原料混合后进行冶炼和铸造，获得一次钢锭；
44.1.3)对一次钢锭在真空状态下进行二次冶炼和浇注，获得二次钢锭，即坯料。
45.本发明的冶炼工艺简单，而2cr13材料通常需要经电炉+电渣重熔方式进行冶炼，工艺较为复杂。
46.步骤2】锻造
47.将步骤1.3)得到的二次钢锭在奥氏体单相区进行锻造，堆冷到室温，即获得进口导叶的锻件。其中，奥氏体单相区的始锻温度为1100℃～1150℃，终锻温度为850℃～900℃，锻造比4～6。
48.步骤3】热处理
49.对进口导叶的锻件依次进行淬火热处理、回火热处理，得到用于空分装置的进口导叶材料。
50.淬火热处理的过程为，将锻件在低于250℃的温度下入炉，加热至930～980℃，保温3h～6h，出炉后油冷至低于150℃。
51.回火热处理的过程为，将淬火热处理后的锻件在低于250℃的温度下入炉，加热至730～770℃，保温2h～4h，出炉后空冷至低于150℃，进而得到强度及耐蚀性等较优的进口导叶材料。
52.采用该进口导叶材料可进行后续进口导叶的焊接加工，该材料具有良好的焊接工艺性。进而可获得综合性能较优的进口导叶成品。
53.实施例一
54.1、按重量百分比称取以下原料：
55.c：0.08％；si：0.3％；mn：0.5％；p：0.020％；s：0.005％；cr：11.0％；ni：0.3％；mo：0.3％；cu：0.20％；v：0.01％；其余为fe。其中，c当量为0.70，cr当量为7.7，ni当量为3.0。
56.将称取的上述原料混合后进行冶炼和铸造，获得一次钢锭；再对一次钢锭在真空状态下进行二次冶炼和浇注，获得二次钢锭。具体的冶炼和铸造工艺可根据实际情况进行设定或调整。
57.2、锻造
58.将得到的二次钢锭在奥氏体单相区进行锻造，将始锻温度设为1100℃,终锻温度
设为850℃，锻造比为5，之后堆冷到室温，即获得进口导叶的锻件。
59.3、热处理
60.对进口导叶的锻件依次进行淬火热处理、回火热处理，得到用于空分装置的进口导叶材料。
61.淬火热处理的具体过程为，将进口导叶的锻件在220℃的温度下入炉进行淬火处理，加热至950℃，保温3h，出炉后油冷至130℃。
62.回火热处理的具体过程为，将淬火热处理后的锻件在220℃的温度下入炉，加热至730℃，保温2h，出炉后空冷至130℃。
63.实施例二
64.1、按重量百分比称取以下原料：
65.c：0.10％，si：0.5％，mn：0.2％，p：0.010％，s：0.009％，cr：12％，ni：0.5％，mo：0.2％，cu：0.30％，v：0.05％，其余为fe。其中，c当量为0.77，cr当量为6.5，ni当量为3.7。
66.将称取的上述原料混合后进行冶炼和铸造，获得一次钢锭；再对一次钢锭在真空状态下进行二次冶炼和浇注，获得二次钢锭。具体的冶炼和铸造工艺可根据实际情况进行设定或调整。
67.2、锻造
68.将得到的二次钢锭在奥氏体单相区进行锻造，将始锻温度设为1150℃,终锻温度设为900℃，锻造比为4，之后堆冷到室温，即获得进口导叶的锻件。
69.3、热处理
70.对进口导叶的锻件依次进行淬火热处理、回火热处理，得到用于空分装置的进口导叶材料。
71.淬火热处理的具体过程为，将进口导叶的锻件在200℃的温度下入炉进行淬火处理，加热至930℃，保温6h，出炉后油冷至100℃。
72.回火热处理的具体过程为，将淬火热处理后的锻件在200℃的温度下入炉，加热至770℃，保温4h，出炉后空冷至100℃。
73.实施例三
74.1、按重量百分比称取以下原料：
75.c：0.12％，si：0.6％，mn：0.1％，p：0.020％，s：0.018％，cr：10％，ni：0.2％，mo：0.3％，cu：0.10％，v：0.025％，其余为fe。其中，c当量为0.68，cr当量为9.0，ni当量为3.9。
76.将称取的上述原料混合后进行冶炼和铸造，获得一次钢锭；再对一次钢锭在真空状态下进行二次冶炼和浇注，获得二次钢锭。具体的冶炼和铸造工艺可根据实际情况进行设定或调整。
77.2、锻造
78.将得到的二次钢锭在奥氏体单相区进行锻造，将始锻温度设为1100℃,终锻温度设为900℃，锻造比为6，之后堆冷到室温，即获得进口导叶的锻件。
79.3、热处理
80.对进口导叶的锻件依次进行淬火热处理、回火热处理，得到用于空分装置的进口导叶材料。
81.淬火热处理的具体过程为，将进口导叶的锻件在180℃的温度下入炉进行淬火处
理，加热至950℃，保温4h，出炉后油冷至100℃。
82.回火热处理的具体过程为，将淬火热处理后的锻件在180℃的温度下入炉，加热至750℃，保温3h，出炉后空冷至100℃。
83.实施例四
84.1、按重量百分比称取以下原料：
85.c：0.05％，si：0.2％，mn：0.2％，p：0.010％，s：0.015％，cr：10％，ni：0.5％，mo：0.5％，cu：0.2％，v：0.03％，其余为fe。其中，c当量为0.62，cr当量为8.6，ni当量为2.2。
86.将称取的上述原料混合后进行冶炼和铸造，获得一次钢锭；再对一次钢锭在真空状态下进行二次冶炼和浇注，获得二次钢锭。具体的冶炼和铸造工艺可根据实际情况进行设定或调整。
87.2、锻造
88.将得到的二次钢锭在奥氏体单相区进行锻造，将始锻温度设为1150℃,终锻温度设为870℃，锻造比为6，之后堆冷到室温，即获得进口导叶的锻件。
89.3、热处理
90.对进口导叶的锻件依次进行淬火热处理、回火热处理，得到用于空分装置的进口导叶材料。
91.淬火热处理的具体过程为，将进口导叶的锻件在240℃的温度下入炉进行淬火处理，加热至970℃，保温5h，出炉后油冷至120℃。
92.回火热处理的具体过程为，将淬火热处理后的锻件在240℃的温度下入炉，加热至750℃，保温4h，出炉后空冷至120℃。
93.经过试验验证，本发明的方法可行且制备得到的进口导叶材料综合性能较优，以下结合本发明得到的进口导叶材料与马氏体不锈钢2cr13，对其强度韧性、金相组织及耐蚀性进行对比说明。
94.1、强度韧性指标对比(表1所示)
95.表1
[0096][0097]
由表1可知，本技术制备得到的进口导叶材料与马氏体不锈钢2cr13相比，强度及韧性指标均更优。
[0098]
2、金相组织(控制铁素体)对比
[0099]
如图2和图3所示，实施例一得到的进口导叶材料与马氏体不锈钢2cr13相比，组织接近甚至更细密。
[0100]
3、耐蚀性对比(表2所示)
[0101]
进行6％fecl3盐溶液的电化学腐蚀性能测试，即自腐蚀电流密度越小，腐蚀倾向越小，越不容易发生腐蚀。
[0102]
表2
[0103]
材料自腐蚀电流密度(a)马氏体不锈钢2cr130.0013536实施例一得到的进口导叶材料0.0007645
[0104]
由表2可知，实施例一得到的进口导叶材料与马氏体不锈钢2cr13相比，耐蚀性显著提升。对其他实施例进行相应的测试，所得结果与实施例一基本相近。
[0105]
综上可知，本发明通过控制材料中主要成分的含量，尤其是碳、铬、镍、钼元素含量，进而控制碳当量，使得制备得到的进口导叶材料获得良好的焊接工艺性。同时，通过控制热处理制度来调整金相组织，进而保证了进口导叶材料的强度、耐蚀性，提升了其综合性能。
[0106]
以上，尽管已经示出和描述了本发明的实施例，但对于本技术领域中的普通技术人员来说，只要在本发明的实质精神范围之内，对以上实施例的变化和变型都应当视为落入本发明的保护范围内。

技术特征：
1.一种用于空分装置的进口导叶材料，其特征在于，成分以重量百分比计包括：0.05％≤c≤0.12％；0.1％≤si≤0.6％；0.1％≤mn≤0.6％；p≤0.040％；s≤0.030％；10.0％≤cr≤12.0％；0.2％≤ni≤0.5％；0.2％≤mo≤0.5％；0.01％≤cu≤0.35％；0.01％≤v≤0.05％；其余为fe；其中，c当量＜0.8；cr当量为6～10；ni当量为2～4；所述c当量是指将成分中的各种元素对共晶点实际碳量的影响折算成碳的增减，c当量＝c+si/30+mn/20+cu/20+ni/60+cr/20+mo/15+v/10；所述ni当量表示奥氏体形成元素的总含量，ni当量＝ni+30c+0.5mn+0.25cu；所述cr当量表示马氏体形成元素的总含量，cr当量＝20-(cr+1.5ni+0.7si+0.75mn+0.6mo+1.5v+0.2cu)。2.根据权利要求1所述的用于空分装置的进口导叶材料，其特征在于，成分以重量百分比计包括：c：0.08％；si：0.3％；mn：0.5％；p：0.020％；s：0.005％；cr：11.0％；ni：0.3％；mo：0.3％；cu：0.20％；v：0.01％；其余为fe。3.一种权利要求1或2所述的用于空分装置的进口导叶材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1】冶炼1.1、按照所述进口导叶材料的成分及其重量百分比称取原料；1.2、对所称取的原料混合后进行冶炼和铸造，获得一次钢锭；1.3、对一次钢锭在真空状态下进行二次冶炼和浇注，获得二次钢锭；步骤2】锻造将步骤1.3)得到的二次钢锭在奥氏体单相区进行锻造，堆冷到室温，即获得进口导叶的锻件；步骤3】热处理对进口导叶的锻件依次进行淬火热处理、回火热处理，得到用于空分装置的进口导叶材料。4.根据权利要求3所述的用于空分装置的进口导叶材料的制备方法，其特征在于：步骤2】中，所述奥氏体单相区的始锻温度为1100℃～1150℃，终锻温度为850℃～900℃，锻造比4～6。5.根据权利要求4所述的用于空分装置的进口导叶材料的制备方法，其特征在于：步骤3】中，所述淬火热处理具体为，将锻件在低于250℃的温度下入炉，加热至930～980℃，保温3h～6h，出炉后油冷至低于150℃。6.根据权利要求5所述的用于空分装置的进口导叶材料的制备方法，其特征在于：步骤3】中，所述回火热处理具体为，将淬火热处理后的锻件在低于250℃的温度下入炉，加热至730～770℃，保温2h～4h，出炉后空冷至低于150℃。

技术总结
本发明提供一种用于空分装置的进口导叶材料及其制备方法，主要解决现有马氏体不锈钢2Cr13作为进口导叶材料时，所加工导叶的焊接工艺性、强度及耐蚀性均不理想的技术问题。本发明基于工艺性需求同时结合适用条件，按重量百分比精确限定各原料的用量，各成分以重量百分比计包括：0.05％≤C≤0.12％；0.1％≤Si≤0.6％；0.1％≤Mn≤0.6％；P≤0.040％；S≤0.030％；10.0％≤Cr≤12.0％；0.2％≤Ni≤0.5％；0.2％≤Mo≤0.5％；0.01％≤Cu≤0.35％；0.01％≤V≤0.05％；其余为Fe。另外，C当量为＜0.8；Cr当量为6～10；Ni当量为2～4。通过冶炼、锻造、热处理进行制备，进而得到与马氏体不锈钢2Cr13相比，焊接工艺性好且强度及耐蚀性能均有所提升的进口导叶材料。蚀性能均有所提升的进口导叶材料。


技术研发人员：支金花 张海存 韩增福 魏怡航 师尧
受保护的技术使用者：西安陕鼓动力股份有限公司
技术研发日：2023.05.10
技术公布日：2023/8/23