光热发电高温熔盐储罐专用J347H不锈钢产品详解
发布者:admin | 来源:CSPPLAZA光热发电网 | 0评论 | 858查看 | 2022-09-07 14:32:38    

日前,在由中国电力工程顾问集团西北电力设计院有限公司、国家太阳能光热产业技术创新战略联盟、CSPPLAZA光热发电平台共同主办、首航高科能源技术股份有限公司联合主办的2022中国风光热互补新能源基地开发大会上,酒泉钢铁(集团)有限责任公司不锈钢研究所副所长李具仓博士分享了高温熔盐储罐对于不锈钢板材选型的具体要求并结合酒钢光热发电高温熔盐储罐专用J347H不锈钢产品进行了详细介绍。


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图1:李具仓博士作主题发言


据李具仓博士介绍,由于需要储存高温熔盐(40%硝酸钾+60%硝酸钠),光热电站熔盐罐对罐体的材料要求较高(50MW熔盐储罐参数见下表)。


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表1:50MW熔盐储罐参数


熔盐罐板材选用不锈钢产品,其主要性能参数一般需达到下列条件:


高温性能:高温(593℃)力学性能:Rp0.2≥137;Mpa,Rm≥280Mpa。


晶粒度及析出相:晶粒控制在4-7级范围内。


耐腐蚀性能:耐熔盐腐蚀速率达到国外领先水平。


焊接性能:焊接后钢板按照ASME SA-213标准Rm≥515MPa,焊口无敏化现象。


随后,李具仓博士详细分享了酒钢研发的J347H不锈钢产品以及相关国际产品针对熔盐储罐使用条件研究的各项结果。


更多精彩内容,请阅读下面刊出的李具仓博士的演讲全文:


李具仓博士:各位领导,各位专家,各位朋友,下午好!


我就酒钢光热发电高温熔盐储罐专用J347H产品进行简要介绍。


第一部分,酒泉钢铁集团公司及不锈钢简介。


酒钢地处甘肃省嘉峪关市,始建于1958年,是国家“一五”时期规划建设的钢铁联合企业,也是我国西北地区建设最早、规模最大、黑色与有色并举的多元化现代企业集团。


酒钢拥有镜铁山矿和西沟石灰石矿两座矿山,形成了从采矿、选矿、烧结、焦化到炼铁、炼钢、热轧、冷轧完整配套的碳钢和不锈钢现代化工艺生产线。钢铁产业具备年产粗钢1105万吨生产能力;有色产业具有年产电解铝170万吨、铝板带铸轧材60万吨的生产能力;电力能源产业已形成电力总装机3446MW的自备火电装机容量;装备制造产业涵盖了冶金、风电、光伏、光电等装备,年制造加工能力17万吨。


酒钢宏兴股份不锈钢分公司成立于2005年10月,拥有从炼钢、热轧到冷轧完整配套生产线及当今世界一流的不锈钢生产装备和先进的工艺技术。现已形成120万吨不锈钢板坯、110万吨不锈钢热轧卷材、100万吨不锈钢热轧酸洗产品、70万吨不锈钢冷轧酸洗产品和15万吨不锈钢中厚板产品的生产能力。


酒钢不锈钢产品主要有四大类:


第一类:热轧黑卷:厚度:3.0~12mm,宽度:750~1600mm;


第二类:酸洗中厚板:厚度:4.0~100mm,宽度:1500~2500mm;


第三类:热轧酸洗产品(No.1):厚度:2.8~8mm,宽度:750~1600mm;


第四类:冷轧酸洗产品(2B):厚度:0.25~4.0mm,宽度:750~1600mm。


光热熔盐储罐用材主要为酸洗中厚板产品。


第二部分,酒钢不锈钢技术研发质量体系。


酒钢不锈钢产品开发团队由研发团队,技术质量管控团队以及市场营销服务团队组成。


不锈钢体系认证方面,均已按照国家和行业规定通过了质量管理体系认证、职业健康安全管理体系认证、环境管理体系认证、CNAS实验室认可证书等国内和国际认证。


不锈钢产品认证方面,根据产品的使用要求,通过了中国船级社,英劳船级社、挪威船级社和法国船级社等权威机构的认证。


此外酒钢也有特种设备制造生产许可证,通过了欧盟PED4.3认证(欧盟压力设备指令),可出具3.1格式材料证明书;还有中核集团合格供应商证书,中石油、中石化,中海油一级供应商资质。


第三部分,酒钢不锈装备介绍。


酒钢不锈钢加工装备大都是进口国际上最先进的设备,在原来的不锈钢的生产设备基础上进行了升级改造,所以我们的装备从炼钢、热轧到最后冷轧都是世界一流设备。


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图3.1:酒钢中厚板退火酸洗相关设备


尤其是酸洗中厚板采用的立式酸洗槽【见上图】,加热的均匀性和酸洗的均匀性好,有利于组织的均匀和获得优良的酸洗表面质量。


第四部分,酒钢不锈产品体系及典型应用。


酒钢不锈钢产品涵盖了奥氏体、马氏体、双相和铁素体四大体系,目前有71种不同规格产品,具体见图4.1和图4.2。


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图4.1:酒钢不锈钢钢种牌号


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图4.2:酒钢不锈钢400系列钢种牌号


1、奥氏体不锈钢


第一耐热奥氏体不锈钢,拥有足够高的高温强度、高温疲劳强度与之相适应的塑性;足够高的化学稳定性(抗氧化、抗腐蚀等);良好的加工特性及物理性能。包含321、309、310S、347(H)钢种。


第二耐蚀奥氏体不锈钢,腐蚀较为苛刻的环境下稳定性优异;良好的加工特性及物理性能。包含304、321、316L钢种。


第三超级奥氏体不锈钢904l和254SMo:904L超级奥氏体不锈钢,拥有优良的耐蚀性,广泛应用于化工造纸、污水处理等行业,如:化纤、化工厂醋酸去除塔再沸器;制药厂真空提炼中的搅拌机轴、浆叶和加热盘管;湿法磷酸装置萃取槽的预埋件等;精对苯二甲酸生产中的溶剂汽提塔、蒸馏釜及搅拌机等;已供货赛德力制造药用离心机使用。254SMO为6Mo型超级奥氏体不锈钢,PREN值高达43,被广泛用于高浓度氯离子介质、海水等苛刻环境,如:海水环境:海水淡化装置、海水换热器、电容器电子管等;高浓度氯离子环境:纸浆造纸工业各种漂白装置;高浓度食盐环境:树脂制造装置、药品的反应容器以及配管;化工行业:酚精炼装置蒸发塔等;产品已供兰石装备股份有限公司试用合格。


2、双相不锈钢方面


酒钢目前已形成2101、2205、2304、2507四大系列双相不锈钢品牌,广泛应用于化工、环保、换热器、水电等领域。此前欧洲材料研究院(CSM)对酒钢2205双相不锈钢NO.1板、2B板和中厚产品进行了综合性评价,结果表明酒钢2205达到了相关欧洲钢铁公司产品水平。


3、马氏体不锈钢


酒钢已拥有马氏体系列化产品,30Cr13、40Cr13、50Cr15MoV等产品已进入宜家家居、阳江十八子、金石、金辉、永光等国内高端刀具制造企业。刮胡刀片用6Cr13高碳马氏体钢在国内率先实现常规工艺批量生产的技术突破,产品质量满足用户要求,国内市场占有率到达70%以上。


4、普通430铁素体不锈钢


第一430DQA(深冲材)产品具有良好深冲性能,被瑞典宜家、北美韦伯指定用于餐厨具制品;海尔、老板、格兰仕、美的等用于洗衣机、油烟机、微波炉、冰箱等家电制品。


第二430 FRA(面板材)产品具有高的材质纯净度,已成为上海实达、苏州日矿、浙江甬金等国内知名精密带加工企业的主要供货商;酒钢J430KJ(抗菌用材)不锈钢为国内首家批量生产,为合金型抗菌不锈钢一种,经中科院和SGS检测,大肠杆菌和金黄色葡萄菌抗菌率均超过99%。


5、超纯铁素体不锈钢


第一汽车排气系统用不锈钢:酒钢汽车排气系统用超纯铁素体不锈钢覆盖排气系统用冷、热段材料所有牌号409L、439、436L、441、444、429,432等,产品已向佛吉亚、天纳克、克康三个世界最大的一级配套商供货。


第二建筑装饰用不锈钢:酒钢建筑装饰用超纯铁素体不锈钢以电梯面板和建筑屋面及幕墙用途为主,主要牌号包括439、443、445J1、445J2不锈钢。


第三汽车装饰条用J442D和J436D超纯铁素体不锈钢,主要替代日本进口产品,具备高光泽度、细腻平滑表面和优良的耐腐蚀性能和成型性能,目前已对日产汽车以及长安等国内汽车品牌进行供货。


6、个性化定制产品


酒钢已经批量向某国际知名品牌手机供货低磁导率、高纯净不锈钢316Li;向中科院高能物理研究所在建中微子实验室批量供货低本底、超纯净、高耐蚀不锈钢;给德国汉能批量供货高强不锈钢。


目前,酒钢不锈钢正在给军方开发低温风洞专用用304L/304LN不锈钢;开发替代进口铝电解长寿命阴极专用不锈钢和退火炉长寿命耐热不锈钢。


7、有色产品加工


依托不锈钢生产装备,在国内第一家开发出了卷状钛材的热轧、冷轧生产工艺,目前钛带材产品加工已经形成系列化,有25家加工用户,年加工量5000吨。


在钛卷生产的基础上进行锆卷和镍卷的加工生产,目前锆卷轧制、退火酸洗工艺已经稳定。


第五部分,酒钢光热发电熔盐储罐专用J347H介绍。


酒钢研发的J347H产品主要针对塔式光热电站高温熔盐罐,由于其储存高温熔盐,对罐体的材料要求较高。主要技术要求为:


高温性能:高温(593℃)力学性能:Rp0.2≥137;Mpa,Rm≥280Mpa。


晶粒度及析出相:晶粒控制在4-7级范围内。


耐腐蚀性能:耐熔盐腐蚀速率达到国外领先水平。


焊接性能:焊接后钢板按照ASME SA-213标准Rm≥515MPa,焊口无敏化现象。


酒钢从2019年开始J347H研制,与兰州理工、北京科技大学、兰石、兰滨等单位合作成立创新联合体进行了研发,并立为甘肃省重大专项。研制的目标:达到国外知名企业安塞乐米塔尔的水平。


在光热系统中,J347H产品主要用于熔盐储罐和高温介质的传导管道和设备,下面我把J347H的成分设计,及相关性能做一个分享。


1、化学成份设计


按照国标、美标,欧标,结合熔盐储罐的使用环境和变化,酒钢对成分进行了优化,添加了一些标准没有明确要求的元素,主要成分见表5.1。


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表5.1:酒钢J347H不锈钢主要化学成分与相关标准及国际产品对比


2、铸坯等轴率和夹杂物分析


与常规347H产品铸坯等轴晶率为0%相比,熔盐储罐专用J347H的铸坯等轴晶率达到25%,这个指标对后续产品的组织和性能的均匀性有很大影响。


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图5.1:夹杂物对比


铸坯夹杂物与国外米塔尔的对比发现:米塔尔的夹杂物主要为Al2O3、CaSiO3和Al2O3-MnS-CaS复合夹杂物,酒钢J347H中夹杂物主要为Al2O3、CaSiO3。从上图夹杂物的评级可以看出,酒钢J347H夹杂物控制较好。


从成分分析,国外米塔尔的硫含量比酒钢高很多,这也是导致他们产品中A类硫化物夹杂物较多的原因。


3、晶粒度分析


晶粒度这个指标其实对熔盐罐制造来说比较重要,因为高温熔盐罐在高温下使用,从材料学角度看,晶粒度大一些,材料的高温性能和稳定性会好一些。表5.2为晶粒度的检测结果:安赛乐米塔尔测试产品厚度为12mm,晶粒度接近7级,酒钢产品分不同规格进行了检测,晶粒度基本都在4-7。


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表5.2:晶粒度对比


4、析出相分析


在J347H中析出相对其高温性能和耐蚀性能都有一定的影响,因此对析出相的研究是不可缺少的。


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图5.2:为酒钢J347H析出相和米塔尔析出相的对比(上:安赛乐米塔尔347H析出相;下:酒钢J347H析出相


从图5.2电镜分析结果可以看出:酒钢J347H的析出量比安赛乐米塔尔要多,析出更完全,析出量多、析出更完全可提高产品的力学性能、改善耐蚀性能。


5、耐蚀性能分析


标准中对347H没有耐蚀性能要求,由于熔盐罐内壁接触高温熔盐,使用温度接近材料的敏化温度,易使材料敏化发生晶间腐蚀和均匀腐蚀,同时由于熔盐纯度的影响,也会发生点腐蚀,因此对材料耐蚀性能的研究,尤其重要。酒钢从电化学的角度对材料做了均匀腐蚀、点腐蚀和晶间腐蚀对比试验,也模拟使用环境采用失重法做了耐蚀性的对比试验。


腐蚀试样编号对应材料:1#-普通347H;2#-酒钢熔盐专用J347H未进行特殊处理;3#-酒钢熔盐专用J347H(优化工艺)。


5.1均匀腐蚀


按照美国电化学均匀腐蚀的标准ASTM G3-2014,对材料在5%硫酸介质中进行了耐均匀腐蚀性能表征,结果如图5.4。


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图5.3:均匀腐蚀性试验结果


从图5.3可以看出:3#样品基本无活化腐蚀电流峰,且为钝电流密度很低,钝化态稳定,其耐5%硫酸介质的均匀腐蚀能力最强,优于1#样品和2#样品,说明酒钢熔盐专用材J347H耐5%硫酸介质的均匀腐蚀优良,优于普通347H,同时说明处理工艺对J347H的耐蚀性能也有一定的影响。


5.2点腐蚀


按照日本点腐蚀标准JIS G0577-2014,对材料在3.5%氯化钠溶液中点蚀电位进行了表征,结果如图5.4。


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图5.5:点蚀试验结果


从图5.4可以看出:3#样品的耐点蚀能力较强,且钝化膜十分稳定,没有大量的点蚀形核位点;而1#和2#样品的耐点蚀能力差,钝化态始终伴随着大量非稳态点蚀峰,钝化膜上存在大量可供点蚀发生的形核位置,说明酒钢熔盐专用材J347H耐3.5%氯化钠介质的点腐蚀优良。


5.3晶间腐蚀


按照日本晶间腐蚀标准(动电位再活化法)JIS G0580-2003JIS G0577-2014,对材料进行了敏化处理,并对耐敏化态晶间腐蚀能力进行了表征,结果如下图5.5


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图5.5:晶间蚀试验结果


从图5.5可以得出:3#样品敏化状态体现了正常的活化-钝化转变行为,且其活化电流峰相较1#和2#样品的对应状态呈现大幅度降低,其再活化率也处于极低数值,因此3#样品具有很强的耐敏化态晶间腐蚀能力,说明酒钢熔盐专用材J347H有很强的耐敏化态晶间腐蚀能力。


从这三个方面来说,材料的耐蚀性能不但与材料本身材质有关,还与工艺以及后续的处理有关。


5.4模拟实际工况试验


为了模拟实际工况条件,我们委托兰州理工大学对材料在600℃硝酸盐熔盐(40%KNO3+60%NaNO3(wt.%)中进行腐蚀试验,利用失重法检测均匀腐蚀结果。


通过检测,国外安赛乐米塔尔347H不锈钢在600℃/120h的腐蚀速率为0.02377mm/a,酒钢J347H在600℃/120h的腐蚀速率为0.01317mm/a,说明酒钢J347H不锈钢在600℃硝酸熔盐中耐腐蚀性能与国外安赛乐米塔尔相当,能达到米塔尔的水品。


6、力学性能


6.1室温25℃下力学性能


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表5.3:347H室温力学性能标准及检测值


酒钢J347H室温力学性能不管是屈服强度、抗拉强度、延伸率还是硬度都能满足美标,欧标和国标要求。


6.2高温593℃下的力学性能


虽然标准对高温熔盐罐材料的高温力学性能没有明确的要求,但是高温熔盐罐的使用温度达到565℃,使用过程中熔盐罐受到一定的载荷作用,因此对材料的高温力学性能的研究非常重要,西班牙知名熔盐电站总承包企业Emypro S.A.(是一家为化工、石化、太阳能光热等行业制造和建设储罐,管道设施和“交钥匙”工程的专业公司。目前已成功设计并建设过多个海外知名的光热电站储罐项目)研究提出:高温熔盐罐的材料在593℃屈服强度Rp0.2≥137Mpa;抗拉强度Rm≥280Mpa。酒钢委托兰石集团对J347H不同规格的高温力学性能进行了检测并与米塔尔同规格产品进行了对比,具体见表5.4。


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表5.4:347H高温力学性能行业要求及检测值


从表5.4可以看出:酒钢J347H在593℃不同厚度规格的屈服强度在147-200MPa,抗拉强度在355-430MPa,符合Emypro S.A.公司提出的行业要求;米塔尔和酒钢J347H板厚12mm产品的高温力学性能相当。


6.3高温蠕变性能


高温熔盐罐中的熔盐在使用过程中也在不断变化,熔盐罐受到一定载荷和冲击,罐体材料除了受到载荷外还存在一定的应力。因此酒钢委托兰石集团对J347H做了高温蠕变性能的检测。蠕变温度为593℃,载荷比取0.5σs、0.75σs、σs三个载荷比,蠕变曲线如图5.6。


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图5.6:高温蠕变曲线


从图中可以看出载荷比为σs时蠕变曲线呈现出完整的蠕变三阶段;载荷比为0.5σs和0.75σs时蠕变曲线经过短暂的蠕变第一阶段就进入蠕变第二阶段,随着蠕变时间的增加,材料的应变几乎保持不变,至实验结束未进入蠕变第三阶段。测试结果来看,酒钢J347H满足可长期在400℃(冷)/565℃(热)范围内稳定使用,同时具备应力水平(国内熔盐研究单位建议≥97MPa,最低不小于70MPa)条件。


7、焊接性能


根据熔盐罐现场制造的条件,我们分别采用了二保焊和手工焊条电弧焊两种方法进行试验,试验检测:焊缝区域主要是少量高温铁素体+奥氏体,热影响区及母材主要为奥氏体组织,焊缝成形良好,180度折弯完好,室温抗拉强度分别达到602MPa和599MPa,≥515MPa,符合ASME SA-213标准要求。


8、业绩


酒钢J347H产品目前在德国石化配件炼油罐密封圈和换热器的外壳上得到了使用。


酒钢J347H产品的成分、夹杂物控制等级、晶粒度、析出相、室温和高温力学性能、耐蚀性能、焊接性能等都能达到国外安塞乐米塔尔产品的要求,满足国标、欧标和美标的要求。


后续酒钢将联合业内的企业和专家一起研究制定高温熔盐专用材的行业标准,为高温熔盐用材提供设计及制造规范。


期待与大家合作,谢谢!


注:如需与酒钢洽谈交流合作,可联系平台工作人员(微信:cspswd)

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