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在湖北大冶特鋼的生產車間,溫度計指針指向625℃,“耐熱鋼”紋絲不動。“耐熱鋼”是火電站的“心臟”——超超臨界機組用鋼材的戰場。在這個溫度下,普通鋼材會像軟泥般塌陷,而進口材料的價格又高不可攀。
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葛銳教授向記者展示新鮮出爐的“耐熱鋼”。記者楊佳峰 攝
“我們要造出能承受‘三昧真火’的鎧甲。”武漢科技大學葛銳教授團隊與大冶特殊鋼有限公司深化產學研合作,在這個火爐口鏖戰多年。凌晨,他們盯著透射顯微鏡下金屬晶粒的排列,一次次排兵布陣般調整合金元素,優化熱處理工藝,最終破解了“耐熱鋼”持久強度低的行業魔咒,讓國產鋼材在極端高溫高壓下依然挺立,實現10萬小時穩定強度,技術水平國際領先。
如今,不僅國內十多臺套超超臨界火電機組有了“中國芯”,這批“不怕熱的鋼”還跨洋出海,在美國、韓國、印度的電廠里,書寫著中國制造的傳奇。
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葛銳教授操作高溫蠕動持久試驗機對“耐熱鋼”進行測試。記者楊佳峰 攝
“耐熱鋼”可在625℃下保持10萬小時穩定強度
【研發者說】
講述人:武漢科技大學材料與冶金學院教授 葛銳
高溫環境對普通鋼材的考驗往往始于300—400℃,此時鋼材會像面條般失去剛性。這一現象源于鋼材內部微觀結構的劇烈變化:在顯微鏡下可以看到,原本整齊排列的晶體開始錯位,組織發生退化,內部析出物的形成導致晶粒粗化,最終使材料變得如同松散的棉絮。
在極端高溫高壓環境下保持鋼材的穩定性能,是一項極具挑戰性的課題。傳統方法通過在普通鋼中添加鎳、鈷、鎢等貴金屬來提升耐溫性能,但這種方法的成本過于高昂——每噸鋼材價格攀升至七八萬元,難以滿足民用需求。
我們選擇了另外一條孵化“耐熱鋼”的路:通過成分設計(控制有害元素)、工藝調控(熱處理優化馬氏體組織)、組織均勻性控制(減少脆性高溫鐵素體)等,從生產環節孵化“耐熱鋼”。
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孵化“耐熱鋼”的小型煉鋼爐和盛裝鋼水的坩堝。記者楊佳峰 攝
鋼鐵是大規模工業生產,難免引入雜質,很難精準控制。我們采用設計與工藝來保障去除雜質元素,確保了材料的純凈度。這是成分控制的核心。
熱處理技術的關鍵是匹配不同元素需求:有些元素需固溶強化,有些則要控制形態避免負面影響,通過工藝讓添加的元素發揮最大作用。
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孵化“耐熱鋼”的小型煉鋼爐和盛裝鋼水的坩堝。記者楊佳峰 攝
“耐熱鋼”的研發是一項復雜的系統工程,其核心在于獨特的組織控制技術。尤其是高溫鐵素體這一關鍵指標的控制。這種脆性相的存在,猶如混凝土中的石子,雖然能提高強度,卻容易埋下了斷裂隱患。
如何減少高溫鐵素體這類有害組織?我們在實驗室的小型煉鋼爐旁,從1公斤級、50公斤級做起,摸索出1200℃以下壓低高溫鐵素體的關鍵技術。
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葛銳教授操作小型煉鋼爐。記者楊佳峰 攝
隨著材料研發的逐步推進和市場需求,“耐熱鋼”不斷迭代。2021年,市場需求的“耐熱鋼”是580℃級,現在我們的“耐熱鋼”逐步向640℃、660℃、700℃級邁進。
目前,625℃“耐熱鋼”已實現萬噸級銷售,650℃級已成功制造,700℃級已進入實驗階段。開發出的兩款“耐熱鋼”——改良P92鋼(持久強度96兆帕)和高持久強度鋼(持久強度110兆帕),可在625℃下保持10萬小時穩定強度,價格只有同類進口鋼材的一半。
“耐熱鋼”節約了發電成本
【大眾點評】
講述人:大冶特殊鋼有限公司研究分院主任研究員 朱志寶
在熱電廠的主蒸汽管道系統中,我們采用了“耐熱鋼”材料。蒸汽在里面傳輸,溫度能達到600℃,比一般的小火焰溫度還高。燃燒產生的熱量將水加熱轉化為蒸汽。這些高溫蒸汽推動汽輪機運轉,完成一次做功后,溫度降至300多攝氏度。隨后,蒸汽經過二次加熱,再次驅動汽輪機,形成一個高效的能量利用循環。承載這些蒸汽的管道便是“耐熱鋼”做成,使用至今安全平穩。“耐熱鋼”長期處于高溫高壓環境,要求使用壽命達到10萬小時,折算下來差不多是十多年。也就是說,“耐熱鋼”一次安裝,無需頻繁更換,便可長期使用,大大節約了發電成本。
(長江日報記者楊佳峰 通訊員程毓)
【羅田甜】
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