DE4416794C2

DE4416794C2 - High-temperature bainitic steel components for boiler construction

Info

Publication number: DE4416794C2
Application number: DE4416794A
Authority: DE
Inventors: Walter Dr Rer Nat Bendick; Klaus Dr Ing Haarmann; Ingo Von Dr Ing Hagen
Original assignee: Mannesmann AG
Current assignee: Vodafone GmbH
Priority date: 1994-03-09
Filing date: 1994-05-06
Publication date: 1996-02-08
Anticipated expiration: 2014-05-07
Also published as: DE4416794A1; DE59500247D1

Description

Die Erfindung betrifft hochwarmfeste bainitische Stahl-Bauteile für den Kesselbau.The invention relates to high-temperature bainitic steel components for boiler construction.

Ein bekannter Kesselbaustahl ist der Stahl 10 CrMo 9 10, der etwa dem Grade T 22 der ASTM A 199, 200 und 213 sowie Grade P 22 der ASTM A 335 entspricht und folgende Legierungselemente (Gew.-%) enthält:A well-known boiler structural steel is the steel 10 CrMo 9 10, which approximately the Grade T 22 of ASTM A 199, 200 and 213 and Grade P 22 of ASTM A 335 corresponds and contains the following alloying elements (% by weight):

C|0,08 bis 0,15C | 0.08 to 0.15 SiSi 0,50 0.50 MnMn 0,40 bis 0,700.40 to 0.70 PP 0,035 0,035 SS 0,035 0,035 CrCr 2,0 bis 2,52.0 to 2.5 MoMo 0,9 bis 1,20.9 to 1.2

Dieser Stahl weist eine für viele Einsatzzwecke ausreichende Warmfestigkeit auf, kann aber Anwendungen mit erhöhtem Anspruchsniveau nicht mehr genügen. Für hohe Beanspruchungen werden daher vielfach hochlegierte und infolgedessen nicht nur teure, sondern auch schwieriger verarbeitbare Stähle eingesetzt, wie etwa der hochwarmfeste Stahl X 20 CrMo V 12 1, der 12% Chrom enthält.This steel has a sufficient for many uses Heat resistance on, but can be applications with increased demands not enough anymore. For high loads are therefore often high alloyed and consequently not only expensive, but also more difficult processable steels used, such as the high-temperature steel X 20 CrMo V 12 1, which contains 12% chromium.

Aus der EP 0 411 515 A1 ist darüber hinaus eine hochfeste wärmebeständige Stahllegierung mit folgenden Legierungselementen (Gew.-%) bekannt:Moreover, EP 0 411 515 A1 discloses a high-strength Heat-resistant steel alloy with the following alloying elements (% By weight) known:

C|0,03 bis 0,12C | 0.03 to 0.12 SiSi 1,0 1.0 MnMn 0,2 bis 1,00.2 to 1.0 PP 0,03 0.03 SS 0,03 0.03 NiNi 0,8 0.8 CrCr 0,7 bis 3,00.7 to 3.0 MoMo 0,3 bis 0,70.3 to 0.7 WW 0,6 bis 2,40.6 to 2.4 VV 0,05 bis 0,350.05 to 0.35 NbNb 0,01 bis 0,120.01 to 0.12 NN 0,1 bis 0,050.1 to 0.05

Die Gehalte an W und Mo müssen dabei so bemessen werden, daß sie der BeziehungThe contents of W and Mo must be calculated so that they are the relationship

0,8% (Mo% + 1/2 W%) 1,5%0.8% (Mo% + 1/2 W%) 1.5%

genügen. Die Erschmelzung eines solchen Stahles erfordert erheblichen Aufwand, insbesondere auch im Hinblick auf eine homogene Verteilung des W-Gehalts. Außerdem ergeben sich wegen des hohen Verformungswiderstandes Erschwernisse im Hinblick auf die Warmumformung, z. B. beim Walzen nahtloser Rohre. Es besteht daher der Wunsch, einen hochwarmfesten Stahl zu finden, der einerseits sehr hohe Warmfestigkeitswerte gewährleistet, andererseits aber zu vergleichsweise niedrigen Kosten erzeugbar und gut weiterverarbeitbar ist.suffice. The melting of such a steel requires considerable Effort, especially with regard to a homogeneous distribution of W content. In addition, arise because of the high resistance to deformation Difficulties in terms of hot forming, z. B. when rolling seamless pipes. There is therefore a desire to have a high temperature steel to find, on the one hand, very high heat resistance values, on the other hand, but at comparatively low cost and good is processable.

Aus der US 25 72 191 sowie der US 40 75 041 sind jeweils Stähle bekannt, die in ihren Zusammensetzungen sich teilweise mit der nachfolgend angegebenen Zusammen setzung überschneiden. Die Unterschiede führen aber dazu, daß diese Stähle ein martensitisches bzw. marten sitisch-ferritisches Gefüge aufweisen. From US 25 72 191 and US 40 75 041 are Each known steels in their compositions partially with the following together overlap. The differences lead however to the fact that these steels a martensitic or marten have sitish-ferritic structure.

Ausgehend von dem bekannten Kesselbaustahl 10 CrMo 9 10 hat sich die Erfindung die Aufgabe gestellt, hochwarmfeste bainitische Stahl-Bauteile mit wesentlich verbesserter Zeitstandfestigkeit zu entwickeln. Im Gegensatz zu den bekannten hochwarmfesten martensitischen Stählen sollen die erfindungsgemäßen Stahl-Bauteile im geschweißten Zustand deutlich weniger stark zur Aufhärtung neigen, so daß für dünnwandige Bauteile nach dem Schweißen eine Wärmenachbehandlung nicht mehr erforderlich sein soll.Starting from the known boiler construction steel 10 CrMo 9 10, the Invention set the task, high-temperature bainitic steel components with significantly improved creep strength to develop. In contrast Among the known high-temperature martensitic steels are the Steel components according to the invention in the welded state significantly less strong tend to harden, so that for thin-walled components after the Welding a heat post-treatment should no longer be required.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch einen bainitischen hochwarmfesten Stahl mit folgender chemischer Zusammensetzung:This object is achieved according to the invention by a bainitic heat-resistant steel with the following chemical composition:

CC 0,05 bis 0,095%0.05 to 0.095% SiSi 0,15 bis 0,45%0.15% to 0.45% MnMn 0,30 bis 0,70%0.30 to 0.70% PP = 0,020% = 0.020% SS = 0,010% = 0.010% Alal = 0,020% = 0.020% CrCr 2,20 bis 2,60%2.20 to 2.60% MoMo 0,90 bis 1,10%0.90 to 1.10% VV 0,20 bis 0,30%0.20 to 0.30% TiTi 0,05 bis 0,10%0.05 to 0.10% BB 0,0015 bis 0,0070%0.0015 to 0.0070% NN = 0,01% = 0.01%

Rest Eisen und übliche Verunreinigungen.Remaining iron and usual impurities.

Der Stahl wird 30 bis 60 min lang bei 980 bis 1040°C geglüht, dann an Luft abgekühlt und abschließend mindestens eine Stunde lang bei 730 bis 760°C angelassen. Er eignet sich insbesondere zur Herstellung nahtloser und auch geschweißter Stahlrohre sowie von Blechen. Die daraus hergestellten Produkte werden in vergüteter Form eingesetzt. Nach einem Schweißen ist eine Wärmenachbehandlung dünnwandiger Komponenten nicht erforderlich. Daher eignet er sich insbesondere zur Herstellung von Membranwänden.The steel is annealed at 980 to 1040 ° C for 30 to 60 minutes, then at Cooled air and finally at 730 to at least one hour 760 ° C tempered. It is particularly suitable for the production of seamless and also welded steel tubes and sheets. The result manufactured products are used in tempered form. After one Welding is not a post-heat treatment of thin-walled components required. Therefore, it is particularly suitable for the production of Membrane walls.

Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß sich der bekannte Stahl 10 CrMo 9 10 durch relativ einfache Maßnahmen so modifizieren läßt, daß er extrem gute Warmfestigkeitswerte und eine sehr gute Weiterverarbeitbarkeit aufweist. Hierzu ist zunächst eine deutliche Absenkung des maximal zulässigen C-Gehalts auf unter 0,1% erforderlich. Darüber hinaus sind in den vorstehend genannten Grenzen V, Ti und B zuzusetzen. Durch die Begrenzung des C-Gehalts wird zwar eine gewisse Beeinträchtigung von Festigkeitswerten, wie Zugfestigkeit und Bruchdehnung hervorgerufen, wichtiger ist aber, daß hierdurch die Neigung zur Aufhärtung nach Schweißvorgängen soweit vermindert wird, daß eine Wärmenachbehandlung nicht mehr erforderlich ist. Durch V und Ti werden thermisch sehr stabile Karbonitride gebildet, die die Warmfestigkeit und Zeitstandfestigkeit fördern. Durch B werden die Durchvergütung und die Festigkeit des Stahls verbessert; darüber hinaus ist es wichtig, daß B die Morphologie und die Verteilung der Karbonitride positiv beeinflußt. Das Zusammenwirken der gezielten Einstellung der Mengenanteile an C, V, Ti und B führt zu einer in ihrer Höhe völlig überraschenden Verbesserung der Warmfestigkeit und Zeitstandfestigkeit gegenüber dem bekannten Stahl 10 CrMo 9 10.Surprisingly, it has been found that the known steel 10 CrMo 9 10 can be modified by relatively simple measures so that he extremely good heat resistance values and a very good Further processing has. This is a clear first Reduction of the maximum permissible C content to below 0.1% is required. In addition, within the above limits, V, Ti and B are add. By limiting the C content is indeed a certain Impairment of strength values, such as tensile strength and Elongation induced, but more important is that thereby the Tendency to harden after welding operations is reduced so much that a post-heat treatment is no longer required. By V and Ti thermally very stable carbonitrides are formed, which are the Promote heat resistance and creep rupture strength. Through B, the Through tempering and the strength of the steel improved; Furthermore it is important that B has the morphology and distribution of the Carbonitrides positively influenced. The interaction of the targeted Adjustment of the proportions of C, V, Ti and B leads to one in their Height completely surprising improvement in heat resistance and Creep rupture strength compared to the known steel 10 CrMo 9 10.

Anhand der nachfolgenden Ausführungsbeispiele wird die Wirksamkeit der Erfindung näher erläutert.On the basis of the following embodiments, the effectiveness of Invention explained in more detail.

Es wurden zwei Stähle erschmolzen, deren Zusammensetzung hinsichtlich der einzelnen Legierungselemente (Rest Eisen und übliche Verunreinigungen) in der nachfolgenden Tabelle angegeben ist. Two steels were melted, their composition in terms of the individual alloying elements (remainder iron and usual Impurities) in the table below.

Nach einer Vergütungsbehandlung in Form einer Glühung bei 1000°C über 30 min mit anschließender Abkühlung an Luft sowie einer weiteren Glühung bei 750°C über zwei Stunden mit wiederum anschließender Abkühlung an Luft ergaben sich bei Raumtemperatur für die Streckgrenze R_{p 0,2}, die Zugfestigkeit R_m, die Bruchdehnung A₅, die Brucheinschnürung Z und die Kerbschlagarbeit A_{V iso} die folgenden Ergebnisse: After a tempering treatment in the form of an annealing at 1000 ° C for 30 min followed by cooling in air and a further annealing at 750 ° C for two hours with subsequent subsequent cooling in air resulted at room temperature for the yield strength R _{p 0.2} , the Tensile strength R _m , the elongation at break A₅, the fracture contraction Z and the impact work A _{V iso} the following results:

Mit diesen Ergebnissen zeigt sich der erfindungsgemäße Stahl einem herkömmlichen 10 CrMo 9 10-Stahl bereits deutlich überlegen. Zeitstandsuntersuchungen an Proben aus den beiden Stählen der Ausführungsbeispiele ergaben darüber hinaus nach einer Prüfdauer von bis zu 63 000 Stunden eine überraschend starke Verbesserung der Zeitstandfestigkeitswerte. Wie die nachfolgende Tabelle zeigt, liegen die erzielten Werte bezogen auf eine Prüfdauer von 10 000 und 100 000 h ganz beträchtlich über den entsprechenden Vergleichswerten des herkömmlichen Stahls.With these results, the steel according to the invention shows a already superior to conventional 10 CrMo 9 10 steel. Creep tests on samples from the two steels of the In addition, exemplary embodiments yielded a test duration of up to to 63 000 hours a surprisingly strong improvement in the Creep strength. As the following table shows, lie the values obtained based on a test duration of 10,000 and 100,000 h quite considerably above the corresponding comparative values of the conventional steel.

Diese Ergebnisse zeigen, daß der erfindungsgemäß verwendete Stahl hinsichtlich seiner Zeitstandfestigkeit einem Vergleich mit dem aus der EP 0 411 515 bekannten Stahl ohne weiteres standhält. Seine Herstellung und Verarbeitung erfordern deutlich weniger Aufwand.These results show that the steel used in the invention in terms of its creep rupture strength compared to that of EP 0 411 515 well-known steel easily withstands. Its production and Processing requires significantly less effort.

Claims

High-temperature bainitic steel components for boiler construction consisting of (wt .-%): C 0.05 to 0.095% Si 0.15% to 0.45% Mn 0.30 to 0.70% P = 0.020% S = 0.010% al = 0.020% Cr 2.20 to 2.60% Mo 0.90 to 1.10% V 0.20 to 0.30% Ti 0.05 to 0.10% B 0.0015 to 0.0070% N = 0.01%

The remainder iron and common impurities, wherein the steel was calcined at 980 to 1040 ° C for a period of 30 to 60 minutes, then cooled in air and then tempered at 730 to 760 ° C for at least one hour.