， ，

(1. 鋼鐵研究總院 特殊鋼研究院， 北京 100081； 2. 寶武特種冶金有限公司 技術(shù)中心, 上海 200940)

近日，國務(wù)院關(guān)于印發(fā)2030年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案的通知中明確指出：新建機(jī)組煤耗標(biāo)準(zhǔn)需達(dá)到國際先進(jìn)水平，有序淘汰落后煤電產(chǎn)能，加快現(xiàn)役機(jī)組節(jié)能升級(jí)和靈活性改造，推動(dòng)煤電向基礎(chǔ)保障性和系統(tǒng)調(diào)節(jié)性電源并重轉(zhuǎn)型。通知明確規(guī)定了煤電機(jī)組定位和未來發(fā)展。隨蒸汽溫度和壓力的提升，熱效率進(jìn)一步提升，CO2排放和煤耗進(jìn)一步降低，但需更高等級(jí)的耐熱材料。G115?鋼是我國自主研發(fā)的新型馬氏體耐熱鋼，是目前世界范圍內(nèi)唯一可工程化應(yīng)用于630～650 ℃溫度范圍火電機(jī)組鍋爐集箱和主蒸汽管道的材料，寶武特種冶金有限公司已具備批量穩(wěn)定供貨能力。但是，在汽輪機(jī)側(cè)，隨機(jī)組蒸汽參數(shù)的提高，采用更高高溫強(qiáng)度的9%～12%Cr馬氏體耐熱鋼作為汽輪機(jī)側(cè)缸體或閥殼等鑄件已經(jīng)成為行業(yè)共識(shí)[1]。目前，最先進(jìn)的商用超超臨界火電機(jī)組汽輪機(jī)鑄件最高使用鋼種為CB2鋼。汽輪機(jī)缸體和閥殼等結(jié)構(gòu)復(fù)雜鑄件，只能通過鑄造方法生產(chǎn)[2-3]，并直接進(jìn)行正火和回火熱處理。汽輪機(jī)側(cè)缸體或閥殼要求具備良好的高溫強(qiáng)度，因此采用合理的正火和回火熱處理工藝才能保證鑄件良好的鑄態(tài)組織，從而確保產(chǎn)品的高溫力學(xué)性能。新型馬氏體耐熱鋼G115的高溫持久性能明顯高于T/P91和T/P92耐熱鋼[4-5]。9Cr-3W-3Co系鋼鑄件組織中易存在網(wǎng)狀硼化物(M3B2)和δ鐵素體[6]；δ鐵素體降低材料的蠕變斷裂強(qiáng)度和韌性，惡化高溫性能；硼化物(M3B2)占據(jù)了大量的合金元素，降低材料合金固溶度，從而影響高溫性能。在熱處理過程中，正火的主要目的是將鑄態(tài)組織中的一定量的δ鐵素體、碳化物等析出相溶解并回溶到基體，提高基體合金的固溶度，均勻組織及成分，并獲得合適的晶粒度[7]?；鼗鸬闹饕康氖菑倪^飽和馬氏體中析出碳化物和碳氮化物，形成第二相強(qiáng)化，釘扎自由位錯(cuò)和晶界，從而確保組織能在高溫下長期保持穩(wěn)定，提高高溫強(qiáng)度[8]。熱處理時(shí)鋼的原始組織、熱處理制度對(duì)產(chǎn)品的組織及性能產(chǎn)生較大影響。王冬梅等[9-10]對(duì)汽輪機(jī)缸體用鋼在593 ℃時(shí)不同時(shí)效時(shí)間下的蠕變性能與組織進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，缸體高溫蠕變性能與原始組織中富鉻相的尺寸、形狀與分布有直接關(guān)系。兌衛(wèi)真等[11]對(duì)17-4PH鑄鋼熱處理后發(fā)現(xiàn)，正火溫度過低，易引起組織不均勻，溫度過高，則晶粒粗化，均不能達(dá)到性能要求。李偉華等[3]對(duì)620 ℃機(jī)組汽輪機(jī)CB2鋼閥殼鑄件進(jìn)行研究，通過合理的正火和回火工藝確保閥殼鑄件的組織及性能，滿足使用要求。黨君鵬[12]對(duì)高鉻耐磨鑄球的熱處理進(jìn)行研究，結(jié)果表明，鑄球的淬火溫度、冷卻速度與組織、性能之間存在密切聯(lián)系，當(dāng)淬火溫度在960 ℃時(shí)可得到最佳性能，能耗比原工藝降低約21%，顯著降低生產(chǎn)成本。通過有限元法研究汽輪機(jī)缸體溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)等已得到廣泛認(rèn)可。黃柳燕等[13]采用ABAQUS有限元軟件對(duì)1000 MW機(jī)組汽輪機(jī)閥殼服役條件下的應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行分析，根據(jù)閥殼各部位受力情況對(duì)其評(píng)估，并對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。王宏光等[14]采用NASTRAN有限元軟件對(duì)超臨界汽輪機(jī)閥殼冷啟過程和服役工況下的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，與實(shí)際運(yùn)行結(jié)果吻合度較高。叢相州等[15]研究了G115鋼大口徑管件的熱處理，研究表明回火溫度對(duì)G115鋼強(qiáng)度、硬度和沖擊性能的綜合影響最大。

為得到10 t級(jí)G115鋼厚壁中空鑄件正火和回火熱處理工藝，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)鑄件各部位保溫時(shí)間，得到其加熱速率等參數(shù)，采用有限元方法對(duì)10 t級(jí)G115鋼鑄件正火和回火加熱工藝進(jìn)行有限元分析，為制訂合理的正火和回火工藝參數(shù)提供參考，并確定了最優(yōu)熱處理工藝，通過對(duì)熱處理后鑄件力學(xué)性能檢測(cè)，確定了最優(yōu)熱處理工藝可以滿足實(shí)際生產(chǎn)要求。

1 有限元模型及加熱方案

本文選取10 t級(jí)G115鋼厚壁中空鑄件為研究對(duì)象，其斷面尺寸如圖1所示，化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)：0.097C、0.31Si、0.43Mn、9.11Cr、2.98Co、2.67W、0.18V、0.066Nb、0.85Cu、0.013B、0.008N，余量Fe。鑄件采用40 t電爐+LF+VD冶煉工藝，真空澆鑄。經(jīng)脫模后采用天燃?xì)饧訜釥t，精度±10 ℃，將鑄件加熱到正火溫度(1070 ℃)，經(jīng)保溫空冷到室溫，之后再將鑄件加熱到回火溫度(780 ℃)，經(jīng)保溫后空冷得到最終產(chǎn)品。鑄件加熱前的初始溫度為25 ℃(均勻分布)，采用隨爐加熱，初始爐溫為300 ℃，正火和回火加熱工藝各設(shè)定3個(gè)工藝方案，具體見圖2，其中，3個(gè)工藝分別標(biāo)記為①、②、③。

圖1 G115鋼厚壁中空鑄件斷面尺寸Fig.1 Sectional dimensions of the G115 steel thick-walled hollow castings

鑄件有限元模型如圖3所示。采用ANSYS有限元軟件進(jìn)行全模型計(jì)算，單元類型選擇Solid70，單元總數(shù)為9900個(gè)，節(jié)點(diǎn)為12 240個(gè)。鑄件的密度、比熱、熱導(dǎo)率及綜合換熱系數(shù)等熱物性參數(shù)隨溫度的變化參考G115鋼數(shù)據(jù)集。根據(jù)加熱工藝，研究鑄件各部位溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律，確定最優(yōu)加熱工藝。

2 結(jié)果與分析

2.1 鑄件正火過程溫度場(chǎng)分布

為準(zhǔn)確得到鑄件在正火加熱過程中內(nèi)外表面各部位溫度隨時(shí)間的分布云圖，選取正火過程中工藝①下的6個(gè)時(shí)刻，分別為7200、14 400、34 200、43 200、45 000及80 880 s進(jìn)行溫度分布云圖分析，如圖4所示。

可知，在各加熱階段中，鑄件外表面底端邊緣處的溫度最高，靠近上端約1/4處的內(nèi)外表面溫度最低。

圖4 工藝①下鑄件正火過程中不同時(shí)刻溫度分布云圖Fig.4 Temperature distribution cloud diagrams at different time during normalizing process of the castings under process ①(a) t=7200 s; (b) t=14 400 s; (c) t=32 400 s; (d) t=43 200 s; (e) t=45 000 s; (f) t=80 880 s

圖2 加熱工藝示意圖(a)正火；(b)回火Fig.2 Schematic diagrams of the heating processes(a) normalizing； (b) tempering

圖3 G115鋼厚壁中空鑄件模型圖Fig.3 Model diagram of the G115 steel thick-walled hollow castings

鑄件內(nèi)外表面各部位的溫度梯度及溫差較大。鑄件加熱到7200 s時(shí)最大溫差116 ℃，如圖4(a)所示；32 400 s 時(shí)最大溫差51 ℃，如圖4(c)所示；45 000 s時(shí)最大溫差16 ℃，如圖4(e)所示，隨溫度逐步升高，各部位溫差逐漸減小。鑄件在各保溫階段內(nèi)外表面各部位溫度梯度及溫差逐步減?。昏T件內(nèi)外表面各部位在14 400 s 時(shí)最大溫差47 ℃，如圖4(b)所示；在43 200 s時(shí)最大溫差2.8 ℃，如圖4(d)所示；在80 880 s時(shí)無溫差，如圖4(f)所示；隨溫度升高及保溫時(shí)間延長，鑄件各部位溫差逐步減小。

在加熱過程中，鑄件底端邊緣處厚度較薄，該區(qū)域傳熱快，升溫速率快且容易達(dá)到最高溫度，鑄件靠近上端約1/4處由于厚度較大，傳熱慢，溫升較慢。由于各部位溫度均勻性差，極易導(dǎo)致裂紋，因此，在鑄件正火和回火過程中制定多段加熱和保溫工序，優(yōu)化保溫時(shí)間，對(duì)提高鑄件加熱質(zhì)量有積極效果。

2.2 鑄件正火過程中各部位溫度隨時(shí)間變化曲線

為準(zhǔn)確得到鑄件各部位關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化曲線，了解其升溫速率、溫差及保溫時(shí)間，選取鑄件5個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，如圖5所示。其中，節(jié)點(diǎn)1位于上端外邊緣處，節(jié)點(diǎn)2位于上端內(nèi)邊緣處，節(jié)點(diǎn)3位于上端約1/2厚度中心處，節(jié)點(diǎn)4位于下端內(nèi)邊緣處，節(jié)點(diǎn)5位于下端外邊緣處。

圖6 鑄件不同正火過程中各節(jié)點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化曲線(a)工藝①；(b)工藝②；(c)工藝③；(d)節(jié)點(diǎn)3Fig.6 Temperature variation curves of each node of the castings with time during different normalizing processes (a) process ①; (b) process ②; (c) process ③; (d) node 3

圖5 鑄件各部位節(jié)點(diǎn)分布圖Fig.5 Distribution of nodes in various parts of the castings

圖6為不同正火工藝下鑄件各節(jié)點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化曲線。由圖6(a)可知，各節(jié)點(diǎn)在加熱過程中具有明顯的3個(gè)階段，而圖6(b，c)具有明顯的4個(gè)階段，表明工藝①有3個(gè)加熱和保溫階段，工藝②和③具有4個(gè)升溫和保溫階段。在所有工藝下的加熱及保溫階段，節(jié)點(diǎn)5的溫度變化曲線均處在其他4個(gè)節(jié)點(diǎn)之上，表明其溫度最高，升溫速率最快。同時(shí)，節(jié)點(diǎn)3的溫度變化曲線在其他4個(gè)節(jié)點(diǎn)之下，表明其溫度最低，升溫速率最慢。各節(jié)點(diǎn)在升溫過程中的溫差增大，在保溫階段溫差減小。圖6(d)為鑄件節(jié)點(diǎn)3在不同加熱工藝下的溫度隨時(shí)間變化曲線。由圖6(d)可知，在3種不同加熱工藝下，節(jié)點(diǎn)3的溫度均能達(dá)到目標(biāo)溫度。同時(shí)，節(jié)點(diǎn)3在3 種不同工藝中第一階段保持一致，表明第一階段的加熱制度一致，之后開始有差異，與加熱工藝的變化有直接關(guān)系。工藝③的加熱速率最快，到達(dá)目標(biāo)溫度所用時(shí)間最短，其次是工藝②，最后是工藝②?？紤]鑄件加熱過程中各部位溫差及加熱速率，工藝②可較好地滿足生產(chǎn)要求，其次是工藝①，最后為工藝③。為準(zhǔn)確得到不同工藝下各節(jié)點(diǎn)到達(dá)目標(biāo)溫度的時(shí)間，對(duì)曲線進(jìn)行詳細(xì)分析，得到各節(jié)點(diǎn)到達(dá)1070 ℃所需的時(shí)間，見表1，并對(duì)其作圖分析，得到各節(jié)點(diǎn)在不同正火工藝下到達(dá)目標(biāo)溫度時(shí)間圖，如圖7所示。

由圖7可知，各節(jié)點(diǎn)到達(dá)1070 ℃的變化趨勢(shì)基本保持一致。到達(dá)目標(biāo)溫度時(shí)間最短依次為節(jié)點(diǎn)5、4、1、2和3。工藝③下各節(jié)點(diǎn)到達(dá)目標(biāo)溫度所需時(shí)間最短，其次是工藝①，最后是工藝②。在確保鑄件最厚處達(dá)到目標(biāo)溫度后，適當(dāng)保溫可進(jìn)一步優(yōu)化奧氏體晶粒尺寸及其成分，為后續(xù)熱處理及性能保證奠定良好的基礎(chǔ)，但如果保溫時(shí)間過長，會(huì)使鑄件端部晶粒過度長大，浪費(fèi)大量的能源和時(shí)間，增加生產(chǎn)成本，因此要合理確定保溫時(shí)間。

表1 各節(jié)點(diǎn)在不同正火工藝下到達(dá)1070 ℃的時(shí)間 (s)

圖8 工藝①下鑄件回火過程中不同時(shí)刻溫度分布云圖Fig.8 Temperature distribution cloud diagrams at different time during tempering process of the castings under process ① (a) t=5000 s; (b) t=10 000 s; (c) t=25 000 s; (d) t=78 340 s

圖7 不同正火過程中各節(jié)點(diǎn)到達(dá)1070 ℃的時(shí)間Fig.7 Time for each node to reach 1070 ℃ during different normalizing processes

計(jì)算鑄件各位置(和圖5中鑄件節(jié)點(diǎn)的位置一一對(duì)應(yīng))在1070 ℃下的保溫時(shí)間，結(jié)果如表2所示，可知，在不同加熱方案下，在1070 ℃下的保溫時(shí)間最長的位置依次為位置5、4、1、2和3。由此可以預(yù)測(cè)，位置5的晶粒尺寸最大，位置3的最小。結(jié)合鑄件各位置加熱速率、溫差、晶粒尺寸、加熱效率及生產(chǎn)成本，正火工藝②可較好滿足實(shí)際生產(chǎn)需求。

表2 正火過程中各位置在1070 ℃下的保溫時(shí)間 (h)

2.3 鑄件回火過程溫度分布云圖

為了準(zhǔn)確得到鑄件在回火過程中各部位溫度隨時(shí)間分布云圖，選取工藝①下的4個(gè)時(shí)刻，分別為5000、10 000、25 000及78 340 s進(jìn)行溫度分布云圖分析，如圖8所示。

可知，鑄件在各加熱和保溫階段的溫度分布云圖與正火過程相似，鑄件外表面底端邊緣處的溫度最高，鑄件靠近上端約1/2處的內(nèi)外表面溫度最低。鑄件內(nèi)外表面各部位的溫度梯度及溫差較大。鑄件在各保溫階段中，內(nèi)外表面各部位溫度梯度及溫差逐步減小；隨溫度升高及保溫時(shí)間延長，各部位溫差逐步減小，直至為零。

2.4 鑄件回火過程中各部位溫度隨時(shí)間變化曲線

圖9為不同回火工藝下鑄件各節(jié)點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化曲線。可知，鑄件各節(jié)點(diǎn)在加熱和保溫過程中溫度隨時(shí)間變化曲線與回火過程相似。其中，工藝①有兩個(gè)加熱和保溫階段，工藝②和③具有3個(gè)升溫和保溫階段。在所有工藝下的加熱及保溫階段，節(jié)點(diǎn)5的溫度變化曲線均處在其他4個(gè)節(jié)點(diǎn)之上，節(jié)點(diǎn)3的溫度變化曲線在其他4個(gè)節(jié)點(diǎn)之下。各節(jié)點(diǎn)在升溫過程中的溫差增大，在保溫階段溫差減小。由圖9(d)可知，在3個(gè)加熱工藝下，節(jié)點(diǎn)3的溫度均能達(dá)到目標(biāo)溫度。工藝①的加熱速率最快，到達(dá)目標(biāo)溫度所用時(shí)間最短，其次是工藝②，最后是工藝③?？紤]鑄件加熱過程中各部位溫差及加熱速率，工藝③可較好滿足生產(chǎn)要求，其次是工藝②，最后為工藝①。為了準(zhǔn)確得到不同工藝下各節(jié)點(diǎn)到達(dá)目標(biāo)溫度的時(shí)間，對(duì)曲線進(jìn)行詳細(xì)分析，得到各節(jié)點(diǎn)到達(dá)780 ℃的時(shí)間，見表3，并對(duì)其作圖分析，得到各節(jié)點(diǎn)在不同方案下到達(dá)目標(biāo)溫度時(shí)間圖，如圖10所示。

表3 各節(jié)點(diǎn)在不同回火工藝下達(dá)到780 ℃的時(shí)間 (s)

由圖10可知，各節(jié)點(diǎn)到達(dá)780 ℃的變化趨勢(shì)基本一致，到達(dá)目標(biāo)溫度時(shí)間最短依次為節(jié)點(diǎn)5、4、1、2和3。工藝①下各節(jié)點(diǎn)到達(dá)目標(biāo)溫度所需時(shí)間最短，其次是工藝②，最后是工藝③。

計(jì)算鑄件各位置在780 ℃下的保溫時(shí)間，結(jié)果如表4所示?？芍诓煌訜岱桨赶?，在780 ℃下的保溫時(shí)間最長的位置依次為位置5、4、1、2和3。結(jié)合鑄件各位置加熱速率、溫差、晶粒尺寸、加熱效率及生產(chǎn)成本，回火工藝③可較好滿足實(shí)際生產(chǎn)需求。同時(shí)，為進(jìn)一步降低能耗，可在工藝③的基礎(chǔ)上降低保溫時(shí)間，由原保溫16 h縮短為11 h。

圖10 不同工藝回火過程中鑄件各節(jié)點(diǎn)達(dá)到780 ℃所需的時(shí)間Fig.10 Time required of each node of the castings to reach 780 ℃ during different tempering processes

表4 不同工藝回火過程中各位置在780 ℃下的保溫時(shí)間 (h)

2.5 鑄件實(shí)際熱處理

為了驗(yàn)證以上模擬結(jié)果的正確性，依據(jù)上述分析和結(jié)合實(shí)驗(yàn)室研究結(jié)果[16]進(jìn)行了工業(yè)規(guī)模10 t級(jí)G115鋼鑄件的整體熱處理。對(duì)10 t級(jí)G115鋼鑄件最大壁厚處橫向、縱向分別在外1/4壁厚處、1/2壁厚處和內(nèi)1/4壁厚處進(jìn)行常規(guī)力學(xué)性能檢驗(yàn)，并與CB2鋼鑄件企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比，由表5可知G115鋼大型鑄件不同位置處性能較均勻，且明顯高于CB2鋼性能指標(biāo)，進(jìn)一步表明采用優(yōu)化后的熱處理工藝不僅可以確保鑄件的組織及力學(xué)性能的均勻性，還可以確保其力學(xué)性能滿足使用要求。

表5 工業(yè)規(guī)模10 t級(jí)G115鋼鑄件經(jīng)最優(yōu)工藝熱處理后的力學(xué)性能

3 結(jié)論

1) G115鋼大型鑄件在正火過程中，內(nèi)外表面溫度分布極不均勻，鑄件下端邊緣處溫度最高且升溫速率最快，鑄件上端約1/4處內(nèi)外表面溫度最低，且升溫速率最慢。

2) G115鋼大型鑄件在回火過程中的溫度變化規(guī)律與正火過程相似。鑄件下端邊緣處在最高溫度下的保溫時(shí)間最長，鑄件上端約1/2截面厚度中心處在最高溫度下的保溫時(shí)間最短。

3) 結(jié)合鑄件各位置加熱速率、溫差、加熱效率及生產(chǎn)成本，正火熱處理優(yōu)選工藝②，回火熱處理優(yōu)選工藝③，同時(shí)，為進(jìn)一步降低回火能耗，提高生產(chǎn)效率，可在回火工藝③的基礎(chǔ)上由原來的780 ℃下保溫16 h，縮短為11 h，對(duì)鑄件實(shí)際熱處理后力學(xué)性能檢測(cè)表明優(yōu)化后的熱處理工藝可滿足實(shí)際生產(chǎn)要求。