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(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)峰行動方案的通知中明確指出：新建機組煤耗標(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)役機組節(jié)能升級和靈活性改造，推動煤電向基礎(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，在汽輪機側(cè)，隨機組蒸汽參數(shù)的提高，采用更高高溫強度的9%～12%Cr馬氏體耐熱鋼作為汽輪機側(cè)缸體或閥殼等鑄件已經(jīng)成為行業(yè)共識[1]。目前，最先進(jìn)的商用超超臨界火電機組汽輪機鑄件最高使用鋼種為CB2鋼。汽輪機缸體和閥殼等結(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。汽輪機側(cè)缸體或閥殼要求具備良好的高溫強度，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，形成第二相強化，釘扎自由位錯和晶界，從而確保組織能在高溫下長期保持穩(wěn)定，提高高溫強度[8]。熱處理時鋼的原始組織、熱處理制度對產(chǎn)品的組織及性能產(chǎn)生較大影響。王冬梅等[9-10]對汽輪機缸體用鋼在593 ℃時不同時效時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620 ℃機組汽輪機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缸體溫度場和應(yīng)力場等已得到廣泛認(rèn)可。黃柳燕等[13]采用ABAQUS有限元軟件對1000 MW機組汽輪機閥殼服役條件下的應(yīng)力場進(jìn)行分析，根據(jù)閥殼各部位受力情況對其評估，并對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。王宏光等[14]采用NASTRAN有限元軟件對超臨界汽輪機閥殼冷啟過程和服役工況下的溫度場和應(yīng)力場進(jìn)行計算，與實際運行結(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G115鋼強度、硬度和沖擊性能的綜合影響最大。

為得到10 t級G115鋼厚壁中空鑄件正火和回火熱處理工藝，準(zhǔn)確預(yù)測鑄件各部位保溫時間，得到其加熱速率等參數(shù)，采用有限元方法對10 t級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，通過對熱處理后鑄件力學(xué)性能檢測，確定了最優(yōu)熱處理工藝可以滿足實際生產(chǎn)要求。

1 有限元模型及加熱方案

本文選取10 t級G115鋼厚壁中空鑄件為研究對象，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個工藝方案，具體見圖2，其中，3個工藝分別標(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)行全模型計算，單元類型選擇Solid70，單元總數(shù)為9900個，節(jié)點為12 240個。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間的分布云圖，選取正火過程中工藝①下的6個時刻，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時最大溫差116 ℃，如圖4(a)所示；32 400 s 時最大溫差51 ℃，如圖4(c)所示；45 000 s時最大溫差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 時最大溫差47 ℃，如圖4(b)所示；在43 200 s時最大溫差2.8 ℃，如圖4(d)所示；在80 880 s時無溫差，如圖4(f)所示；隨溫度升高及保溫時間延長，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)化保溫時間，對提高鑄件加熱質(zhì)量有積極效果。

2.2 鑄件正火過程中各部位溫度隨時間變化曲線

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

圖6 鑄件不同正火過程中各節(jié)點溫度隨時間變化曲線(a)工藝①；(b)工藝②；(c)工藝③；(d)節(jié)點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)點溫度隨時間變化曲線。由圖6(a)可知，各節(jié)點在加熱過程中具有明顯的3個階段，而圖6(b，c)具有明顯的4個階段，表明工藝①有3個加熱和保溫階段，工藝②和③具有4個升溫和保溫階段。在所有工藝下的加熱及保溫階段，節(jié)點5的溫度變化曲線均處在其他4個節(jié)點之上，表明其溫度最高，升溫速率最快。同時，節(jié)點3的溫度變化曲線在其他4個節(jié)點之下，表明其溫度最低，升溫速率最慢。各節(jié)點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3在不同加熱工藝下的溫度隨時間變化曲線。由圖6(d)可知，在3種不同加熱工藝下，節(jié)點3的溫度均能達(dá)到目標(biāo)溫度。同時，節(jié)點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)溫度所用時間最短，其次是工藝②，最后是工藝②。考慮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)點到達(dá)目標(biāo)溫度的時間，對曲線進(jìn)行詳細(xì)分析，得到各節(jié)點到達(dá)1070 ℃所需的時間，見表1，并對其作圖分析，得到各節(jié)點在不同正火工藝下到達(dá)目標(biāo)溫度時間圖，如圖7所示。

由圖7可知，各節(jié)點到達(dá)1070 ℃的變化趨勢基本保持一致。到達(dá)目標(biāo)溫度時間最短依次為節(jié)點5、4、1、2和3。工藝③下各節(jié)點到達(dá)目標(biāo)溫度所需時間最短，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)，但如果保溫時間過長，會使鑄件端部晶粒過度長大，浪費大量的能源和時間，增加生產(chǎn)成本，因此要合理確定保溫時間。

表1 各節(jié)點在不同正火工藝下到達(dá)1070 ℃的時間 (s)

圖8 工藝①下鑄件回火過程中不同時刻溫度分布云圖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)點到達(dá)1070 ℃的時間Fig.7 Time for each node to reach 1070 ℃ during different normalizing processes

計算鑄件各位置(和圖5中鑄件節(jié)點的位置一一對應(yīng))在1070 ℃下的保溫時間，結(jié)果如表2所示，可知，在不同加熱方案下，在1070 ℃下的保溫時間最長的位置依次為位置5、4、1、2和3。由此可以預(yù)測，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可較好滿足實際生產(chǎn)需求。

表2 正火過程中各位置在1070 ℃下的保溫時間 (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間分布云圖，選取工藝①下的4個時刻，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??；隨溫度升高及保溫時間延長，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間變化曲線

圖9為不同回火工藝下鑄件各節(jié)點溫度隨時間變化曲線?？芍T件各節(jié)點在加熱和保溫過程中溫度隨時間變化曲線與回火過程相似。其中，工藝①有兩個加熱和保溫階段，工藝②和③具有3個升溫和保溫階段。在所有工藝下的加熱及保溫階段，節(jié)點5的溫度變化曲線均處在其他4個節(jié)點之上，節(jié)點3的溫度變化曲線在其他4個節(jié)點之下。各節(jié)點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個加熱工藝下，節(jié)點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)點到達(dá)目標(biāo)溫度的時間，對曲線進(jìn)行詳細(xì)分析，得到各節(jié)點到達(dá)780 ℃的時間，見表3，并對其作圖分析，得到各節(jié)點在不同方案下到達(dá)目標(biāo)溫度時間圖，如圖10所示。

表3 各節(jié)點在不同回火工藝下達(dá)到780 ℃的時間 (s)

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

計算鑄件各位置在780 ℃下的保溫時間，結(jié)果如表4所示?？芍诓煌訜岱桨赶?，在780 ℃下的保溫時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可較好滿足實際生產(chǎn)需求。同時，為進(jìn)一步降低能耗，可在工藝③的基礎(chǔ)上降低保溫時間，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)點達(dá)到780 ℃所需的時間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 ℃下的保溫時間 (h)

2.5 鑄件實際熱處理

為了驗證以上模擬結(jié)果的正確性，依據(jù)上述分析和結(jié)合實驗室研究結(jié)果[16]進(jìn)行了工業(yè)規(guī)模10 t級G115鋼鑄件的整體熱處理。對10 t級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，并與CB2鋼鑄件企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對比，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，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，對鑄件實際熱處理后力學(xué)性能檢測表明優(yōu)化后的熱處理工藝可滿足實際生產(chǎn)要求。