精密鑄造鍋爐管件用耐熱奧氏體鋼的研究

楊冠鋒

（河北省特種設(shè)備技術(shù)檢查中心，河北石家莊 056011）

奧氏體鋼在鍋爐管件精密鑄造中被廣泛運(yùn)用，顯示出了較強(qiáng)的運(yùn)用價(jià)值，為了降低CO2等氣體的排放，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對鑄造工藝的研究，加強(qiáng)對現(xiàn)有化石能源的有效開發(fā)與利用。在鑄造工藝中，隨著超臨界水溫的提升，650～700 ℃以上高溫條件下的耐熱奧氏體鋼結(jié)構(gòu)材料具有較強(qiáng)的研究價(jià)值，耐熱奧氏體鋼具有耐腐蝕、抗蠕變性能良好的運(yùn)用優(yōu)勢[1]。因此當(dāng)前鑄造工藝中不斷加強(qiáng)對奧氏體鋼高溫強(qiáng)度與耐腐蝕性的研究。即有研究成果中，在高溫超細(xì)沉淀強(qiáng)化鋼中，適當(dāng)冷加工有利于促進(jìn)納米級MC 碳化物析出，對AFA 鋼進(jìn)行固溶之后，進(jìn)行冷軋退火，能夠促進(jìn)Laves 相沉淀物的析出。本文對精密鑄造鍋爐管件用耐熱奧氏體鋼的相關(guān)性能進(jìn)行研究與探討。

1 工藝研究

選取兩類典型焊接接頭進(jìn)行分析，分別是超臨界鍋爐受熱面部件徑管SA-213S30432，超超臨界鍋爐受熱面部件徑管SA -213T91 +SA -213TP347H，鎢極氬弧焊立對接焊，選用兩種焊接參數(shù)，SA-213S30432 預(yù)熱溫度≥5 ℃，電壓13～14 V，焊層數(shù)3 層，電流190～200 A，層間溫度50～230 ℃；SA-213T91+SA-213TP347H，預(yù)熱溫度≥5℃，電壓13～16 V，焊層數(shù)3 層，電流185～210 A，層間溫度160～280 ℃。對焊接接頭開展硬度試驗(yàn)、橫向彎曲、拉力測試、室溫沖擊韌性測試[2]。

為了研究焊縫內(nèi)部質(zhì)量，依據(jù)鍋爐受壓元件焊接斷口檢驗(yàn)方法，開展斷口檢查，保證未出現(xiàn)裂紋、未熔合現(xiàn)象。管子對接接頭斷口制備時(shí)，加工深度1/3T 溝槽，保證斷口試樣斷面的完整性。精密鑄造鍋爐管件用耐熱奧氏體鋼為Fe-15%Cr-25%Ni3.5%Al-0.6%Nb-2%Mo-0.02%C（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），運(yùn)用真空感應(yīng)爐進(jìn)行熔煉，得出的鑄錠高度250 mm、直徑100 mm，結(jié)合鍋爐管件的實(shí)際使用需求，鍛造比設(shè)置為3:1，鑄造長寬高為60 mm×50 mm×80 mm 的鋼錠。1200 ℃環(huán)境下，合金通過40 min 固溶處理之后，進(jìn)行水淬得出固溶態(tài)樣品。結(jié)合JMatPro 軟件開展熱力學(xué)計(jì)算。運(yùn)用氧氮?dú)浞治鰞x(EMGA-830)X 熒光光譜儀檢測合金成分[3]，見表1。

表1 耐熱奧氏體鋼成分 w/%

為了降低加工成本，在鋼液中適當(dāng)加入鎂，以此提升鎂的吸收率，具體處理方式為在鋼水注入中間包中添加覆蓋劑，在鋼水表面形成渣層，之后再添加鎂，澆入鑄型之中，此種作業(yè)方式使得鋼液上部渣中Mg 量能夠超過26%。鍋爐管件用耐熱奧氏體鋼高溫強(qiáng)度大，在長期服役過程中不會析出能產(chǎn)生脆性的δ 相，成分w（C）：0.01%～0.1%，w（S）≤0.015%，w（Ni）:25.00%～35.00%，w（Si）≤1.5%，w（Mn）≤1.5%，w（P）≤0.03%，w（Cr） :19.00%～29.00%，w（V）≤0.5%，w（Co）≤5.0%，w（A1）≤0.15%，w（N）：0.1%～0.35%，w（Ti）≤0.15%,其余為Fe 與微量雜質(zhì)。含有球形碳化物鑄造合金化學(xué)成分為：Fe 為基體，w（C）:0.6%～4.0%與w（V）:4%～15%為必需成分，同時(shí)含有w（P）：0.01%～0.15%，w（S）：0.01%～0.05%，w（A1）：0.05%～1.0%，w（Mg）：0.01%～0.2%，w（Cr）：3%～30%，w（Mn）：0.2%～3.0%，w（Si）：0.2%～4.5%，w（Ni）：4%～15%，w（Co）：0.3%～0.6%。結(jié)果顯示，焊縫表面呈現(xiàn)金屬光澤。RT 射線探傷檢測結(jié)果顯示合格。斷口檢查顯示未出現(xiàn)夾渣、未熔合等缺陷，斷面整齊、均勻、致密[4]。常溫力學(xué)性能見表2。

表2 耐熱奧氏體鋼焊接接頭力學(xué)性能

2 結(jié)果分析

2.1 金相檢查

研究斷口試樣形貌，在焊接作業(yè)中應(yīng)當(dāng)有效避免出現(xiàn)焊縫未熔合、夾渣等不良現(xiàn)象，否則在加工工藝中容易出現(xiàn)拉力試樣強(qiáng)度降低、彎曲試樣斷裂的風(fēng)險(xiǎn)，并且金相檢查中可能出現(xiàn)焊縫層道間片狀夾渣現(xiàn)象[5]。

運(yùn)用光學(xué)顯微鏡對焊接接頭開展金相檢查，發(fā)現(xiàn)層間片狀夾渣，通過焊縫成形可見，大電流焊接速度較快，焊接作業(yè)中焊縫金屬高溫停留時(shí)間較長，在遠(yuǎn)離氬弧焊槍氣體保護(hù)區(qū)域之后，容易和空氣接觸，出現(xiàn)氧化現(xiàn)象，在焊道熔敷焊接中容易出現(xiàn)夾渣。小口徑管為曲率較大的坡口面，易使熔融焊縫金屬下淌，出現(xiàn)焊縫層道間未熔合的現(xiàn)象。鎢極氬弧焊焊接時(shí)，應(yīng)當(dāng)保證焊絲加熱端處于保護(hù)氣體中，目的在于避免熱的末端氧化出現(xiàn)焊縫金屬污染現(xiàn)象。大電流快速焊接時(shí)，注意避免出現(xiàn)操作不當(dāng)導(dǎo)致焊絲端部氧化的現(xiàn)象，以此預(yù)防焊縫中夾渣的出現(xiàn)。熱影響區(qū)寬度在一定程度上會影響焊接接頭性能。焊接熱影響區(qū)指的是材料因受熱出現(xiàn)力學(xué)性能、金相組織變化的區(qū)域。靠近焊縫過熱區(qū)及粗晶區(qū)表現(xiàn)較為明顯。金相檢查可見，焊接接頭粗晶區(qū)寬度有所增加[6]。

SA.-213TP347H、SA-213S30432 均屬奧氏體不銹鋼，為了避免熱影響區(qū)晶粒擴(kuò)大、出現(xiàn)焊接熱裂紋、碳化物析出等不良現(xiàn)象，可以適當(dāng)控制較低的層間溫度，以此增強(qiáng)焊接接頭的耐蝕性、塑韌性。合金基體為單相奧氏體，出現(xiàn)大量孿晶，固溶較為充分，得出AFA-0 實(shí)驗(yàn)鋼殘余應(yīng)變0.081%，位錯(cuò)密度1.603×1014%，光學(xué)顯微鏡下晶粒平均粒徑173 μm；AFA-20%實(shí)驗(yàn)鋼殘余應(yīng)變0.171%，位錯(cuò)密度6.571×1014%，固溶處理后S 晶界平直，未見析出物；AFA-50%實(shí)驗(yàn)鋼殘余應(yīng)變0.216%，位錯(cuò)密度10.363×1014%[7]。

2.2 耐熱奧氏體鋼的熱力學(xué)計(jì)算

分析AFA15-25 型號耐熱奧氏體鋼各成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)熱力學(xué)數(shù)值，600～1200 ℃溫度環(huán)境下，AFA15-25 型號耐熱奧氏體鋼為單相奧氏體基體，析出相為NiAl、σ 相、M23C6、MC 碳化物。圖1展示了650 ℃時(shí)相的分布柱狀圖，σ 相質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10.88%，奧氏體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為82%，NiAl 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.64%、MC 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.19%。600～1200℃時(shí)熱力學(xué)計(jì)算與相的分布情況見圖1。

圖1 耐熱奧氏體鋼的熱力學(xué)表現(xiàn)

2.3 冷變形量對耐熱奧氏體鋼力學(xué)性能的影響

26℃時(shí)，在冷變形量增加時(shí)，耐熱奧氏體鋼屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度相應(yīng)提升，斷后伸長率則有所降低。此時(shí)AFA-0 抗拉強(qiáng)度798 MPa，屈服強(qiáng)度405 MPa，斷后伸長率50%；與AFA-0 相比，AFA-20%抗拉強(qiáng)度相對更高。在變形量從20%增加至50%之后，抗拉強(qiáng)度1131 MPa、屈服強(qiáng)度889 MPa，與AFA-20%相比，有所提升，但是斷后伸長率則相應(yīng)降低。通過適當(dāng)冷變形處理之后，強(qiáng)度明顯提升，可見冷變形后出現(xiàn)了NiAl 相和位錯(cuò)的交互作用[8]，見表3。

表3 耐熱奧氏體鋼26℃與700℃時(shí)拉伸參數(shù)

在加大變形量時(shí)，強(qiáng)度提升情況的綜合表現(xiàn)不夠明顯，但是能夠在一定程度上消減材料塑性。高溫環(huán)境下，在冷變形量增加時(shí)，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度呈現(xiàn)出先增加后降低的狀態(tài)，斷后伸長率在經(jīng)過一段時(shí)間的降低之后，略有提高。AFA-50%與AFA-20%抗拉強(qiáng)度均有所降低，斷后伸長率變動差異表現(xiàn)不明顯，主要是由于NiAl 相出現(xiàn)了韌脆轉(zhuǎn)變，在室溫環(huán)境下起到了良好的強(qiáng)化作用，而在高溫環(huán)境下難以起到良好的強(qiáng)化效果，但是在操作過程中能夠適當(dāng)提升材料塑性[9]，見圖2。

2.4 耐熱奧氏體鋼的腐蝕分析

研究不同溫度下，材料表面腐蝕情況，由于材料表面出現(xiàn)了腐蝕坑外部氧化層、內(nèi)氧化區(qū)，進(jìn)一步研究出現(xiàn)的尺寸范圍。試驗(yàn)所用精密鑄造鍋爐管件為BTF-1200C-Ⅲ型管式加熱爐，實(shí)驗(yàn)溫度分別設(shè)置為650 ℃、675 ℃、700 ℃、725 ℃，向爐內(nèi)通入氮?dú)?，速率低? ℃/min，向爐管內(nèi)通入混合氣體，開啟注射泵，關(guān)閉其氣瓶閥，通入氮?dú)?，取出樣品。加熱爐液態(tài)水流量為0.8036 μL/min，得出混合氣體總流量40.0 mL/min，體積分?jǐn)?shù)為77.0%N2+15%CO2+3.75%O2+5.0%H2O（g）+0.32%SO2，壓強(qiáng)105 kPa。表4 可見，材料氧化腐蝕程度與溫度呈正比關(guān)系，S31042 材料抗氧化腐蝕能力最強(qiáng)，S31035 與C-HRA-5 材料抗氧化腐蝕能力基本相當(dāng)[10]，見表4。

表4 耐熱奧氏體鋼不同溫度下的腐蝕情況

3 結(jié)束語

本文研究過程中，在1200 ℃環(huán)境下，合金通過40 min 固溶處理之后，水淬得出固溶態(tài)樣品。在冷變形量20%時(shí)，能夠適當(dāng)提升實(shí)驗(yàn)鋼的屈服強(qiáng)度，在冷變形量增加至50%后，強(qiáng)度提升表現(xiàn)的不明顯，但是容易降低塑性。適當(dāng)控制層間溫度有利于增強(qiáng)焊接接頭耐蝕性、塑韌性，避免出現(xiàn)焊縫未熔合、夾渣等不良現(xiàn)象。650 ℃時(shí)σ 相質(zhì)量分?jǐn)?shù)10.88%，奧氏體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為82%，NiAl 質(zhì)量分?jǐn)?shù)6.64%，MC 質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.19%，在變形量從20%增加至50%后，抗拉強(qiáng)度1131 MPa，屈服強(qiáng)度有所提升，斷后伸長率降低。綜上所述，冷變形最佳條件為20%，此時(shí)耐熱奧氏體鋼整體塑性較為良好，強(qiáng)度較高，能夠滿足鍋爐管件精密鑄造的工藝需求。