超临界机组用9Cr钢铸件热加工工艺优化：多举措缩短周期防裂纹

超临界机组用9Cr 钢铸件

热加工工艺优化

杨程坤1,2，叶文辉2，吴仁贵2

辽宁福鞍重工股份有限公司位于辽宁鞍山 114016，中国铸造协会位于北京 100084 。

针对现行超临界机组用9Cr钢铸件热加工工艺存在生产周期长等问题，本文进行了探究，提出了打箱优化工艺参数，提出了预备热处理优化工艺参数，提出了回火优化工艺参数，提出了补焊优化工艺参数，提出了焊后回火处理优化工艺参数。采用高温打箱方式，可缩短生产周期15至20天，在AC3附近进行预备热处理，能消除组织遗传，细化晶粒尺寸，采用补焊后冷却到80℃以下及去氢处理，可减少补焊次数，控制加热和冷却速率，能有效防止铸件裂纹。

关键词：9Cr；超临界；铸钢件；热加工

目前，从我国以及世界范围的一次能源结构来看，依旧是以煤炭作为主体。为达成“双碳”目标，能源结构调整成为碳中和最为重要的举措。提高煤电转化效率、发展清洁煤发电技术渐渐受到重视。2022年4月20日召开的国务院常务会议指出，其一要发挥煤炭的主体能源作用。推进煤炭清洁高效利用，加强储备设施建设。二要推动煤电机组进行节能减排改造，推动煤电机组进行灵活性改造，推动煤电机组进行供热改造，以此提高能源使用效率，“十四五”期间改造规模超过3.5亿千瓦，超（超）临界燃煤机组成为改造机的首选 。燃煤效率的提高是通过提升蒸汽温度和压力来达成的，温度和压力的提高给铸钢件的选材带来新挑战，温度和压力的提高给铸钢件的结构设计带来新挑战，所以对9Cr钢的工艺研究具有重要意义，所以解决9Cr钢的生产问题具有重要意义。

19Cr钢的材料特性

9Cr铁素体系耐热钢简称为9Cr钢，它是在P91基础上进行成分优化设计的钢种，通过热处理手段，能达到Laves相强化、弥散强化、固溶强化、位错强化等综合强化机制的效果，进而获得沉淀硬化马氏体耐热钢，这种钢用于蒸汽入口温度为590至610℃、蒸汽压力22至34MPa的蒸汽轮机[1] 。这种材料的微观组织具备优良的长期高温强度，拥有良好的蠕变性能，还具备应力断裂性能。依据多年生产经验，为了获取综合性能良好的铸钢件，该材质的内控成分以及目标值如表1所示。

需要说明的是，该材质在熔炼过程中，脱氧方式的选择十分关键。氮的合金化目的是形成强化相（Nb，V）（C，N），也就是MX相，它是该钢种的主要强化相。许多用于脱氧的元素，比如Ti、CaSi等，和氮有很高的亲和力，它们能够束缚氮。如此在热处理过程中就无法形成铌的氮化物。进而会形成大的块状碳化物相。Ti的最高含量要被限制在0.015% 。氮与铝的比率至少应为2∶1至4∶1 。像As、Sb、Sn、Pb和Cu这些其他有害元素应维持在绝对最低值 ，因为它们可能对高温性能有害 。一般来说 ，前期用硅铁硅锰脱氧 ，VOD精炼后加铝粉还原 ，其他时间用硅钙粉 。近年来有研究显示，δ - 铁素体的存在会使基体组织变差，导致强度与韧性降低，特别是在锻造时容易出现开裂情况[2 - 4]。所以，要依据图1所示的经验公式来计算铬和镍当量，且Ni当量/Cr当量≥0.42，以此保证最终组织中没有δ - 铁素体。其处于改进后的谢弗勒图里所示的斜线区，如图1所示 。

使用JMatPro模拟软件测试该钢种的CCT曲线，其结果如图2所示。从CCT曲线能够得知，AC1约为810 ℃，Ms点约为385 ℃，Mf点约为105 ℃。CCT曲线模拟测试所用9Cr钢的化学成分（质量分数，%）为，碳含量0.11，硅含量0.32，锰含量0.47，磷含量0.014，硫含量0.003，氮含量0.038，铝含量0.018，铬含量8.50，镍含量0.13，钼含量0.85，钒含量0.22，铌含量0.076 。

2原热加工工艺方案及问题

该材质淬透性极佳，就算浇注后在砂型中缓慢冷却，这种材质也有可能出现马氏体相变。马氏体转变时体积会膨胀，这极易致使铸件开裂，所以通常是在砂型中冷却至室温。然而，这样一来铸件的生产周期太过漫长，像浇注重达105 t的阀体，仅仅是铸件冷却这一道工序就大概需要40天，无法满足交付周期的要求，对 地坑的周转也不利。

在正火前的预备热处理阶段，为消除微观偏析，实现成分均匀化，现阶段多采用扩散退火的方式，但是这样一来，奥氏体与原马氏体结构保持了K-S的位向关系，即出现粗晶组织遗传，无法实现晶粒细化，致使厚壁铸件无法进行超声波探伤，需二次正火才能解决这一问题。

因为马氏体相变具有特定性质，所以该铸钢件或许要进行多次补焊，每次焊后回火都得采用高温回火方式，也就是在720℃至少保温8小时。补焊之前要把补焊区预热到250℃，这个温度处于Ms和Mf之间 。也就是说，要是铸件在保持250℃的状态下进行焊后热处理，补焊区在未完成马氏体转变时就直接开展焊后回火处理，那么在回火结束后，铸件出炉并冷却到室温的过程中，补焊区的残余奥氏体将会继续完成马氏体转变，进而造成延迟裂纹的产生。如此一来，补焊次数会增加，焊后回火次数也会增加，这对铸件的性能会产生一定的影响。生产周期延长了，生产成本也持续增加。基于上述分析，结合笔者在原单位的生产经验，对热加工工艺方案进行了优化。

3热加工工艺优化

3.1打箱

依据9Cr钢的CCT曲线，Ms点大约是385℃，在这个温度之上进行打箱，此时尚未发生马氏体相变，原始组织是奥氏体，具备一定的强韧性，打箱后铸件的温度在进炉退火前维持在385℃以上便不会产生裂纹。高的打箱温度对地坑的周转有利，然而打箱温度不能过高，不然铸件高温强度不足，容易出现变形或者撕裂。测试该材质的高温强度，目的是确定合适的打箱温度，情况如图3所示。

从图3能够看出，在450℃时强度能达到340MPa以上，这足以防止起吊过程中出现变形。当温度在500℃以上时，强度降低幅度较大，而且过高的温度对工人操作也不利。综合各方面因素考虑，把打箱温度设定在400至450℃。在冬季寒冷时节，要注意避免任何空气通风，目的是防止铸件局部温度降低过快，进而造成冷裂。

铸件内部温度高于表面温度至少50℃，当冒口根部温度降低到400℃时，就要准备打箱，打箱时要注意准备好退火窑，按照铸件尺寸规格放置好窑枕垫铁，将窑内加热到200至300℃，还要准备好钩机。使用两条钢丝绳，通过4个吊点进行垂直起吊，先将铸件吊起200至300毫米的高度，接着让其落下，如此反复2至3次，之后再将铸件吊出地坑。

铸件被运到清砂区，用钩机振动芯骨，以此来进行清砂。此时为避免铸件冷却速度过快，允许内腔留存部分型砂，不过必须保证内腔通透，不然在热处理加热时砂芯容易使铸件涨裂。

3.2预热处理（退火）

中国采购标准中有均匀化退火的要求，日本采购标准中也有均匀化退火的要求。奥钢联生产此类材质的铸件不进行均匀化退火，原因是在正火阶段就能达成这一目的。他们通常采用760至780℃的退火，不过需要很长的保温时间才能消除组织遗传。为了实现细化晶粒的目的，把退火温度提高到AC3加上30至100℃，且低于均匀化退火的温度。在这一温度时，奥氏体开始进行再结晶，随后球形的初晶奥氏体析出，最终达成细化晶粒的目标。

退火后的铸件本体温度冷却到400℃时出窑，切除冒口和补贴等，去除上窑前型腔内未清除的型砂、芯骨，整个过程中铸件温度不能低于350℃，若切割所需时间长，铸件最好上窑加热并在400℃保温。

3.3补焊及焊后回火

补焊过程是这类铸钢件的重点工序，补焊质量是影响产品交付周期的关键，相比较而言，缩松类缺陷的补焊难度较大，缩松类缺陷挖除时，因有些缺陷不超标，没必要将所有缩松挖除，如此一来，补焊工艺很重要，氩弧焊打底工作要十分仔细，因这种地方补焊时会塌陷，塌陷处要打2至4层底 。每层用圆头风铲清根、消除夹杂物和层间应力。

补焊前预热温度通常不低于200℃，层间温度不应高于300℃，这样做是为了避免热裂，并且允许每一次通道在开始下一通道前至少部分转变为马氏体。补焊结束后，焊缝必须冷却到低于Mf温度，目的是确保焊缝组织完全马氏体转变。特别是对于厚壁和复杂件而言，鉴于马氏体转变的滞后性，回火前的冷却不应高于80℃。冷却应缓慢进行，预热应缓慢进行，重新预热也应缓慢进行，目的是防止产生热应力。这一点极为重要，却常常容易被忽视，有人担心铸件冷却下来后会开裂，于是带着温度就进行焊后回火了。

如果存在多次补焊的情况，以往或许会进行多次回火，在回火过程中，固溶在基体中的合金元素会进一步析出，这会造成力学性能部分降低，除此之外，还会造成较高的能源消耗。因此，在焊后回火之前，要增加去氢处理工序。补焊结束后，铸件需冷却到≤80℃，接着把铸件加热到（425±10）℃，并保温不低于4h，之后缓冷到室温。随后进行补焊处的无损检测、缺陷挖除、补焊等工作，直到无损检测结果合格，最后再进行焊后回火。

3.4加热和冷却速率的选择

从组织方面来说，在加热过程中会涉及合金元素的固溶，会涉及奥氏体形核，还会涉及再结晶。从性能方面来说，在冷却过程中会涉及马氏体相变，会涉及MX相和M23C6等沉淀强化，还会涉及析出强化等过程[7]。从铸件的质量方面来看，因为9Cr钢的导热系数小，线膨胀率高，再加上马氏体相变的体积膨胀，所以容易产生裂纹缺陷。因此，加热速度通常不会超过每小时50摄氏度；除了淬火冷却之外，其余热处理的冷却速度一般小于或等于每小时30摄氏度。

4工艺方案及生产实践

铸钢件采用9Cr钢材质，其生产难度较大，要注意整个热加工过程工艺参数的正确选择与执行，这是因为每道工序若处理不当，都可能致使铸件产生裂纹，甚至报废。热加工工艺的顺序需依据材料和铸造设计加以调整，从而形成标准化作业规程。可行的热加工工艺参数如图4所示。

其中，在退火阶段，若标准要求扩散退火，且铸件壁厚较大，那么要在扩散退火和正火之间加上900℃的中间退火，其目的是为细化晶粒做准备，防止出现混晶组织。对于壁厚超过450mm的铸钢件，一般选择2次回火。在图4中，A、B、C、D代表保温时间，需按照表2的要求来执行。

我公司依据此热加工工艺制造出了用于超临界机组的汽缸、阀体等铸件，部分铸件如图5所示 ，这些铸件的打箱工序可缩短15至20天 ，补焊工序能把原来的3至4次补焊控制在1至2次内完成 ，在确保铸件性能无明显降低的情况下 ，缩短了生产周期 ，降低了生产成本 。

5结束语

9Cr钢铸件热加工工艺优化后能得到如下效果：采用高温打箱方式，可缩短生产周期15至20天；在AC3加上30到100摄氏度进行预备热处理，能够消除组织遗传，还能细化晶粒尺寸；采用补焊后冷却到80摄氏度以下，再进行去氢处理，能够减少补焊次数；控制加热和冷却速率，能够有效防止铸件裂纹。

参考文献：

太田定雄所著，铁素体系耐热钢，由张善元、张绍林翻译，于2003年由冶金工业出版社在北京出版。

赵义瀚，赵成志，王健楠等人，研究了δ铁素体形成机制以及其对马氏体耐热钢冲击功的影响，该研究成果发表于《钢铁》2013年第48卷第4期，第70至75页。

李J，刘J，姜B等。高温预变形对马氏体耐热钢中δ铁素体溶解速率的影响 [J]。金属与材料国际，2017年，23（2）：239 - 245。

李S，伊力尼亚孜Z，张L等，研究SAVE12钢中δ铁素体在热处理及短期蠕变下的微观结构演变，发表于《材料表征》2012年第73卷，第144至152页 。

张亚才、姜文杰、白云龙等人，进行了600MW超临界汽轮机组高压内缸的研制，其成果发表于《铸造》2006年第55卷第6期，第649至651页 。

李伟华、陈成、张云博等人，进行了620℃超超临界汽轮机CB2阀壳铸件的试制研究，其成果发表于《铸造》2019年第68卷第3期，页码为264至268页 。

马煜林、刘越、江旭等人，研究铸造冷却速率对CB2钢微观组织的影响，研究铸造冷却速率对CB2钢力学性能的影响，其研究成果发表于《铸造》2018年第67卷第11期，页码为1016 - 1020 。