精密鑄造鍋爐管件用耐熱奧氏體鋼的研究

楊冠鋒

（河北省特種設備技術檢查中心，河北石家莊 056011）

奧氏體鋼在鍋爐管件精密鑄造中被廣泛運用，顯示出了較強的運用價值，為了降低CO2等氣體的排放，應當加強對鑄造工藝的研究，加強對現有化石能源的有效開發與利用。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構材料具有較強的研究價值，耐熱奧氏體鋼具有耐腐蝕、抗蠕變性能良好的運用優勢[1]。因此當前鑄造工藝中不斷加強對奧氏體鋼高溫強度與耐腐蝕性的研究。即有研究成果中，在高溫超細沉淀強化鋼中，適當冷加工有利于促進納米級MC 碳化物析出，對AFA 鋼進行固溶之后，進行冷軋退火，能夠促進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性能進行研究與探討。

1 工藝研究

選取兩類典型焊接接頭進行分析，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，SA-213S30432 預熱溫度≥5 ℃，電壓13～14 V，焊層數3 層，電流190～200 A，層間溫度50～230 ℃；SA-213T91+SA-213TP347H，預熱溫度≥5℃，電壓13～16 V，焊層數3 層，電流185～210 A，層間溫度160～280 ℃。對焊接接頭開展硬度試驗、橫向彎曲、拉力測試、室溫沖擊韌性測試[2]。

為了研究焊縫內部質量，依據鍋爐受壓元件焊接斷口檢驗方法，開展斷口檢查，保證未出現裂紋、未熔合現象。管子對接接頭斷口制備時，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（質量分數），運用真空感應爐進行熔煉，得出的鑄錠高度250 mm、直徑100 mm，結合鍋爐管件的實際使用需求，鍛造比設置為3:1，鑄造長寬高為60 mm×50 mm×80 mm 的鋼錠。1200 ℃環境下，合金通過40 min 固溶處理之后，進行水淬得出固溶態樣品。結合JMatPro 軟件開展熱力學計算。運用氧氮氫分析儀(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度大，在長期服役過程中不會析出能產生脆性的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。含有球形碳化物鑄造合金化學成分為：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%。結果顯示，焊縫表面呈現金屬光澤。RT 射線探傷檢測結果顯示合格。斷口檢查顯示未出現夾渣、未熔合等缺陷，斷面整齊、均勻、致密[4]。常溫力學性能見表2。

表2 耐熱奧氏體鋼焊接接頭力學性能

2 結果分析

2.1 金相檢查

研究斷口試樣形貌，在焊接作業中應當有效避免出現焊縫未熔合、夾渣等不良現象，否則在加工工藝中容易出現拉力試樣強度降低、彎曲試樣斷裂的風險，并且金相檢查中可能出現焊縫層道間片狀夾渣現象[5]。

運用光學顯微鏡對焊接接頭開展金相檢查，發現層間片狀夾渣，通過焊縫成形可見，大電流焊接速度較快，焊接作業中焊縫金屬高溫停留時間較長，在遠離氬弧焊槍氣體保護區域之后，容易和空氣接觸，出現氧化現象，在焊道熔敷焊接中容易出現夾渣。小口徑管為曲率較大的坡口面，易使熔融焊縫金屬下淌，出現焊縫層道間未熔合的現象。鎢極氬弧焊焊接時，應當保證焊絲加熱端處于保護氣體中，目的在于避免熱的末端氧化出現焊縫金屬污染現象。大電流快速焊接時，注意避免出現操作不當導致焊絲端部氧化的現象，以此預防焊縫中夾渣的出現。熱影響區寬度在一定程度上會影響焊接接頭性能。焊接熱影響區指的是材料因受熱出現力學性能、金相組織變化的區域?？拷缚p過熱區及粗晶區表現較為明顯。金相檢查可見，焊接接頭粗晶區寬度有所增加[6]。

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

2.2 耐熱奧氏體鋼的熱力學計算

分析AFA15-25 型號耐熱奧氏體鋼各成分質量分數熱力學數值，600～1200 ℃溫度環境下，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 ℃時相的分布柱狀圖，σ 相質量分數為10.88%，奧氏體質量分數為82%，NiAl 質量分數為6.64%、MC 質量分數為0.19%。600～1200℃時熱力學計算與相的分布情況見圖1。

圖1 耐熱奧氏體鋼的熱力學表現

2.3 冷變形量對耐熱奧氏體鋼力學性能的影響

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

表3 耐熱奧氏體鋼26℃與700℃時拉伸參數

在加大變形量時，強度提升情況的綜合表現不夠明顯，但是能夠在一定程度上消減材料塑性。高溫環境下，在冷變形量增加時，抗拉強度、屈服強度呈現出先增加后降低的狀態，斷后伸長率在經過一段時間的降低之后，略有提高。AFA-50%與AFA-20%抗拉強度均有所降低，斷后伸長率變動差異表現不明顯，主要是由于NiAl 相出現了韌脆轉變，在室溫環境下起到了良好的強化作用，而在高溫環境下難以起到良好的強化效果，但是在操作過程中能夠適當提升材料塑性[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，由于材料表面出現了腐蝕坑外部氧化層、內氧化區，進一步研究出現的尺寸范圍。試驗所用精密鑄造鍋爐管件為BTF-1200C-Ⅲ型管式加熱爐，實驗溫度分別設置為650 ℃、675 ℃、700 ℃、725 ℃，向爐內通入氮氣，速率低于5 ℃/min，向爐管內通入混合氣體，開啟注射泵，關閉其氣瓶閥，通入氮氣，取出樣品。加熱爐液態水流量為0.8036 μL/min，得出混合氣體總流量40.0 mL/min，體積分數為77.0%N2+15%CO2+3.75%O2+5.0%H2O（g）+0.32%SO2，壓強105 kPa。表4 可見，材料氧化腐蝕程度與溫度呈正比關系，S31042 材料抗氧化腐蝕能力最強，S31035 與C-HRA-5 材料抗氧化腐蝕能力基本相當[10]，見表4。

表4 耐熱奧氏體鋼不同溫度下的腐蝕情況

3 結束語

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