川崎前锋vs名古屋鲸八结果:主蒸汽閘閥閥體鍛件制造工藝的研究

真空閥門 李巖 海軍駐哈爾濱汽輪機廠有限責任公司軍事代表室

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  介紹了用于超( 超) 臨界火電機組主蒸汽閘閥的ASTM A182/A182M F92閥體鍛件的冶煉、鍛造及其熱處理工藝。給出了實測試樣的金相組織及其力學性能的測試結果。

1、概述

  超(超)臨界(Ultra Super Critical)發電技術是通過提高常規發電機組的蒸汽參數來提高燃料資源利用效率,配合新型環保裝置的一項技術,以達到降低能耗和環境?;さ哪康?,是目前世界上成熟、先進及高效的發電技術。超(超)臨界火電機組主蒸汽閘閥應用于高溫高壓( 設計溫度為610℃,設計壓力為28.8MPa) 管路,對管道中蒸汽介質進行輸送和截斷的控制,所以要求閥門材料具有很高的耐高溫腐蝕及高溫蠕變極限等性能。ASTM A182/A182M F92(T/P92)是新型的鐵素體耐熱鋼,是在A182 F91(T/P91)基礎上添加了一定量的W及B,通過W-Mo 復合固溶強化及B的晶界強化作用,使其高溫蠕變極限等得到進一步提高,不僅節約了材料用量,降低了制造成本,同時因此種材料有較高的導熱系數,較低的熱膨脹系數,使得部件熱疲勞損失降低,機組能夠更長期穩定的工作。但是,真空技術網(//www.lpfxlz.com.cn/)認為該材料的制造至今還沒有較成熟的工藝,所以研究其冶煉、鍛造及其熱處理工藝是非常重要的。

2、冶煉

  表1 為ASTM A182/A182M 中要求的F92化學成分,其含有多種微量成分,冶煉工藝及操作上存在一定難度。

表1 F92化學成分(wt%)

F92化學成分

  F92鋼是在F91鋼的基礎上適當降低鉬元素的含量(0.5%Mo) ,同時加入一定量的鎢(1.8% W) ,以將材料的鉬當量(Mo+0.5W)從F91鋼的1% 提高到約1.5%,該鋼還加入了微量的硼元素。與其他鉻鉬耐熱鋼相比,F92鋼的耐高溫腐蝕和氧化性能與9%Cr鋼相似,但材料的高溫強度和蠕變性能得到了進一步提高,同時F92鋼還具有優于奧氏體不銹鋼的抗低周熱疲勞性能。不同于一般的熔煉方法,閥體鍛件采用電渣鋼錠,電渣重熔把精煉和鑄錠合二為一,在同一個水冷銅模中進行,不接觸耐火材料。電渣重熔時熔渣的覆蓋避免了一般冶煉方法在鋼液澆注過程中產生的二次氧化,消除了夾雜物的外部來源。同時有效減少了因合金元素多而產生的偏析。電渣重熔過程中,金屬是以薄膜形式熔化,以細小熔滴下落穿過渣池,渣鋼反應接觸界面大,加之渣池過熱度大,電磁力及熱對流的強烈攪拌,電制度、渣制度、溫度制度、脫氧制度和速度制度等工藝自由度大,可對重熔金屬的不同雜質實現有選擇性的可控精煉。這些都為金屬的充分精煉及獲得高的純凈度提供了可靠保證。電渣錠在頂部大功率高溫電渣加熱、底部強制水冷具有很陡的溫度梯度的條件下,邊精煉邊凝固,即以微量液態金屬漸進定向結晶的方式進行可控快速凝固,不但凝固收縮可以源源不斷地得到電極金屬的補充,而且枝晶間距小,因此,組織致密,成分均勻。表2 為閥體鍛件電渣重熔后的成品分析值,符合ASTM A182/A182M的規定,滿足閥體制造工藝要求。

表2 F92實測化學成分(wt%)

F92實測化學成

3、鍛造

  為了滿足閥體鍛件機械性能和無損探傷的要求,必須對其鍛造比、始鍛溫度、終鍛溫度及鍛后熱處理等工藝參數進行嚴格控制。鍛造時,隨著始鍛溫度的升高,金屬內原子的熱振動也隨之加強,晶界、相界、亞晶界及位錯的能量也相應增加,同時原子的擴散速度也增大,為晶粒粗化提供了驅動力,奧氏體晶?;岱⑸ネ灘⑹咕Я3ご?。因此始鍛溫度過高會使晶粒更粗大,并有缺陷,所以為避免缺陷并獲得較細的晶粒度,選擇始鍛溫度為1180℃±20℃。根據經驗該材料終鍛溫度低于800℃ 時,塑性差,鍛壓時容易產生裂紋,因此該材料終鍛溫度應控制在不低于850℃。鍛造時為使閥體鍛件變形充分,細化晶粒,去除方向異性,坯料需經過二次鐓拔成型。加熱保溫曲線如圖1。

加熱曲線

圖1 加熱曲線

  F92 為鐵素體耐熱鋼,但其低溫組織為回火馬氏體,裂紋敏感性較強,鍛后需及時熱送。鍛后熱處理工藝見圖2。

鍛后熱處理工藝

圖2 鍛后熱處理工藝

4、熱處理

  從不同正火溫度及相同回火溫度下的金相組織(圖3) 可以看出,各正火溫度下組織均為典型板條馬氏體。隨著正火溫度升高,原奧氏體晶粒明顯粗化,馬氏體的板條長度和寬度也隨正火溫度升高而增大。

不同正火溫度下的金相組織

圖3 不同正火溫度下的金相組織

  從圖4 可以看出各溫度下組織均為典型板條馬氏體結構。晶粒度為4級,總體晶粒差別較小,馬氏體板條界面較寬,再結晶困難,預期會有較好的高溫持久性能。

不同回火溫度下的金相組織

圖4 不同回火溫度下的金相組織

  ASTM A182/A182M中要求F92熱處理類型為正火+ 回火。奧氏體固溶化處理最低溫度為1040℃。最低回火溫度為730℃。綜合試驗結果分析制定F92 熱處理工藝為1060℃ 正火+ 750℃ 回火,實測的力學性能值滿足ASTM A182/A182M中F92的力學性能規定和技術要求( 表3) 。

表3 F92力學性能

F92力學性能

5、結語

  通過試驗及生產經驗,制定了一套切實可行的滿足ASTM 要求制造工藝,即選擇電渣重熔方法冶煉。鍛造時選用二次鐓拔工藝,減少各向異性,始鍛溫度為1180℃±20℃、終鍛溫度為850℃及鍛后進行熱處理并選擇1060℃正火+750℃回火的熱處理工藝。