精密铸造锅炉管件用耐热奥氏体钢的研究.pdf

第 1 期奥氏体钢在锅炉管件精密铸造中被广泛运用，显示出了较强的运用价值，为了降低 CO2等气体的排放，应当加强对铸造工艺的研究，加强对现有化石能源的有效开发与利用。在铸造工艺中，随着超临界水温的提升，650耀700 益以上高温条件下的耐热奥氏体钢结构材料具有较强的研究价值，耐热奥氏体钢具有耐腐蚀、抗蠕变性能良好的运用优势1。因此当前铸造工艺中不断加强对奥氏体钢高温强度与耐腐蚀性的研究。即有研究成果中，在高温超细沉淀强化钢中，适当冷加工有利于促进纳米级 MC 碳化物析出，对 AFA 钢进行固溶之后，进行冷轧退火，能够促进 Laves 相沉淀物的析出。本文对精密铸造锅炉管件用耐热奥氏体钢的相关性能进行研究与探讨。1 工艺研究选取两类典型焊接接头进行分析，分别是超临界锅炉受热面部件径管 SA-213S30432，超超临界 锅 炉 受 热 面 部 件 径 管 SA-213T91+SA-收稿日期：2023-07-13；修订日期：2023-08-11作者简介：杨冠锋（1978），男，工程师，主要研究方向：特种设备检验检测、技术检查精密铸造锅炉管件用耐热奥氏体钢的研究杨冠锋（河北省特种设备技术检查中心，河北石家庄 056011）摘要：为了优化耐热奥氏体钢在锅炉管件精密铸造中的工艺，选取典型焊接接头进行分析，预热温度逸5 益，电压 13耀14V，焊层数 3 层，电流 190耀200 A，层间温度 50耀230 益。结果显示，600耀1200 益温度环境下，AFA25-15 为单相奥氏体基体，析出相为 NiAl、滓 相、M23C6、MC 碳化物。通过适当冷变形处理之后，强度明显提升，AFA-50%与 AFA-20%抗拉强度均有所降低，断后伸长率变动差异表现不明显。材料氧化腐蚀程度与温度呈正比关系，S31042 材料抗氧化腐蚀能力最强，S31035与 C-HRA-5 材料抗氧化腐蚀能力基本相当。通过本文的研究与探讨，有利于改善锅炉管件用耐热奥氏体钢的综合性能，提升拉伸性能。关键词：精密铸造；锅炉管件；耐热奥氏体钢；冷变形处理；抗拉强度中图分类号：TG142.73文献标识码：ADOI：10.3969/j.issn.1006-9658.2024.01.014文章编号：1006-9658（2024）01-0069-05第 59 卷 第 1 期Vol.59 No.1CHINA FOUNDRY MACHINERY&TECHNOLOGY2024 年 1 月Jan.2024Research on mold design in composite frame moldingLI Xinrong,SHU Mei,WANG Xia,WAN Yong（CRRC Meishan Vehicle Co.,Ltd.,Meishan 620000,Sichuan China）Abstract:Abstract:In order to avoid the mold from affecting the composite parts,it is necessary to createa rapid modeling method for the frame mold,and implement finite element analysis on the model,adjustand optimize the model according to the analysis results,and compensate for the springback and size inthe mold design process,so as to obtain an effective mold structure design,ensure the molding accuracyrequirements of composite parts,and improve the accuracy and efficiency of the molding mold.Key words:Frame molding;Composite materials;Molds;Finite element analysis69-第 59 卷213TP347H，钨极氩弧焊立对接焊，选用两种焊接参数，SA-213S30432 预热温度逸5 益，电压 13耀14 V，焊层数 3 层，电流 190耀200 A，层间温度 50耀230 益；SA-213T91+SA-213TP347H，预热温度逸5益，电压 13耀16 V，焊层数 3 层，电流 185耀210 A，层间温度 160耀280 益。对焊接接头开展硬度试验、横向弯曲、拉力测试、室温冲击韧性测试2。为了研究焊缝内部质量，依据锅炉受压元件焊接断口检验方法，开展断口检查，保证未出现裂纹、未熔合现象。管子对接接头断口制备时，加工深度 1/3T 沟槽，保证断口试样断面的完整性。精密铸造锅炉管件用耐热奥氏体钢为 Fe-15%Cr-25%Ni3.5%Al-0.6%Nb-2%Mo-0.02%C（质量分数），运用真空感应炉进行熔炼，得出的铸锭高度250 mm、直径 100 mm，结合锅炉管件的实际使用需求，锻造比设置为 3:1，铸造长宽高为 60 mm伊50mm伊80 mm 的钢锭。1200 益环境下，合金通过 40min 固溶处理之后，进行水淬得出固溶态样品。结合 JMatPro 软件开展热力学计算。运用氧氮氢分析仪(EMGA-830)X 荧光光谱仪检测合金成分3，见表1。为了降低加工成本，在钢液中适当加入镁，以此提升镁的吸收率，具体处理方式为在钢水注入中间包中添加覆盖剂，在钢水表面形成渣层，之后再添加镁，浇入铸型之中，此种作业方式使得钢液上部渣中 Mg 量能够超过 26豫。锅炉管件用耐热奥氏体钢高温强度大，在长期服役过程中不会析出能产生脆性的 啄 相，成分 w（C）：0.01%耀0.1%，w（S）臆0.015%，w（Ni）:25.00%耀35.00%，w（Si）臆1.5%，w（Mn）臆1.5%，w（P）臆0.03%，w（Cr）:19.00%耀29.00%，w（V）臆0.5%，w（Co）臆5.0%，w（A1）臆0.15%，w（N）：0.1%耀0.35%，w（Ti）臆0.15%,其余为 Fe 与微量杂质。含有球形碳化物铸造合金化学成分为：Fe 为基体，w（C）:0.6%耀4.0%与 w（V）:4%耀15%为必需成分，同时含有 w（P）：0.01%耀0.15%，w（S）：0.01%耀0.05%，w（A1）：0.05%耀1.0%，w（Mg）：0.01%耀0.2%，w（Cr）：3%耀30%，w（Mn）：0.2%耀3.0%，w（Si）：0.2%耀4.5%，w（Ni）：4%耀15%，w（Co）：0.3%耀0.6%。结果显示，焊缝表面呈现金属光泽。RT 射线探伤检测结果显示合格。断口检查显示未出现夹渣、未熔合等缺陷，断面整齐、均匀、致密4。常温力学性能见表 2。2结果分析2.1金相检查研究断口试样形貌，在焊接作业中应当有效避免出现焊缝未熔合、夹渣等不良现象，否则在加工工艺中容易出现拉力试样强度降低、弯曲试样断裂的风险，并且金相检查中可能出现焊缝层道间片状夹渣现象5。运用光学显微镜对焊接接头开展金相检查，发现层间片状夹渣，通过焊缝成形可见，大电流焊接速度较快，焊接作业中焊缝金属高温停留时间较长，在远离氩弧焊枪气体保护区域之后，容易和空气接触，出现氧化现象，在焊道熔敷焊接中容易断裂位置抗拉强度/MPa屈服强度/MPa延伸率/%布氏硬度 HBW347H 奥氏体铬钢66050154167347不锈钢63556147183表 2耐热奥氏体钢焊接接头力学性能表 1耐热奥氏体钢成分参数设计值实际值Ni25.000024.3900Mo2.00002.1100C0.02000.0480Fe53.440055.8475Cr15.000013.3900Al3.50003.8300Nb0.60000.5300w/%70-第 1 期出现夹渣。小口径管为曲率较大的坡口面，易使熔融焊缝金属下淌，出现焊缝层道间未熔合的现象。钨极氩弧焊焊接时，应当保证焊丝加热端处于保护气体中，目的在于避免热的末端氧化出现焊缝金属污染现象。大电流快速焊接时，注意避免出现操作不当导致焊丝端部氧化的现象，以此预防焊缝中夹渣的出现。热影响区宽度在一定程度上会影响焊接接头性能。焊接热影响区指的是材料因受热出现力学性能、金相组织变化的区域。靠近焊缝过热区及粗晶区表现较为明显。金相检查可见，焊接接头粗晶区宽度有所增加6。SA.-213TP347H、SA-213S30432 均属奥氏体不锈钢，为了避免热影响区晶粒扩大、出现焊接热裂纹、碳化物析出等不良现象，可以适当控制较低的层间温度，以此增强焊接接头的耐蚀性、塑韧性。合金基体为单相奥氏体，出现大量孪晶，固溶较为充分，得出 AFA-0 实验钢残余应变 0.081%，位错密度 1.603伊1014%，光学显微镜下晶粒平均粒径 173 滋m；AFA-20%实验钢残余应变0.171%，位错密度 6.5711014%，固溶处理后 S 晶界平直，未见析出物；AFA-50%实验钢残余应变 0.216%，位错密度 10.3631014%7。2.2耐热奥氏体钢的热力学计算分析 AFA15-25 型号耐热奥氏体钢各成分质量分数热力学数值，600耀1200 益温度环境下，AFA15-25 型号耐热奥氏体钢为单相奥氏体基体，析出相为 NiAl、滓 相、M23C6、MC 碳化物。图 1展示了 650 益时相的分布柱状图，滓 相质量分数为 10.88%，奥氏体质量分数为 82%，NiAl 质量分数为 6.64%、MC 质量分数为 0.19%。600耀1200益时热力学计算与相的分布情况见图 1。2.3冷变形量对耐热奥氏体钢力学性能的影响26益时，在冷变形量增加时，耐热奥氏体钢屈服强度、抗拉强度相应提升，断后伸长率则有所降低。此时 AFA-0 抗拉强度 798 MPa，屈服强度405 MPa，断后伸长率 50%；与 AFA-0 相比，AFA-20%抗拉强度相对更高。在变形量从 20%增加至 50%之后，抗拉强度 1131 MPa、屈服强度889 MPa，与 AFA-20%相比，有所提升，但是断后伸长率则相应降低。通过适当冷变形处理之后，强度明显提升，可见冷变形后出现了 NiAl 相和位错的交互作用8，见表 3。在加大变形量时，强度提升情况的综合表现不够明显，但是能够在一定程度上消减材料塑性。高温环境下，在冷变形量增加时，抗拉强度、屈服样品名称测试温度/益抗拉强度/MPa屈服强度/MPa断后伸长率/%AFA-0267984055070056934628FA-20%2610828662970072263016AFA-50%2611318891570064353219表 3耐热奥氏体钢 26益与 700益时拉伸参数杨冠锋：精密铸造锅炉管件用耐热奥氏体钢的研究10090807060504030201009080706050403020100（a）（b）600700800900100011001200温度/益奥氏体滓 相（Fe，Ni）AlM（C，N）奥氏体M（C，N）（Fe，Ni）Al滓 相M23C6图 1耐热奥氏体钢的热力学表现1-2-3-4-123471-第 59 卷强度呈现出先增加后降低的状态，断后伸长率在经过一段时间的降低之后，略有提高。AFA-50%与 AFA-20%抗拉强度均有所降低，断后伸长率变动差异表现不明显，主要是由于 NiAl 相出现了韧脆转变，在室温环境下起到了良好的强化作用，而在高温环境下难以起到良好的强化效果，但是在操作过程中能够适当提升材料塑性9，见图 2。2.4耐热奥氏体钢的腐蚀分析研究不同温度下，材料表面腐蚀情况，由于材料表面出现了腐蚀坑外部氧化层、内氧化区，进一步研究出现的尺寸范围。试验所用精密铸造锅炉管件为 BTF-1200C-芋型管式加热炉，实验温度分别设置为 650 益、675 益、700 益、725 益，向炉内通入氮气，速率低于 5 益/min，向炉管内通入混合气体，开启注射泵，关闭其气瓶阀，通入氮气，取出样品。加热炉液态水流量为 0.8036 滋L/min，得出混合气体总流量 40.0 mL/min，体积分数为77.0%N2+15%CO2+3.75%O2+5.0%H2O（g）+0.32%SO2，压强 105 kPa。表 4 可见，材料氧化腐蚀程度与温度呈正比关系，S31042 材料抗氧化腐蚀能力最强，S31035 与 C-HRA-5 材料抗氧化腐蚀能力基本相当10，见表 4。3结束语本文研究过程中，在 1200 益环境下，合金通过 40 min 固溶处理之后，水淬得出固溶态样品。在冷变形量 20%时，能够适当提升实验钢的屈服强度，在冷变形量增加至 50%后，强度提升表现的不明显，但是容易降低塑性。适当控制层间温度有利于增强焊接接头耐蚀性、塑韧性，避免出现焊缝未熔合、夹渣等不良现象。650 益时 滓 相质量分数10.88%，奥氏体质量分数为 82%，NiAl 质量分数6.64%，MC 质量分数 0.19%，在变形量从 20%增加至 50%后，抗拉强度 1131 MPa，屈服强度有所提升，断后伸长率降低。综上所述，冷变形最佳条件为 20%，此时耐热奥氏体钢整体塑性较为良好，强度较高，能够满足锅炉管件精密铸造的工艺需求。120010008006004002000800700600500400300200100001020304050应变/%0510152025应变/%AFA-50%AFA-20%AFA-0AFA-50%AFA-20%AFA-0图 2耐热奥氏体钢时效后的应力-应变曲线123123123123650C-HRA-52080020015S310352060020015S310421040020015675C-HRA-5208010301020S31035308010301030S3104210301020015700C-HRA-53012010301530S310354012020301530S3104220300201020725C-HRA-53015020302040S310355012020502050S31042205020301030试验温度/益材料腐蚀坑深度/滋m外部氧化层厚度/滋m内氧化区宽度/滋m表 4耐热奥氏体钢不同温度下的腐蚀情况72-第 1 期Research on heat-resistant austenitic steel for precision casting boiler pipe fittingsYANGGuanfeng（Hebei SpecialEquipment Technical Inspection Center,Shijiazhuang 056011,Hebei China）Abstract:In order to optimize the process of heat-resistant austenitic steel in the precision casting ofboiler pipe fittings,typical welded joints were selected for analysis,the preheating temperature was 5益,the voltage was 1314 V,the number of welding layers was 3 layers,the current was 190200 A,and the interlayer temperature was 50230 益.The results showed that AFA25-15 was a single-phaseaustenite matrix and the precipitated phases were NiAl,滓 phase,M23C6and MC carbides at 6001200益.After the appropriate cold deformation treatment,the strength was significantly improved,the tensilestrength of AFA-50%and AFA-20%decreased,and the difference in elongation after fracture was notobvious.The degree of oxidation corrosion of the material is proportional to the temperature,S31042material has the strongest oxidation and corrosion resistance,and S31035 and C-HRA-5 materials havethe same oxidation and corrosion resistance.Through the research and discussion in this paper,it isbeneficial to improve the comprehensive properties of heat-resistant austenitic steel for boiler pipe fittingsand improve the tensile properties.Key words:Precision casting;Boiler pipe fittings;Heat-resistant austenitic steel;Cold deformation treat-ment;Tensile strength参考文献：1刘汉华.不同钛含量汽车用热成型钢的抗氢脆敏感性研究J.钢铁钒钛,2022,43(04):178-183.2赵阳,王飞,汪宁宁,等.薄壁不锈钢管道的泄漏分析与检测J.无损检测,2023,45(06):52-56.3刘观辉,魏浩然,易耀勇.奥氏体不锈钢 A-TIG 焊接头的耐蚀性J.焊接技术,2023,52(05):42-45.4陈祥,王孟鑫,刘仲礼.高硼奥氏体钢硼化物形态及分布优化J.铸造技术,2023,44(04):338-344.5王平,胡进林,赵国伟,等.大型高合金铸钢件生产余料的回收及利用J.中国铸造装备与技术,2023,58(02):53-57.6李亮,柏广枭,李勉.金属注射成型技术及其在不锈钢制品中的应用J.中国铸造装备与技术,2023,58(02):84-88.7孙向阳,仇光宏,黄明,等.基于 ProCAST 数值模拟技术降低离心复合铸铁轧辊底波衰减发生率J.中国铸造装备与技术,2022,57(01):97-101.8高松福,张健,任金雷,等.钢轨铝热焊砂型硬化工艺试验研究和失效分析 J.中国铸造装备与技术,2021,56(06):85-88.9邹雷雷,刘青,杜肖臣,等.基于非调质钢凝固特性的二次冷却控制J.工程科学学报,2022,44(03):357-366.10陶承闯,赵海涛,王浩磊,等.奥氏体不锈钢蜗壳铸造工艺设计与优化J.铸造,2019,68(02):192-197.杨冠锋：精密铸造锅炉管件用耐热奥氏体钢的研究73-