赵 欣,王婷婷

(宝山钢铁股份有限公司中央研究院,上海 201999)

燃煤发电是我国电源结构的最主要组成部分,为进一步降低煤耗、提高热效率和降低排放,630 ℃以上高参数超超临界电站已成为我国燃煤发电机组未来发展的重要方向[1-4],但耐热材料一直以来是制约煤电机组向更高参数发展的“卡脖子”问题。随着蒸汽温度和蒸汽压力的提高,超超临界火电机组对耐热材料的性能提出了更高的要求,主要表现在以下几个方面:①更高的高温持久、蠕变强度;②良好的抗氧化和耐蚀性能;③优异的组织稳定性;④良好的冷、热加工性能;⑤良好的焊接性能等[5-8]。目前比较成熟的P92可用于620 ℃以下大口径锅炉管制造,但当蒸汽温度升高至630～650 ℃,目前世界范围内都没有可选用的成熟材料。为满足630～650 ℃蒸汽参数超超临界火电机组的需要,宝钢和钢铁研究总院联合开发了新型马氏体耐热钢9Cr-3W-3CoVNbCuBN (G115)产品。

马氏体耐热钢的热处理一般采用正火加高温回火工艺(详见GB5310),G115钢在工业化试制过程中采用这种调质工艺后,冲击功安全余量小,难以满足高压锅炉用材料长期稳定服役的要求。因此,本文开展了不同调质工艺对G115组织性能的研究,并为获得G115钢良好的综合性能提供数据支撑。

1 试验方法

本文以G115的φ530 mm规格棒材为研究对象,其主要化学成分见表1,主要生产流程为:40 t电炉+LF+VD→浇注13.5 t钢锭→锻造为棒材→调质热处理。实验室进行了如表2所示调质工艺,其中1#～3#采用了两次调质,第一次淬火温度分别为1 140、1 100和1 050 ℃,完成第一次调质后进行了第二次调质;4#只进行了一次调质,工艺参数同1#～3#的第二次调质,即1 050 ℃×1 h/水冷+780 ℃×3 h/空冷。

从棒材取横向试样进行性能检测及组织分析。室温拉伸和650 ℃高温拉伸性能测试分别在SCL233200kN和SCL231200kN试验机上进行,检测依据分别为GB/T 228.1和GB/T 228.2。冲击性能采用JBN-300B设备,根据GB/T 229测试材料的夏比V型缺口冲击功,试样尺寸为10 mm×10 mm×55 mm。微观组织观察使用金相显微镜和EVO MA25扫描电镜,采用5 g FeCl3+50 mL HCl+50 mL H2O 溶液进行腐蚀。

表1 G115棒材化学成分

表2 G115棒材调质工艺

2 试验结果与分析

2.1 调质工艺对性能的影响

调质工艺对G115棒材室温拉伸和650℃高温拉伸强度的影响如图1所示。从图1(a)中可以看出,采用两次调质工艺(1#～3#)的室温屈服强度和抗拉强度均高于一次调质工艺(4#),其中1#～3#的屈服强度比4#高了50～60 MPa,1#～3#的抗拉强度比4#高了60～90MPa;此外,从1#到3#工艺,随着两次调质工艺中的第一次淬火温度从1 140 ℃降至1 050 ℃,室温屈服强度和抗拉强度均呈一定的下降趋势。从图1(b)中可以看出,调质工艺对650℃高温拉伸强度的影响也有相似的变化规律,1#～3#工艺的650 ℃高温拉伸屈服强度和抗拉强度均高于4#工艺;从1#到3#工艺,随着两次调质工艺中的第一次淬火温度的降低,屈服强度和抗拉强度也有一定下降趋势。

图2给出了不同调质工艺对室温冲击功平均值的影响。可以看出,采用两次调质工艺(1#～3#)的冲击功均高于一次调质工艺(4#)100 J以上;另外,对比1#～3#冲击功可发现,1#、2#工艺的冲击功相当,但当3#工艺的第一次淬火温度降低至1 050 ℃时,冲击功开始有一定下降。

从调质工艺对G115性能的影响可以看出,采用两次调质工艺可以显著改善G115冲击功,同时可以使室温和高温强度得到一定提升,这对G115钢的工程应用意义重大,并且提高两次调质工艺中的第一次淬火温度对于改善G115性能有更好的效果。

2.2 调质工艺对微观组织的影响

不同调质工艺对应的金相组织见图3。可以看出两次调质工艺(1#～3#)的晶粒度显著细于一次调质工艺(4#),回火板条组织保留的相比一次调质更加明显,并且采用两次调质工艺的碳化物等析出相形貌比一次调质更加细小,分布更加弥散,见图4。对比1#～3#可以发现,1#的晶粒尺寸略粗于2#和3#,但均匀性更好。两次调质工艺经过第一次高温淬火处理,促进了一次MC等大块析出相溶解、合金元素均匀化,第一次回火处理后可以析出细小而弥散分布的碳化物,从而为第二次调质处理做了良好的显微组织铺垫,使得第二次调质时有了更多奥氏体化形核位置,并且细小而弥散分布的碳化物可以钉扎晶界,阻碍奥氏体晶粒的长大以及马氏体的回复过程,从而使两次调质后晶粒细化显著,回火马氏体板条保留更明显。这应该是两次调质工艺(1#～3#)的性能高于一次调质(4#)的主要原因。而两次调质工艺中,第一次高温淬火处理温度越高,析出相溶解越充分,合金元素均匀化程度越高,这也是从1#到3#工艺随着第一次淬火温度的降低性能略下降的原因。

3 结论

(1) 采用两次调质工艺可以使G115棒材强度和冲击功均有提高,冲击功的提高尤为显著。随着两次调质工艺第一次淬火温度的提高,强度、冲击功等性能呈提高趋势。

(2) 两次调质工艺的G115棒材晶粒度显著细于一次调质工艺的,且回火板条组织保留更明显,碳化物等析出相形貌更细小、分布更弥散。