主蒸汽閘閥閥體鍛件制造工藝的研究

　　介紹了用于超( 超) 臨界火電機(jī)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(shí)測(cè)試樣的金相組織及其力學(xué)性能的測(cè)試結(jié)果。

1、概述

　　超(超)臨界(Ultra Super Critical)發(fā)電技術(shù)是通過(guò)提高常規(guī)發(fā)電機(jī)組的蒸汽參數(shù)來(lái)提高燃料資源利用效率，配合新型環(huán)保裝置的一項(xiàng)技術(shù)，以達(dá)到降低能耗和環(huán)境保護(hù)的目的，是目前世界上成熟、先進(jìn)及高效的發(fā)電技術(shù)。超(超)臨界火電機(jī)組主蒸汽閘閥應(yīng)用于高溫高壓( 設(shè)計(jì)溫度為610℃，設(shè)計(jì)壓力為28.8MPa) 管路，對(duì)管道中蒸汽介質(zhì)進(jìn)行輸送和截?cái)嗟目刂�，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(chǔ)上添加了一定量的W及B，通過(guò)W-Mo 復(fù)合固溶強(qiáng)化及B的晶界強(qiáng)化作用，使其高溫蠕變極限等得到進(jìn)一步提高，不僅節(jié)約了材料用量，降低了制造成本，同時(shí)因此種材料有較高的導(dǎo)熱系數(shù)，較低的熱膨脹系數(shù)，使得部件熱疲勞損失降低，機(jī)組能夠更長(zhǎng)期穩(wěn)定的工作。但是，真空技術(shù)網(wǎng)(http://genius-power.com/)認(rèn)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(xué)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(xué)成分(wt%)

　　F92鋼是在F91鋼的基礎(chǔ)上適當(dāng)降低鉬元素的含量(0.5%Mo) ，同時(shí)加入一定量的鎢(1.8% W) ，以將材料的鉬當(dāng)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，F(xiàn)92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(qiáng)度和蠕變性能得到了進(jìn)一步提高，同時(shí)F92鋼還具有優(yōu)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(gè)水冷銅模中進(jìn)行，不接觸耐火材料。電渣重熔時(shí)熔渣的覆蓋避免了一般冶煉方法在鋼液澆注過(guò)程中產(chǎn)生的二次氧化，消除了夾雜物的外部來(lái)源。同時(shí)有效減少了因合金元素多而產(chǎn)生的偏析。電渣重熔過(guò)程中，金屬是以薄膜形式熔化，以細(xì)小熔滴下落穿過(guò)渣池，渣鋼反應(yīng)接觸界面大，加之渣池過(guò)熱度大，電磁力及熱對(duì)流的強(qiáng)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(duì)重熔金屬的不同雜質(zhì)實(shí)現(xiàn)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(qiáng)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(tài)金屬漸進(jìn)定向結(jié)晶的方式進(jìn)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(bǔ)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(guī)定，滿足閥體制造工藝要求。

表2 F92實(shí)測(cè)化學(xué)成分(wt%)

3、鍛造

　　為了滿足閥體鍛件機(jī)械性能和無(wú)損探傷的要求，必須對(duì)其鍛造比、始鍛溫度、終鍛溫度及鍛后熱處理等工藝參數(shù)進(jìn)行嚴(yán)格控制。鍛造時(shí)，隨著始鍛溫度的升高，金屬內(nèi)原子的熱振動(dòng)也隨之加強(qiáng)，晶界、相界、亞晶界及位錯(cuò)的能量也相應(yīng)增加，同時(shí)原子的擴(kuò)散速度也增大，為晶粒粗化提供了驅(qū)動(dòng)力，奧氏體晶粒會(huì)發(fā)生互吞并使晶粒長(zhǎng)大。因此始鍛溫度過(guò)高會(huì)使晶粒更粗大，并有缺陷，所以為避免缺陷并獲得較細(xì)的晶粒度，選擇始鍛溫度為1180℃±20℃。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)該材料終鍛溫度低于800℃ 時(shí)，塑性差，鍛壓時(shí)容易產(chǎn)生裂紋，因此該材料終鍛溫度應(yīng)控制在不低于850℃。鍛造時(shí)為使閥體鍛件變形充分，細(xì)化晶粒，去除方向異性，坯料需經(jīng)過(guò)二次鐓拔成型。加熱保溫曲線如圖1。

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(qiáng)，鍛后需及時(shí)熱送。鍛后熱處理工藝見圖2。

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(zhǎng)度和寬度也隨正火溫度升高而增大。

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(jié)構(gòu)。晶粒度為4級(jí)，總體晶粒差別較小，馬氏體板條界面較寬，再結(jié)晶困難，預(yù)期會(huì)有較好的高溫持久性能。

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(yàn)結(jié)果分析制定F92 熱處理工藝為1060℃ 正火+ 750℃ 回火，實(shí)測(cè)的力學(xué)性能值滿足ASTM A182/A182M中F92的力學(xué)性能規(guī)定和技術(shù)要求( 表3) 。

表3 F92力學(xué)性能

5、結(jié)語(yǔ)

　　通過(guò)試驗(yàn)及生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，制定了一套切實(shí)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(shí)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(jìn)行熱處理并選擇1060℃正火+750℃回火的熱處理工藝。