馬氏體耐熱鋼大型管坯加熱工藝模擬

趙 欣， 陳正宗， 趙海平

(1. 鋼鐵研究總院有限公司 特殊鋼研究院， 北京 100081；2. 寶武特種冶金有限公司, 上海 200940)

G115鋼是我國(guó)歷時(shí)十余年自主研發(fā)、目前可工程用于630 ℃超超臨界火電機(jī)組集箱和主蒸汽管道的唯一馬氏體耐熱鋼[1-2]。G115大口徑厚壁鋼管是通過(guò)熱擠壓方法進(jìn)行生產(chǎn)的。管坯加熱制度是決定G115鋼熱擠壓質(zhì)量和生產(chǎn)成本非常重要的因素，其加熱目的是進(jìn)一步消除微偏析，獲得成分均勻的奧氏體組織，利于降低熱變形抗力和變形缺陷，為熱擠壓工序提供尺寸精確、組織均勻的管坯。研究表明，合理的加熱溫度和保溫時(shí)間可提高G115鋼管坯室溫沖擊性能，這與高溫下材料中的合金元素充分溶解密切相關(guān)[2]。Li等[3]研究了9Cr-3W-3Co-V-Nb鋼中BN在加熱工藝中的溶解行為，通過(guò)改善加熱工藝加速了BN的溶解，為提高基體固溶度提供了依據(jù)。G115鋼中含有W等多種合金元素，錠型擴(kuò)大存在偏析傾向，同時(shí)添加B元素，可能含有低熔點(diǎn)共晶相，進(jìn)而影響鋼錠的冶金質(zhì)量和熱變形行為，甚至產(chǎn)生鋼管內(nèi)外表面裂紋等變形缺陷[4]。同時(shí)，加熱工藝不合理，會(huì)導(dǎo)致鋼錠組織過(guò)熱甚至過(guò)燒，增加生產(chǎn)能耗和成本等[5]。有限元模擬優(yōu)化熱加工工藝已經(jīng)廣泛應(yīng)用，如鋼錠的凝固、鑄件熱處理、鍛前加熱及鍛造等生產(chǎn)領(lǐng)域。趙欣等[6]通過(guò)有限元模擬對(duì)馬氏體耐熱鋼大型中空鑄件熱處理加熱過(guò)程進(jìn)行了模擬優(yōu)化，為獲得高質(zhì)量馬氏體鋼大型鑄件提供了重要支撐。王忠科等[7]、賈榮利等[8]通過(guò)有限元模擬對(duì)大型鋼錠鍛前加熱進(jìn)行了工藝優(yōu)化，并在實(shí)際生產(chǎn)中得到了認(rèn)可和應(yīng)用。朱花等[9]、郭逸豐等[10]通過(guò)有限元模擬對(duì)大型鋼錠凝固過(guò)程進(jìn)行了有限元分析，將模擬與實(shí)測(cè)結(jié)果比對(duì)后，兩者吻合度較好，可準(zhǔn)確預(yù)測(cè)凝固終了時(shí)間，提高了脫模效率。

管坯加熱制度決定其表面質(zhì)量和生產(chǎn)效率。為了得到合理的G115鋼管坯加熱工藝，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)鋼錠中心透保時(shí)間，得到鋼錠各部位加熱速率等工藝參數(shù)，采用有限元模擬建立鋼錠模型，研究了不同加熱工藝下的加熱參數(shù)，推薦了加熱工藝，為工程化生產(chǎn)提供了有力支撐。

1 有限元模型及加熱方案

本文選取工業(yè)化生產(chǎn)的G115大型鋼錠為研究對(duì)象，其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)為0.097C、0.31Si、0.43Mn、9.11Cr、2.98Co、2.67W、0.18V、0.066Nb、0.85Cu、0.013B、0.008N，余量Fe。采用40 t電爐+LF+VD冶煉工藝，澆鑄13.5 t鋼錠，經(jīng)脫模后采用天然氣加熱爐將鋼錠加熱到(1230±10) ℃進(jìn)行均勻化處理，采用60MN快鍛機(jī)鍛造開(kāi)坯成直徑φ900 mm的管坯。管坯以冷料狀態(tài)運(yùn)送到3.6萬(wàn)噸或5萬(wàn)噸擠壓機(jī)車間進(jìn)行沖孔制坯前的加熱。管坯加熱前的初始溫度為25 ℃(均勻分布)，采用隨爐加熱，初始爐溫為300 ℃，升溫速率為100 ℃/h，3個(gè)加熱工藝過(guò)程如圖1所示。

圖1 加熱過(guò)程示意圖Fig.1 Schematic diagrams of the heating processes

G115管坯有限元模型見(jiàn)圖2。管坯尺寸為φ900 mm×2000 mm，坯重10 t。采用ANSYS有限元軟件進(jìn)行全模型計(jì)算，單元類型選擇Solid70，單元總數(shù)為10 280個(gè)，節(jié)點(diǎn)為11 562個(gè)。G115鋼的密度、比熱、熱導(dǎo)率及綜合換熱系數(shù)等熱物性參數(shù)隨溫度變化見(jiàn)G115鋼數(shù)據(jù)手冊(cè)。根據(jù)加熱工藝，研究管坯各部位溫度隨時(shí)間變化規(guī)律，確定管坯心部“熱透”時(shí)間，并推薦最優(yōu)加熱工藝。

圖2 G115鋼錠模型圖Fig.2 G115 steel ingot model

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 鋼錠加熱過(guò)程溫度場(chǎng)分布

為了準(zhǔn)確得到管坯外表面各部位溫度在加熱過(guò)程中隨時(shí)間分布云圖，選取工藝①下的6個(gè)時(shí)刻，分別為7200、21 600、34 200、48 600、62 280及184 680 s進(jìn)行溫度分布云圖分析，如圖3所示。可知，管坯在各加熱階段中，管坯外表面端部截面邊緣處的溫度最高，管坯端部截面中心處及長(zhǎng)度1/2處溫度最低。管坯外表面各部位的溫度梯度及溫差較大。管坯加熱到7200 s時(shí)的最大溫差為93 ℃，如圖3(a)所示；加熱到34 200 s時(shí)的最大溫差為69 ℃，如圖3(c)所示；加熱到62 280 s時(shí)的最大溫差為51 ℃，如圖3(e)所示，隨著管坯加熱溫度的逐步升高，各部位溫差逐漸減小。管坯在各保溫階段中，外表面各部位溫度梯度及溫差逐步減??；管坯外表面各部位在21 600 s時(shí)的最大溫差為46 ℃，如圖3(b)所示；在48 600 s時(shí)的最大溫差為23 ℃，如圖3(d) 所示；在184 680 s時(shí)溫差為零，如圖3(f)所示；隨著溫度的升高及保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，各部位溫差逐步減小到零。

圖3 工藝①下G115鋼錠不同時(shí)刻溫度分布云圖Fig.3 Cloud diagram of temperature distribution of the G115 steel ingot under different time during process ①(a) t=7200 s; (b) t=21 600 s; (c) t=34 200 s; (d) t=48 600 s; (e) t=62 280 s; (f) t=184 680 s

在加熱過(guò)程中，管坯端部截面邊緣處最先接受爐內(nèi)燃?xì)獾臒彷椛?，該區(qū)域面積小，傳熱快，最容易達(dá)到最高溫度且升溫速率最大，其他區(qū)域由于接受熱輻射面積大，傳熱慢，溫升較慢。同時(shí)，由于G115鋼中的合金含量較高，導(dǎo)致材料導(dǎo)熱較慢，加劇了升溫過(guò)程各部位溫差。對(duì)于合金含量較高的耐熱鋼，當(dāng)各部位溫差較大時(shí)，容易引起熱應(yīng)力，當(dāng)該應(yīng)力超過(guò)臨界強(qiáng)度時(shí)容易引起熱裂紋[2]，所以對(duì)于此類耐熱鋼，制訂多階段加熱及保溫工藝，并適當(dāng)延長(zhǎng)各階段保溫時(shí)間，對(duì)提高鋼錠加熱質(zhì)量，減小加熱缺陷有積極的作用。在保溫過(guò)程中，由于爐內(nèi)溫度不再升高，促進(jìn)了管坯端部及表面向管坯中心傳熱，減小了各部位溫差，可促進(jìn)管坯各部位溫度均勻性。

2.2 管坯各部位溫度隨時(shí)間變化曲線

為了準(zhǔn)確得到管坯各部位關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化曲線，了解各節(jié)點(diǎn)的升溫速率、溫差及“透?！睍r(shí)間，選取管坯4個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，其分布如圖4所示。其中，節(jié)點(diǎn)1位于管坯端部截面中心處，節(jié)點(diǎn)2位于管坯端部截面邊緣處，節(jié)點(diǎn)3位于管坯長(zhǎng)度1/2截面中心處，節(jié)點(diǎn)4位于管坯長(zhǎng)度1/2截面邊緣處。

圖4 管坯各部位節(jié)點(diǎn)分布Fig.4 Distribution of nodes of each part of pipe blank

圖5為不同加熱工藝下各節(jié)點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化曲線。從圖5可以得到各節(jié)點(diǎn)溫度變化情況。由圖5(a，b)可知，各節(jié)點(diǎn)在加熱過(guò)程中具有明顯的3個(gè)階段，而圖5(c)具有明顯的4個(gè)階段，表明工藝①和工藝②共有3個(gè)加熱和保溫階段，工藝③具有4個(gè)升溫和保溫階段。從圖5還可看出，在所有工藝下的加熱及保溫階段，節(jié)點(diǎn)2的溫度變化曲線均處在其他3個(gè)節(jié)點(diǎn)之上，表明其溫度最高，升溫速率最快。同時(shí)，節(jié)點(diǎn)3的溫度變化曲線在其它3個(gè)節(jié)點(diǎn)之下，表明其溫度最低，升溫速率最慢。各節(jié)點(diǎn)在升溫過(guò)程中的溫差增大，在保溫階段溫差減小。圖5(d)為管坯中心節(jié)點(diǎn)3在不同加熱工藝下的溫度與時(shí)間變化曲線。由圖5(d) 可知，在3個(gè)加熱工藝下，節(jié)點(diǎn)3的溫度均能達(dá)到目標(biāo)溫度。同時(shí)，節(jié)點(diǎn)3在3個(gè)方案下的第一階段保持一致，表明第一階段的加熱制度保持一致。之后開(kāi)始產(chǎn)生差異，這與加熱工藝的變化有直接關(guān)系。工藝②的加熱速率最快，到達(dá)目標(biāo)溫度所用時(shí)間最短，其次是工藝①，最后是工藝③。在整個(gè)加熱過(guò)程中，節(jié)點(diǎn)3在3個(gè)工藝下的升溫速率分別為0.86、0.88和0.71 ℃/min?？紤]G115鋼加熱過(guò)程中各部位溫差及加熱速率，工藝③可較好地滿足生產(chǎn)要求，其次是工藝①，最后為工藝②。為了準(zhǔn)確得到不同工藝下各節(jié)點(diǎn)達(dá)到目標(biāo)溫度的時(shí)間，對(duì)曲線進(jìn)行詳細(xì)分析，得到各節(jié)點(diǎn)到達(dá)1229 ℃和1230 ℃的時(shí)間，詳見(jiàn)表1，并對(duì)其作圖分析，得到各節(jié)點(diǎn)在不同方案下到達(dá)目標(biāo)溫度的時(shí)間圖，如圖6所示。

圖5 不同工藝下管坯各節(jié)點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化曲線(a)工藝①；(b)工藝②；(c)工藝③；(d)節(jié)點(diǎn)3在不同工藝下Fig.5 Temperature variation curves of various nodes of the pipe blank with time under different processes(a) process ①； (b) process ②； (c) process ③； (d) node 3 under different processes

表1 各節(jié)點(diǎn)在不同工藝方案下達(dá)到目標(biāo)溫度的時(shí)間(s)

圖6 各節(jié)點(diǎn)在不同方案下到達(dá)目標(biāo)溫度的時(shí)間Fig.6 Time of each node reaching the target temperature under different processes

可知，各節(jié)點(diǎn)到達(dá)1229 ℃和1230 ℃的變化趨勢(shì)基本保持一致，到達(dá)目標(biāo)溫度時(shí)間最短依次為節(jié)點(diǎn)2、1、4和3。對(duì)于工藝②，節(jié)點(diǎn)2和3分別到達(dá)1229 ℃和1230 ℃時(shí)所需時(shí)間相差均為43 200 s (12 h)。同時(shí)，工藝②下各節(jié)點(diǎn)到達(dá)目標(biāo)溫度所需時(shí)間最短，其次是工藝①，最后是工藝③。對(duì)于節(jié)點(diǎn)3，工藝②、③到達(dá)1229 ℃時(shí)所需時(shí)間相差約為23 040 s (6.4 h)，到達(dá)1230 ℃時(shí)所需時(shí)間相差約為23 760 s (6.6 h)。在確保管坯中心節(jié)點(diǎn)達(dá)到目標(biāo)溫度后，適當(dāng)保溫可進(jìn)一步優(yōu)化奧氏體晶粒尺寸及其內(nèi)部化學(xué)成分，為后續(xù)熱加工奠定良好的基礎(chǔ)，但如果保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，不僅會(huì)使管坯端部奧氏體晶粒過(guò)度長(zhǎng)大，可能會(huì)引起過(guò)熱同時(shí)增加生產(chǎn)成本，因此合理的保溫時(shí)間很關(guān)鍵。

3 結(jié)論

1) G115管坯在加熱過(guò)程中，外表面溫度分布極不均勻，管坯端部截面邊緣處溫度最高，管坯長(zhǎng)度1/2處溫度最低，兩者相差最大約為93 ℃；管坯加熱溫度越高，各部位溫差越小，階梯保溫也會(huì)使各部位溫差減小。

2) G115管坯加熱過(guò)程中，管坯端部截面邊緣處溫度最高且升溫速率最快，管坯長(zhǎng)度1/2截面中心處溫度最低且升溫速率最慢。在工藝①、②、③3個(gè)不同的加熱工藝下，管坯長(zhǎng)度1/2截面中心處的升溫速率分別為0.86、0.88和0.71 ℃/min。

3) 實(shí)際生產(chǎn)時(shí)推薦加熱工藝③為G115鋼大型管坯加熱工藝，即爐溫由300 ℃升高到500 ℃保溫4 h，再升溫到850 ℃保溫4 h，升溫到1000 ℃保溫4 h后升溫到1230 ℃保溫20 h。