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鋼是我國歷時十余年自主研發(fā)、目前可工程用于630 ℃超超臨界火電機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熱擠壓方法進行生產(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，錠型擴大存在偏析傾向，同時添加B元素，可能含有低熔點共晶相，進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，加熱工藝不合理，會導(dǎo)致鋼錠組織過熱甚至過燒，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]通過有限元模擬對馬氏體耐熱鋼大型中空鑄件熱處理加熱過程進行了模擬優(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]通過有限元模擬對大型鋼錠鍛前加熱進行了工藝優(yōu)化，并在實際生產(chǎn)中得到了認(rèn)可和應(yīng)用。朱花等[9]、郭逸豐等[10]通過有限元模擬對大型鋼錠凝固過程進行了有限元分析，將模擬與實測結(jié)果比對后，兩者吻合度較好，可準(zhǔn)確預(yù)測凝固終了時間，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)測鋼錠中心透保時間，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) ℃進行均勻化處理，采用60MN快鍛機鍛造開坯成直徑φ900 mm的管坯。管坯以冷料狀態(tài)運送到3.6萬噸或5萬噸擠壓機車間進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個加熱工藝過程如圖1所示。

圖1 加熱過程示意圖Fig.1 Schematic diagrams of the heating processes

G115管坯有限元模型見圖2。管坯尺寸為φ900 mm×2000 mm，坯重10 t。采用ANSYS有限元軟件進行全模型計算，單元類型選擇Solid70，單元總數(shù)為10 280個，節(jié)點為11 562個。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G115鋼數(shù)據(jù)手冊。根據(jù)加熱工藝，研究管坯各部位溫度隨時間變化規(guī)律，確定管坯心部“熱透”時間，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 鋼錠加熱過程溫度場分布

為了準(zhǔn)確得到管坯外表面各部位溫度在加熱過程中隨時間分布云圖，選取工藝①下的6個時刻，分別為7200、21 600、34 200、48 600、62 280及184 680 s進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時的最大溫差為93 ℃，如圖3(a)所示；加熱到34 200 s時的最大溫差為69 ℃，如圖3(c)所示；加熱到62 280 s時的最大溫差為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小；管坯外表面各部位在21 600 s時的最大溫差為46 ℃，如圖3(b)所示；在48 600 s時的最大溫差為23 ℃，如圖3(d) 所示；在184 680 s時溫差為零，如圖3(f)所示；隨著溫度的升高及保溫時間的延長，各部位溫差逐步減小到零。

圖3 工藝①下G115鋼錠不同時刻溫度分布云圖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

在加熱過程中，管坯端部截面邊緣處最先接受爐內(nèi)燃?xì)獾臒彷椛洌搮^(qū)域面積小，傳熱快，最容易達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，由于G115鋼中的合金含量較高，導(dǎo)致材料導(dǎo)熱較慢，加劇了升溫過程各部位溫差。對于合金含量較高的耐熱鋼，當(dāng)各部位溫差較大時，容易引起熱應(yīng)力，當(dāng)該應(yīng)力超過臨界強度時容易引起熱裂紋[2]，所以對于此類耐熱鋼，制訂多階段加熱及保溫工藝，并適當(dāng)延長各階段保溫時間，對提高鋼錠加熱質(zhì)量，減小加熱缺陷有積極的作用。在保溫過程中，由于爐內(nèi)溫度不再升高，促進了管坯端部及表面向管坯中心傳熱，減小了各部位溫差，可促進管坯各部位溫度均勻性。

2.2 管坯各部位溫度隨時間變化曲線

為了準(zhǔn)確得到管坯各部位關(guān)鍵節(jié)點溫度隨時間變化曲線，了解各節(jié)點的升溫速率、溫差及“透保”時間，選取管坯4個關(guān)鍵節(jié)點，其分布如圖4所示。其中，節(jié)點1位于管坯端部截面中心處，節(jié)點2位于管坯端部截面邊緣處，節(jié)點3位于管坯長度1/2截面中心處，節(jié)點4位于管坯長度1/2截面邊緣處。

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

圖5為不同加熱工藝下各節(jié)點溫度隨時間變化曲線。從圖5可以得到各節(jié)點溫度變化情況。由圖5(a，b)可知，各節(jié)點在加熱過程中具有明顯的3個階段，而圖5(c)具有明顯的4個階段，表明工藝①和工藝②共有3個加熱和保溫階段，工藝③具有4個升溫和保溫階段。從圖5還可看出，在所有工藝下的加熱及保溫階段，節(jié)點2的溫度變化曲線均處在其他3個節(jié)點之上，表明其溫度最高，升溫速率最快。同時，節(jié)點3的溫度變化曲線在其它3個節(jié)點之下，表明其溫度最低，升溫速率最慢。各節(jié)點在升溫過程中的溫差增大，在保溫階段溫差減小。圖5(d)為管坯中心節(jié)點3在不同加熱工藝下的溫度與時間變化曲線。由圖5(d) 可知，在3個加熱工藝下，節(jié)點3的溫度均能達到目標(biāo)溫度。同時，節(jié)點3在3個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，到達目標(biāo)溫度所用時間最短，其次是工藝①，最后是工藝③。在整個加熱過程中，節(jié)點3在3個工藝下的升溫速率分別為0.86、0.88和0.71 ℃/min。考慮G115鋼加熱過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)點達到目標(biāo)溫度的時間，對曲線進行詳細(xì)分析，得到各節(jié)點到達1229 ℃和1230 ℃的時間，詳見表1，并對其作圖分析，得到各節(jié)點在不同方案下到達目標(biāo)溫度的時間圖，如圖6所示。

圖5 不同工藝下管坯各節(jié)點溫度隨時間的變化曲線(a)工藝①；(b)工藝②；(c)工藝③；(d)節(jié)點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)點在不同工藝方案下達到目標(biāo)溫度的時間(s)

圖6 各節(jié)點在不同方案下到達目標(biāo)溫度的時間Fig.6 Time of each node reaching the target temperature under different processes

可知，各節(jié)點到達1229 ℃和1230 ℃的變化趨勢基本保持一致，到達目標(biāo)溫度時間最短依次為節(jié)點2、1、4和3。對于工藝②，節(jié)點2和3分別到達1229 ℃和1230 ℃時所需時間相差均為43 200 s (12 h)。同時，工藝②下各節(jié)點到達目標(biāo)溫度所需時間最短，其次是工藝①，最后是工藝③。對于節(jié)點3，工藝②、③到達1229 ℃時所需時間相差約為23 040 s (6.4 h)，到達1230 ℃時所需時間相差約為23 760 s (6.6 h)。在確保管坯中心節(jié)點達到目標(biāo)溫度后，適當(dāng)保溫可進一步優(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)，但如果保溫時間過長，不僅會使管坯端部奧氏體晶粒過度長大，可能會引起過熱同時增加生產(chǎn)成本，因此合理的保溫時間很關(guān)鍵。

3 結(jié)論

1) G115管坯在加熱過程中，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，階梯保溫也會使各部位溫差減小。

2) G115管坯加熱過程中，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個不同的加熱工藝下，管坯長度1/2截面中心處的升溫速率分別為0.86、0.88和0.71 ℃/min。

3) 實際生產(chǎn)時推薦加熱工藝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。