鑄造 ZG40Cr25Ni20 高濃轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子座耐熱鋼鑄件技術(shù)淺析與工藝要點(diǎn)在硫酸工業(yè)的核心反應(yīng)裝置中，承載著高溫濃硫酸介質(zhì)侵蝕與強(qiáng)烈機(jī)械載荷的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子座（高濃轉(zhuǎn)子座），其服役環(huán)境可謂極其嚴(yán)酷。ZG40Cr25Ni20（即 ZG40Cr25Ni20Si2）這種高鉻鎳奧氏體耐熱鑄鋼，憑借其的綜合性能，成為制造該類關(guān)鍵大型耐熱部件（如轉(zhuǎn)子座）的主流材料。要成功鑄造出合格的高性能鑄件，必須對(duì)材料特性、鑄造難點(diǎn)及工藝控制形成系統(tǒng)性認(rèn)知。

 一、ZG40Cr25Ni20 材料特性與服役環(huán)境解析

ZG40Cr25Ni20 屬于高合金耐熱鋼鑄件，其標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)成分范圍如下：鑄造ZG40Cr25Ni20高濃轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子座耐熱鋼鑄件

 元素  C  Cr  Ni  Si  Mn  P/S (max) 

 含量 %  0.350.45  24.027.0  19.022.0  1.502.50  ≤ 1.5  ≤ 0.035 

* 高鉻 (Cr) 含量 (24-27%)：

  * 高溫抗氧化性：在服役溫度下（通常可達(dá) 900-1100°C），鉻能形成極其致密且附著性強(qiáng)的 Cr?O? 氧化層，有效隔絕氧氣向內(nèi)擴(kuò)散，阻止基體材料持續(xù)氧化、起皮。

  * 耐高溫硫腐蝕/熱濃硫酸腐蝕：鉻能形成較穩(wěn)定的鉻的硫化物或促使在基體表面形成保護(hù)性混合氧化膜，顯著提高材料在含硫氣氛（如硫酸生產(chǎn)中的 SO?、SO?）以及高溫濃硫酸介質(zhì)（如 >90% 濃度）中的耐腐蝕能力。

* 高鎳 (Ni) 含量 (19-22%)：

  * 穩(wěn)定奧氏體組織：鎳是強(qiáng)奧氏體形成元素，確保基體在高溫長期服役及鑄造冷卻過程中維持單相奧氏體結(jié)構(gòu)。奧氏體具有優(yōu)異的韌性、延展性及高溫組織穩(wěn)定性。

  * 抗高溫滲碳/滲硫傾向：有助于抑制環(huán)境介質(zhì)中的碳、硫向金屬內(nèi)部滲透。

* 碳 (C)：提供必要的室溫與高溫強(qiáng)度，但需控制在合適范圍（~0.4%），過高則顯著損害高溫塑性、韌性，并促進(jìn)有害碳化物析出。

* 硅 (Si)：作為輔助脫氧劑和合金元素，能提高高溫強(qiáng)度和抗氧化性，但含量也需控制避免增加脆性。

* 應(yīng)用背景：在沸騰爐或硫酸轉(zhuǎn)化器等設(shè)備中，高濃轉(zhuǎn)子座直接暴露于高溫（可達(dá) 1000°C+）、高濃度（93%及以上）的熱硫酸蒸汽、熔融硫磺及載有硫酸霧及硫氧化物的氣流環(huán)境中，同時(shí)承受復(fù)雜的機(jī)械應(yīng)力（如熱應(yīng)力、振動(dòng)、承載等）。ZG40Cr25Ni20 優(yōu)異的綜合性能正是為適應(yīng)此類“高溫 + 強(qiáng)氧化腐蝕 + 應(yīng)力"的協(xié)同作用而設(shè)計(jì)的。

 二、鑄造工藝的核心難點(diǎn)與技術(shù)挑戰(zhàn)

1. 熱裂敏感性：

   * 現(xiàn)象：凝固末期或高溫固態(tài)下易沿晶界開裂。

   * 原因：

     * 奧氏體線收縮率大（高達(dá) 2.0-2.3%）。

     * 高合金含量導(dǎo)致固相線以下溫度區(qū)間（~1200°C 以下）仍具有較大塑性變形阻力（低熱塑性），晶界液膜存留時(shí)間長、強(qiáng)度低。

   * 對(duì)策：需極其審慎地設(shè)計(jì)鑄造工藝緩解應(yīng)力集中。

2. 鑄造應(yīng)力巨大：

   * 來源：高收縮率、復(fù)雜結(jié)構(gòu)（壁厚不均）、鑄型及型芯阻礙。

   * 風(fēng)險(xiǎn)：熱裂、冷裂、甚至鑄件變形。

   * 對(duì)策：優(yōu)化結(jié)構(gòu)、改善鑄型退讓性、合理設(shè)置保溫緩冷等。

3. 易形成有害析出相：

   * 風(fēng)險(xiǎn)相：σ 相 (FeCr)、Cr??C?、Cr?C? 等碳化物。

   * 危害：嚴(yán)重惡化室溫及高溫韌性、塑性及高溫持久強(qiáng)度，加劇高溫蠕變脆性傾向。

   * 原因：高 Cr、C 含量提供析出驅(qū)動(dòng)力。緩慢冷卻（如厚大部位芯部）或長期高溫服役都會(huì)促進(jìn)析出。

   * 對(duì)策：精準(zhǔn)控制熱處理工藝參數(shù)。

4. 大型復(fù)雜鑄件組織性能均勻性控制難：

   * 壁厚差大：如法蘭、筋板與筒體連接處。

   * 問題：縮松縮孔傾向、組織粗細(xì)不均、成分潛在微觀偏析。

   * 對(duì)策：應(yīng)用優(yōu)良凝固模擬指導(dǎo)工藝優(yōu)化。

5. 高熔點(diǎn)及流動(dòng)性問題：

   * 熔點(diǎn)高（高于 1400°C），要求澆注溫度高（通常 1550-1600°C）。

   * 流動(dòng)性相對(duì)差：雖然 Si 能改善流動(dòng)性，但高合金量本身有不利影響。

   * 風(fēng)險(xiǎn)：導(dǎo)致冷隔、澆不足，尤其對(duì)薄壁或遠(yuǎn)端部位。

   * 對(duì)策：優(yōu)化澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)，確保充型平穩(wěn)、快速、避免二次氧化。

 三、關(guān)鍵鑄造工藝控制要點(diǎn)

1. 熔煉與爐前處理：鑄造ZG40Cr25Ni20高濃轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子座耐熱鋼鑄件

   * 原料優(yōu)選：高純度生鐵、廢鋼及鐵合金（如低碳鉻鐵、鎳板）。

   * 強(qiáng)化脫氧：綜合采用沉淀脫氧（FeSi、Al）與擴(kuò)散脫氧（C-Si、C-Al 合金粉），嚴(yán)格控制終脫氧鋁用量（避免形成高熔點(diǎn) Al?O? 夾雜）。

   * 成分微調(diào)與精煉：精確控制關(guān)鍵元素（C、Cr、Ni、Si）在最佳范圍；可考慮氬氣輔助攪拌改善純凈度。

   * 澆注溫度控制：通常 1550-1600°C（根據(jù)鑄件結(jié)構(gòu)、壁厚調(diào)整）。

2. 鑄造工藝設(shè)計(jì) (基于凝固模擬優(yōu)化)：

   * 澆注系統(tǒng)：

     * 開放式底注或階梯式澆注優(yōu)先，確保鋼液流動(dòng)平穩(wěn)上升、減少氧化、有利于順序凝固。

     * 足夠的充型速度（澆注時(shí)間）。

     * 過濾器（陶瓷、纖維）應(yīng)用可有效擋渣。

   * 冒口與冷鐵系統(tǒng)：

     * 大型轉(zhuǎn)子座常采用“保溫冒口 + 外冷鐵 + 內(nèi)冷鐵（激冷筋）"組合方案。

     * 目標(biāo)：實(shí)現(xiàn)強(qiáng)指向性的順序凝固，將縮松縮孔引入冒口。

     * 冒口設(shè)計(jì)需足夠大且高效（頂部加發(fā)熱覆蓋劑）。

     * 內(nèi)腔（尤其是芯子）中合理布置激冷材料加速特定部位冷卻非常關(guān)鍵。

   * 造型與制芯：

     * 高強(qiáng)度樹脂砂（如呋喃樹脂砂、酚醛樹脂砂）為，保證尺寸精度和足夠強(qiáng)度。

     * 提高型芯退讓性（如填充松散材料、可潰散涂料），減少鑄造應(yīng)力。

     * 復(fù)雜內(nèi)腔大砂芯內(nèi)部預(yù)埋冷鐵或設(shè)置通氣道。

     * 涂料選擇需兼顧高溫防護(hù)與燒結(jié)剝離性能。

3. 熱處理（關(guān)鍵中的關(guān)鍵）：

   * 目的：均勻組織、消除應(yīng)力、固溶碳化物、優(yōu)化高溫性能、改善加工性。

   * 標(biāo)準(zhǔn)工藝：

     * 固溶處理：加熱至 1050-1150°C (常用 1100±20°C)，保溫時(shí)間充分（視壁厚確定，通常每 25mm 壁厚約 1 小時(shí)，需保證透熱），隨后快速冷卻（水冷或強(qiáng)力風(fēng)冷）。

       * *原理*：溶解已析出的碳化物（如 Cr??C?）、σ相等有害相，獲得成分均勻的過飽和單相奧氏體組織，其韌性、塑性、抗蝕能力。快速冷卻是抑制其冷卻過程中再次析出的關(guān)鍵。

     * 穩(wěn)定化處理（可選但常推薦）：在 850-930°C 保溫（如 2-6 小時(shí)）后緩冷（空冷）。

       * *原理*：促使部分碳化鉻（Cr??C?）在奧氏體晶內(nèi)優(yōu)先析出，從而減少鉻在晶界的貧化（緩解晶間腐蝕傾向），同時(shí)使后續(xù)長期高溫服役或升溫過程中的組織狀態(tài)更為穩(wěn)定，降低再析出敏感性。

4. 質(zhì)量檢測：

   * 無損檢測：

     * 100% RT (X 射線或 γ 射線)：檢測內(nèi)部縮松縮孔、熱裂、夾渣等重大缺陷。

     * MT (磁粉) / PT (滲透)：檢測表面及近表面裂紋（鑄件精整后）。

     * UT (超聲波)：對(duì)厚壁區(qū)域進(jìn)行內(nèi)部缺陷輔助檢測，評(píng)估晶粒度均勻性（衰減法）。

   * 理化性能：鑄態(tài)試棒和附鑄試塊需按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行室溫力學(xué)性能（拉伸、沖擊）、高溫拉伸、高溫持久強(qiáng)度/蠕變?cè)囼?yàn)。確保符合 GB/T 8492 或其他相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)（如 ASTM A297/A297M）要求。

   * 金相檢查：驗(yàn)證奧氏體組織均勻性、晶粒度等級(jí)、評(píng)估有害相（碳化物、σ 相）的含量與分布形態(tài)。鑄造冶金質(zhì)量的核心判據(jù)之一。

 四、 結(jié)語

成功鑄造滿足高溫高濃硫酸轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子座嚴(yán)苛工況要求的 ZG40Cr25Ni20 大型鑄件，是一項(xiàng)集材料科學(xué)、冶金原理與精密制造于一體的復(fù)雜系統(tǒng)工程。深刻理解其成分-組織-性能的內(nèi)在聯(lián)系，準(zhǔn)確把握鑄造過程中熱裂、應(yīng)力、組織控制等核心挑戰(zhàn)，并通過精細(xì)化實(shí)施熔煉控制、基于凝固模擬的優(yōu)良工藝設(shè)計(jì)（特別是冒口冷鐵優(yōu)化）、嚴(yán)格的熱處理制度（以快速冷卻的固溶處理為核心）以及全面質(zhì)量檢測，是確保鑄件最終獲得高溫強(qiáng)度、優(yōu)異抗氧化/耐腐蝕性能、足夠韌性及長期服役可靠性的根本保障。隨著鑄造模擬技術(shù)（CAE）、優(yōu)良熔煉精煉技術(shù)（如 AOD/VOD 在鑄件領(lǐng)域的逐步嘗試）、高效熱處理裝備（如大型數(shù)控?zé)崽幚頎t）的不斷發(fā)展與應(yīng)用，ZG40Cr25Ni20 轉(zhuǎn)子座等關(guān)鍵耐熱鑄件的質(zhì)量和性能有望得到進(jìn)一步提升，為高溫、強(qiáng)腐蝕流程工業(yè)的核心裝備運(yùn)行安全提供更強(qiáng)支撐。在工業(yè)火焰與化學(xué)侵蝕的交錯(cuò)考驗(yàn)下，每一次工藝的精確把握，都將鑄造為工業(yè)裝置的韌性脊柱。