本发明一种细化厚大截面超低碳马氏体铸钢件晶粒度的热处理工艺，采用一次阶梯式保温正火工艺，具体包括以下步骤：将工件以≤70℃/h升温速度加热到600‑700℃，保温2‑6小时；继续以70～100℃/h升温速度加热到固溶处理温度1000‑1100℃，保温；再将温度以70～100℃/h的速度下降到800‑950℃，保温；然后以80～120℃/h的速度快速升温到900‑1000℃，保温；采用喷雾冷却到500℃以下，然后继续风冷至300℃以下，继续空冷至100℃以下。本发明的有益效果是：能够一次性细化晶粒，满足探伤要求，同时还可有效的降低生产成本，节约能源。