核電AP1000整鍛低壓轉子的試制

曹志遠 張海峰 季 雪 高建軍

(天津重型裝備工程研究有限公司，天津300457)

常規島低壓鍛件是核電機組的關鍵零部件，采用整鍛轉子可以大幅降低葉輪的切向應力，進而降低葉輪的合成應力，這樣轉子就可以采用較低屈服強度的材料制造。轉子材料通過選用更低的屈服應力和超低的磷硫含量，可以顯著降低應力腐蝕(SCC)發生的可能性。同時，采用整鍛轉子能夠有效減少產生汽輪機飛射物的可能性。目前常規島整鍛低壓轉子是世界上所需鋼錠最大(600 t級)、鍛件毛坯最重(173 t)、截面尺寸最大(?2 796 mm)、技術要求最高的實心鍛件，是熱加工綜合技術水平最高的代表產品。

為實現AP1000核電整鍛低壓轉子的試制，一重在熱加工煉鋼、鍛造、熱處理方面進行了大量的科研準備工作，本文僅對鍛造研究內容進行簡要的敘述。

1 材料的熱鍛力學性能和動態再結晶規律研究

實驗材料：30Cr2Ni4MoV轉子鋼，鍛態，初始晶粒尺寸275 μm；

試驗方法：熱壓縮試驗獲取熱鍛力學性能，熱壓縮后立即淬水，金相試驗測定晶粒尺寸，獲取晶粒演化規律。

實驗結果：圖1為轉子鋼在不同溫度和不同應變速率下的應力應變曲線，可以看出有三類形狀曲線：低溫高應變速率下的應力應變曲線呈單調上升狀，它對應動態回復，形成亞晶，但沒有晶粒粗化和細化；在中等溫度和應變速率下應力應變曲線呈單峰型，它對應動態再結晶和晶粒細化；在高溫和低應變速率下應力應變曲線呈多峰型，它對應晶粒長大。引入Z參數：

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2 壓實方法的研究

根據材料的流變曲線，用Deform軟件對直徑4 500 mm的鍛坯進行數值模擬。按起始砧寬比0.5對WHF、KD、FM三種拔長方法(見圖5)進行單道次20%壓下量的數值模擬。邊界參數為：上模均速取20 mm/s，模具與鍛坯熱摩擦系數取0.7，材料30Cr2Ni4MoV的流變曲線取自圖1所示的實驗參數，不考慮溫度場按恒溫1 200℃模擬。模擬后的后處理主要以等效應變、靜水壓力、X、Y、Z方向的應力分布以及水壓機載荷來分析，分析結果見表1。

圖1 30Cr2Ni4MoV鋼的真應力-真應變曲線Figure 1 The stress-strain curve of 30Cr2Ni4MoV steel

圖2 平均晶粒度D(μm)與lnZ的關系(真應變ε=0.7)Figure 2 The curve of mean grain size D(μm)-lnZ (True strainε=0.7)

圖3 不同溫度下/s)再結晶體積分數隨應變的變化Figure 3 The changes of recrystallization volume fraction with strain under different temperature /s)

圖4 lnD2 - lnZ關系圖Figure 4 The relationship curve of lnD2-lnZ

根據以上研究結論并綜合考慮鍛造600 t級鋼錠所用的150 MN水壓機的載荷、心部變形效果、設備操作的難易性、可鍛造時間等因素，最終將FM做為鋼錠壓實的主要拔長方法。

圖5 三種拔長方法Deform前處理圖Figure 5 The pre-processing drawings of three type drawing out method

拔長方法等效應變心部靜水壓力σm心部三向應力狀態水壓機最大載荷/MNWHF從X、Y、Z三個方向的等效應變分布來看,心部等效應變為0.2,最大等效應變在1/4△H(變形后的坯料高度)附近,整個截面的變形區域較小,分布較均勻。心部呈壓應力狀態,靜水壓值為-11.3,分布區域最小。一向壓,兩向拉201KD從X、Y、Z三個方向的等效應變分布來看,最大等效應變在心部為0.3,整個截面的變形區域最大,分布較不均勻。心部呈壓應力狀態,靜水壓值為-15,分布區域最大。兩向壓或三向壓266FM非對稱性變形,從X、Y、Z三個方向的等效應變分布來看,最大等效應變在心部為0.3,窄砧下方的等效應變數值要大于平臺上方的等效應變,區域性分布近似于WHF的等效應變分布。心部呈壓應力狀態,靜水壓值為-15,分布區域較小。兩向壓或三向壓235

3 熱鍛平均晶粒度控制的研究

在終鍛成形時必須考慮有效解決鍛造所引起的“混晶”問題。由于塑性變形后的各種材料，在每種溫度下都對應著最大晶粒長大尺寸，而且與加熱時間關系不大。因此，避免無鍛比鍛造和控制終鍛溫度是保證晶粒組織合格的兩種常用方法。不同溫度條件下晶粒穩定尺寸關系曲線如圖6所示。

圖6 不同溫度條件下晶粒穩定尺寸Figure 6 The grain stabile size under the different temperature condition

另外，采用平均晶粒度預測的數值模擬技術對轉子鍛造最終出成品階段材料的再結晶和晶粒長大過程進行了數值模擬，預測了轉子各部位的平均晶粒度，避免因鍛造工序控制不當產生晶粒異常粗大和后續混晶缺陷，見圖7。

圖7 轉子成品平均晶粒度的模擬結果Figure 7 The simulating result of mean grain size in finish rotor

圖8 AP1000核電整鍛低壓轉子的鍛造過程Figure 8 The forging process of LP integral forged rotor for AP1000 nuclear power plant

4 產品試制

根據多年積累的大鍛件鍛造經驗以及兩年多的專項科研準備最終確定了AP1000核電整鍛低壓轉子的鍛造工藝方案。于2009年6月開始了AP1000核電整鍛低壓轉子的生產試制。

AP1000核電整鍛低壓轉子采用580 t鋼錠鍛造，鍛造過程見圖8。鍛造工藝上采用了兩次鐓粗三次拔長的鍛造工藝，最終成形。

5 結果及結論

試制的AP1000核電整鍛低壓轉子調質后探傷結果顯示，整個鍛件(最大軸身直徑為?2 826 mm)心部?1.6 mm可探，未發現超標缺陷。其結果表明一重的鍛造技術已經解決了600 t鋼錠的心部疏松、縮孔等鑄造缺陷的壓實問題，具備了生產600 t級AP1000核電整鍛低壓轉子的鍛造能力。