異種鋼轉子鍛件的開發和制造

李紅

（哈爾濱汽輪機廠有限責任公司，哈爾濱 150046）

1 引言

異種鋼轉子（MAR）中壓部分最大直徑為1100mm，低壓部分的最大軸身為φ1440mm，全長5500mm。CrMoV 鋼和3.5%NiCrMoV 鋼之間的部位稱為這兩種鋼混合成分的過渡區域，為了通過熱處理獲得預期的機械性能，這種過渡區的形狀和位置的確定成為極其重要的因素。而且，過渡區的軸對稱性一旦被破壞，由于運行期間周向熱膨脹系數不同，會因中心線的偏移而產生振動，這對高速旋轉的汽輪機轉子是致命的。因此，在鋼錠制造和鍛造時要控制過渡區的形狀和位置，并保持其軸對稱性，這是制造MAR的關鍵。此外，MAR 受到了嚴格的制約，因為必須把異種鋼接合的鍛件同時在不同條件下進行熱處理。為此，本文進行了以下的制造技術開發。

2 MAR的制造

為掌握鋼錠的周向方位、過渡區的位置及其軸對稱性，在各操作步驟前后作記號。用于作為電渣重熔電極的CrMoV 鋼和3.5%的NiCrMoV 鋼分別在電爐和鋼包精煉爐中獲得。把制出的CrMoV 鋼和3.5%NiCrMoV 鋼的鋼錠鍛造成圓棒形，再把兩者焊接成一根ESR 鋼錠。在鋼錠T部用氣刨法提取桶樣分析的試樣，因此該處出現了一個凹口，以此作為以后工序中確定周向方位的基準。

為了在鍛造中確定過渡區的位置關系，在鍛造前，特殊金屬墊在ESR 鋼錠處和鋼錠表面分別做出過渡區開始位置和終端位置的兩個標記（軸心部和表層部2 處）。這種標記用的金屬墊是專為MAR 新制的，用這種三角金屬墊一般不會像以前所做的標記那樣，鍛造后在表面殘存很深的瑕疵。鍛造時使用了8000t 和10000t 鍛壓機。鍛造后的低壓部分由于專用金屬墊的使用、多種測量方法的并用、鍛造方法的優化（溫度，變形速度，L/D 比等），使過渡區的軸對稱性保持在所要求的范圍內。

為了鑒別回火后的鍛造鋼錠的過渡區，把外圍部分進行機加工后，用便攜型熒光X 射線分析裝置對相當于過渡區的部分進行成分分析。沿軸長方向的單向延伸最大為50mm，這對直徑為1500mm 左右的自由鍛件來說是個良好的結果。

此外，內部的過渡區形狀是根據超聲波探傷（UT）的回波分布來掌握的。過渡區截面的UT 檢查結果實例，根據結晶晶粒直徑的不同，其晶界線會在過渡區內部出現。由外圍部表層分析結果和UC 檢查結果制出了鍛造鋼錠中的過渡區位置以及三維形狀圖。這種過渡區的三維形狀圖在以FEM為依據的熱穩定性解析中也得到應用。為了使運行條件下軸心的移動最小，使用熱穩定性最佳化程序來決定制品在鍛造鋼錠中的位置，然后進行調質前的機加工。

為了使異種鋼鍛件經過熱處理得到規定的性能，采用了高低壓一體化轉子調質方法——偏差熱處理方法。由于熱處理條件復雜，要根據FEM 熱分析結果求出這種MAR中的最合適的偏差熱處理條件。從熱分析的結果來看，在調質熱處理中，把CrMoV 鋼和3.5%NiCrMoV 鋼分別加熱到970°C 和670°C，通過對CrMoV 鋼和3.5%NiCrMoV 鋼分別實施強制空冷和噴水冷卻進行淬火，然后再對其分別實施670°C 和600°C的偏差回火。

3 MAR的質量檢驗

進行調質后的材料試驗和無損檢查后的分別加工，實施熱穩定性試驗。測量軸心移動的熱穩定性試驗是用以下方法進行的：從室溫開始漸漸加熱，中壓部分加熱到621℃，低壓部分加熱到399℃，然后保持此狀態24h，再測量降溫到室溫時的外圍偏差程度。連續測量各溫度下外圍的偏差，以求出加熱和停止時軸心的移動量。經確認，軸心的移動量在設計目標值以下，故可應用于實際。

軸心部分沿長度方向的成分分布，過渡區從B 端（發電機側）約2500mm 處開始，在3500mm 處完全變成3.5%NiCrMoV 鋼成分。灰色的濃淡交界區是CrMoV 鋼和過渡區的界線。界線的位置與根據外圍部成分分析結果和UC檢查結果推算出的位置完全一致，這顯示了MAR 制造中開發的過渡區確定方法的有效性。

制造的MAR 各部位的機械性能。中壓部分和低壓部分的材料性能都與分別用CrMoV 鋼和3.5%NiCrMoV 鋼制造的轉子基本相同，完全滿足設計目標值要求。

這根MAR 也叫做ESR 制品，已確認，通過從外圍開始的UT 檢查，缺陷很少，充分滿足了規定的質量要求。

4 結語

本文開發的適用合缸用轉子材料的MAR，化學成分、力學性能以及熱穩定性等方面都符合設計目標。加大了MAR的設計自由度，能進一步提高汽輪機的效率。