30Cr1Mo1V汽輪機轉子的生產工藝

文/龔東升·天重江天重工有限公司

30Cr1Mo1V汽輪機轉子的生產工藝

文/龔東升·天重江天重工有限公司

轉子工作時不僅需要承受高速旋轉（3000r/min）所產生的巨大離心力，同時還承受扭轉和彎曲的應力，是汽輪機上重要的安全部件。因此，要求其強度高、韌性好、組織性能均勻、殘余應力小等，探傷執行標準為JB/T1265-2002。轉子的鍛造難度大于一般軸類鍛件，因此必須要有可靠的工藝、先進的設備和熟練的操作工人才能保證鍛出優質的轉子。

我公司經過幾代技術人員的研究，已經擁有較為成熟的轉子鍛造工藝和熱處理工藝，已經能生產30萬、60萬千瓦汽輪機轉子鍛件。現以30CrMo1V汽輪機整體轉子為例介紹一下汽輪轉子的生產工藝。

轉子的生產流程

為了使轉子達到技術標準中的各項規定，其生產過程中的每一環節，都應有嚴格的技術規范和檢測措施，目前其生產流程如下：

冶煉→鑄錠→加熱→鍛造→第一次熱處理（鍛后熱處理）→鍛件外觀檢查→切取低倍試片→毛坯超聲探傷→鍛件初加工→超聲波探傷→機加工→第二次熱處理→（調質）→切取性能試樣、鉆中心孔→檢查內孔質量→超聲波探傷→外觀尺寸檢查→合格件交付。

原材料

隨著大型發電機單機容量的不斷增大，轉子鍛件也相應朝著大型化發展，為了保證鍛件質量，鋼錠的尺寸也趨于大型化。分析國外電站事故的原因可以得出以下結論，轉子斷裂除了應力集中、轉子中心區橫向塑性低和脆性轉變溫度較高外，還發現轉子中存在著大量的夾雜物和疏松等冶金缺陷，甚至有些還存在白點。因此，鋼錠在冶煉時需要采用先進的工藝方法，嚴格控制硫磷和其他有害元素的含量。硫、磷含量均應不大于0.012%，鋼中氫氣含量應不大于1.5ppm。澆注也應采用真空或其他先進方法，以降低有害氣體的含量，減少疏松程度。

鍛造

鍛件尺寸愈大，鋼錠中的冶金缺陷愈嚴重，在鍛造過程中改善缺陷愈困難。因此，為生產出質量合格的大型鍛件，就應根據鍛件組織性能的具體要求，正確選用恰當的變形工藝，改進操作方法，以及利用坯料不均勻的溫度場和應力場等，使坯料鍛透，內部空洞類缺陷得到焊合，從而達到改善鍛件內部質量和提高鍛件力學性能的目的。

轉子鍛造過程中，拔長和鐓粗是兩個最基本也是最重要的變形工步。在改進鋼錠變形的新工藝方法中，應始終以這兩種變形工步為基礎，改變變形鋼錠的受力狀態。

圖1 整體轉子鍛件圖

圖2 加熱工藝曲線圖

依照以上所述，使用WHF法進行鍛造，砧寬比不小于0.8，單面壓下量為11%。轉子材質為30Cr1Mo1V，要求鍛造比不小于3，鍛件重29.4t，材料利用率為68%，鋼錠重43t，火次為四火，整體轉子鍛件圖如圖1所示。

加熱工藝

該整體轉子采用的是合金結構鋼，始鍛溫度為1220℃，終鍛溫度為750℃，根據車間設備實際情況（臺車式加熱爐，燃燒介質為煤氣），經多次實際檢測，爐膛內鍛件本體溫度比爐前儀表顯示溫度低30℃左右。在（850±10）℃時對鍛件保溫5h，保證溫度均勻，再升溫至1250℃。

圖中橫線代表時間區間，其中“待料”是指該加熱爐的鋼錠陸續到達之前的等待時間，

時間長短不一，主要取決于煉鋼分廠的生產進度；“5h”等類似符號代表此溫度階段保溫的最小時間。豎線代表溫度的大小；斜線代表等速率升溫。

圖3 8000t水壓機

鍛造工藝

選用工具及設備

我公司選用的設備主要為8000t水壓機，該水壓機為三梁四柱型結構，2006年由6000t改造成8000t，改造后公稱噸位為8000t，鍛造能力為拔長150t，鐓粗80t；配套設備為150t運輸車、150t鍛造車、80t操作機；選用輔助工具為80t吊鉗、75t翻轉吊鉗、上平下V砧、鐓粗漏盤、鐓粗帽等。

四火次的確定

第一火：該火次進行壓φ850mm鉗把、倒棱、錯底。當第一火只是壓鉗把和帶錐度倒棱時，鍛造溫度下的最小保溫時間可以比工藝規定時間縮短一半。

第二火：該火次進行第一次鐓粗壓實，是關系到轉子鍛件內部質量的關鍵火次。為保證中心壓透，始鍛溫度為1270℃，保溫時間為14h，終鍛溫度為800℃。鐓粗鍛件到φ2200mm×1150mm時，用1200mm平砧，并注意每一趟與上一趟錯砧50%，單面壓下量為11%；然后滾外圓到φ1350mm。該火次的鍛造比為2.65，未滿足要求的鍛件需要進行第二次壓實。

圖4 分料成形鍛件

圖5 熱處理工藝曲線圖

第三火：該火次進行第二次鐓粗壓實。始鍛溫度為1270℃，終鍛溫度為800℃，保溫14h。鐓粗鍛件到φ2200mm×1120mm，拔長時保證雙面壓下量為22%，最后滾外圓到φ1300mm。

第四火：該火次進行鍛件成形。始鍛溫度為1200℃，終鍛溫度為750℃，保溫5h，使用600mm上平下V砧，通拔到φ1240mm，按圖4分料成形鍛件（可分為兩火完成）。

注意第二、三、四火，在生產過程中準備好燒剝設備，及時鏟除鍛造過程中出現的裂紋，尤其是第四火成形時嚴禁帶裂紋鍛造。經過以上鍛造過程，鍛造比達到了5.5,滿足要求。火耗大約為6%，實際生產中第四火可以分為兩火完成，但此時由于剩余鍛造比很小，保溫的溫度不要超過1100℃，以防止晶粒粗大。

熱處理工藝

大鍛件的熱處理，包括鍛后冷卻、退火（低溫退火、中間退火、完全退火、等溫退火等）、正火、回火、調質，還有等溫冷卻及起伏等溫退火等。大鍛件熱處理通常與鍛后冷卻結合在一起進行。根據轉子鍛件需要滿足的力學性能、高溫持久強度和硬度的要求，制定了如圖5所示的熱處理工藝曲線。

圖中橫線代表時間區間，其中“待料”是指該加熱爐的鋼錠陸續到達之前的等待時間，時間長短不一，主要取決于煉鋼分廠的生產進度。“6”等數字代表此溫度階段保溫的時間。“（720±10）℃”代表該階段的溫度，“（7）”表示該階段先進行均溫7h。豎線代表溫度的大小，斜線代表等速率，升溫技術要求應滿足以下5點：

⑴鍛造完成后立即回爐處理，表面溫度不得低于720℃。

⑵吊下空冷時置于不小于450mm的墊鐵上散開冷卻。

⑶嚴禁火焰直接噴燒工件，嚴格執行熱處理工藝的要求。

⑷括號內的時間僅供參考，根據工件溫度的多少可適當延長均溫時間。

⑸調彎以后，待650℃均溫后，需補足剩余的20h保溫時間。

對經過上述熱處理之后的鍛件，進行毛坯探傷，檢驗結果為合格，未發現缺陷。調質處理前對鍛件進行探傷，結果也為合格。

結束語

用戶對轉子生產過程中的工藝參數要求嚴格，因此我公司采用兩次鐓粗壓實的方法，對鋼錠心部的疏松、氣孔等缺陷進行壓實，同時利用WHF法，單面大壓下量鍛造，迫使鍛件心部產生較大變形，其心部的變形比用普通平砧拔長要大得多，同時必須保證每火次的鍛件溫度和保溫時間。在鐓粗壓實的兩火中，鐓粗一定要到位，嚴格按照工藝要求執行，確保生產出合格的轉子鍛件。

龔東升，助理工程師，主要研究大型鍛件的工藝和RR法全纖維曲軸的鍛造技術。