670 MPa強(qiáng)度等級(jí)工業(yè)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子鍛件的生產(chǎn)

劉中華　何　成　劉京偉　徐　偉　黃淑秋　方章法　宋思遠(yuǎn)

(1.杭州汽輪動(dòng)力集團(tuán)有限公司，浙江310016；

2.杭州汽輪機(jī)股份有限公司，浙江310003；

3.杭州汽輪鑄鍛有限公司，浙江310006)

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670 MPa強(qiáng)度等級(jí)工業(yè)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子鍛件的生產(chǎn)

劉中華1何成1劉京偉2徐偉3黃淑秋3方章法2宋思遠(yuǎn)1

(1.杭州汽輪動(dòng)力集團(tuán)有限公司，浙江310016；

2.杭州汽輪機(jī)股份有限公司，浙江310003；

3.杭州汽輪鑄鍛有限公司，浙江310006)

摘要：采用優(yōu)選的鋼錠，選擇合理的鍛造及熱處理工藝，生產(chǎn)出符合要求的670 MPa強(qiáng)度等級(jí)工業(yè)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子。

關(guān)鍵詞：670 MPa；汽輪機(jī)；轉(zhuǎn)子；力學(xué)性能

28CrMoNiV鋼是我公司引進(jìn)西門(mén)子反動(dòng)系列工業(yè)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子鍛件的重要材料，它適用于進(jìn)汽溫度在540℃以下的工業(yè)汽輪機(jī)組。按西門(mén)子標(biāo)準(zhǔn)，該轉(zhuǎn)子的屈服強(qiáng)度為550 MPa～700 MPa。為了適應(yīng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，實(shí)現(xiàn)降本增效，提高機(jī)組效率，我公司針對(duì)部分進(jìn)汽溫度較低的機(jī)組(小于450℃)，在不改變轉(zhuǎn)子鍛件材料的前提條件下，提出屈服強(qiáng)度大于670 MPa的要求。因此，轉(zhuǎn)子鍛件生產(chǎn)單位需對(duì)原有生產(chǎn)工藝進(jìn)行改進(jìn)、調(diào)整。經(jīng)過(guò)探索實(shí)踐，公司成功地掌握了670 MPa強(qiáng)度等級(jí)工業(yè)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的生產(chǎn)工藝。本文著重介紹了我公司670 MPa強(qiáng)度等級(jí)工業(yè)汽輪機(jī)組轉(zhuǎn)子鍛件的生產(chǎn)實(shí)施過(guò)程。

1生產(chǎn)工藝

1.1技術(shù)要求及分析

根據(jù)我公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《0-0001-9200-00 工業(yè)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子體鍛件供貨技術(shù)條件》，兩種強(qiáng)度等級(jí)的28CrMoNiV轉(zhuǎn)子鍛件的化學(xué)成分及力學(xué)性能要求分別見(jiàn)表1和表2。

表1　28CrMoNiV鋼的化學(xué)成分要求(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2　28CrMoNiV轉(zhuǎn)子的力學(xué)性能要求

28CrMoNiV轉(zhuǎn)子鍛件的工藝流程為：鋼錠→熱送加熱→鍛造→鍛后預(yù)備熱處理→粗加工→檢測(cè)→調(diào)質(zhì)→檢測(cè)→檢查交貨。不改變化學(xué)成分而提高金屬材料強(qiáng)度，最簡(jiǎn)單的方法就是調(diào)整調(diào)質(zhì)熱處理工藝——降低回火溫度。回火溫度的降低會(huì)使金屬材料的強(qiáng)度得到提高，但這同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致韌性和塑性的下降。而從力學(xué)性能的要求來(lái)看，盡管轉(zhuǎn)子強(qiáng)度等級(jí)提高到了670 MPa，韌性和塑性相關(guān)的要求卻幾乎沒(méi)有變化。因此，若僅僅是簡(jiǎn)單的采取降低回火溫度的做法，很有可能造成產(chǎn)品韌性和塑性指標(biāo)不合格的情況。應(yīng)當(dāng)通過(guò)采用優(yōu)質(zhì)鋼錠、改變淬火工藝、降低回火溫度等一系列方法，使28CrMoNiV轉(zhuǎn)子鍛件在強(qiáng)度得到顯著提高的同時(shí)保證韌性和塑形指標(biāo)也能滿足設(shè)計(jì)要求。

1.2鋼錠選擇

根據(jù)轉(zhuǎn)子鍛件標(biāo)準(zhǔn)，鋼錠要求為電爐冶煉，并經(jīng)真空處理、鋼包精煉或其他能滿足鋼錠技術(shù)條件的冶煉方式。公司生產(chǎn)鍛件采用單真空鋼錠、雙真空鋼錠或電渣重熔鋼錠，并制定有相應(yīng)的采購(gòu)標(biāo)準(zhǔn)。

670 MPa強(qiáng)度等級(jí)轉(zhuǎn)子鍛件的鋼錠選擇，在滿足一般鋼錠的采購(gòu)標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，還應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：(1)選擇純凈度高的鋼錠。降低有害雜質(zhì)元素含量，減少N、H、O元素的含量，減少鋼中非金屬夾雜物，可使鋼的塑性和韌性明顯提高[1]。(2)在化學(xué)成分標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，選擇C元素接近下限、Ni、Mn元素接近上限的鋼錠。鋼中C含量的增加會(huì)提高鋼珠光體的體積百分含量，抑制鐵素體的塑性變形能力，隨著C含量的增加，沖擊韌性將降低。鋼中Ni元素不形成碳化物，幾乎完全溶入鐵素體，可起到固溶強(qiáng)化的作用，同時(shí)它的奧氏體穩(wěn)定化作用很強(qiáng)烈，使奧氏體在更低的溫度下分解，改善鋼的塑性和韌性[2]。鋼中Mn元素在含量較低(小于2%)時(shí)可增大過(guò)冷奧氏體穩(wěn)定性，這不僅有利于減少晶界碳化物數(shù)量及增大碳化物的彌散度，而且有利于形成針狀鐵素體，使晶粒進(jìn)一步細(xì)化，可同時(shí)提高強(qiáng)度及韌性[3]。

1.3鍛造

鋼錠加熱后送至鍛造車(chē)間，運(yùn)用45 MN水壓機(jī)采用墩粗和拔長(zhǎng)工藝進(jìn)行鍛造，鍛壓工藝流程為：壓鉗口→鐓粗→拔長(zhǎng)→修整分段→按轉(zhuǎn)子鍛坯尺寸鍛造。采用兩次鐓拔，端部墩成鼓型有利于切除偏析和縮孔等缺陷。鋼錠冒口及水口端均有足夠的切除量，以保證成品鍛件無(wú)縮孔和不允許的偏析等有害缺陷。

加熱是鍛造生產(chǎn)過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)，控制適當(dāng)?shù)募訜釡囟葮O為重要。加熱溫度越高，變形越容易，但加熱溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致晶粒極為粗大，且氧原子沿晶界入侵，極易形成網(wǎng)絡(luò)狀氧化物及易熔共晶氧化物，使得晶粒間的結(jié)合力大大減弱，鍛造過(guò)程中易產(chǎn)生裂紋[4]。而加熱溫度過(guò)低，則又可能導(dǎo)致產(chǎn)生拉伸裂紋。考慮到溫度過(guò)高或過(guò)低會(huì)產(chǎn)生的影響，結(jié)合長(zhǎng)期生產(chǎn)總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)，我們一般將鍛造溫度控制在850～1 240℃。

1.4熱處理

轉(zhuǎn)子鍛件的熱處理包括預(yù)備熱處理和調(diào)質(zhì)熱處理。預(yù)備熱處理在臺(tái)式爐上進(jìn)行，工藝曲線見(jiàn)圖1。預(yù)備熱處理采用正火+回火形式，以細(xì)化晶粒和改善材料內(nèi)部組織，為粗加工及調(diào)質(zhì)熱處理打下良好的基礎(chǔ)。

圖1　轉(zhuǎn)子預(yù)備熱處理工藝

調(diào)質(zhì)熱處理在井式爐內(nèi)進(jìn)行，是轉(zhuǎn)子鍛件達(dá)到技術(shù)要求的重要工序。調(diào)質(zhì)后期望能得到粒狀或板條狀的貝氏體組織(回火索氏體)，鐵素體的存在會(huì)降低高溫性能，因此盡可能不要出現(xiàn)鐵素體組織。

670 MPa強(qiáng)度等級(jí)轉(zhuǎn)子鍛件的調(diào)質(zhì)熱處理工藝曲線見(jiàn)圖2。主要采用了以下措施來(lái)保障鍛件質(zhì)量：(1)采用階梯升溫方式，避免加熱過(guò)快。升溫時(shí)若加熱速度過(guò)快，會(huì)導(dǎo)致淬火后殘余應(yīng)力疊加，可能帶來(lái)鍛件缺陷擴(kuò)展甚至開(kāi)裂等問(wèn)題。(2)采用水淬油冷工藝，確保獲得回火索氏體組織。(3)確保回火時(shí)工件的實(shí)際冷卻速度小于25℃/h，降低鍛件的殘余應(yīng)力。

圖2　轉(zhuǎn)子調(diào)質(zhì)熱處理工藝

與普通的550 MPa強(qiáng)度等級(jí)轉(zhuǎn)子鍛件調(diào)質(zhì)熱處理工藝相比，主要區(qū)別在于：(1)采用水淬油冷工藝替代了傳統(tǒng)的油冷工藝。水淬油冷工藝與普通的油冷工藝比較，冷卻速度更快，大大提高了鍛件的淬透性，馬氏體組織轉(zhuǎn)變更為充分，得到的晶粒組織也更細(xì)小、均勻，從而提高鍛件的室溫綜合力學(xué)性能[5]。(2)降低了回火溫度。淬火后的高溫回火，其實(shí)質(zhì)是馬氏體和殘余奧氏體的分解，以及滲碳體的聚集長(zhǎng)大和α相的再結(jié)晶，主要作用是降低鋼的強(qiáng)度，提高韌性和塑性，消除內(nèi)應(yīng)力，提高組織穩(wěn)定性[3]。因此，一般可通過(guò)回火溫度的調(diào)整得到所需的強(qiáng)韌性匹配。550 MPa強(qiáng)度等級(jí)轉(zhuǎn)子的回火溫度為680～690℃，670 MPa強(qiáng)度等級(jí)轉(zhuǎn)子鍛件的回火溫度在此基礎(chǔ)上降低了20℃(660～670℃)。通過(guò)回火溫度的降低提高了強(qiáng)度，韌性和塑性指標(biāo)也在可控范圍內(nèi)。

2性能檢驗(yàn)

采用上述工藝方案生產(chǎn)的670 MPa強(qiáng)度等級(jí)的28CrMoNiV轉(zhuǎn)子鍛件，通過(guò)性能檢測(cè)，完全滿足企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求。如我公司T8855機(jī)組采用的670 MPa強(qiáng)度等級(jí)轉(zhuǎn)子鍛件，在鍛件完成粗加工及調(diào)質(zhì)熱處理后，依照標(biāo)準(zhǔn)對(duì)轉(zhuǎn)子鍛件進(jìn)行了性能檢測(cè)。圖3為取樣示意圖。檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

圖3　轉(zhuǎn)子鍛件取樣示意圖

表3　T8855機(jī)組轉(zhuǎn)子鍛件力學(xué)性能檢驗(yàn)結(jié)果

檢驗(yàn)表明，轉(zhuǎn)子的整體外形尺寸及允許偏差符合標(biāo)準(zhǔn)要求，表面質(zhì)量良好。晶粒度檢驗(yàn)結(jié)果為7級(jí)，金相組織為回火索氏體(見(jiàn)圖4)，殘余應(yīng)力檢測(cè)結(jié)果為32.2 MPa(標(biāo)準(zhǔn)要求上限值為44 MPa)。其余各項(xiàng)指標(biāo)，如化學(xué)成分、力學(xué)性能、FATT50、硬度均勻性檢測(cè)和超聲檢測(cè)等也都符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖4　轉(zhuǎn)子的金相組織(500×)

3結(jié)論

通過(guò)優(yōu)選的單真空鋼錠、雙真空鋼錠或電渣重熔鋼錠，選擇合理的鍛造工藝和鍛后預(yù)備熱處理工藝，調(diào)質(zhì)熱處理采用水淬油冷技術(shù)，并適當(dāng)?shù)慕档突鼗饻囟龋缮a(chǎn)出性能完全符合要求的670 MPa強(qiáng)度等級(jí)的28CrMoNiV工業(yè)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子鍛件。

參考文獻(xiàn)

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[3]師昌緒，鐘群鵬，李成功,等.中國(guó)材料工程大典[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

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編輯杜青泉

Production of 670 MPa Rotor Forging for Industrial Steam Turbine

Liu Zhonghua, He Cheng, Liu Jingwei, Xu Wei,

Huang Shuqin, Fang Zhangfa, Song Siyuan

Abstract：By adopting the optimized steel ingot, and choosing the rational forging and heat treatment processes, a 670 MPa rotor for industrial steam turbine which can satisfy the requirements has been manufactured.

Key words：670 MPa; steam turbine; rotor; mechanical property

作者簡(jiǎn)介：劉中華(1982—)，男，工程師，碩士研究生，主要從事汽輪機(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)材料開(kāi)發(fā)及應(yīng)用方面的研究。電話：13575465870，E-mail:liuzh@htc.cn

基金項(xiàng)目：浙江省科技廳優(yōu)先主題重大工業(yè)資助項(xiàng)目(2008C01063)。

收稿日期：2015—09—08

中圖分類(lèi)號(hào)：TG316

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B