大型電站用1Mn18Cr18N護環研制

徐文正

(上海電氣上重鑄鍛有限公司，200240)

護環是發電機組中最關鍵的部件之一，是用來緊箍發電機轉子兩端繞組線圈的圓環，形狀簡單，但是工作時承受裝配應力、離心力、彎曲應力和熱應力等，是發電機組中承受應力最大的主要部件。所以護環要求具有較高的屈服強度、良好的塑性指標、均勻的力學性能和較小的殘余應力。一般功率在300 MW以上的大型機組護環，其屈服強度Rp0.2都在1000 MPa以上。護環在強磁場、潮濕的腐蝕介質中工作，為了提高發電機的效率，減少漏磁和渦流熱損耗，防止工作溫度過高，護環通常采用導磁率極低的1Mn18Cr18N奧氏體鋼制造。某公司根據用戶要求，通過對該材料進行分析研究，結合早期的生產經驗，制定了合理的生產試制工藝，并完成了小批量的300 MW水氫冷護環鍛件試制。

1 試制工藝

1.1工藝流程

根據1Mn18Cr18N的鋼種特性，制定了如下生產工藝路線：電渣重熔→鍛造→固溶處理→取樣檢測→冷變形強化→除應力處理→取樣檢測。

1.2 冶煉

護環用1Mn18Cr18N鋼的元素要求特殊，高錳高鉻低硅低鋁，N高達0.50%以上，化學成分的控制范圍又非常狹窄。因此，電渣重熔過程的控制難度很大，稍有不慎就可能導致成分超標報廢。為此，在護環用1Mn18Cr18N電渣鋼錠的試制中，采取以下一些措施。

(1)根據成品的成分要求及電渣重熔過程各元素的物理化學變化行為，優化設計自耗電極的化學成分要求。

(2)全過程跟蹤自耗電極的生產制備，對每一爐自耗電極都進行成分復驗，不合格者退回，從源頭上控制好質量。

(3)針對該鋼種的特殊性，優化了電渣重熔工藝參數；電渣重熔全過程采用干燥空氣保護技術。同時，工藝技術人員現場跟班，精心操作，重熔過程定時取樣分析，動態調整脫氧劑加入量。

采用電渣重熔方式冶煉護環試制件的鋼錠。電渣重熔冶煉的初步工藝流程為：EF+ESR，具體流程為：電極準備→通電→造渣→冶煉、熔化→測溫→取渣樣→加脫氧劑→補縮→脫氧→脫錠。

表1 護環化學成分(質量分數，%)Table 1 Chemical composition of retaining ring(mass fraction，%)

通過以上各項措施，生產了兩支8.5 t 300 MW水氫冷護環用1Mn18Cr18N電渣錠，化學成分滿足標準要求，具體檢測結果見表1。

1.3 鍛造

鍛造是護環整個生產過程中最關鍵的工序之一。通過鍛造不僅要保證護環毛坯成形，更主要的是護環內部組織細化和均勻晶粒，提高護環脹形前的初始強度，保證護環最終達到較高的強度并具備較好的塑性，同時滿足超聲檢測的要求。

鍛造1Mn18Cr18N護環存在相當的難度。一方面由于護環材料的合金含量高，鍛造裂紋明顯增多，鍛件出現開裂的機會大大增加；另一方面，護環鋼本身屬本質粗晶粒鋼，而1Mn18Cr18N護環當鍛造溫度大于1100℃時，晶粒長大傾向明顯；當鍛造溫度大于1200℃時，晶粒長大急劇。同時，當鍛造溫度低于1000℃時，護環熱坯變形抗力增大，使得在有限的壓力下護環變形趨于困難。

為了攻克護環鍛造難關，在工藝上采取了以下幾條措施并獲得了理想的效果。300 MW水氫冷護環毛坯尺寸見圖1，鍛造工藝方案見表2。

圖1 護環鍛件毛坯尺寸Figure 1 The block size of retaining ring forgings

表2 護環熱鍛工藝方案Table 2 The forging process plan for retaining ring

(1)小變形、多火次中溫區鍛造

選擇1190～950℃為主要鍛造溫度區域，同時采用小變形、多火次鍛造，這樣不僅減少了鍛件裂紋，而且保證了護環晶粒度的要求。

(2)均勻變形

為了保證護環晶粒度的均勻性，在護環的整個熱變形過程中，嚴格控制各火次的變形程度。除鐓粗比以外，其余各火次的鍛造比一般在1.3～1.4范圍內。

1.4 固溶處理

1Mn18Cr18N鋼在加熱過程中不發生相變，是單相奧氏體鋼。所以通常應使熱加工過程中產生的碳化物經過高溫固溶處理進入奧氏體，然后把碳呈固溶狀態的奧氏體組織進行快冷保留到室溫，以提高材料的塑韌性和抗應力腐蝕能力。固溶處理工藝如圖2所示。

圖2 護環固溶處理工藝曲線Figure 2 The solution heat treatment of retaining ring

固溶處理后對護環進行檢測，護環試制件1的檢測靈敏度為?3 mm，出現一處底波下降區域，護環試制件2的檢測靈敏度為?1.8～?2.0 mm，兩件護環均未發現超標缺陷。經分析，由于鍛造加熱過程中的異常，導致護環試制件1表面出現“太陽斑”現象，致使其檢測靈敏度較低且出現底波下降。

對兩件護環冒口端進行性能及組織檢測，僅發現微量碳化物，晶粒度情況良好，脹形前初始強度較高，具體結果見表3。同時，對護環試制件2從外壁至內壁每隔25 mm進行晶粒度檢測，如表4所示，金相照片如圖3所示。由此可見，通過護環熱鍛及后續固溶處理后，可以得到穩定的奧氏體，晶粒度均勻性也較好。

1.5 冷變形強化

冷變形強化的目的是通過適當的冷變形方式，使護環在冷擴孔變形中得以強化，以保證護環獲得最終交貨尺寸的同時，達到產品的性能要求。

護環試制件擬定采用外補液的冷變形強化方法，其脹形原理是：在加工好的護環毛坯內注滿液體，并使液體產生高壓，高壓液體產生的變形力使護環毛坯在冷態下產生永久性塑性變形，隨著護環毛坯變形程度的增大，直徑變大、高度縮小、厚度減薄，其強度顯著提高。護環脹形前后毛坯尺寸如圖4所示。

表3 護環脹形前性能及晶粒度Table 3 Performance and grain size of retaining ring before hydraulic expansion with additional liquid

圖3 護環冒口端從外壁至內壁晶粒度Figure 3 The outer wall to inner wall grain size of the retaining ring riser head

表4 護環冒口端徑向從外壁至內壁晶粒度Table 4 The outer wall to inner wall grain size in radial of the retaining ring riser head

圖4 護環脹形前后毛坯尺寸Figure 4 The blank size of retaining ring before and after hydraulic expansion with additional liquid

圖5 護環除應力工藝曲線Figure 5 The stress relief heat treatment of retaining ring

在護環脹形過程中，根據護環外徑尺寸的變化情況，調整脹形裝置的壓力和兩端阻力環的高度尺寸。脹形后，護環兩端尺寸基本相同，且整體外徑偏差均在18 mm以內。

1.6 除應力處理

冷變形強化后的護環，由于冷變形過程中造成比較高的殘余應力。為了穩定護環冷變形后的尺寸，必須消除大部分殘余應力，并使其呈較均勻的分布狀態。除應力工藝如圖5所示。

表5 力學性能檢測結果Table 5 The examination results of mechanical property

圖6 護環脹形后組織Figure 6 The microstructure of retaining ring after hydraulic expansion with additional liquid

對護環試制件1的冒口端、護環試制件2的兩端取樣進行性能檢測，見表5。由于護環試制件1脹形外徑尺寸沒有到位、其中徑變形量不足，致使強度偏低，但其塑性指標富余較多。若對其繼續脹形，性能完全可以滿足標準要求。護環試制件2的冒口端性能已滿足標準要求，但底部端的塑性指標較差。對其進行金相分析，底部端試樣在晶界和基體上存在較多的圈狀碳化物，而冒口端試樣則少了許多，金相組織見圖6。

對兩件護環進行超聲檢測，護環試制件1檢測靈敏度為?2.0 mm，熱鍛后底部下降區域依然存在；護環試制件2檢測靈敏度為?1.6 mm，未發現超標缺陷。

2 缺陷分析及控制措施

2.1 缺陷分析

護環試制件1的超聲檢測問題是由于鍛造加熱過程中的異常，加熱噴嘴火焰直接噴射至護環毛坯表面，導致出現“太陽斑”現象，致使其檢測靈敏度較低且出現底波下降。

護環試制件2的底部端碳化物問題，是由于護環毛坯固溶處理后僅對冒口端做了取樣檢測。同時，在固溶處理過程中，水冷速度不夠，導致晶界和基體上析出了大量圈狀碳化物。將護環試制件2的底部端試樣在模擬爐中再次進行固溶處理后，圈狀碳化物全部固溶進入了奧氏體，其組織情況見圖7。

圖7 護環底部端試樣再次固溶處理后組織Figure 7 The microstructure of the bottom of retaining ring sample after the re-solution heat treatment

2.2 控制措施

(1)選定爐況最好、最合適的加熱爐，護環裝爐前確保所有的噴嘴均處在正常狀態，確保燃氣、空氣、壓縮空氣管道無泄漏，所有相關儀表和設備均正常且可以良好使用。

(2)固溶處理裝爐時，選用兩點吊工裝代替托盤。護環出爐水冷時，加快上下竄動的頻率，加快工件冷卻速度減少碳化物析出。固溶處理后，在護環兩端取樣進行金相檢測，確保護環脹形前的組織。

3 結論

通過該批次300MW水氫冷護環試制，基本

掌握了護環整個生產過程的工藝。鍛造和固溶處理后，可以得到穩定的奧氏體，晶粒度均勻性也較好。同時，脹形后的護環性能強度和塑性都有一定的富余。雖然由于鍛造加熱和碳化物析出的問題，兩件護環都沒有達標，但都已將問題分析清楚且明確了控制措施，為后續生產打下了堅實的基礎。

參考文獻

[1] 趙俊民.1Mn18Cr18N鋼無磁性護環鍛件的試制[J].大型鑄鍛件，2010(1)：27-29.

[2] 楊兵，曲東方，郭寶強，等.600MW 1Mn18Cr18N護環的制造[J].大型鑄鍛件，2010(6)：31-34.