大型下注鋼錠生產35CrNi3MoV 轉子的工藝研究

文／王旭穎，王意平，彭彩霞·太原重工股份有限公司

35CrNi3MoV 鋼是一種優質合金結構鋼，因其具有高的淬透性和良好的綜合力學性能，廣泛用于制造火電、核電等電站裝備和大型冶金、礦山和運輸裝備中的承力和傳動結構部件。長期以來，大型轉子用鋼錠主要生產方式為雙真空澆鑄，特別是60 噸級以上鋼錠生產。雙真空澆鑄有其優勢，但也存在設備投資大、工序復雜、生產周期長、成本高的缺點。為解決上述問題，我公司對利用大型下注鋼錠生產35CrNi3MoV 轉子的熱加工工藝進行研究，解決了材料的純凈度、均質性、致密性、成材率、使用性能等問題。

技術要求

化學成分

為滿足轉子最終使用性能，綜合強韌性及磁性能要求，冶煉前期對35CrNi3MoV 鋼化學成分進行設計，控制主要合金元素、氣體及參與元素，標準要求及內控要求見表1。

表1 35CrNi3MoV 鋼化學成分(質量分數，%)

力學性能

轉子鍛件粗加工后進行調質處理，按取樣圖(圖1)取樣，進行性能試驗，性能要求見表2、表3。

表2 力學性能要求

表3 磁性能要求

圖1 產品取樣圖

超聲波探傷

轉子超聲波驗收要求按EN10228-3 等級4 級；

起始靈敏度：φ2mm；

單個缺陷：最大允許φ3mm；

延伸缺陷/密集缺陷：不允許存在大于φ2mm 當量；

延伸缺陷的長度：≤φ2mm 當量時，不得大于缺陷處的聲束直徑；

密集缺陷：間距小于40mm 時，有三處即為密集；

由缺陷引起的底波降低量：厚度大于60mm時，最大允許4.4dB。

冶煉鑄錠難點及主要工藝要求

冶煉鑄錠難點

⑴純凈度問題：大型下注鋼錠采用真空精煉+大氣澆注的方式生產，需嚴格控制夾雜物等級超標的問題。

⑵均質性問題：應用大型下注鋼錠成分均勻性控制技術，解決轉子類下注鋼錠成分偏析造成鍛后組織不均和表面質量的問題。

⑶致密性問題：應用大型下注鋼錠致密性控制技術，解決轉子類下注鋼錠內部縮孔、疏松嚴重造成鍛后超聲波探傷不合格的問題。

主要工藝要求

⑴工藝流程。

從35CrNi3MoV 鋼的質量要求可以看出，35CrNi3MoV鋼鍛件超探要求嚴格。生產過程中需嚴格控制鋼中P、S含量；合金含量高，尤其是元素Cr 偏析嚴重的問題，冶煉鑄錠過程中需嚴格控制；Cu、As、Sn、Sb 等殘余元素含量，H、O、N 含量及各類夾雜物含量亦需嚴格控制。針對35CrNi3MoV 鋼嚴格的質量要求，通過研究生產工藝，確定采用“80t 電爐初煉——120tLF 精煉——120tVD 處理——120tLF——軟攪拌——下注”工藝路線，并在相關生產環節進行嚴格控制。

⑵爐料準備。

①產品合金含量高，嚴禁第一爐冶煉，確保前一爐留鋼成分As、Sn、Sb 需滿足本爐要求。

②廢鋼備料必須進行精選，要求熔清殘余元素及有色金屬元素滿足工藝要求。

③精煉使用鎳鐵合金時，注意提前進行烘烤。

④輔助材料清潔干燥，送化驗室分析預判成分，螢石使用普通螢石，合金入爐使用前要求烘烤干燥。

⑶冶煉澆注過程控制。

①初煉要求合理吹氧助熔、合理脫碳、合理造渣，做到前期低溫去磷，氧化期鋼液均勻沸騰，以達到去氣、去夾雜的目的，但嚴禁爐內出現大沸騰。

②采用留鋼、留渣操作，防止氧化渣進入精煉包內。

③出鋼時控制C 含量及P 含量以滿足要求。

④控制出鋼溫度，出鋼時Ar 氣壓力控制在要求范圍。

⑤澆注全程進行Ar 氣保護，并盡量縮短水口與纖維氬幕圈的距離，上冒口后適當減流，確保冒口補縮良好。

⑥脫模熱運：嚴格按照工藝規定的脫模時間進行脫模，并熱運至鍛造車間。

鍛造難點及主要工藝要求

鍛造難點

⑴控制偏析問題：鋼錠熱運至鍛造車間后，升溫至鍛造溫度，通過鍛前高溫擴散來減輕或消除枝晶偏析，改善化學成分的分布；自由鍛造過程控制底部和冒口的切除量，將成分偏析降到合理范圍，并最終提高鍛件的質量。

⑵壓實鍛透問題：通過前期數值模擬，運用鍛造數值模擬軟件Forge 對轉子鐓粗、拔長過程反復計算，得到最優鍛造工藝參數。制定工藝時選取最優方案，解決心部超聲波探傷問題。

⑶晶粒控制問題：控制成形溫度，最后火次前預留1.4 以上鍛比；通過合理的鍛后熱處理，切斷組織遺傳。

主要工藝要求

⑴工藝流程。

熱運鋼錠加熱→分火次鍛造→鍛后熱處理。

⑵工藝要點。

①第一火壓鉗把、壓圓、切底后，在第二火鍛造前，增加高溫保溫時間，進行高溫擴散，要求保溫時間≥30 小時，改善偏析并均勻成分。

②利用前期數值模擬，大變形時鐓粗變形率達到40%，采用寬砧強壓法拔長，拔長至八方后預留鍛比，返爐待成形。

③成形時盡量控制心部溫度在1150℃，避免心部溫度高時無鍛比引起晶粒異常長大及混晶現象的發生。操作過程嚴格控制鋼錠的實際利用率，如有裂紋及時熱清除，對冒口及底部的切除量進行有效控制，

④鍛后熱處理：通過兩次正火+回火方式，鍛造完成后，鍛件先空冷至表面300℃以下入爐保溫切斷組織遺傳，進行高低溫兩次正火細化晶粒、改善成分偏析，回火爐冷以消除熱應力和組織應力，便于后續車削加工。鍛后熱處理曲線見圖2。

圖2 鍛后熱處理曲線圖

性能熱處理

最終性能熱處理采用調質處理，以提高轉子鋼的硬度、強度、韌性、塑性、耐磨性以及較好的綜合力學性能。性能熱處理曲線見圖3。

圖3 性能熱處理曲線圖

產品檢驗

轉子鍛件在我公司冶煉鍛造完成后，經過后續的調質處理，達到了客戶要求，最終產品檢測結果如下。

化學成分結果

熔煉分析及成品分析結果見表4，結果顯示熔煉分析及成品分析均符合表1 所示的產品技術要求，且主要合金元素在中上線，可保證產品熱處理后各項性能指標合格。

表4 化學成分(質量分數，%)

性能結果

機械性能檢測結果見表5，結果符合表2 所示性能要求，且強度均勻性較好，可保證產品各部位屈服強度的分散度≤100MPa。磁性能結果見表6，結果符合表3 所示要求。

表5 機械性能結果

表6 磁性能結果

低倍檢測結果

低倍組織檢驗的試驗方法采用酸浸試驗和斷口試驗，檢測結果見表7。

表7 低倍檢測結果

無損檢測結果

轉子超聲波探傷符合EN10228-3 等級4 級，未發現單個超過φ3mm 的缺陷及大于φ2mm 當量延伸缺陷/密集缺陷。

結束語

35CrNi3MoV 材質大型單真空鋼錠轉子為我公司首次生產，且為出口產品。我公司通過對冶煉過程控制、鍛造過程控制、性能熱處理過程控制，證明此生產工藝合理可行，該工藝打破了傳統生產方式，將在引領未來鍛件行業新技術方向的變革、提高企業品牌效應等領域，扮演重要角色。