核電AP1000整鍛低壓轉(zhuǎn)子的試制

曹志遠(yuǎn) 張海峰 季 雪 高建軍

(天津重型裝備工程研究有限公司，天津300457)

常規(guī)島低壓鍛件是核電機(jī)組的關(guān)鍵零部件，采用整鍛轉(zhuǎn)子可以大幅降低葉輪的切向應(yīng)力，進(jìn)而降低葉輪的合成應(yīng)力，這樣轉(zhuǎn)子就可以采用較低屈服強(qiáng)度的材料制造。轉(zhuǎn)子材料通過(guò)選用更低的屈服應(yīng)力和超低的磷硫含量，可以顯著降低應(yīng)力腐蝕(SCC)發(fā)生的可能性。同時(shí)，采用整鍛轉(zhuǎn)子能夠有效減少產(chǎn)生汽輪機(jī)飛射物的可能性。目前常規(guī)島整鍛低壓轉(zhuǎn)子是世界上所需鋼錠最大(600 t級(jí))、鍛件毛坯最重(173 t)、截面尺寸最大(?2 796 mm)、技術(shù)要求最高的實(shí)心鍛件，是熱加工綜合技術(shù)水平最高的代表產(chǎn)品。

為實(shí)現(xiàn)AP1000核電整鍛低壓轉(zhuǎn)子的試制，一重在熱加工煉鋼、鍛造、熱處理方面進(jìn)行了大量的科研準(zhǔn)備工作，本文僅對(duì)鍛造研究?jī)?nèi)容進(jìn)行簡(jiǎn)要的敘述。

1 材料的熱鍛力學(xué)性能和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶規(guī)律研究

實(shí)驗(yàn)材料：30Cr2Ni4MoV轉(zhuǎn)子鋼，鍛態(tài)，初始晶粒尺寸275 μm；

試驗(yàn)方法：熱壓縮試驗(yàn)獲取熱鍛力學(xué)性能，熱壓縮后立即淬水，金相試驗(yàn)測(cè)定晶粒尺寸，獲取晶粒演化規(guī)律。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：圖1為轉(zhuǎn)子鋼在不同溫度和不同應(yīng)變速率下的應(yīng)力應(yīng)變曲線，可以看出有三類形狀曲線：低溫高應(yīng)變速率下的應(yīng)力應(yīng)變曲線呈單調(diào)上升狀，它對(duì)應(yīng)動(dòng)態(tài)回復(fù)，形成亞晶，但沒(méi)有晶粒粗化和細(xì)化；在中等溫度和應(yīng)變速率下應(yīng)力應(yīng)變曲線呈單峰型，它對(duì)應(yīng)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶和晶粒細(xì)化；在高溫和低應(yīng)變速率下應(yīng)力應(yīng)變曲線呈多峰型，它對(duì)應(yīng)晶粒長(zhǎng)大。引入Z參數(shù)：

(1)

2 壓實(shí)方法的研究

根據(jù)材料的流變曲線，用Deform軟件對(duì)直徑4 500 mm的鍛坯進(jìn)行數(shù)值模擬。按起始砧寬比0.5對(duì)WHF、KD、FM三種拔長(zhǎng)方法(見(jiàn)圖5)進(jìn)行單道次20%壓下量的數(shù)值模擬。邊界參數(shù)為：上模均速取20 mm/s，模具與鍛坯熱摩擦系數(shù)取0.7，材料30Cr2Ni4MoV的流變曲線取自圖1所示的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，不考慮溫度場(chǎng)按恒溫1 200℃模擬。模擬后的后處理主要以等效應(yīng)變、靜水壓力、X、Y、Z方向的應(yīng)力分布以及水壓機(jī)載荷來(lái)分析，分析結(jié)果見(jiàn)表1。

圖1 30Cr2Ni4MoV鋼的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線Figure 1 The stress-strain curve of 30Cr2Ni4MoV steel

圖2 平均晶粒度D(μm)與lnZ的關(guān)系(真應(yīng)變?chǔ)?0.7)Figure 2 The curve of mean grain size D(μm)-lnZ (True strainε=0.7)

圖3 不同溫度下/s)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)隨應(yīng)變的變化Figure 3 The changes of recrystallization volume fraction with strain under different temperature /s)

圖4 lnD2 - lnZ關(guān)系圖Figure 4 The relationship curve of lnD2-lnZ

根據(jù)以上研究結(jié)論并綜合考慮鍛造600 t級(jí)鋼錠所用的150 MN水壓機(jī)的載荷、心部變形效果、設(shè)備操作的難易性、可鍛造時(shí)間等因素，最終將FM做為鋼錠壓實(shí)的主要拔長(zhǎng)方法。

圖5 三種拔長(zhǎng)方法Deform前處理圖Figure 5 The pre-processing drawings of three type drawing out method

拔長(zhǎng)方法等效應(yīng)變心部靜水壓力σm心部三向應(yīng)力狀態(tài)水壓機(jī)最大載荷/MNWHF從X、Y、Z三個(gè)方向的等效應(yīng)變分布來(lái)看,心部等效應(yīng)變?yōu)?.2,最大等效應(yīng)變?cè)?/4△H(變形后的坯料高度)附近,整個(gè)截面的變形區(qū)域較小,分布較均勻。心部呈壓應(yīng)力狀態(tài),靜水壓值為-11.3,分布區(qū)域最小。一向壓,兩向拉201KD從X、Y、Z三個(gè)方向的等效應(yīng)變分布來(lái)看,最大等效應(yīng)變?cè)谛牟繛?.3,整個(gè)截面的變形區(qū)域最大,分布較不均勻。心部呈壓應(yīng)力狀態(tài),靜水壓值為-15,分布區(qū)域最大。兩向壓或三向壓266FM非對(duì)稱性變形,從X、Y、Z三個(gè)方向的等效應(yīng)變分布來(lái)看,最大等效應(yīng)變?cè)谛牟繛?.3,窄砧下方的等效應(yīng)變數(shù)值要大于平臺(tái)上方的等效應(yīng)變,區(qū)域性分布近似于WHF的等效應(yīng)變分布。心部呈壓應(yīng)力狀態(tài),靜水壓值為-15,分布區(qū)域較小。兩向壓或三向壓235

3 熱鍛平均晶粒度控制的研究

在終鍛成形時(shí)必須考慮有效解決鍛造所引起的“混晶”問(wèn)題。由于塑性變形后的各種材料，在每種溫度下都對(duì)應(yīng)著最大晶粒長(zhǎng)大尺寸，而且與加熱時(shí)間關(guān)系不大。因此，避免無(wú)鍛比鍛造和控制終鍛溫度是保證晶粒組織合格的兩種常用方法。不同溫度條件下晶粒穩(wěn)定尺寸關(guān)系曲線如圖6所示。

圖6 不同溫度條件下晶粒穩(wěn)定尺寸Figure 6 The grain stabile size under the different temperature condition

另外，采用平均晶粒度預(yù)測(cè)的數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)轉(zhuǎn)子鍛造最終出成品階段材料的再結(jié)晶和晶粒長(zhǎng)大過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，預(yù)測(cè)了轉(zhuǎn)子各部位的平均晶粒度，避免因鍛造工序控制不當(dāng)產(chǎn)生晶粒異常粗大和后續(xù)混晶缺陷，見(jiàn)圖7。

圖7 轉(zhuǎn)子成品平均晶粒度的模擬結(jié)果Figure 7 The simulating result of mean grain size in finish rotor

圖8 AP1000核電整鍛低壓轉(zhuǎn)子的鍛造過(guò)程Figure 8 The forging process of LP integral forged rotor for AP1000 nuclear power plant

4 產(chǎn)品試制

根據(jù)多年積累的大鍛件鍛造經(jīng)驗(yàn)以及兩年多的專項(xiàng)科研準(zhǔn)備最終確定了AP1000核電整鍛低壓轉(zhuǎn)子的鍛造工藝方案。于2009年6月開(kāi)始了AP1000核電整鍛低壓轉(zhuǎn)子的生產(chǎn)試制。

AP1000核電整鍛低壓轉(zhuǎn)子采用580 t鋼錠鍛造，鍛造過(guò)程見(jiàn)圖8。鍛造工藝上采用了兩次鐓粗三次拔長(zhǎng)的鍛造工藝，最終成形。

5 結(jié)果及結(jié)論

試制的AP1000核電整鍛低壓轉(zhuǎn)子調(diào)質(zhì)后探傷結(jié)果顯示，整個(gè)鍛件(最大軸身直徑為?2 826 mm)心部?1.6 mm可探，未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷。其結(jié)果表明一重的鍛造技術(shù)已經(jīng)解決了600 t鋼錠的心部疏松、縮孔等鑄造缺陷的壓實(shí)問(wèn)題，具備了生產(chǎn)600 t級(jí)AP1000核電整鍛低壓轉(zhuǎn)子的鍛造能力。