聯合循環機組高中壓轉子鍛件的研制

滕 毅 趙 麗

(天津重型裝備工程研究有限公司，天津300457)

燃氣-蒸汽聯合循環是將燃氣輪機和蒸汽輪機這兩種按不同熱力循環工作的熱機聯合在一起的發電機組，也簡稱為聯合循環。它能大幅度提高機組熱效率，是節約能源的一種新型發電形式，其不僅具有降低CO2排放、減少耗水量、實現粉塵零污染等環保優點，而且其供電效率能夠達到42%～46%，具有高效的綜合利用率，這對于我國實現綠色低碳經濟發展模式具有戰略意義。

聯合循環發電機組中的核心部件是高中壓轉子，由于機組進汽端溫度高(566℃)，對材料來說就是超臨界機組。因此對高中壓轉子的技術要求比亞臨界機組更加嚴格，即比常規高中壓轉子要求具有更低的FATT、更高的抗拉強度及高溫持久性能。由于該轉子主要依賴進口，因此我公司與哈汽共同合作進行了聯合循環高中壓轉子鍛件的研制。本文重點對聯合循環高中壓轉子超純30Cr1Mo1V鋼進行熱工藝研究，使其最終達到聯合循環機組高的性能要求。

1 技術要求

超純30Cr1Mo1V鋼的化學成分見表1，常溫力學性能見表2，高溫性能見表3。

表1 化學成分要求(質量分數，%)Table 1 The requirement of the chemical composition(mass fraction, %)

注：O≤30×10-6，H≤1.0×10-6，N≤100×10-6

表2 常溫力學性能要求Table 2 The requirement of the normal temperature mechanical property

表3 高溫性能要求Table 3 The requirement of the high temperature mechanical property

2 制造難點

2.1 聯合循環機組高中壓轉子的化學成分除Mn元素外，其余均為超純，致使冶煉澆注對殘余元素、成分偏析及氣體更難于控制。

2.2 超純30Cr1Mo1V鋼轉子的常溫屈服強度比普通30Cr1Mo1V鋼(≥590 MPa)高10 MPa，抗拉強度比常規轉子(≥720 MPa)高出40 MPa以上，FATT比常規轉子(≤116℃)低3℃。

3 制造過程

針對聯合循環機組高中壓轉子力學性能的特點，本著降低成本、發揮材料潛力的原則，開發了超純30Cr1Mo1V鋼，其生產流程為：冶煉→鍛造→預備熱處理→超聲波探傷→調質熱處理→檢驗→精加工。

3.1 冶煉澆注

采用真空碳脫氧(LVCD)，利用真空狀態下[C]、[O]反應，提高鋼水的純凈度，減少脫氧產物進入鋼水，降低鋼水的[O]含量；采用VCD大大降低P、S的偏聚。通過LVCD+VCD的方式實現鍛件除Mn外，其余元素均為超純的目的。

3.2 鍛造

采用大砧寬比(1 500 mm寬V砧)壓實砧壓實，兩次鐓粗拔長，使心部有效壓實。保證轉子組織均勻，滿足超聲波探傷要求。

3.3 熱處理

3.3.1 預備熱處理

轉子含有較多的Cr、Mo、V等合金元素，尤其是釩碳化物是難溶的碳化物。超純30Cr1Mo1V鋼在鍛造后采用退火工藝，即一次高溫兩次過冷的工藝方式能使釩碳化物充分溶解，彌散析出細小均勻的釩碳化物，為后序熱處理做組織準備。

3.3.2 調質熱處理

4 檢驗結果

通過對超純30Cr1Mo1V鋼進行熱工藝研制，其化學成分、常溫力學性能、金相、高溫持久等檢驗結果詳見表4～表6和圖2～圖3。

圖1 高中壓轉子鍛件調質熱處理工藝曲線Figure 1 The quenching and tempering process curve of HIP rotor

表4 化學成分檢驗結果(質量分數，%)Table 4 The examination result of the chemical composition(mass fraction, %)

注：軸身X2中O=20×10-6，H=0.7×10-6，N=38×10-6；軸端L1中O=24×10-6，H=0.5×10-6，N=40×10-6。

表5 力學性能檢驗結果Table 5 The examination result of the mechanical property

表6 高溫持久強度(試樣位置為軸身徑向)Table 6 The high temperature permanent strength(the position of samples is shaft-radial)

圖2 金相照片Figure 2 The metallograph

圖3 高溫持久強度曲線Figure 3 The curve of high temperature permanent strength

5 結論

通過對聯合循環高中壓轉子材料進行優化設計，冶煉時除Mn外，其余元素按超純冶煉工藝操作，并采用鼓風冷卻熱處理工藝實現了超純轉子具有較低的FATT、較高的抗拉強度及高溫持久性能的要求。通過試制，證明該材料及工藝的優化是可行的，既降低了成本，延長了轉子使用壽命，又實現了聯合循環機組的可靠運行。