超大截面水輪機主軸熱處理生產工藝的優化

■ 王富貴

水輪機主軸是水電站常用的產品，其作用主要是用來傳遞扭矩，一般常用材料為20SiMn。小容量水輪發電機一般采用整鍛實心軸；大中型的發電機一般采用整鍛空心軸。我廠生產的大截面主軸為整鍛實心軸（見圖1），鍛后熱處理后需保證無損檢測和力學性能要求，其無損檢測應滿足EN 10228-3中的2級（單個缺陷＜φ8m m，密集缺陷＜φ5mm），力學性能要求見表1。

目前我廠生產的此類主軸一端法蘭直徑達3100mm，存在的主要生產問題是鍛后熱處理空冷時間長，占用現場空地多，以及生產周期長等問題；存在的主要質量問題是無損檢測不合格以及性能不穩定等問題。

1.傳統工藝介紹

傳統大截面主軸熱處理工藝采取“正火+回火”的方案，如圖2所示。

此工藝方案在實際生產中主要存在以下三個問題：

（1）主軸法蘭端截面較大，最大截面達到φ3100mm，經圖2熱處理后，超聲波檢測很難一次性合格。

（2）為滿足技術條件要求，實際正火吊下空冷時主軸兩端共需8臺風機鼓風冷卻，需用大量風機和生產場地（見圖3）。

（3）正火吊下空冷周期較長，至少需要30h。

2.優化工藝方案

（1）為進一步減小熱處理有效壁厚，無損檢測一次合格，我們根據精加工圖樣編制了臨時粗加工圖，將其加工成空心鍛件，如圖4所示。

（2）采取“淬火+回火（調質）”優化熱處理工藝代替傳統“正火+回火”原熱處理工藝方案，如圖5所示。

從工藝角度講，淬火時存在風險，為避免潛在危險，淬火時禁止水循環，并且淬火后及時入爐消除淬火應力；從生產周期看，采用調質工藝后生產周期比原來縮短了1天。

圖1 主軸鍛件尺寸

圖2 傳統熱處理工藝方案

表1 主軸力學性能要求

（3）選用此工藝只需一個水槽即可實現工藝要求，不需要占用大量風機和現場空地，并且淬火冷卻速度較鼓風冷卻速度大，且冷卻均勻，組織更加細化，很易滿足無損檢測和力學性能要求。

3.工藝對比

優化工藝和傳統工藝對比情況如下：

（1）技術條件要求 根據以前20SiMn數據資料，σs可達到275～300MPa，σb能滿足要求，且最大可達到520MPa，δ可達到30%～35%，ψ＞60%，一般情況下AKU＞70J。淬火冷卻速度較鼓風冷卻速度大，組織更加細化，很容易滿足性能要求。

（2）鍛件生產條件 優化后可采用一個橋式起重機、兩個吊鏈。若采傳統工藝，一爐裝兩件主軸時，車間風機數量不能滿足工藝與生產要求，并且占用大量現場空間。若采用優化工藝，淬火只需要一個水槽即可實現工藝要求，操作簡單且省時。

（3）冷卻效果 若采用傳統工藝，正火鼓風冷卻只加快法蘭端冷卻，兩端冷卻速度較大，軸身冷卻速度緩慢，相當于正常空冷，軸身蓄熱量很大，散熱緩慢，整個鍛件冷卻不均勻。優化工藝后，相對于兩端鼓風冷卻，鍛件截面冷卻較為均勻。

（4）生產周期 傳統工藝：正火從910℃鼓風冷卻至280～320℃，需用時30h左右；優化工藝：若一爐裝兩件主軸，淬火共需7h，4h后即可入爐進行回火。

4.最終結果

采取優化工藝后的性能指標與傳統正回火后的性能指標對比見表2，無損檢測結果對比見表3。

采取優化熱處理工藝方案后，力學性能檢測和無損檢測均一次性合格，并且經調質后性能指標明顯優于正回火后的指標。

5.結語

通過主軸熱處理工藝的優化，產品質量比原來提高30%；生產效率比原來提高1.5倍；生產周期縮短了1天。解決了生產場地緊張和質量問題，滿足了技術與生產需要，為今后改進其他大截面鍛件生產方式，提高生產效率打下了基礎。

圖3 主軸吊下空冷現場

圖4 臨時粗加工

表2 力學性能對比

圖5 優化熱處理工藝

表3 無損檢測對比

20150226