670 MPa強度等級工業汽輪機轉子鍛件的生產

劉中華　何　成　劉京偉　徐　偉　黃淑秋　方章法　宋思遠

(1.杭州汽輪動力集團有限公司，浙江310016；

2.杭州汽輪機股份有限公司，浙江310003；

3.杭州汽輪鑄鍛有限公司，浙江310006)

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670 MPa強度等級工業汽輪機轉子鍛件的生產

劉中華1何成1劉京偉2徐偉3黃淑秋3方章法2宋思遠1

(1.杭州汽輪動力集團有限公司，浙江310016；

2.杭州汽輪機股份有限公司，浙江310003；

3.杭州汽輪鑄鍛有限公司，浙江310006)

摘要：采用優選的鋼錠，選擇合理的鍛造及熱處理工藝，生產出符合要求的670 MPa強度等級工業汽輪機轉子。

關鍵詞：670 MPa；汽輪機；轉子；力學性能

28CrMoNiV鋼是我公司引進西門子反動系列工業汽輪機轉子鍛件的重要材料，它適用于進汽溫度在540℃以下的工業汽輪機組。按西門子標準，該轉子的屈服強度為550 MPa～700 MPa。為了適應市場競爭，實現降本增效，提高機組效率，我公司針對部分進汽溫度較低的機組(小于450℃)，在不改變轉子鍛件材料的前提條件下，提出屈服強度大于670 MPa的要求。因此，轉子鍛件生產單位需對原有生產工藝進行改進、調整。經過探索實踐，公司成功地掌握了670 MPa強度等級工業汽輪機轉子的生產工藝。本文著重介紹了我公司670 MPa強度等級工業汽輪機組轉子鍛件的生產實施過程。

1生產工藝

1.1技術要求及分析

根據我公司企業標準《0-0001-9200-00 工業汽輪機轉子體鍛件供貨技術條件》，兩種強度等級的28CrMoNiV轉子鍛件的化學成分及力學性能要求分別見表1和表2。

表1　28CrMoNiV鋼的化學成分要求(質量分數，%)

表2　28CrMoNiV轉子的力學性能要求

28CrMoNiV轉子鍛件的工藝流程為：鋼錠→熱送加熱→鍛造→鍛后預備熱處理→粗加工→檢測→調質→檢測→檢查交貨。不改變化學成分而提高金屬材料強度，最簡單的方法就是調整調質熱處理工藝——降低回火溫度。回火溫度的降低會使金屬材料的強度得到提高，但這同時也會導致韌性和塑性的下降。而從力學性能的要求來看，盡管轉子強度等級提高到了670 MPa，韌性和塑性相關的要求卻幾乎沒有變化。因此，若僅僅是簡單的采取降低回火溫度的做法，很有可能造成產品韌性和塑性指標不合格的情況。應當通過采用優質鋼錠、改變淬火工藝、降低回火溫度等一系列方法，使28CrMoNiV轉子鍛件在強度得到顯著提高的同時保證韌性和塑形指標也能滿足設計要求。

1.2鋼錠選擇

根據轉子鍛件標準，鋼錠要求為電爐冶煉，并經真空處理、鋼包精煉或其他能滿足鋼錠技術條件的冶煉方式。公司生產鍛件采用單真空鋼錠、雙真空鋼錠或電渣重熔鋼錠，并制定有相應的采購標準。

670 MPa強度等級轉子鍛件的鋼錠選擇，在滿足一般鋼錠的采購標準基礎上，還應注意以下幾點：(1)選擇純凈度高的鋼錠。降低有害雜質元素含量，減少N、H、O元素的含量，減少鋼中非金屬夾雜物，可使鋼的塑性和韌性明顯提高[1]。(2)在化學成分標準范圍內，選擇C元素接近下限、Ni、Mn元素接近上限的鋼錠。鋼中C含量的增加會提高鋼珠光體的體積百分含量，抑制鐵素體的塑性變形能力，隨著C含量的增加，沖擊韌性將降低。鋼中Ni元素不形成碳化物，幾乎完全溶入鐵素體，可起到固溶強化的作用，同時它的奧氏體穩定化作用很強烈，使奧氏體在更低的溫度下分解，改善鋼的塑性和韌性[2]。鋼中Mn元素在含量較低(小于2%)時可增大過冷奧氏體穩定性，這不僅有利于減少晶界碳化物數量及增大碳化物的彌散度，而且有利于形成針狀鐵素體，使晶粒進一步細化，可同時提高強度及韌性[3]。

1.3鍛造

鋼錠加熱后送至鍛造車間，運用45 MN水壓機采用墩粗和拔長工藝進行鍛造，鍛壓工藝流程為：壓鉗口→鐓粗→拔長→修整分段→按轉子鍛坯尺寸鍛造。采用兩次鐓拔，端部墩成鼓型有利于切除偏析和縮孔等缺陷。鋼錠冒口及水口端均有足夠的切除量，以保證成品鍛件無縮孔和不允許的偏析等有害缺陷。

加熱是鍛造生產過程中的重要環節，控制適當的加熱溫度極為重要。加熱溫度越高，變形越容易，但加熱溫度過高會導致晶粒極為粗大，且氧原子沿晶界入侵，極易形成網絡狀氧化物及易熔共晶氧化物，使得晶粒間的結合力大大減弱，鍛造過程中易產生裂紋[4]。而加熱溫度過低，則又可能導致產生拉伸裂紋。考慮到溫度過高或過低會產生的影響，結合長期生產總結的經驗，我們一般將鍛造溫度控制在850～1 240℃。

1.4熱處理

轉子鍛件的熱處理包括預備熱處理和調質熱處理。預備熱處理在臺式爐上進行，工藝曲線見圖1。預備熱處理采用正火+回火形式，以細化晶粒和改善材料內部組織，為粗加工及調質熱處理打下良好的基礎。

圖1　轉子預備熱處理工藝

調質熱處理在井式爐內進行，是轉子鍛件達到技術要求的重要工序。調質后期望能得到粒狀或板條狀的貝氏體組織(回火索氏體)，鐵素體的存在會降低高溫性能，因此盡可能不要出現鐵素體組織。

670 MPa強度等級轉子鍛件的調質熱處理工藝曲線見圖2。主要采用了以下措施來保障鍛件質量：(1)采用階梯升溫方式，避免加熱過快。升溫時若加熱速度過快，會導致淬火后殘余應力疊加，可能帶來鍛件缺陷擴展甚至開裂等問題。(2)采用水淬油冷工藝，確保獲得回火索氏體組織。(3)確保回火時工件的實際冷卻速度小于25℃/h，降低鍛件的殘余應力。

圖2　轉子調質熱處理工藝

與普通的550 MPa強度等級轉子鍛件調質熱處理工藝相比，主要區別在于：(1)采用水淬油冷工藝替代了傳統的油冷工藝。水淬油冷工藝與普通的油冷工藝比較，冷卻速度更快，大大提高了鍛件的淬透性，馬氏體組織轉變更為充分，得到的晶粒組織也更細小、均勻，從而提高鍛件的室溫綜合力學性能[5]。(2)降低了回火溫度。淬火后的高溫回火，其實質是馬氏體和殘余奧氏體的分解，以及滲碳體的聚集長大和α相的再結晶，主要作用是降低鋼的強度，提高韌性和塑性，消除內應力，提高組織穩定性[3]。因此，一般可通過回火溫度的調整得到所需的強韌性匹配。550 MPa強度等級轉子的回火溫度為680～690℃，670 MPa強度等級轉子鍛件的回火溫度在此基礎上降低了20℃(660～670℃)。通過回火溫度的降低提高了強度，韌性和塑性指標也在可控范圍內。

2性能檢驗

采用上述工藝方案生產的670 MPa強度等級的28CrMoNiV轉子鍛件，通過性能檢測，完全滿足企業標準的要求。如我公司T8855機組采用的670 MPa強度等級轉子鍛件，在鍛件完成粗加工及調質熱處理后，依照標準對轉子鍛件進行了性能檢測。圖3為取樣示意圖。檢驗結果見表3。

圖3　轉子鍛件取樣示意圖

表3　T8855機組轉子鍛件力學性能檢驗結果

檢驗表明，轉子的整體外形尺寸及允許偏差符合標準要求，表面質量良好。晶粒度檢驗結果為7級，金相組織為回火索氏體(見圖4)，殘余應力檢測結果為32.2 MPa(標準要求上限值為44 MPa)。其余各項指標，如化學成分、力學性能、FATT50、硬度均勻性檢測和超聲檢測等也都符合技術標準要求。

圖4　轉子的金相組織(500×)

3結論

通過優選的單真空鋼錠、雙真空鋼錠或電渣重熔鋼錠，選擇合理的鍛造工藝和鍛后預備熱處理工藝，調質熱處理采用水淬油冷技術，并適當的降低回火溫度，可生產出性能完全符合要求的670 MPa強度等級的28CrMoNiV工業汽輪機轉子鍛件。

參考文獻

[1]王曉敏,董尚利,等.工程材料學[M].哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，2009.

[2]崔忠圻,覃耀春.金屬學與熱處理[M].北京：機械工業出版社，2011.

[3]師昌緒，鐘群鵬，李成功,等.中國材料工程大典[M].北京：化學工業出版社，2006.

[4]邢國海,付斌.淺析合理確定鍛造溫度范圍[J].特鋼技術, 2009, 15(59):25-29.

[5]劉國平,王國棟,等.42CrMo4風電主軸熱處理工藝改進[J].大型鑄鍛件, 2008(1):31-32.

編輯杜青泉

Production of 670 MPa Rotor Forging for Industrial Steam Turbine

Liu Zhonghua, He Cheng, Liu Jingwei, Xu Wei,

Huang Shuqin, Fang Zhangfa, Song Siyuan

Abstract：By adopting the optimized steel ingot, and choosing the rational forging and heat treatment processes, a 670 MPa rotor for industrial steam turbine which can satisfy the requirements has been manufactured.

Key words：670 MPa; steam turbine; rotor; mechanical property

作者簡介：劉中華(1982—)，男，工程師，碩士研究生，主要從事汽輪機及燃氣輪機材料開發及應用方面的研究。電話：13575465870，E-mail:liuzh@htc.cn

基金項目：浙江省科技廳優先主題重大工業資助項目(2008C01063)。

收稿日期：2015—09—08

中圖分類號：TG316

文獻標志碼：B