聯合循環發電機組高中壓轉子材料的熱處理工藝研究

□ 李翠萍1 □ 徐銀浩

1.上海電氣上重鑄鍛有限公司 上海 200245 2.國核工程有限公司 上海 200233

1 研究背景

目前,我國火電機組主要為燃煤發電機組,存在污染嚴重、供電煤耗高的問題。燃氣-蒸汽聯合循環機組是將燃氣輪機和蒸汽輪機這兩種不同熱力循環工作的熱機聯合在一起的發電機組,簡稱聯合循環發電機組[1]。聯合循環發電機組不僅具有降低二氧化碳、粉塵等污染物排放,減少水資源消耗,運行可靠等優點,而且具有較高的熱效率,對我國實現綠色低碳經濟發展模式而言具有戰略意義[2-4]。

聯合循環發電機組的工作溫度與超臨界機組的工作溫度相當,為566 ℃。聯合循環發電機組高中壓轉子材料的化學成分與工作溫度為538 ℃的亞臨界機組高中壓轉子材料30Cr1Mo1V鋼相近,但其性能要求更高[2],目前,聯合循環發電機組高中壓轉子主要依賴進口。為實現鍛件國產化,降低生產成本,迫切需要在聯合循環發電機組高中壓轉子材料的研制方面取得突破。

2 試驗方法

2.1 材料化學成分

目前,眾多廠家對聯合循環發電機組高中壓轉子材料均有一定的研究。在普通30Cr1Mo1V鋼的基礎上,降低硫、磷、硅、錳、砷、錫、銻、鋁等元素的含量,以提高材料的高溫性能、塑性和韌性。由于錳會降低高溫持久強度,并且會與硅元素共同促使磷及其它有害元素向原奧氏體晶界偏析,導致晶界內聚力減小,提高回火脆性[5],因此,需將錳含量的上限由1.00%降低至0.80%。優化后的國產材料牌號被定為30Cr1Mo1V-B2,試樣用30Cr1Mo1V-B2鋼的化學成分檢測結果見表1。

表1 30Cr1Mo1V-B2鋼化學成分檢測結果

2.2 冶煉方式

30Cr1Mo1V-B2鋼錠采用電爐冶煉、鋼包精煉、真空碳脫氧的方式進行冶煉,利用真空狀態下的碳氧反應,減少進入鋼水的脫氧產物,提高鋼水的純凈度。

2.3 鍛壓方式

利用16 500 t油壓機對30Cr1Mo1V-B2鋼錠采用寬砧強力壓下鍛造法進行鍛壓。經過兩次鐓粗拔長,保證心部組織被有效壓實,組織均勻[6-7]。材料的超聲探傷指標滿足要求。

2.4 預備熱處理

30Cr1Mo1V-B2鋼在鍛造后進行預備熱處理。采用一次高溫加熱、兩次過冷加一次回火的熱處理方式,使氫元素盡可能地擴散出去,防止白點產生,并確保鉻、鉬、釩等合金元素充分熔解,提高化學成分的均勻性。鍛后進行熱處理加熱時,適當提高升溫速度,能夠起到細化晶粒的作用[8],為超聲探傷和最終熱處理創造良好的內部組織條件。

3 試驗結果

3.1 加熱速度及高溫保溫時間對晶粒度的影響

對編號分別為JL1、JL2、JL3,規格為30 mm×30 mm×30 mm的三塊試料進行熱處理,熱處理工藝及晶粒度見表2。

由表2可以看出,試樣JL1與JL2相比,JL2的晶粒比JL1粗,這是因為加熱速度越快,過熱度越大,奧氏體實際形成的溫度越高,形核率越大,晶粒越細小。試樣JL1與JL3相比,JL3的晶粒相對較細,這是因為奧氏體晶粒長大與原子擴散有密切關系,在高溫階段停留時間越短,晶粒越細[9]。

表2 試樣熱處理及晶粒度

從整體來看,上述熱處理工藝對材料晶粒度的影響并不大,三塊試樣的晶粒都相對較粗。較粗的晶粒對塑性和抗沖擊韌性不利,但能提高材料高溫蠕變強度和持久強度[10],這對在高溫狀態下使用的聯合循環發電機組高中壓轉子而言是有利的。

3.2 回火溫度對力學性能的影響

為了模擬轉子鍛件的實際生產情況,將試樣與轉子鍛件產品同爐加熱,進行淬火處理,工藝如圖1所示。

圖1 試樣淬火工藝

淬火處理后,將試樣分為L1、L2、L3、L4四塊規格為30 mm×100 mm×120 mm的小試樣進行回火試驗。回火溫度依次為665 ℃、670 ℃、675 ℃、680 ℃,保溫時間為24 h。回火后將小試樣加工成標準試樣進行力學性能檢測,檢測結果如表3、圖2、圖3所示。

表3 試樣回火后力學性能

圖2 回火溫度對試樣強度影響曲線

圖3 回火溫度對試樣沖擊功影響曲線

由表3和圖2可以看出,隨著回火溫度的升高,試樣的抗拉強度和屈服強度均逐漸降低,其中抗拉強度由808 MPa降低至737 MPa,屈服強度由675 MPa降低到597 MPa。由表3和圖3可以看出,試樣的沖擊功隨回火溫度的升高先增大后減小,在675 ℃回火時,沖擊功最大值為22 J。目前,國內聯合循環發電機組高中壓轉子鍛件常溫性能要求屈服強度不低于600 MPa,抗拉強度為760～860 MPa,伸長率不小于14%,斷面收縮率不小于38%,室溫沖擊功不小于8 J。可見,試樣L1的強度等指標滿足要求,但抗沖擊性能不足;試樣L3的抗沖擊性能最強,但屈服強度和抗拉強度略顯不足;試樣L4的抗沖擊性能及塑性滿足要求,但強度不足;只有試樣L2的各項性能均滿足要求。

3.3 冷卻方式對力學性能的影響

根據上述分析結果,筆者制訂了熱處理工藝,如圖4所示。

圖4 熱處理工藝

試樣對應的熱處理工藝冷卻方式分為六種,試樣C1為水冷,試樣C2為油冷,試樣C3為強烈噴風,試樣C4為空氣冷卻,試樣C5為平均每小時降低150 ℃冷卻,試樣C6為平均每小時降低80 ℃冷卻。試樣大小為30 mm×100 mm×120 mm,經過熱處理后,進行性能檢測,檢測結果如表4、圖5、圖6所示。冷卻后的各試樣放大1 000倍金相組織如圖7所示。

表4 試樣冷卻后力學性能

由表4和圖5可以看出,試樣C4、C5、C6的抗拉強度和屈服強度稍高于C1、C2、C3,而試樣C1、C2、C3的塑性稍高。由表4和圖6可以看出,試樣C1、C2、C3的沖擊功為176～154 J,優于試樣C4、C5、C6。試樣C6的沖擊功只有7 J,不滿足標準要求。由圖7可以看出,試樣C1、C2、C3組織為索氏體回火組織,試樣C4、C5、C6為貝氏體回火組織。

圖5 冷卻方式對試樣強度影響曲線

圖6 冷卻方式對試樣沖擊功影響曲線

試樣C4、C5、C6組織中,鐵素體和碳化物顆粒較粗大,碳化物呈短桿狀分布在鐵素體板條之間,鐵素體和碳化物分布具有明顯的方向性。這種組織狀態使鐵素體條間易產生脆斷,鐵素體本身也有可能成為裂紋擴展的路徑,其抗沖擊韌性顯著降低[11]。

4 結論

對于聯合循環發電機組高中壓轉子材料30Cr1Mo1V-B2鋼,通過升溫至950 ℃,保溫1 h的熱處理工藝,獲得的晶粒度最細,為4.5～5級。從總體來看,三種研究的熱處理工藝對材料晶粒度的影響并不大,三塊試樣的晶粒都相對較粗。

試樣高溫加熱與大鍛件同爐生產,通過950 ℃保溫并強烈噴風加670 ℃回火處理后,各項力學性能均滿足標準要求。

根據試驗結果,采用950 ℃保溫加不同冷卻方式加670 ℃回火的方式對試樣進行處理,試樣采用水冷、油冷、強烈噴風這三種激烈冷卻方式獲得的抗沖擊韌性明顯優于采用空氣冷卻、平均每小時降低150 ℃、平均每小時降低80 ℃這三種相對緩和的冷卻方式,試樣達到的最大沖擊功為176 J。