韓 雷 楊志洪 崔成萬 徐 騫

(中國第一重型機(jī)械股份公司鑄鍛鋼事業(yè)部，黑龍江161042)

30Cr1Mo1V高中壓轉(zhuǎn)子是我公司具有多年生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)的成熟產(chǎn)品，但在近期頻頻發(fā)生探傷超標(biāo)造成廢品的事故。近一年半以來30Cr1Mo1V高中壓轉(zhuǎn)子共計(jì)投料325件，到目前為止共出現(xiàn)探傷超標(biāo)廢品鍛件18件，按件數(shù)計(jì)算廢品率為5.54%。鍛件缺陷位置分布沒有規(guī)律，一處、兩處都有，范圍較大。盡管采取了一些措施，但是收效甚微。為此，我們對近幾年來30Cr1Mo1V高中壓轉(zhuǎn)子的生產(chǎn)情況進(jìn)行了詳細(xì)調(diào)查分析并對具有代表性的探傷缺陷進(jìn)行了解剖分析，最后找出產(chǎn)生質(zhì)量問題的原因，采取了切實(shí)可行的改進(jìn)措施，達(dá)到了從根本上解決問題的效果。

1 生產(chǎn)情況調(diào)查

2009年共冶煉、鍛造生產(chǎn)30Cr1Mo1V電站轉(zhuǎn)子214件，出現(xiàn)廢品8件，114 t鋼錠3件，104 t鋼錠4件，93 t鋼錠1件。按件數(shù)計(jì)算廢品率為3.74%。鍛件缺陷偏水口側(cè)的有4件，偏冒口側(cè)的2件，中心通長缺陷的1件，接近中間的1件。大部分鍛件的缺陷分布并非只有一處，兩處居多，范圍較大。

在這8件轉(zhuǎn)子中，從煉鋼記錄看，除了煉鋼澆注溫度外未見異常情況發(fā)生。有4件轉(zhuǎn)子鋼錠澆注時(shí)溫度超過工藝規(guī)定的1 590℃，最高達(dá)1 603℃。煉鋼控制個(gè)別有問題。

檢查鍛造生產(chǎn)記錄發(fā)現(xiàn)，在整個(gè)鍛造過程中操作基本符合要求，但個(gè)別KD拔長工序存在一定的問題。一是布砧方式，沒有按工藝要求執(zhí)行，在翻轉(zhuǎn)錯(cuò)砧方面操作不到位。二是壓下量過大，頭四道次的壓下量基本在700 mm～900 mm(25%～33%)，最大達(dá)到1 034 mm(38%)。這樣大的壓下量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于工藝要求(20%)，心部有易產(chǎn)生微裂紋的傾向。鍛造操作也存在問題。

2010年上半年共發(fā)出30Cr1Mo1V電站轉(zhuǎn)子111件，出現(xiàn)廢品共10件，其中有4件是2009年投產(chǎn)的毛坯，廢品率5.4%，較2009年有上升的勢頭。

廢品的缺陷情況較2009年稍有不同，通長缺陷的有2件(其中1件是缺陷經(jīng)過改制后幾乎貫通全長)，單個(gè)超標(biāo)缺陷1件，屬夾雜缺陷。在其余的7件中，有2件缺陷在水口側(cè)，比2009年全年少30%，其余5件均在鋼錠偏冒口側(cè)，都集中一處，較2009年全年多25%。

從上述調(diào)查情況看，30Cr1Mo1V電站轉(zhuǎn)子報(bào)廢數(shù)量有所增加，缺陷的位置也發(fā)生變化，更偏向鋼錠的冒口側(cè)，且比較集中，都是一處，面積也相對小了一些。這說明一些問題，一是從單件的質(zhì)量上，缺陷面積變小，說明鋼錠的質(zhì)量和鍛造操作有了一定改善，有向好的趨勢；二是從缺陷發(fā)生部位上移來看，說明鋼錠中的氣體和外來夾雜減少了，鋼錠疏松面積小了，鍛造漏錘的情況少了。但報(bào)廢鍛件的數(shù)量沒有減少，仍需要我們做更細(xì)的工作。

2010年3月，對2009年探傷報(bào)廢的30Cr1Mo1V轉(zhuǎn)子進(jìn)行了改制，改制件為自耗電極。這批轉(zhuǎn)子的缺陷都是?2 mm以上，密集分布在中間偏水口側(cè)。當(dāng)時(shí)依據(jù)探傷人員介紹的情況，認(rèn)為大部分缺陷為疏松，小部分為夾雜缺陷。為此，在改制時(shí)對缺陷部位改制的自耗電極做了特殊標(biāo)識，對自耗電極粗加工后進(jìn)行超聲波探傷。

電極探傷的基本情況是：8支有

從轉(zhuǎn)子到自耗電極鍛造改制過程中，鍛造的變形量是很大的，缺陷部位最大鍛比已達(dá)到2.5～3.0。從改制的結(jié)果看，缺陷的程度有很大改善，但仍不能完全消除，進(jìn)而也可以說明探傷報(bào)廢30Cr1Mo1V轉(zhuǎn)子的鋼水純凈度不夠，存在夾雜物。這5支轉(zhuǎn)子經(jīng)過兩次鍛造，鍛比已達(dá)到6以上，仍不能將其心部缺陷有效彌散，可見其缺陷是比較嚴(yán)重的。雖然較大的變形量和較好的變形條件對焊合鋼錠心部疏松和彌散夾雜缺陷是有利的，但解決不了所有的夾雜物缺陷問題。如果疏松和夾雜物共存，夾雜物和其它一些低熔點(diǎn)物質(zhì)則會富集到疏松表面，鍛造就更難解決問題了。

2 解剖分析

理化實(shí)驗(yàn)室于2009年12月對爐號為5090306、卡號為0903900、材質(zhì)為30Cr1Mo1V的報(bào)廢高中壓轉(zhuǎn)子進(jìn)行了缺陷性質(zhì)分析。

該轉(zhuǎn)子鍛件在調(diào)質(zhì)后探傷檢測時(shí)發(fā)現(xiàn)，在軸身兩大圓心部約?180 mm×1 580 mm范圍內(nèi)均發(fā)現(xiàn)有?1.6 mm的密集性缺陷(見圖1)，致使該轉(zhuǎn)子報(bào)廢。為確定缺陷性質(zhì)，找出致廢原因和有針對性的采取工藝改進(jìn)措施，我們在A、B兩個(gè)位置進(jìn)行解剖，各取10片橫向和5片縱向低倍試樣，進(jìn)行一系列的分析。

2.1 酸洗檢驗(yàn)

將30片低倍試片全部酸洗后并借助10倍以下顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，除一件橫向試片有明顯的疏松外，其余每件橫向低倍試片均發(fā)現(xiàn)有數(shù)量不等大小不一的針孔狀空隙(見圖2)。10片縱向低倍試片除有不同程度的偏析條帶外，均未發(fā)現(xiàn)其它缺陷(見圖3)。

圖1 取樣位置Figure 1 The sampling position

圖2 橫向試片上的疏松空洞和針孔狀空隙Figure 2 The porosity cavity and pinhole in transverse test piece

圖3 縱向斷口上的偏析條帶Figure 3 The segregation strip in longitudinal fracture

2.2 斷口檢驗(yàn)

用體式顯微鏡放大20倍檢查，斷口齊平，呈亮灰色，有強(qiáng)烈的金屬光澤和明顯的結(jié)晶顆粒，斷裂形態(tài)為細(xì)結(jié)晶狀斷口(見圖4)。說明材料在斷裂時(shí)未發(fā)生明顯的宏觀塑性變形，屬脆性斷口。

圖4 宏觀低倍斷口形貌Figure 4 The macro fracture appearance

2.3 夾雜物檢驗(yàn)

該材質(zhì)除硫化物為2.5～3級外，其余為0.5～1級，均在合格范圍之內(nèi)。

2.4 疏松檢驗(yàn)

把橫向試片上的疏松空洞放在高倍顯微鏡下觀察，帶有棱角的顯微空洞清晰可見，微觀特征極為明顯(見圖5和圖6)，經(jīng)腐蝕后的尖角都沿晶界延伸方向擴(kuò)展(見圖7)。圖5和圖7所示的缺陷基本沒有焊合，圖6所示的缺陷呈棱角狀，斷續(xù)的孔洞是部分孔洞被焊合的結(jié)果。

從疏松空洞的形貌看，疏松空洞有了很大的變形，有的部位已經(jīng)被焊合，有的部位沒有被焊合。從變了形的多邊形疏松空洞的形貌及輪廓可以判斷出，未發(fā)生變形時(shí)的疏松空洞是很大的。圖5所示的缺陷輪廓尺寸為?4.6 mm，這是缺陷變形后的尺寸，可以想象其未變形時(shí)會有多大！這么大的疏松孔洞也不能稱之為疏松，而應(yīng)是縮孔或是縮管。雖然疏松和縮孔在必要的條件下是可以焊合的，但縮孔的焊合條件要比疏松苛刻得多，況且縮孔的表面極易富集夾雜或偏析組織，會給鍛造帶來很大的焊合難度。變形量太大，縮孔易形成尖角，形成應(yīng)力集中與裂紋源；變形量太小，縮孔不可能焊合。

圖5 多邊形疏松空洞的微觀形貌特征(50×)Figure 5 The micro appearance feature of polygon porosity cavity(50×)

圖6 各種疏松空洞的微觀形貌特征(100×)Figure 6 The micro appearance feature of different porosity cavity(100×)

圖7 疏松尖角沿晶界擴(kuò)展(100×)Figure 7 The extension of porosity sharp angle along grain boundary(100×)

2.5 掃描電鏡斷口檢驗(yàn)

采用掃描電鏡對斷口進(jìn)行微觀檢查，微觀疏松形貌特征是比較明顯的。圖8所示缺陷大小只有?0.25 mm，內(nèi)壁光滑尖角凸出，洞壁上有清晰可見的金屬受擠壓流動的螺旋線。圖9、圖10和圖11中這種螺旋線更加清晰，并且從掃描電鏡檢測的結(jié)果看，這些缺陷都比較小，說明鍛造對于部分疏松缺陷焊合的程度是滿足技術(shù)要求的。

根據(jù)上述解剖分析，得出下列結(jié)論：這支轉(zhuǎn)子的鋼錠錠身心部存在大于?4.6 mm的疏松孔洞或者縮管。經(jīng)過鍛造后，缺陷由原來的大于?4.6 mm變成小于?1.6 mm。雖然缺陷得到很大改善，但未能被有效焊合達(dá)到相應(yīng)的要求。在其附近的小缺陷經(jīng)鍛造后，形態(tài)和大小可以滿足探傷的技術(shù)要求。

圖8 掃描電鏡的微觀疏松形貌Figure 8 The micro porosity appearance by scanning electron microscopy

圖9 三角晶界處的凹坑式疏松孔洞Figure 9 The triangle depression porosity cavity in grain boundary

圖10 洞壁上的金屬螺旋曲線Figure 10 The metal spiral curve in cavity wall

圖11 典型的凹坑式疏松孔洞Figure 11 The typical depression porosity cavity

3 生產(chǎn)調(diào)查與解剖分析的結(jié)果

(1)從統(tǒng)計(jì)分析的情況看，廢品率接近于廢品考核指標(biāo)，只略超一點(diǎn)。這可以肯定我們目前制定和執(zhí)行的生產(chǎn)工藝是沒有問題的，發(fā)生這些廢品的主要原因仍然在于具體操作環(huán)節(jié)。

(2)單個(gè)或密集性夾雜缺陷是由鋼錠冶煉、澆注過程中鋼水純凈度問題產(chǎn)生的，這是毫無疑問的。疏松缺陷則是因?yàn)殇撳V在凝固過程中形成的疏松比較嚴(yán)重，在后續(xù)的鍛造過程中沒有得到有效鍛合。

(3)缺陷發(fā)生在偏水口側(cè)和貫穿鍛件大部分或全長的，多半是夾雜類缺陷，而且是外來夾雜，是鋼水純凈度問題。從統(tǒng)計(jì)情況看，今年這類情況占50%，較2009年有所降低。缺陷發(fā)生在偏冒口側(cè)，則基本是鋼錠易產(chǎn)生二次縮孔的部位，多半是疏松缺陷。在疏松部位附近伴有一定量的二次析出或凝固時(shí)集聚的夾雜物，是不易鍛合的。即使鍛合后仍會有細(xì)小夾雜物存在，探傷結(jié)果大于?1.6 mm～?2 mm。這類情況較2009年全年高25%。因此，如何解決鋼錠嚴(yán)重疏松問題是降低廢品率的關(guān)鍵。

4 工藝改進(jìn)措施

綜合上述生產(chǎn)調(diào)查與解剖分析的結(jié)果，我們認(rèn)為加強(qiáng)鋼水冶煉、鑄錠生產(chǎn)環(huán)節(jié)的過程質(zhì)量控制，是解決轉(zhuǎn)子質(zhì)量問題的關(guān)鍵。另外，對30Cr1Mo1V轉(zhuǎn)子鍛件煉鋼、鍛造的生產(chǎn)工藝和操作環(huán)節(jié)提出以下改進(jìn)措施。

4.1 煉鋼

根據(jù)分析，30Cr1Mo1V電站轉(zhuǎn)子探傷缺陷多是由疏松造成的。因此，為了減少電站轉(zhuǎn)子探傷廢品，煉鋼方面要從提高鋼錠凝固入手。

(1)學(xué)習(xí)日本成功經(jīng)驗(yàn)，并借助數(shù)值模擬手段，重新優(yōu)化、設(shè)計(jì)鋼錠模結(jié)構(gòu)尺寸，改善鋼錠的凝固狀況，提高鋼錠的內(nèi)部質(zhì)量。

(2)優(yōu)化中間包的結(jié)構(gòu)，提高中間包敷料的抗沖刷性能，杜絕中間包在澆注過程中掉渣和卷渣現(xiàn)象，降低中間包在澆注過程中對鋼水的二次污染程度，確保鋼錠所用鋼水的純凈度。

(3)為了避免鋼錠凝固過程中出現(xiàn)大面積疏松或縮孔，適當(dāng)調(diào)低了鋼水澆注過熱度，并對中間包溫度進(jìn)行精確控制，減少由于澆注溫度的波動對鋼錠內(nèi)部質(zhì)量造成的影響。

(4)為了減少原材料帶入的有害殘余元素及氣體對鋼錠造成的危害，在備料環(huán)節(jié)要求增加10%的海綿鐵的配入量，減少10%的鋼屑的配入量。

(5)繼續(xù)做好帽口砌筑WDS板的工作，提高帽口的保溫效果，加強(qiáng)鋼錠凝固過程中的補(bǔ)縮能力，減少鋼錠心部的疏松，為后續(xù)工序打好基礎(chǔ)。

(6)針對具體鋼錠冒口澆注高度，適當(dāng)推遲鋼錠脫模時(shí)間或做好提前脫帽口工作，防止冒口凝固不徹底，出現(xiàn)“淌湯”造成冒口中心產(chǎn)生大的孔洞現(xiàn)象，減小后續(xù)鍛造時(shí)孔洞由此向鋼錠錠身延展的可能。

4.2 鍛造

根據(jù)分析，30Cr1Mo1V電站轉(zhuǎn)子探傷缺陷多是由疏松造成的。因此，為了減少電站轉(zhuǎn)子探傷廢品，鍛造方面須從提高鋼錠心部壓實(shí)效果入手。較大的變形量和較好的變形條件，對焊合鋼錠心部疏松和彌散夾雜缺陷是有利的。

(1)增加壓鉗口火次的高溫保溫時(shí)間，減少鋼錠心部的組織偏析和成分偏析，有利于心部缺陷的鍛造焊合。

(2)借鑒日本室蘭工藝，考慮2004年的工藝中壓實(shí)火次的高溫保溫時(shí)間比目前長，及高溫?cái)U(kuò)散對鋼錠質(zhì)量的影響，通過計(jì)算后對鐓粗、壓實(shí)拔長火次前的高溫保溫時(shí)間適當(dāng)延長。

(3)考慮目前出成品火次爐溫為1250±10℃，為了減少熱處理后草狀波的產(chǎn)生，若出成品火次無鍛比鍛造，高溫保溫時(shí)間可比規(guī)范要求時(shí)間適當(dāng)縮短；若出成品火次有鍛比鍛造，高溫保溫時(shí)間可按規(guī)范執(zhí)行。

(4)對于壓實(shí)火次壓下量的控制，必須嚴(yán)格執(zhí)行壓實(shí)操作規(guī)程，壓下量必須保證在18%～20%之間。

(5)對于拔長壓實(shí)火次布砧方式的控制，必須嚴(yán)格執(zhí)行布砧操作規(guī)程，在翻轉(zhuǎn)90°后，嚴(yán)格執(zhí)行錯(cuò)半砧布砧，避免漏錘，保證有效砧寬覆蓋整個(gè)鋼錠的長度。

(6)加強(qiáng)關(guān)鍵鍛造工序執(zhí)行情況的監(jiān)督檢查，確保工藝質(zhì)量和產(chǎn)品質(zhì)量。

5 結(jié)論

通過對近幾年來30Cr1Mo1V高中壓轉(zhuǎn)子的生產(chǎn)情況進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查分析和對具有代表性的探傷缺陷進(jìn)行解剖分析，找出了產(chǎn)生質(zhì)量問題的原因。通過制定一系列切實(shí)可行的工藝改進(jìn)措施和生產(chǎn)控制措施，達(dá)到了從根本上解決問題的效果。經(jīng)過近期的生產(chǎn)實(shí)踐證明，我們分析的原因和采取的措施都是正確的，基本解決了30Cr1Mo1V高中壓轉(zhuǎn)子探傷廢品頻繁發(fā)生的質(zhì)量問題。