蔣新亮 李波 崔晉娥 周雯

(二重(德陽)重型裝備有限公司，四川618013)

我國引進先進的核電機組設計、制造技術(shù)過程中，大型常規(guī)島轉(zhuǎn)子制造技術(shù)被國外技術(shù)封鎖，成為制約我國核電裝備發(fā)展的一大瓶頸。我公司從2006年開始進行500 t級以上鋼錠及百萬千瓦核電常規(guī)島轉(zhuǎn)子鍛件專項技術(shù)研究和特大型鍛件極限制造工藝流程改造，2010年3月研制出了國內(nèi)首件百萬千瓦級(1100 MW)核電常規(guī)島半速發(fā)電機轉(zhuǎn)子，實現(xiàn)了零NCR交付用戶，形成了500 t～700 t鋼錠及CAP1400和華龍一號等三代核電常規(guī)島整鍛發(fā)電機轉(zhuǎn)子鍛件完善的項目管理體系和制造能力?，F(xiàn)就1100 MW核電發(fā)電機轉(zhuǎn)子的熱處理與質(zhì)量評價進行分析介紹。

1 產(chǎn)品概況

發(fā)電機轉(zhuǎn)子是核電機組特大型關(guān)鍵部件，由于尺寸大，質(zhì)量要求高，是目前世界上大鍛件極限制造領(lǐng)域高水平和高難度的標志性產(chǎn)品之一。

1.1 轉(zhuǎn)子鍛件尺寸和重量

轉(zhuǎn)子鍛件性能熱處理時總長近17 m，直徑達2 m，重量近260 t。

1.2 技術(shù)要求

1.2.1 材料化學成分

轉(zhuǎn)子材料相當于25Cr2Ni4MoV鋼，其熔煉化學成分要求應符合表1規(guī)定。

1.2.2 力學性能

力學性能取試位置與驗收指標分別見圖1和表2。

圖1 轉(zhuǎn)子性能分區(qū)及取試圖Figure 1 Rotor performance partition and sample taking

1.2.3 殘余應力檢測

環(huán)芯法測量殘余應力。殘余應力應低于60 MPa。若超過60 MPa，則需消應處理。

2 產(chǎn)品研制

2.1 大型鋼錠制造

采用電弧爐粗煉鋼水→鋼包爐真空VCD精煉鋼水→4包真空合澆。圖2為冶煉及真空鑄錠示意圖。

2.2 轉(zhuǎn)子鍛造

550 t級大型鋼錠在160 MN水壓機上實施鍛造，應用WHF+JTS方法。其工藝流程為：

表1 熔煉化學成分要求(質(zhì)量分數(shù)，%)Table 1 Chemical composition requirements(mass fraction,%)

表2 力學性能要求Table 2 Mechanical properties requirements

圖2 冶煉及真空鑄錠示意圖Figure 2 Schematic diagram of smelting and vacuum ingot casting

壓鉗把，倒棱→水口壓鉗把，下料→鐓粗→拔長中間坯→拔長滾圓主體部分，分料→各部鍛至鍛件尺寸，氣割出成品。

2.3 轉(zhuǎn)子鍛件熱處理

2.3.1 熱處理工藝參數(shù)研究

主要難點分析：

(1)鍛件體積大，鍛造時易出現(xiàn)變形不均勻，導致內(nèi)部晶粒粗大且不均勻，同時存在較大的不均勻變形應力，在后期熱處理過程中要使晶粒均勻化和細化特別困難。

(2)鍛件成形后重量約為320 t，體積和截面變化(大小截面之差)大，加熱、冷卻過程中熱應力和相變應力大，特別在截面變化劇烈處更易形成應力集中而引起開裂。

(3)轉(zhuǎn)子本體性能均勻性要求嚴格，但Ⅰ、Ⅱ兩個區(qū)性能要求不同，相差為100 MPa，回火時必須在同一熱處理爐內(nèi)將轉(zhuǎn)子分為兩個區(qū)域分別加熱和保溫，并要形成規(guī)定的溫差，而在鍛件內(nèi)高低溫區(qū)存在著熱傳導，控制難度大。

(4)由于轉(zhuǎn)子各段截面尺寸相差很大，淬火時需要采用不同的冷卻速度，要進行大量的試驗驗證才能確定。

2.3.2 細化晶粒與鍛后熱處理

轉(zhuǎn)子鍛件用鋼屬貝氏體強組織遺傳性材料，晶粒很難細化和均勻化。細化晶粒采用如下方法：

(1)應用鍛造變形再結(jié)晶方法使奧氏體晶粒改善，在鍛造最后1～2火次時，溫度不能太高，一般控制在1200～1150℃，變形量在15%～25%，變形后防止鍛件心部溫度升高導致晶粒再次粗化。

(2)鍛后采用多次次高溫奧氏體化(溫度由高到低，呈階梯式)，多次次過冷加高溫回火方式，實踐證明，這對特大型轉(zhuǎn)子鍛件細化晶粒是有效措施。

(3)鍛后空冷溫度不宜過低，應及時入爐，以防鍛件開裂。

(4)鍛件加熱時不宜過快，最好進行適當?shù)木鶞兀^冷時對冷速的控制非常重要，不宜過快，鍛件心部最好降到Bf以下。過冷時應采取措施以減少鍛件應力開裂的風險，同時使組織轉(zhuǎn)變更為徹底以獲得更細的晶粒。

(5)回火出爐溫度應低，以減少鍛件應力開裂的風險。

2.3.3 性能熱處理加熱、淬火應力控制

為了減少熱應力，在特大鍛件的加熱過程采用階梯加熱，在低溫時采用較慢速度升溫，在高溫時采用相對稍高的加熱速度。

淬火冷卻過程中，鍛件內(nèi)不可避免的出現(xiàn)相當大的溫度梯度，產(chǎn)生很大的熱應力。理論上比較理想的冷卻速度應處于過冷奧氏體分解較快的溫度范圍內(nèi)(相當于CCT曲線的鼻尖處)且具有較高的冷速，而在進入貝氏體(或馬氏體)轉(zhuǎn)變區(qū)域時具有相對緩和的冷卻速度。既可保持較好的淬火效果，又不致于造成太大的淬火應力。但實際上，很難找到如此理想的淬火介質(zhì)和控溫方法。處于保險考慮，冷卻時需采用較為穩(wěn)妥的間隙冷卻方法，即噴水、鼓風交替冷卻方式，以降低冷卻過程中的應力峰值。

(1)材料性能熱處理工藝參數(shù)研究

性能熱處理工藝方案為將轉(zhuǎn)子從室溫加熱到奧氏體溫度后進行均溫，然后快速冷卻淬火使整個轉(zhuǎn)子表層和心部淬透，再進行加熱回火，使轉(zhuǎn)子表層和中心部位性能達到使用要求?；鼗饡r將轉(zhuǎn)子分為兩個區(qū)域分別加熱和保溫，以分別滿足兩區(qū)的不同性能要求。

(2)材料模擬熱處理試驗研究

為了研究分區(qū)回火工藝參數(shù)，以相同材料的小試樣進行淬火，其工藝方案與轉(zhuǎn)子相同，然后進行回火參數(shù)試驗。試樣的化學成分滿足表1要求，回火溫度分別設定為615℃±10℃、625℃±10℃、640℃±10℃、650℃±10℃、670℃±10℃和690℃±10℃，回火后進行力學性能測試，結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同回火溫度的力學性能Figure 3 Mechanical properties at different tempering temperatures

通過小試樣不同回火溫度下的性能數(shù)據(jù)，可以看出要達到力學性能要求，綜合考慮制定出了合理的分區(qū)回火溫度。

(3)產(chǎn)品回火參數(shù)試驗研究

由于小試樣的冷卻條件和冷卻速度與產(chǎn)品有一定差別，其數(shù)據(jù)只能作為參考，還不能直接用于核電轉(zhuǎn)子。選擇了同材質(zhì)的300 MW發(fā)電機轉(zhuǎn)子，其尺寸為?1144 mm×12 160 mm，作為進一步驗證。其力學性能表3。

從試驗件力學性能數(shù)據(jù)可以看出，其強度值比小試樣明顯降低，但還是滿足技術(shù)條件要求。隨后又補充進行了不同溫度點的回火試驗，確定轉(zhuǎn)子分區(qū)回火溫度。

性能熱處理工藝淬火形式為噴水+鼓風+回火，見圖4。

(4)熱處理裝爐方式

轉(zhuǎn)子的熱處理重量約為260 t。由于加熱溫度高、時間長，轉(zhuǎn)子體積和重量大，裝爐由傳統(tǒng)的吊掛式設計改為坐底式，在分區(qū)熱處理設備上，分別制作了隔熱板和隔熱環(huán)，以實現(xiàn)設備分區(qū)回火的功能。

(5)熱處理實施

性能熱處理主要設備有?3.2 m×15(20)m井式熱處理爐、?2.5 m×15(20)m井式熱處理爐和?5 m×30 m大型噴水噴霧淬火裝置。

表3 試驗轉(zhuǎn)子力學性能(回火溫度615℃)Table 3 Mechanical properties of test rotor (tempering temperature 615℃)

圖4 性能熱處理工藝Figure 4 Performance heat treatment process

3 質(zhì)量評價

按產(chǎn)品標準進行了全面檢驗和質(zhì)量評價。

3.1 化學成分

化學成分全部合格，P、S及雜質(zhì)元素相比標準要求，大幅控制在較低水平。成品分析各種元素偏析控制在要求范圍內(nèi)，心部偏析略高于表面。

3.2 氣體含量分析

氣體H、O、N含量符合要求規(guī)定且相當?shù)?O、N含量為非合同要求檢驗項目)。H含量為0.2×10-6，O含量為10×10-6，氮含量為0.2×10-6。

3.3 硫印試驗

硫印試驗為非合同要求檢驗項目，汽機端和電機端試驗結(jié)果表明無硫印痕跡顯示。

3.4 力學性能

鍛件A、B、C、D、J部位力學性能試驗結(jié)果見表4，硬度均勻性檢測(非合同要求檢驗項目)見圖5。各項力學性能全部合格，也很均勻，且富余量比較大。同時對中心部位E、F、G、H、K也進行了力學性能檢測，中心部位強度與表層A、B、C、D、J基本一致，中心F部位FATT50達到-30℃。

表4 A、B、C、D、J部位力學性能Table 4 Mechanical properties of position A,B,C,D,J

12345678910檢測設備0°270246241240240235238235237236HBC型90°272244242246246243246241245249HBC型180°273242244246243245238245246240HBC型270°270245240247247241242247235235HBC型

圖5 硬度HBW均勻性檢測
Figure 5 Hardness HBW uniformity test

3.5 殘余應力試驗

殘余應力要求≤60 MPa，實測結(jié)果見表5。殘余應力顯著低于標準要求。

3.6 磁性能試驗

磁性能試驗檢測結(jié)果合格，見表6。

3.7 金相試驗及夾雜物評級

表面晶粒度要求≥4.0級，中心部位僅供參考；夾雜物評級不作要求，試驗結(jié)果見表7。

3.8 超聲檢測

表5 殘余應力試驗結(jié)果(MPa)Table 5 Residual stress test results(MPa)

表6 磁性能試驗結(jié)果Table 6 Magnetic properties test results

表7 金相試驗及夾雜物評級試驗結(jié)果Table 7 Metallographic test and inclusion rating test results

性能熱處理前進行UT，結(jié)果顯示轉(zhuǎn)子軸身雜波高度小于3%；性能熱處理后打中心孔前進行UT，轉(zhuǎn)子軸身雜波高度小于1%；鉆孔后進行UT，轉(zhuǎn)子軸身雜波高度小于1%，三次UT均未發(fā)現(xiàn)不允許缺陷信號。UT結(jié)果全部合格。

3.9 磁粉檢驗

按產(chǎn)品訂貨技術(shù)條件對轉(zhuǎn)子表面進行磁粉檢驗，未發(fā)現(xiàn)不允許缺陷顯示。

產(chǎn)品經(jīng)全面的質(zhì)量評價，各項指標均達到產(chǎn)品規(guī)范和訂貨技術(shù)條件要求，未發(fā)生NCR，產(chǎn)品質(zhì)量合格。

4 結(jié)語

通過自主創(chuàng)新和技術(shù)攻關(guān)，研制出1100 MW核電常規(guī)島發(fā)電機轉(zhuǎn)子，進行了全面質(zhì)量評價，實現(xiàn)了零NCR交付用戶，熱處理工藝及產(chǎn)品制造流程合理?，F(xiàn)已形成500 t～700 t級鋼錠及CAP1400和華龍一號特大型核電常規(guī)島整鍛轉(zhuǎn)子鍛件完善的項目管理體系和制造能力，打破國外在這一制造領(lǐng)域的長期壟斷。先后累計制造近20件，從第4件開始合格率100%，解決了制約大型核電機組發(fā)展的核心零部件瓶頸問題。