劉曉書，楊功斌

（沈陽科金特種材料有限公司，遼寧 沈陽 110101）

近年來，火電機組的單機容量在不斷突飛猛進地增加。目前，超臨界汽輪機組單機容量已經(jīng)超過百萬千瓦，而其所運轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子鍛件是機組中極其重要的部件，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時承受巨大的離心力，同時它也是汽輪機上重要的安全部件之一，它起著工質(zhì)能量轉(zhuǎn)換及扭矩傳遞的任務(wù)，大噸位質(zhì)量的轉(zhuǎn)子鍛件其制造難度極大，鋼錠的選材質(zhì)量和鍛造工序成為制造環(huán)節(jié)必不可少的主要工序，文中主要闡述了30Cr1Mo1V汽輪機轉(zhuǎn)子鍛件鋼錠選材質(zhì)量和鍛造鍛制工藝過程中相關(guān)的注意事宜，進而提升轉(zhuǎn)子鍛件的產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)品合格率。圖1為某機組用30Cr1Mo1V汽輪機轉(zhuǎn)子鍛件的鍛件圖。

圖1 30Cr1Mo1V汽輪機轉(zhuǎn)子鍛件

1 制造工序流程

冶煉→熔煉分析→鍛造→鍛后熱處理。

1.1 鋼錠

通常轉(zhuǎn)子鍛件質(zhì)量噸位大，由于鋼錠底部端存在一個很大的負偏析沉淀堆，鋼錠中含有大量的高熔點的非金屬夾雜物，如硅酸鹽之類，而鋼錠冒口端通常又是碳、硫、磷、疏松等聚集區(qū)，因此，發(fā)電機轉(zhuǎn)子鍛件的鋼錠利用率通常為45%～55%。冒口端切除率為5%～10%，底部端的切除率為10%～20%。轉(zhuǎn)子鍛件的技術(shù)要求高，鋼錠的有效利用率較一般鍛件偏低。非金屬夾雜物的存在嚴重影響材料的熱塑性，使得轉(zhuǎn)子鍛件坯料高溫形變困難，且較多的非金屬夾雜物殘留在鍛件中會導(dǎo)致后續(xù)熱處理調(diào)質(zhì)后，材料內(nèi)部萌生微裂紋源，降低轉(zhuǎn)子材料的韌性性能，而磷元素增加鋼的冷脆性，使得鍛件的焊接性變差，硫元素極易和Fe原子結(jié)合形成FeS，引起鋼熱成型時熱脆開裂。

從國外電站事故的分析中可知，轉(zhuǎn)子斷裂的原因除了應(yīng)力集中，轉(zhuǎn)子中心區(qū)橫向塑性低和脆性轉(zhuǎn)變溫度較高外，主要是轉(zhuǎn)子中存在大量的夾雜和疏松等冶金缺陷（甚至個別鍛件中還存在白點）。由于轉(zhuǎn)子鍛件噸位質(zhì)量大，其選用的鋼錠重量必然噸位大，隨著鋼錠重量的增加，大截面鋼錠凝固時中心枝狀晶冷卻速率慢，導(dǎo)致鋼錠成份偏析傾向增加，疏松、晶間裂紋等缺陷也相應(yīng)的增加。因而在轉(zhuǎn)子鍛件的生產(chǎn)中，如何減少鋼中夾雜和鋼錠偏析，就成為首先應(yīng)該重視的問題。因此，對原材料的精選、爐料的烘烤、冶煉熱工制度的完善、澆注系統(tǒng)的清潔、合理的鋼錠化學(xué)成分配比等都應(yīng)嚴格要求。目前，堿性電爐結(jié)合真空澆注技術(shù)以及后期的電渣重溶技術(shù)應(yīng)用較為廣泛。堿性電爐可以獲得純凈度較高（含硫、磷小于0.010%）的鋼水，采用真空澆注技術(shù)極大地降低了鋼中的氫含量（1.5ppm），有效降低了白點的發(fā)生概率。電渣重溶的鋼錠非金屬夾雜物少，化學(xué)元素成分偏析小，鋼錠致密度大，因此，選取了電渣重熔的電渣鋼錠，所用錠型選取了φ500直徑2.5T電渣錠，表1為該鋼錠的化學(xué)分析結(jié)果。

表1 化學(xué)成分要求（wt%）（1）

1.2 鍛造工序

制定圖1汽輪機30Cr1Mo1V轉(zhuǎn)子鍛造工藝時，結(jié)合電渣鋼錠的較高成才使用率，轉(zhuǎn)子鍛造變形的過程，包括鋼錠的加熱，鋼錠的壓鉗把，鐓粗、拔長等工序，采用鋸床帶鋸切除電渣鋼錠底墊保留收弧端的措施，文中主要對鍛造過程中鐓粗、拔長變型進行闡述。鋼錠加熱采取1180～1250℃保溫5～7h的方式。

轉(zhuǎn)子坯料鐓粗時，為充分焊合鋼錠內(nèi)部缺陷，打碎鑄態(tài)組織，改變夾雜物分布的狀態(tài)，采用了兩次鐓粗。只要壓機能力許可，可使鐓粗變形程度（εH）大于50%。高徑比（H/D）盡量等于0.6～0.65。即εH=（H0-H）/H0×100%＞50%；H/D=0.60～0.65式中Ho為鐓粗前鋼錠的高度毫米；H為鐓粗后鋼錠的高度毫米；D為鐓粗后鋼錠的直徑毫米。

將鋼錠收弧端壓鉗把并切至φ300×500，然后鐓粗盤內(nèi)鐓粗至600高左右，隨后將坯料進行拔長至800方，而后鐓粗盤內(nèi)鐓粗至550高左右，拔長坯料至400方，最終壓肩拔長至鍛件尺寸，精整出成品，總鍛比＞10，鍛造過程終鍛溫度控制在850℃以上。

30Cr1Mo1V轉(zhuǎn)子鍛造工藝中采用兩次鐓粗，是為了增加拔長鍛造比和焊合鋼錠內(nèi)部缺陷，鋼錠在開始鐓粗時，因其高度與直徑比較大，（普通鋼錠一般是2左右），所以鐓不透，中心部金屬承受拉應(yīng)力作用。缺陷不僅不能焊合，反而可能擴大。隨著鐓粗變形的加大，當達到高度與直徑之比為1左右時，中間才受到較大的壓應(yīng)力，缺陷才能焊合。鋼錠鐓粗時，由于摩擦影響使得坯料產(chǎn)生不均勻變形，中間變形程度大，兩端小。所以中間的內(nèi)部缺陷首先焊合，隨著鐓粗變形程度的增加，兩端缺陷逐漸焊合。轉(zhuǎn)子鍛造時一般用帶把鐓粗，在鉗把子附近的金屬變形很小而該區(qū)的中心缺陷多，即使鐓粗變形程度很大，也難以焊合。由于鐓粗時存在不均勻變形，鋼錠中段內(nèi)部缺陷首先得到焊合，當鐓粗變形量足夠時，缺陷充分焊合。該部分用來鍛制轉(zhuǎn)子的軸身，提高了鍛件質(zhì)量。此外，增加鐓粗工序能夠增加拔長鍛造比。

拔長變形是轉(zhuǎn)子鍛造工藝中最基本、最主要的操作之一。轉(zhuǎn)子鍛件的鍛造質(zhì)量（低倍分析、超聲波探傷結(jié)果、橫向和縱向的機械性能等），在一定程度上，取決于拔長變形的好壞。轉(zhuǎn)子鍛件的拔長鍛造時，其拔長變形時的進給量、壓下量、變形方式、砧子的尺寸與形狀、鍛造溫度等因素，對轉(zhuǎn)子鍛件的質(zhì)量影響也是很大的。圓坯料在平砧上拔長，尤其是滾圓，在心部作用著橫向位應(yīng)力，不僅不能焊合缺陷，而且中心有產(chǎn)生缺陷的可能性。因此，在轉(zhuǎn)子壓臺、成型、滾圓，修正等工序中，采用上平砧、下V型砧是合適的。因此，拔長工序時，盡量使拔長的相對進給量等于0.5～0.8，采用全砧進給，高溫大壓下量，來完成主要變形過程，以保證轉(zhuǎn)子質(zhì)量；轉(zhuǎn)子鍛造的拔長工序中，鍛造比，壓下量，相對進給量，砧子型式，變形方式等均嚴重影響轉(zhuǎn)子的產(chǎn)品最終質(zhì)量。拔長時，盡量做到坯料變形均勻，力求使鍛件中心線和鋼錠中心線相重合。

1.3 鍛后熱處理（見圖2）

圖2 轉(zhuǎn)子鍛件的鍛后熱處理工藝

文中30Cr1Mo1V汽輪機轉(zhuǎn)子鍛件質(zhì)量噸位小，采取了鍛后正回火的熱處理工藝方式，其正回火工藝為950～980℃，正火680～720℃回火，均勻組織，為隨后的轉(zhuǎn)子鍛件的熱處理做好前期的預(yù)處理準備。

2 結(jié)語

轉(zhuǎn)子是決定汽輪機運轉(zhuǎn)速度的關(guān)鍵部件之一，同時，品質(zhì)上乘的轉(zhuǎn)子也會提高機組的使用壽命、降低轉(zhuǎn)子運轉(zhuǎn)故障率、提高動能轉(zhuǎn)化效率，因此，不斷地優(yōu)化轉(zhuǎn)子產(chǎn)品的性能使得制造工序需要不斷優(yōu)化，隨之鍛造等相關(guān)的制造工藝也需要不斷優(yōu)化，以此提升轉(zhuǎn)子的產(chǎn)品質(zhì)量，進而提高制造行業(yè)的整體制造水平。