聯(lián)合循環(huán)機(jī)組高中壓轉(zhuǎn)子鍛件的研制

滕 毅 趙 麗

(天津重型裝備工程研究有限公司，天津300457)

燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)是將燃?xì)廨啓C(jī)和蒸汽輪機(jī)這兩種按不同熱力循環(huán)工作的熱機(jī)聯(lián)合在一起的發(fā)電機(jī)組，也簡稱為聯(lián)合循環(huán)。它能大幅度提高機(jī)組熱效率，是節(jié)約能源的一種新型發(fā)電形式，其不僅具有降低CO2排放、減少耗水量、實現(xiàn)粉塵零污染等環(huán)保優(yōu)點，而且其供電效率能夠達(dá)到42%～46%，具有高效的綜合利用率，這對于我國實現(xiàn)綠色低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式具有戰(zhàn)略意義。

聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組中的核心部件是高中壓轉(zhuǎn)子，由于機(jī)組進(jìn)汽端溫度高(566℃)，對材料來說就是超臨界機(jī)組。因此對高中壓轉(zhuǎn)子的技術(shù)要求比亞臨界機(jī)組更加嚴(yán)格，即比常規(guī)高中壓轉(zhuǎn)子要求具有更低的FATT、更高的抗拉強(qiáng)度及高溫持久性能。由于該轉(zhuǎn)子主要依賴進(jìn)口，因此我公司與哈汽共同合作進(jìn)行了聯(lián)合循環(huán)高中壓轉(zhuǎn)子鍛件的研制。本文重點對聯(lián)合循環(huán)高中壓轉(zhuǎn)子超純30Cr1Mo1V鋼進(jìn)行熱工藝研究，使其最終達(dá)到聯(lián)合循環(huán)機(jī)組高的性能要求。

1 技術(shù)要求

超純30Cr1Mo1V鋼的化學(xué)成分見表1，常溫力學(xué)性能見表2，高溫性能見表3。

表1 化學(xué)成分要求(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 The requirement of the chemical composition(mass fraction, %)

注：O≤30×10-6，H≤1.0×10-6，N≤100×10-6

表2 常溫力學(xué)性能要求Table 2 The requirement of the normal temperature mechanical property

表3 高溫性能要求Table 3 The requirement of the high temperature mechanical property

2 制造難點

2.1 聯(lián)合循環(huán)機(jī)組高中壓轉(zhuǎn)子的化學(xué)成分除Mn元素外，其余均為超純，致使冶煉澆注對殘余元素、成分偏析及氣體更難于控制。

2.2 超純30Cr1Mo1V鋼轉(zhuǎn)子的常溫屈服強(qiáng)度比普通30Cr1Mo1V鋼(≥590 MPa)高10 MPa，抗拉強(qiáng)度比常規(guī)轉(zhuǎn)子(≥720 MPa)高出40 MPa以上，F(xiàn)ATT比常規(guī)轉(zhuǎn)子(≤116℃)低3℃。

3 制造過程

針對聯(lián)合循環(huán)機(jī)組高中壓轉(zhuǎn)子力學(xué)性能的特點，本著降低成本、發(fā)揮材料潛力的原則，開發(fā)了超純30Cr1Mo1V鋼，其生產(chǎn)流程為：冶煉→鍛造→預(yù)備熱處理→超聲波探傷→調(diào)質(zhì)熱處理→檢驗→精加工。

3.1 冶煉澆注

采用真空碳脫氧(LVCD)，利用真空狀態(tài)下[C]、[O]反應(yīng)，提高鋼水的純凈度，減少脫氧產(chǎn)物進(jìn)入鋼水，降低鋼水的[O]含量；采用VCD大大降低P、S的偏聚。通過LVCD+VCD的方式實現(xiàn)鍛件除Mn外，其余元素均為超純的目的。

3.2 鍛造

采用大砧寬比(1 500 mm寬V砧)壓實砧壓實，兩次鐓粗拔長，使心部有效壓實。保證轉(zhuǎn)子組織均勻，滿足超聲波探傷要求。

3.3 熱處理

3.3.1 預(yù)備熱處理

轉(zhuǎn)子含有較多的Cr、Mo、V等合金元素，尤其是釩碳化物是難溶的碳化物。超純30Cr1Mo1V鋼在鍛造后采用退火工藝，即一次高溫兩次過冷的工藝方式能使釩碳化物充分溶解，彌散析出細(xì)小均勻的釩碳化物，為后序熱處理做組織準(zhǔn)備。

3.3.2 調(diào)質(zhì)熱處理

4 檢驗結(jié)果

通過對超純30Cr1Mo1V鋼進(jìn)行熱工藝研制，其化學(xué)成分、常溫力學(xué)性能、金相、高溫持久等檢驗結(jié)果詳見表4～表6和圖2～圖3。

圖1 高中壓轉(zhuǎn)子鍛件調(diào)質(zhì)熱處理工藝曲線Figure 1 The quenching and tempering process curve of HIP rotor

表4 化學(xué)成分檢驗結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 4 The examination result of the chemical composition(mass fraction, %)

注：軸身X2中O=20×10-6，H=0.7×10-6，N=38×10-6；軸端L1中O=24×10-6，H=0.5×10-6，N=40×10-6。

表5 力學(xué)性能檢驗結(jié)果Table 5 The examination result of the mechanical property

表6 高溫持久強(qiáng)度(試樣位置為軸身徑向)Table 6 The high temperature permanent strength(the position of samples is shaft-radial)

圖2 金相照片F(xiàn)igure 2 The metallograph

圖3 高溫持久強(qiáng)度曲線Figure 3 The curve of high temperature permanent strength

5 結(jié)論

通過對聯(lián)合循環(huán)高中壓轉(zhuǎn)子材料進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，冶煉時除Mn外，其余元素按超純冶煉工藝操作，并采用鼓風(fēng)冷卻熱處理工藝實現(xiàn)了超純轉(zhuǎn)子具有較低的FATT、較高的抗拉強(qiáng)度及高溫持久性能的要求。通過試制，證明該材料及工藝的優(yōu)化是可行的，既降低了成本，延長了轉(zhuǎn)子使用壽命，又實現(xiàn)了聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的可靠運(yùn)行。