大型電站轉(zhuǎn)子鍛造工藝分析

李福利 王兵 李鵬

摘要：大型電站轉(zhuǎn)子是當(dāng)前大型鍛件中比較有代表性的技術(shù)密集型產(chǎn)品，它具有重量大、體積大、質(zhì)量要求高、生產(chǎn)周期長、冶金缺陷較多、以及生產(chǎn)難度高等特征。是尖端鍛造技術(shù)的代表。隨著我國電力行業(yè)，尤其是火電行業(yè)的快速發(fā)展，對電站核心設(shè)備之一的轉(zhuǎn)子鍛件無論是數(shù)量和質(zhì)量需求都大幅增加。因此，進(jìn)一步探索轉(zhuǎn)子鍛造工藝，提高其產(chǎn)品質(zhì)量已經(jīng)是十分緊迫的任務(wù)。本文中，筆者立足于自身多年從事金屬材料研究及鍛造工藝研究的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合相關(guān)理論，就大型電站轉(zhuǎn)子鍛造工藝做簡要分析。

關(guān)鍵詞： 電站轉(zhuǎn)子 鍛造工藝 鐓粗 拔長.

電站轉(zhuǎn)子通常是指發(fā)電機(jī)或汽輪機(jī)上的大軸，是電站設(shè)備，尤其是火電和核電站設(shè)備中的關(guān)鍵組成部分。隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，火電和核電設(shè)備需求越來越大，對轉(zhuǎn)子的重量和尺寸的要求越來越大，數(shù)量要求越來越多、質(zhì)量要求越來越高，這給大型電站轉(zhuǎn)子的生產(chǎn)帶來很大的困難。因此，轉(zhuǎn)子的生產(chǎn)技術(shù)水平也代表了整個大型軸類鍛件的整體生產(chǎn)水平，并且在一定程度上反映著我國機(jī)械裝備工業(yè)的水平。自建國以來，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，我國的鍛壓技術(shù)取得了較大的發(fā)展，先后開發(fā)出了：KD鍛造法、WHF鍛造法、JTS鍛造法等鍛件鍛造方法。

1.轉(zhuǎn)子制造概述。

電站轉(zhuǎn)子是火電設(shè)備的四大鍛件之一，是一個知識技術(shù)高度密集型的產(chǎn)品。上個世紀(jì)八十年代以前，我國電站轉(zhuǎn)子的生產(chǎn)制造水平較低，主要以進(jìn)口為主。后來隨著鋼包精煉（LF）電渣重熔（ESR）等新工藝的出現(xiàn)，以及有限元數(shù)值模擬、凝固結(jié)晶軟件的應(yīng)用，鋼錠的致密性大大提高。高密度、高質(zhì)量的大型鋼錠制造成為可能，我國才開始自主制造電站轉(zhuǎn)子。 隨著電站規(guī)模的不斷增大，對電站轉(zhuǎn)子的重量和尺寸要求不斷增大，目前最大電站轉(zhuǎn)子的直徑已經(jīng)增加到2830MM，轉(zhuǎn)子用鋼錠也已增加到600T。隨著鋼錠的重量增加，其內(nèi)部缺陷也增多，對鍛造質(zhì)量的要求也越來越嚴(yán)格。為此，鍛造工作者做了大量的工作，提出了許多行之有效的鍛造方法，對電站轉(zhuǎn)子的鍛造工藝不斷進(jìn)行研究和改進(jìn)。

2.轉(zhuǎn)子鍛造工藝分析。

2.1. 轉(zhuǎn)子鍛造的現(xiàn)行工藝。

我國目前的轉(zhuǎn)子鍛造以第一重型機(jī)器廠為主要代表，該廠自上個世紀(jì)八十年代開始鍛造轉(zhuǎn)子以來，在對國外技術(shù)進(jìn)行消化、吸收的基礎(chǔ)上提出了KD鍛造法。目前，該廠的轉(zhuǎn)子鍛造普遍采用三次鐓粗三次WHF法，兩次JTS法和一次KD法的鍛造工藝。

2.2.現(xiàn)行轉(zhuǎn)子鍛造工藝中需要探討的問題。

筆者認(rèn)為，現(xiàn)行轉(zhuǎn)子鍛造工藝需要探討的問題主要有三個。 第一、三次鐓粗及拔長的作用和目的的區(qū)別；第二、后繼工序的開展是否會消弱前道工序產(chǎn)生的鍛合效果；第三、混晶及柱狀晶的消除和晶粒的細(xì)化與鍛造工藝的聯(lián)系程度。

3.轉(zhuǎn)子鍛造的新工藝探討。

筆者認(rèn)為， 由于受到高溫潮濕的工作環(huán)境、高速旋轉(zhuǎn)的離心力、自重和傳遞扭矩產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力的綜合影響，對轉(zhuǎn)子鍛件的質(zhì)量要求較高。由此。為了保證轉(zhuǎn)子安全和可靠運(yùn)行，在實(shí)際鍛造中，一般采用多種鍛造方法對鍛件進(jìn)行反復(fù)鐓粗、拔長和中心壓實(shí)、以確保鋼錠中的鑄態(tài)組織被破碎、碳化物及夾雜的重新分布、晶粒度的細(xì)化、同時達(dá)到鍛合鑄件內(nèi)部孔隙和微裂紋的目的，保證對轉(zhuǎn)子密度和強(qiáng)度的質(zhì)量要求。

3.1.工藝設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

從外形上看，電站轉(zhuǎn)子是多階的軸類鍛件。由于其工作環(huán)境情況復(fù)雜惡劣（高溫高壓），所以對其質(zhì)量要求非常高。在電站轉(zhuǎn)子生產(chǎn)過程中，出于質(zhì)量控制的需要，要檢驗(yàn)的項(xiàng)目很多，為了滿足這些質(zhì)量要求，鍛造是其中非常關(guān)鍵的程序，因此，也是造成鍛造工藝非常復(fù)雜的原因。

轉(zhuǎn)子鍛造工藝設(shè)計(jì)具有經(jīng)驗(yàn)性、綜合性以及創(chuàng)造性等特征，所以很難用一個數(shù)學(xué)模型來表示和求解。但是工藝設(shè)計(jì)時可以遵循一定的原則，根據(jù)轉(zhuǎn)子的形狀、尺寸大小以及技術(shù)要求，結(jié)合生產(chǎn)條件、設(shè)備狀況以及技術(shù)水平等生產(chǎn)中的實(shí)際情況，力求最大限度做到經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)可靠，以確保合理指導(dǎo)生產(chǎn)。在工藝設(shè)計(jì)制訂中，工序方案設(shè)計(jì)和工藝參數(shù)確定是最為重要且難度最大的環(huán)節(jié)。

第一、鍛造作用準(zhǔn)則的設(shè)計(jì)，根據(jù)技術(shù)要求，筆者個人認(rèn)為，鍛造作用準(zhǔn)則可分為三個階段，

首先，破碎鋼錠的鑄造組織，滿足力學(xué)性能指標(biāo)要求。這一準(zhǔn)則實(shí)際操作中主要是通過一次鐓粗或者鐓粗——拔長——鐓粗這樣一個過程來達(dá)成。

其次，鍛合鑄件內(nèi)部孔隙及微裂紋，滿足超聲波探傷標(biāo)準(zhǔn)要求。這一準(zhǔn)則實(shí)際操作中主要是通過LZ法和新FM法進(jìn)行一次拔長來實(shí)現(xiàn)。

最后，混晶控制及細(xì)化晶粒度，為熱處理作準(zhǔn)備。這一準(zhǔn)則主要是通過熱力學(xué)參數(shù)控制來實(shí)現(xiàn)。

第二、全局工藝優(yōu)化準(zhǔn)則路線。轉(zhuǎn)子鍛造的階段性作用理清以后，為實(shí)現(xiàn)各階段變形機(jī)制的無縫連接，就必須要從全局出發(fā)，進(jìn)行工藝的優(yōu)化組合。

首先，破碎鋼錠鑄造組織的變形階段，拔長要采用錐形板鐓粗和新FM法、LZ鍛造法相結(jié)合的方法。

其次，在焊合內(nèi)部孔隙的變形階段，可以采用LZ法或者新FM法進(jìn)行拔長，但是要確保一次拔長能夠?qū)崿F(xiàn)焊合內(nèi)部孔隙。此過程中可以根據(jù)實(shí)際需要加用JTS法，但是在采用此法后禁止再有平板鐓粗工序。

再次，在采用LZ法和新FM法時，要十分注意砧寬比、料寬比以及下壓率三個重要參數(shù)的合理匹配，保證不出現(xiàn)拉應(yīng)力。

第四，混晶的消除可以采用高溫和低溫停鍛兩種工藝。

第五，主變形階段的毛坯加熱要保證在1250攝氏度——1270攝氏度之間，并且要確保保溫時間夠長，以實(shí)現(xiàn)偏析擴(kuò)散和孔隙的焊合。

3.2.工藝設(shè)計(jì)方法。

工藝設(shè)計(jì)方法的內(nèi)容很多，筆者在此就其中的工序方案設(shè)計(jì)和工藝參數(shù)確定兩個方面做簡要分析。

首先，工序方案的設(shè)計(jì)。拔長是軸類鍛件鍛造的主要工序，當(dāng)鋼錠直接拔長或者橫向機(jī)械性能要求增加時，需要選用校核過的設(shè)備來增加中間鐓粗工序。而對于橫切面積尺寸大，中心部位質(zhì)量要求較高的轉(zhuǎn)子，除了增加中間鐓粗工序，還要求有中心壓實(shí)法，中心壓實(shí)法主要有JTS法、FM法。而對于具有晶體遺傳傾向的低壓轉(zhuǎn)子，需要特別增加一道鍛造控制工序來消除晶粒遺傳現(xiàn)象。

其次，工藝參數(shù)的確定。鐓粗和拔長是目前轉(zhuǎn)子鍛造中的兩個主要工序，根據(jù)新的鍛造理論，如果鐓粗和拔長參數(shù)不合理，會產(chǎn)生拉應(yīng)力，這對大型轉(zhuǎn)子鍛件生產(chǎn)的負(fù)面影響是很大的。因此，必須要選擇合理的參數(shù)。以600MW低壓轉(zhuǎn)子參數(shù)選取為例：第一、鐓粗參數(shù)選擇。一般情況下，鐓粗比為h0/h=2—2.25，鐓粗后高徑比為h/h=0.8—0.85.；第二，拔長工藝參數(shù)選擇。 在當(dāng)前的大型電站轉(zhuǎn)子生產(chǎn)中，拔長參數(shù)主要集中在砧寬比、料寬比以及壓下率三個方面。在拔長過程中，必須要三個參數(shù)合理匹配才能保證砧寬比和料寬比符合既定限制條件。在壓下過程中合理的砧寬比應(yīng)該保持在0.85—1.06之間，這樣可保證不出現(xiàn)軸向拉應(yīng)力；料寬比保持在0.85—1.18之間，可保證不出現(xiàn)橫向拉應(yīng)力；壓下率首次取值為10.5%，以后則每次均取值為20%，即可滿足砧寬比、料寬比的合理匹配要求。

3.3.砧寬的選擇。

在鍛造過程中為了有效提高轉(zhuǎn)子的鍛件質(zhì)量和改善鋼錠中心的鍛透性，大型鍛件的鍛造一般是采用寬砧進(jìn)行鍛造。砧子的外形和尺寸則是事先進(jìn)行過一系列嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)確定的。大型軸類鍛件的變形主要是采用拔長來完成。據(jù)國外相關(guān)資料介紹，砧寬和鍛件直接比例最為理想的比值為0.6——0.8之間，最低也不能小于0.4。一旦小于0.4，鍛件心部就會因?yàn)槔瓚?yīng)力的產(chǎn)生而出現(xiàn)裂紋。目前國內(nèi)主要鍛件生產(chǎn)廠家在這一比例的選擇上，有的認(rèn)為大于0.67較合適，有的廠家則將這一比例控制在0.46——0.63之間。

4.結(jié)語。

轉(zhuǎn)子是電站的核心設(shè)備之一，其特殊的工作環(huán)境和性能要求使得其鍛造即是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，同時也是一個知識技術(shù)高度密集的鍛造工作?；诓煌?jīng)濟(jì)社會發(fā)展時期對電站轉(zhuǎn)子制造要求的不同，及在電站轉(zhuǎn)子生產(chǎn)過程中，冶煉和熱處理工藝技術(shù)的不斷進(jìn)步，改進(jìn)和創(chuàng)新轉(zhuǎn)子鍛造的技術(shù)和工藝流程，達(dá)到實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子鍛造技術(shù)不斷進(jìn)步，滿足社會發(fā)展對電力行業(yè)要求的有效手段。當(dāng)前我國經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展給水電、火電以及核電的發(fā)展帶來了巨大的需求，這必將給電站轉(zhuǎn)子的生產(chǎn)從數(shù)量和質(zhì)量兩個方面帶來新的要求，為滿足這一需求的變化，我國轉(zhuǎn)子生產(chǎn)企業(yè)要從工藝優(yōu)化入手，結(jié)合國內(nèi)生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和國外先進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)，改進(jìn)電站轉(zhuǎn)子的生產(chǎn)工藝的不足之處，提高生產(chǎn)效益和產(chǎn)品質(zhì)量，以保證我國社會發(fā)展對電力行業(yè)的需要。

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作者簡介：

李福利 （1954.9.22--） 男 漢 高級工程師 大學(xué)（本科）金屬材料及鍛造工藝 中國機(jī)械設(shè)備工程股份有限公司。