CrMoV鋼汽輪機高中壓轉(zhuǎn)子鍛件典型缺陷分析

孟軍龍 劉海瀾

(中國第一重型機械股份公司鑄鍛鋼事業(yè)部，黑龍江161042)

CrMoV鋼汽輪機高中壓轉(zhuǎn)子鍛件典型缺陷分析

孟軍龍 劉海瀾

(中國第一重型機械股份公司鑄鍛鋼事業(yè)部，黑龍江161042)

針對我公司生產(chǎn)的一支CrMoV合金鋼汽輪機高中壓整體轉(zhuǎn)子鍛件調(diào)質(zhì)后超聲檢測發(fā)現(xiàn)的超標缺陷，采取鉆床套棒、缺陷區(qū)打斷口后，借助光學顯微鏡宏觀斷口體視觀察及掃描電鏡能譜分析等檢測手段，并結(jié)合鍛件冶煉澆注實際工況綜合分析，最終確定缺陷性質(zhì)為Al、Mg的氧化物，夾雜物來源主要是鋼水侵蝕的精煉包、中間包工作層耐火磚。

CrMoV鋼；高中壓轉(zhuǎn)子；缺陷

CrMoV合金鋼汽輪機高中壓整體轉(zhuǎn)子鍛件，由于產(chǎn)品使用工況惡劣，鍛件內(nèi)部質(zhì)量要求極其嚴格，其中超聲檢測不允許存在當量直徑大于?1.0 mm的密集缺陷區(qū)。我公司生產(chǎn)的一支此類轉(zhuǎn)子在調(diào)質(zhì)后超聲檢測時發(fā)現(xiàn)多處當量直徑為?1.6～?2.0 mm密集性缺陷及一處當量直徑為?3.0 mm的單個缺陷。為了分析缺陷產(chǎn)生的原因，用鉆床在缺陷區(qū)套出3根?20 mm試料，借助掃描電鏡、能譜分析等理化檢測手段，對該缺陷進行分析、定性，從而找到了缺陷產(chǎn)生的根本原因，并采取了有針對性的預防措施，避免今后再次發(fā)生此類性質(zhì)的缺陷，對提高鍛件產(chǎn)品質(zhì)量具有指導意義。

1 理化檢測

1.1 試料取樣及加工

鍛件在調(diào)質(zhì)后進行超聲檢測，發(fā)現(xiàn)在靠近鋼錠帽口端小輥徑處有超標密集缺陷區(qū)，當量直徑為?1.6～?2.0 mm，缺陷深度為244～272 mm，輥身直徑615 mm。確定缺陷所在位置后利用鉆床沿徑向垂直套取長300 mm、直徑20 mm試棒3根，編號A為單個缺陷，編號G1、G2為密集缺陷。缺陷區(qū)套取的3根試棒見圖1。在試棒缺陷區(qū)加工深1 mm的凹槽并沿開槽處打開斷口進行夾雜物分析。缺陷區(qū)壓斷后外觀見圖2。

1.2 宏觀斷口觀察

圖1 缺陷區(qū)套取的3根試棒Figure 1 Three test samples taken from the defect area

圖2 缺陷區(qū)壓斷后外觀Figure 2 The appearance of samples after breaking

仔細觀察試棒斷口形貌可以發(fā)現(xiàn)，在G1、G2試料缺陷斷口處肉眼可見明顯的貫穿性、長條狀缺陷多條，見圖3。在100倍光學顯微鏡下觀察，缺陷區(qū)發(fā)暗且金屬光澤不明顯，但并沒有發(fā)現(xiàn)有明顯的非金屬夾雜物存在。編號A的試料斷口缺陷不明顯，通過宏觀斷口無法確定缺陷性質(zhì)，須借助掃描電子顯微鏡進一步觀察。

1.3 掃描電鏡檢測分析

圖3 缺陷斷口宏觀形貌Figure 3 The macro appearance of defect fracture

1.3.1 單個缺陷試料電鏡缺陷分析

在電鏡下對A號試料斷口進行檢測分析，未發(fā)現(xiàn)有缺陷存在。分析應該是由于A號試料為單個記錄缺陷，采用套料打斷口的取樣方式未能準確將缺陷取出。今后對于單個缺陷的取樣，需切取試塊，以此缺陷為中心切除多余部分，用超聲檢測定位，再用銑床加工出平面并逐步縮小，直到缺陷暴露于表面。

1.3.2 密集缺陷試料電鏡缺陷分析

在電鏡下可看到缺陷的斷口表面各有一處夾雜物缺陷，放大可見缺陷呈密集型堆聚在一起的顆粒狀，如圖4所示。

1.4 能譜檢測分析

對斷口缺陷區(qū)不同視場進行能譜成分分析，主要成分為Al、Mg、O，并有少量的Si、Ca，見圖5。可以看出缺陷性質(zhì)為Al、Mg的氧化物。

(a)G1號試料斷口條狀缺陷(b)G1號試料斷口缺陷放大(c)G2號試料斷口條狀缺陷(d)G2號試料斷口缺陷放大

圖4 試料斷口條狀缺陷及斷口缺陷放大

Figure 4 The strip defect of fracture surface of samples and the amplified fracture defect

2 缺陷產(chǎn)生原因分析

通過理化檢測分析可知，密集缺陷區(qū)存在的主要物質(zhì)為Al、Mg、O，并伴有少量的Si、Ca。由于此鋼種采用真空碳脫氧方式冶煉，其間不加入任何含Al材料，而Mg元素只可能來源于精煉包工作層鎂碳磚，并且Si、Ca含量極少，因此可以斷定缺陷區(qū)非金屬夾雜物為外來夾雜。針對其來源還得進一步分析。

(a)視場一(b)視場二(c)視場三(d)視場四

圖5 視場夾雜物形態(tài)及能譜成分分析

Figure 5 The appearance of inclusion and the results of EDS composition analysis

2.1 Al氧化物分析

鋼中的Al2O3夾雜物在SiMn脫氧的條件下，其來源基本有兩個[1]：

(1)純的大顆粒的三角狀或者塊狀的Al2O3夾雜物(Al2O3含量為90%)，基本上是來源于浸入式水口部位的耐火材料。在鋼包和中間包中，由于鋼水對耐火材料的機械沖刷剝落的大顆粒夾雜物尺寸比較大，幾乎不可能進入結(jié)晶器內(nèi)。據(jù)此推斷夾雜物也不可能進入鋼錠模內(nèi)。但是中間包包底靠近出口的地方和中間包水口本身的Al2O3基耐火材料就可能被機械沖刷進入鋼錠模，而鋼錠模中去除夾雜的能力很低。因此這部分夾雜物在鋼水中存在時間短，以耐火材料的原始成分為主，以純的Al2O3為主。

(2)復合的、含Al2O3的夾雜物，主要來源是合金及輔料中的金屬鋁。而本文所分析的CrMoV合金鋼汽輪機高中壓轉(zhuǎn)子產(chǎn)品，在冶煉過程中不加鋁合金及含Al的脫氧劑，Cr、Mo合金中不含Al，鋼中要求V含量為0.21%～0.29%，而釩鐵合金(V含量為80%)是在真空前加入，且其中Al含量僅0.9%，因此Al來源于合金的可能性很小。

據(jù)此分析缺陷區(qū)鋁氧化物為純的Al2O3夾雜物。我公司中間包使用的低鋯復合磚主要成分為Al2O3，是夾雜物的主要來源。

2.2 Mg氧化物分析

鋼水在精煉包內(nèi)精煉時，在高溫下連續(xù)吹氬攪拌，使氣體、金屬、熔渣在精煉包內(nèi)產(chǎn)生渦流，對包襯磚產(chǎn)生激烈的機械沖刷。同時在高溫真空處理過程中包襯磚也會發(fā)生分解反應，使得侵蝕速度加劇。我公司精煉包的包襯采用鎂碳磚砌筑，MgO含量≥74%，是鋼水中MgO的主要來源。精煉包鎂碳磚理化指標見表1。

表1 精煉包MT-12鎂碳磚理化指標Table 1 The physical and chemical indicators of MT-12 magnesia carbon brick of refining ladle

2.3 綜合分析

從日常冶煉澆注過程中檢查跟蹤發(fā)現(xiàn)，我公司使用的精煉包鎂碳磚在使用前后均存在不同程度的爆皮剝落現(xiàn)象。鋼水精煉時明顯可以看到磚體起皮，冶煉澆注后在翻包時也發(fā)現(xiàn)包壁磚剝落掉層嚴重，見圖6。部分新砌精煉包從使用前期就開始成塊掉落。相關文獻表明[2]，在鋼包使用過程中，當耐火磚磚體自身強度不足以承受磚與磚之間的壓力時，耐火磚便會發(fā)生膨脹或不穩(wěn)定情況，進而在應力作用下引發(fā)結(jié)構(gòu)剝落，一次剝落的厚度最多可超過50 mm，且大多出現(xiàn)在鋼包的使用前期和中期，這與我廠精煉包的實際情況相符。剝落物在精煉過程中進入鋼液及爐渣中，致使鋼水及爐渣中MgO含量極劇增加。由于MgO熔點為2800℃，會造成精煉渣熔點提高且流動性變差，從而降低其對鋼水中夾雜物的吸附及溶解能力，致使鋼水純凈性下降。因此可以得出：精煉包鎂碳磚掉皮剝落是夾雜物中MgO的主要來源。

圖6 精煉包使用后包壁磚狀態(tài)Figure 6 The condition of firebricks of refining ladle after using

3 結(jié)論

為從根本上解決CrMoV鋼高中壓轉(zhuǎn)子超聲檢測不合格問題，提升鍛件產(chǎn)品質(zhì)量，我們認為應采取如下改進措施：

(1)提高包襯磚的抗剝落及抗沖刷性。從包襯耐火磚的采購環(huán)節(jié)入手，強化耐火磚的進廠前檢測手段。同時嚴格按鋼包砌筑規(guī)范進行砌磚，從根本上提高包襯磚的抗沖刷性及抗剝落性。

(2)嚴格執(zhí)行鋼包的烘烤制度。對于新砌的鋼包及長時間不用的冷包，嚴格按廠內(nèi)鋼包烘烤溫度曲線進行烘烤，避免短時間快速升溫。在生產(chǎn)允許的情況下，精煉包盡可能熱連用，減少由于急冷急熱造成的耐火磚剝落，降低耐火磚的損耗。

(3)細化鋼包的清理標準。鋼包使用前檢查包襯磚的表面質(zhì)量，徹底清理干凈包內(nèi)的殘渣，以減少磚體掉落及殘渣對鋼水的污染。

[1] 張立峰. 鋼中非金屬夾雜物幾個需要深入研究的課題[J]. 煉鋼，2016，32(4)：11.

[2] 李躍，時一鈞，楊建春，等. C-Mn類大型鍛件試塊缺陷的檢測分析[J]. 一重技術，2016(3)：69.

編輯 杜青泉

Analysis of Typical Defects on CrMoV High andMedium Pressure Rotor Forging for Steam Turbine

Meng Junlong, Liu Hailan

The defects of CrMoV alloy steel high and medium pressure rotor forging for steam turbine were found after the quenching and tempering process by ultrasonic test. By taking samples with the drilling machine and making the fracture in the defect area, the appearance of fracture has been observed by means of optical microscope and the SEM energy spectrum analysis has been performed. By comprehensively analyzing the actual working condition of smelting and pouring of forging, the defects has been determined to be the oxide with Al and Mg. The inclusions are caused by the etched firebrick on the working layer of refining ladle and tundish.

CrMoV steel; high and medium pressure rotor; defect

2017—01—10

TG316.1+92

B