大型電站用1Mn18Cr18N護環(huán)研制

徐文正

(上海電氣上重鑄鍛有限公司，200240)

護環(huán)是發(fā)電機組中最關(guān)鍵的部件之一，是用來緊箍發(fā)電機轉(zhuǎn)子兩端繞組線圈的圓環(huán)，形狀簡單，但是工作時承受裝配應(yīng)力、離心力、彎曲應(yīng)力和熱應(yīng)力等，是發(fā)電機組中承受應(yīng)力最大的主要部件。所以護環(huán)要求具有較高的屈服強度、良好的塑性指標、均勻的力學性能和較小的殘余應(yīng)力。一般功率在300 MW以上的大型機組護環(huán)，其屈服強度Rp0.2都在1000 MPa以上。護環(huán)在強磁場、潮濕的腐蝕介質(zhì)中工作，為了提高發(fā)電機的效率，減少漏磁和渦流熱損耗，防止工作溫度過高，護環(huán)通常采用導(dǎo)磁率極低的1Mn18Cr18N奧氏體鋼制造。某公司根據(jù)用戶要求，通過對該材料進行分析研究，結(jié)合早期的生產(chǎn)經(jīng)驗，制定了合理的生產(chǎn)試制工藝，并完成了小批量的300 MW水氫冷護環(huán)鍛件試制。

1 試制工藝

1.1工藝流程

根據(jù)1Mn18Cr18N的鋼種特性，制定了如下生產(chǎn)工藝路線：電渣重熔→鍛造→固溶處理→取樣檢測→冷變形強化→除應(yīng)力處理→取樣檢測。

1.2 冶煉

護環(huán)用1Mn18Cr18N鋼的元素要求特殊，高錳高鉻低硅低鋁，N高達0.50%以上，化學成分的控制范圍又非常狹窄。因此，電渣重熔過程的控制難度很大，稍有不慎就可能導(dǎo)致成分超標報廢。為此，在護環(huán)用1Mn18Cr18N電渣鋼錠的試制中，采取以下一些措施。

(1)根據(jù)成品的成分要求及電渣重熔過程各元素的物理化學變化行為，優(yōu)化設(shè)計自耗電極的化學成分要求。

(2)全過程跟蹤自耗電極的生產(chǎn)制備，對每一爐自耗電極都進行成分復(fù)驗，不合格者退回，從源頭上控制好質(zhì)量。

(3)針對該鋼種的特殊性，優(yōu)化了電渣重熔工藝參數(shù)；電渣重熔全過程采用干燥空氣保護技術(shù)。同時，工藝技術(shù)人員現(xiàn)場跟班，精心操作，重熔過程定時取樣分析，動態(tài)調(diào)整脫氧劑加入量。

采用電渣重熔方式冶煉護環(huán)試制件的鋼錠。電渣重熔冶煉的初步工藝流程為：EF+ESR，具體流程為：電極準備→通電→造渣→冶煉、熔化→測溫→取渣樣→加脫氧劑→補縮→脫氧→脫錠。

表1 護環(huán)化學成分(質(zhì)量分數(shù)，%)Table 1 Chemical composition of retaining ring(mass fraction，%)

通過以上各項措施，生產(chǎn)了兩支8.5 t 300 MW水氫冷護環(huán)用1Mn18Cr18N電渣錠，化學成分滿足標準要求，具體檢測結(jié)果見表1。

1.3 鍛造

鍛造是護環(huán)整個生產(chǎn)過程中最關(guān)鍵的工序之一。通過鍛造不僅要保證護環(huán)毛坯成形，更主要的是護環(huán)內(nèi)部組織細化和均勻晶粒，提高護環(huán)脹形前的初始強度，保證護環(huán)最終達到較高的強度并具備較好的塑性，同時滿足超聲檢測的要求。

鍛造1Mn18Cr18N護環(huán)存在相當?shù)碾y度。一方面由于護環(huán)材料的合金含量高，鍛造裂紋明顯增多，鍛件出現(xiàn)開裂的機會大大增加；另一方面，護環(huán)鋼本身屬本質(zhì)粗晶粒鋼，而1Mn18Cr18N護環(huán)當鍛造溫度大于1100℃時，晶粒長大傾向明顯；當鍛造溫度大于1200℃時，晶粒長大急劇。同時，當鍛造溫度低于1000℃時，護環(huán)熱坯變形抗力增大，使得在有限的壓力下護環(huán)變形趨于困難。

為了攻克護環(huán)鍛造難關(guān)，在工藝上采取了以下幾條措施并獲得了理想的效果。300 MW水氫冷護環(huán)毛坯尺寸見圖1，鍛造工藝方案見表2。

圖1 護環(huán)鍛件毛坯尺寸Figure 1 The block size of retaining ring forgings

表2 護環(huán)熱鍛工藝方案Table 2 The forging process plan for retaining ring

(1)小變形、多火次中溫區(qū)鍛造

選擇1190～950℃為主要鍛造溫度區(qū)域，同時采用小變形、多火次鍛造，這樣不僅減少了鍛件裂紋，而且保證了護環(huán)晶粒度的要求。

(2)均勻變形

為了保證護環(huán)晶粒度的均勻性，在護環(huán)的整個熱變形過程中，嚴格控制各火次的變形程度。除鐓粗比以外，其余各火次的鍛造比一般在1.3～1.4范圍內(nèi)。

1.4 固溶處理

1Mn18Cr18N鋼在加熱過程中不發(fā)生相變，是單相奧氏體鋼。所以通常應(yīng)使熱加工過程中產(chǎn)生的碳化物經(jīng)過高溫固溶處理進入奧氏體，然后把碳呈固溶狀態(tài)的奧氏體組織進行快冷保留到室溫，以提高材料的塑韌性和抗應(yīng)力腐蝕能力。固溶處理工藝如圖2所示。

圖2 護環(huán)固溶處理工藝曲線Figure 2 The solution heat treatment of retaining ring

固溶處理后對護環(huán)進行檢測，護環(huán)試制件1的檢測靈敏度為?3 mm，出現(xiàn)一處底波下降區(qū)域，護環(huán)試制件2的檢測靈敏度為?1.8～?2.0 mm，兩件護環(huán)均未發(fā)現(xiàn)超標缺陷。經(jīng)分析，由于鍛造加熱過程中的異常，導(dǎo)致護環(huán)試制件1表面出現(xiàn)“太陽斑”現(xiàn)象，致使其檢測靈敏度較低且出現(xiàn)底波下降。

對兩件護環(huán)冒口端進行性能及組織檢測，僅發(fā)現(xiàn)微量碳化物，晶粒度情況良好，脹形前初始強度較高，具體結(jié)果見表3。同時，對護環(huán)試制件2從外壁至內(nèi)壁每隔25 mm進行晶粒度檢測，如表4所示，金相照片如圖3所示。由此可見，通過護環(huán)熱鍛及后續(xù)固溶處理后，可以得到穩(wěn)定的奧氏體，晶粒度均勻性也較好。

1.5 冷變形強化

冷變形強化的目的是通過適當?shù)睦渥冃畏绞剑棺o環(huán)在冷擴孔變形中得以強化，以保證護環(huán)獲得最終交貨尺寸的同時，達到產(chǎn)品的性能要求。

護環(huán)試制件擬定采用外補液的冷變形強化方法，其脹形原理是：在加工好的護環(huán)毛坯內(nèi)注滿液體，并使液體產(chǎn)生高壓，高壓液體產(chǎn)生的變形力使護環(huán)毛坯在冷態(tài)下產(chǎn)生永久性塑性變形，隨著護環(huán)毛坯變形程度的增大，直徑變大、高度縮小、厚度減薄，其強度顯著提高。護環(huán)脹形前后毛坯尺寸如圖4所示。

表3 護環(huán)脹形前性能及晶粒度Table 3 Performance and grain size of retaining ring before hydraulic expansion with additional liquid

圖3 護環(huán)冒口端從外壁至內(nèi)壁晶粒度Figure 3 The outer wall to inner wall grain size of the retaining ring riser head

表4 護環(huán)冒口端徑向從外壁至內(nèi)壁晶粒度Table 4 The outer wall to inner wall grain size in radial of the retaining ring riser head

圖4 護環(huán)脹形前后毛坯尺寸Figure 4 The blank size of retaining ring before and after hydraulic expansion with additional liquid

圖5 護環(huán)除應(yīng)力工藝曲線Figure 5 The stress relief heat treatment of retaining ring

在護環(huán)脹形過程中，根據(jù)護環(huán)外徑尺寸的變化情況，調(diào)整脹形裝置的壓力和兩端阻力環(huán)的高度尺寸。脹形后，護環(huán)兩端尺寸基本相同，且整體外徑偏差均在18 mm以內(nèi)。

1.6 除應(yīng)力處理

冷變形強化后的護環(huán)，由于冷變形過程中造成比較高的殘余應(yīng)力。為了穩(wěn)定護環(huán)冷變形后的尺寸，必須消除大部分殘余應(yīng)力，并使其呈較均勻的分布狀態(tài)。除應(yīng)力工藝如圖5所示。

表5 力學性能檢測結(jié)果Table 5 The examination results of mechanical property

圖6 護環(huán)脹形后組織Figure 6 The microstructure of retaining ring after hydraulic expansion with additional liquid

對護環(huán)試制件1的冒口端、護環(huán)試制件2的兩端取樣進行性能檢測，見表5。由于護環(huán)試制件1脹形外徑尺寸沒有到位、其中徑變形量不足，致使強度偏低，但其塑性指標富余較多。若對其繼續(xù)脹形，性能完全可以滿足標準要求。護環(huán)試制件2的冒口端性能已滿足標準要求，但底部端的塑性指標較差。對其進行金相分析，底部端試樣在晶界和基體上存在較多的圈狀碳化物，而冒口端試樣則少了許多，金相組織見圖6。

對兩件護環(huán)進行超聲檢測，護環(huán)試制件1檢測靈敏度為?2.0 mm，熱鍛后底部下降區(qū)域依然存在；護環(huán)試制件2檢測靈敏度為?1.6 mm，未發(fā)現(xiàn)超標缺陷。

2 缺陷分析及控制措施

2.1 缺陷分析

護環(huán)試制件1的超聲檢測問題是由于鍛造加熱過程中的異常，加熱噴嘴火焰直接噴射至護環(huán)毛坯表面，導(dǎo)致出現(xiàn)“太陽斑”現(xiàn)象，致使其檢測靈敏度較低且出現(xiàn)底波下降。

護環(huán)試制件2的底部端碳化物問題，是由于護環(huán)毛坯固溶處理后僅對冒口端做了取樣檢測。同時，在固溶處理過程中，水冷速度不夠，導(dǎo)致晶界和基體上析出了大量圈狀碳化物。將護環(huán)試制件2的底部端試樣在模擬爐中再次進行固溶處理后，圈狀碳化物全部固溶進入了奧氏體，其組織情況見圖7。

圖7 護環(huán)底部端試樣再次固溶處理后組織Figure 7 The microstructure of the bottom of retaining ring sample after the re-solution heat treatment

2.2 控制措施

(1)選定爐況最好、最合適的加熱爐，護環(huán)裝爐前確保所有的噴嘴均處在正常狀態(tài)，確保燃氣、空氣、壓縮空氣管道無泄漏，所有相關(guān)儀表和設(shè)備均正常且可以良好使用。

(2)固溶處理裝爐時，選用兩點吊工裝代替托盤。護環(huán)出爐水冷時，加快上下竄動的頻率，加快工件冷卻速度減少碳化物析出。固溶處理后，在護環(huán)兩端取樣進行金相檢測，確保護環(huán)脹形前的組織。

3 結(jié)論

通過該批次300MW水氫冷護環(huán)試制，基本

掌握了護環(huán)整個生產(chǎn)過程的工藝。鍛造和固溶處理后，可以得到穩(wěn)定的奧氏體，晶粒度均勻性也較好。同時，脹形后的護環(huán)性能強度和塑性都有一定的富余。雖然由于鍛造加熱和碳化物析出的問題，兩件護環(huán)都沒有達標，但都已將問題分析清楚且明確了控制措施，為后續(xù)生產(chǎn)打下了堅實的基礎(chǔ)。

參考文獻

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[2] 楊兵，曲東方，郭寶強，等.600MW 1Mn18Cr18N護環(huán)的制造[J].大型鑄鍛件，2010(6)：31-34.