大型核電汽輪機(jī)用Cr-Ni-Mo-V鋼中間軸制造工藝研究

宋國(guó)旺 王旭穎 牛玉溫 陳民濤 梁曉捷

(太原重工股份有限公司,山西 太原 030024)

大型核電汽輪機(jī)中間軸是核電站二回路發(fā)電系統(tǒng)中的核心傳動(dòng)零件,主要連接高中壓轉(zhuǎn)子和系列低壓轉(zhuǎn)子,起到傳遞汽輪機(jī)高速轉(zhuǎn)動(dòng)負(fù)荷的作用。其受力工況復(fù)雜,承受巨大的交變載荷和高轉(zhuǎn)速大扭矩。該中間軸選用Cr-Ni-Mo-V鋼材質(zhì)的鍛件,要求其具有較高的強(qiáng)度、良好的塑韌性、較低的韌脆轉(zhuǎn)變溫度等良好的綜合力學(xué)性能[1-3]。本文對(duì)某核電項(xiàng)目用中間軸鍛件的材料冶煉、鍛造、熱處理等工序工藝難點(diǎn)進(jìn)行分析、試制研究,該中間軸鍛件材質(zhì)選用30Cr2Ni4MoV鋼,重量約13 t,輪廓約?1600 mm。最終成功制造出該項(xiàng)目中間軸鍛件,通過(guò)理化檢驗(yàn)評(píng)定,滿足用戶技術(shù)規(guī)格書要求,驗(yàn)證了制造工藝合理可行。

1 技術(shù)要求

1.1 材料化學(xué)成分要求

為了滿足中間軸鍛件良好的綜合力學(xué)性能,特別是韌脆轉(zhuǎn)變溫度FATT50的要求,材料化學(xué)成分設(shè)計(jì)時(shí),要考慮雜質(zhì)元素S、P、Sb、As、Sn和Si、Mn對(duì)材料的脆化影響,以及為了滿足強(qiáng)度指標(biāo)的同時(shí)盡可能降低鋼中碳含量[4]。鋼的化學(xué)成分要求見表1。

表1 化學(xué)成分要求(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)Table 1 Chemical composition requirements (mass fraction,%)

1.2 取樣圖及力學(xué)性能要求

中間軸鍛件按圖粗加工,進(jìn)行調(diào)質(zhì)熱處理后,按試樣圖要求(見圖1),取樣做力學(xué)性能試驗(yàn)。力學(xué)性能具體要求見表2。

(1)在中間軸法蘭內(nèi)側(cè)徑向X-X1位置,0°和180°徑向各做一個(gè)拉伸和兩個(gè)夏比沖擊試驗(yàn),45°徑向做一組FATT50。

(2)在中間軸法蘭內(nèi)側(cè)徑向X-X2位置,90°和270°徑向各做一個(gè)拉伸和兩個(gè)夏比沖擊試驗(yàn),315°徑向做一組FATT50。

(3)在中間軸中部軸身切向T-X3位置,經(jīng)脆化處理和經(jīng)脫脆化處理后,分別做一個(gè)拉伸試驗(yàn)和一組FATT50。

要求鍛件徑向試樣的屈服強(qiáng)度最大值與最小值之差應(yīng)不大于屈服強(qiáng)度下限值的8%。

圖1 試樣圖Figure 1 Sample drawing

表2 力學(xué)性能要求Table 2 Mechanical properties requirements

1.3 超聲檢測(cè)要求

中間軸鍛件調(diào)質(zhì)熱處理后,并按專用超聲檢測(cè)UT圖機(jī)加工后,全面進(jìn)行超聲檢測(cè)。中間軸鍛件超聲檢測(cè)要求嚴(yán)格,不允許有當(dāng)量直徑?1.6 mm的缺陷存在,所有密集性缺陷回波和游動(dòng)性缺陷回波都需要進(jìn)行評(píng)定。

1.4 難點(diǎn)分析

該材質(zhì)中間軸鍛件的有效截面尺寸大,鍛后滿足超聲檢測(cè)及相應(yīng)技術(shù)條件難度非常大,同時(shí)鍛件毛坯容易混晶和晶粒粗大,滿足FATT50指標(biāo)困難[5]。對(duì)于首件要進(jìn)行脆化試驗(yàn)和脫脆化試驗(yàn),要嚴(yán)格控制引起韌性惡化和顯著導(dǎo)致FATT50上升的五害元素向晶界偏聚,還要控制Si和Mn元素加速脆化的現(xiàn)象。同時(shí)為了滿足綜合力學(xué)性能要求,對(duì)主要合金元素以及雜質(zhì)元素進(jìn)行控制,并且對(duì)熱處理工藝參數(shù)的選擇要求很高。對(duì)生產(chǎn)試制過(guò)程的鋼水高純凈低偏析、高效鍛透致密、大截面尺寸混晶消除的控制提出嚴(yán)格要求。

2 制造工藝流程

冶煉→鑄錠→鍛造→鍛后熱處理→鍛坯粗加工→超聲檢測(cè)→調(diào)質(zhì)熱處理→調(diào)質(zhì)后粗加工→超聲檢測(cè)→取樣→理化性能試驗(yàn)→半精加工→消應(yīng)力→最終加工及檢驗(yàn)→標(biāo)識(shí)→防銹包裝發(fā)貨。

3 制造過(guò)程

3.1 煉鋼、鑄錠過(guò)程

該類鋼中間軸截面直徑大,內(nèi)部UT檢查要求嚴(yán)格,若鋼錠中的夾雜物及氣體控制不當(dāng),會(huì)導(dǎo)致后期出現(xiàn)單個(gè)點(diǎn)狀缺陷和心部大范圍小當(dāng)量密集缺陷,不符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求,同時(shí)考慮鋼錠錠型和鍛件的匹配性,鋼錠采用“EBT電爐初煉→LF鋼包精煉→VD真空脫氣處理→軟攪拌→VCD澆注→熱送”的方法制造,重量為97 t。在煉鋼工藝方面制定了提高鋼水純凈度的控制要求,確保鋼水純凈度,同時(shí)為了滿足力學(xué)性能要求,對(duì)冶煉過(guò)程化學(xué)成分進(jìn)行嚴(yán)格內(nèi)控,為超聲檢測(cè)和熱處理性能合格提供質(zhì)量保障。

(1)優(yōu)選冶煉爐料,對(duì)廢鋼、鋼屑、生鐵嚴(yán)格控制As、Sb、Sn、Cu元素,同時(shí)對(duì)主要合金、輔料石灰、螢石等嚴(yán)格按工藝內(nèi)控要求執(zhí)行。

(2)堿性電爐冶煉階段,合理吹氧助熔、脫碳、脫磷、降低鋼中氫和氮等氣體、造渣,出鋼控制C≥0.10%、P≤0.003%。

(3)精煉爐精煉階段,有效脫氧、脫硫和去除夾雜。嚴(yán)格按脫氧操作工藝參數(shù)進(jìn)行脫氧,精煉后期,保持還原氣氛,進(jìn)一步脫氧脫硫,嚴(yán)禁加入Si、Al材料。進(jìn)入真空處理過(guò)程中,在真空度≤67 Pa下保持≥15 min,同時(shí)控制好VD處理總時(shí)間,根據(jù)鋼水翻動(dòng)情況調(diào)整好氬氣流量,確保鋼中氣體降低到控制范圍之內(nèi)。

(4)真空澆注階段,提前按要求準(zhǔn)備安裝已烘烤好的鋼錠冒口、導(dǎo)流套、安放好中間包,清潔錠模及相關(guān)輔具,避免外來(lái)夾雜物進(jìn)入鋼錠當(dāng)中。在真空室澆注過(guò)程中,中間包開澆真空度≤67 Pa。采用Ar氣壓力0.5～0.6 MPa的保護(hù)罩進(jìn)行氬幕保護(hù),避免鋼水二次氧化,在精煉包澆注快結(jié)束前,抬起精煉包進(jìn)行精煉包卡渣。

3.2 鍛造成形過(guò)程

中間軸鍛件在125 MN壓機(jī)上進(jìn)行充分鍛造,鍛造火次分布:第一火鋼錠壓把、拔長(zhǎng)、開坯→第二火墩粗,WHF制坯→第三火墩粗,制臺(tái)階坯→第四火組合胎膜成形。水口切除量≥7%,冒口切除量≥20%。鍛造溫度控制在850～1200℃,總鍛造比大于6,能有效壓實(shí)鋼錠內(nèi)部微小空隙缺陷和破碎粗大鑄態(tài)枝晶組織,提高鍛件的無(wú)損檢測(cè)合格率和綜合力學(xué)性能。鐓粗時(shí)采取整體連續(xù)鐓粗變形的方法,墩粗至原坯料高度的50%～60%。利用上下1700 mm寬平砧,進(jìn)行WHF拔長(zhǎng),壓下量控制在壓前坯料高度的20%,搭砧量200 mm,壓完一道次后翻轉(zhuǎn)90°,錯(cuò)半砧,壓下一道次。壓到開坯尺寸后,用氧槍清理表面裂紋、壓痕等表面缺陷。出成品時(shí)合理安排火次、溫度、保溫時(shí)間等參數(shù),將制好的坯料,放入提前準(zhǔn)備好的組合胎膜中,進(jìn)行鍛件最終成形。

圖2 鍛后熱處理工藝曲線Figure 2 Heat treatment process curve after forging

3.3 鍛后熱處理過(guò)程

中間軸鍛造之后,鍛件空冷到表面300℃,裝爐進(jìn)行高低溫兩次正火+回火,滿足鍛后切斷組織遺傳混晶現(xiàn)象,實(shí)現(xiàn)細(xì)化晶粒,改善內(nèi)部組織,滿足無(wú)損檢測(cè)要求。在正火空冷過(guò)程中,表面空冷至200℃入爐保溫一定時(shí)間,確保中間軸心部組織轉(zhuǎn)變完成,最終實(shí)現(xiàn)細(xì)化晶粒,鍛后熱處理工藝曲線見圖2。

3.4 調(diào)質(zhì)熱處理過(guò)程

中間軸鍛件按圖1加工后,進(jìn)行性能熱處理,熱處理工藝曲線見圖3。為了確保中間軸內(nèi)部得到良好的淬火組織,淬火和回火加熱均在臺(tái)車電爐進(jìn)行,冷卻采用水冷淬火方式。將中間軸加熱至820～860℃,保溫一定時(shí)間,完成奧氏體組織轉(zhuǎn)變。淬火過(guò)程中,為了有效淬透整個(gè)截面,使其獲得馬氏體或者馬氏體加下貝氏體組織,要求中間軸在淬火水槽中上下前后移動(dòng),同時(shí)控制水溫在25℃以下,充分循環(huán)。淬火完畢后,控制好終冷溫度,及時(shí)裝入回火爐中,進(jìn)行560～600℃高溫回火,在一定保溫時(shí)間后,進(jìn)行限速冷卻,滿足后續(xù)殘余應(yīng)力要求。

3.5 脆化試驗(yàn)和脫脆化試驗(yàn)過(guò)程

中間軸鍛件調(diào)質(zhì)熱處理后,按圖1切取T-X3的試樣,按照技術(shù)規(guī)范進(jìn)行脆化試驗(yàn)和脫脆化試驗(yàn)。脆化試驗(yàn)和脫脆化試驗(yàn)熱處理工藝曲線見圖4。

圖3 調(diào)質(zhì)熱處理工藝曲線Figure 3 Quenching and tempering heat treatment process curves

圖4 脆化試驗(yàn)和脫脆化試驗(yàn)熱處理工藝曲線Figure 4 Heat treatment process curves of embrittlement test and deembrittlement test

4 檢測(cè)結(jié)果

4.1 硬度和殘余應(yīng)力

中間軸調(diào)質(zhì)熱處理后,按圖要求位置進(jìn)行了表面硬度檢測(cè)和殘余應(yīng)力檢測(cè)。硬度結(jié)果為348～366HBW,均勻性好,滿足在同一圓弧表面上各點(diǎn)間的硬度應(yīng)不超過(guò)30HBW,在同一母線上的硬度差不應(yīng)超過(guò)40HBW。采用環(huán)芯法檢測(cè)殘余應(yīng)力結(jié)果為26.2～29.7 MPa,滿足殘余應(yīng)力≤66 MPa要求。

4.2 超聲檢測(cè)

按照專用超聲檢測(cè)加工圖機(jī)加工后,對(duì)中間軸進(jìn)行100%超聲檢測(cè)。結(jié)果顯示未發(fā)現(xiàn)當(dāng)量直徑為?1.6 mm的任何缺陷,未發(fā)現(xiàn)任何密集性缺陷回波和游動(dòng)性缺陷回波,同時(shí)底波衰減也符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.3 化學(xué)成分

通過(guò)對(duì)中間軸材料成分的優(yōu)化設(shè)計(jì)和控制,可以看出主要合金元素以及微量元素滿足技術(shù)要求,特別是對(duì)中間軸的綜合力學(xué)性能起到了關(guān)鍵作用。表3為中間軸在X-X1部位的成品分析結(jié)果。

Ni含量為3.72%,控制在要求范圍的中上限,對(duì)提高中間軸的塑韌性,尤其是提高低溫的沖擊韌性數(shù)值有良好的影響。通過(guò)對(duì)V元素的控制,起到了細(xì)化晶粒和提高回火抗力的作用。特別是雜質(zhì)殘余元素Si、P、S、Cu、As、Sb、Sn含量均控制在較低水平,有效減少回火脆性敏感性,降低FATT50。

4.4 力學(xué)性能

通過(guò)表4檢測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù),中間軸X-X1和X-X2的Rp0.2、Rm的數(shù)值偏差較小。沖擊韌性和FATT50都遠(yuǎn)高于技術(shù)要求。通過(guò)T-X3的切向脆化試驗(yàn)和脫脆化試驗(yàn)對(duì)比,反應(yīng)出中間軸的綜合力學(xué)性能不僅滿足技術(shù)規(guī)范要求,同時(shí)遠(yuǎn)優(yōu)于要求值,說(shuō)明中間軸的整體材料均勻性非常好,材料的純凈度高、低偏析、鍛造致密、熱處理均勻。

4.5 金相檢驗(yàn)

在中間軸X-X1和X-X2部位取樣進(jìn)行顯微組織檢查,組織為回火索氏體,晶粒度達(dá)到7.5級(jí),鍛件的A、B、C、D、DS五種類型夾雜物分別小于等于0.5級(jí)。

表3 成品化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)Table 3 Chemical composition of products(mass fraction, %)

表4 力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果Table 4 The test results of mechanical properties

5 結(jié)論

為了掌握大型核電汽輪機(jī)Cr-Ni-Mo-V鋼中間軸制造技術(shù),生產(chǎn)了4件30Cr2Ni4MoV鋼中間軸,在符合核質(zhì)保監(jiān)管的流程下,對(duì)該批中間軸進(jìn)行了檢測(cè)分析,結(jié)果總結(jié)如下:

(1)超聲檢測(cè)結(jié)果顯示,中間軸內(nèi)部沒有技術(shù)要求所規(guī)定的應(yīng)記錄和超標(biāo)缺陷,驗(yàn)證了煉鋼、鑄錠以及鍛造工藝參數(shù)的有效性。

(2)綜合力學(xué)性能指標(biāo)滿足技術(shù)規(guī)范要求,特別是屈服強(qiáng)度波動(dòng)值非常小,性能均勻性良好,FATT50指標(biāo)優(yōu)于技術(shù)要求,驗(yàn)證了材料化學(xué)成分內(nèi)控范圍和熱處理工藝參數(shù)的有效性。

(3)經(jīng)過(guò)對(duì)煉鋼、鍛造、熱處理過(guò)程工藝參數(shù)驗(yàn)證和試制,成功制造出某核電項(xiàng)目汽輪機(jī)Cr-Ni-Mo-V鋼中間軸,各項(xiàng)力學(xué)性能、金相、UT、MT、PT指標(biāo)均符合客戶技術(shù)規(guī)范。掌握了該類大型核電汽輪機(jī)Cr-Ni-Mo-V鋼中間軸制造技術(shù),同時(shí)充分驗(yàn)證了煉鋼、鍛造、熱處理工藝的合理性和可行性。