聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組高中壓轉子材料的熱處理工藝研究

□ 李翠萍1 □ 徐銀浩

1.上海電氣上重鑄鍛有限公司 上海 200245 2.國核工程有限公司 上海 200233

1 研究背景

目前,我國火電機組主要為燃煤發(fā)電機組,存在污染嚴重、供電煤耗高的問題。燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組是將燃氣輪機和蒸汽輪機這兩種不同熱力循環(huán)工作的熱機聯(lián)合在一起的發(fā)電機組,簡稱聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組[1]。聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組不僅具有降低二氧化碳、粉塵等污染物排放,減少水資源消耗,運行可靠等優(yōu)點,而且具有較高的熱效率,對我國實現(xiàn)綠色低碳經濟發(fā)展模式而言具有戰(zhàn)略意義[2-4]。

聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組的工作溫度與超臨界機組的工作溫度相當,為566 ℃。聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組高中壓轉子材料的化學成分與工作溫度為538 ℃的亞臨界機組高中壓轉子材料30Cr1Mo1V鋼相近,但其性能要求更高[2],目前,聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組高中壓轉子主要依賴進口。為實現(xiàn)鍛件國產化,降低生產成本,迫切需要在聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組高中壓轉子材料的研制方面取得突破。

2 試驗方法

2.1 材料化學成分

目前,眾多廠家對聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組高中壓轉子材料均有一定的研究。在普通30Cr1Mo1V鋼的基礎上,降低硫、磷、硅、錳、砷、錫、銻、鋁等元素的含量,以提高材料的高溫性能、塑性和韌性。由于錳會降低高溫持久強度,并且會與硅元素共同促使磷及其它有害元素向原奧氏體晶界偏析,導致晶界內聚力減小,提高回火脆性[5],因此,需將錳含量的上限由1.00%降低至0.80%。優(yōu)化后的國產材料牌號被定為30Cr1Mo1V-B2,試樣用30Cr1Mo1V-B2鋼的化學成分檢測結果見表1。

表1 30Cr1Mo1V-B2鋼化學成分檢測結果

2.2 冶煉方式

30Cr1Mo1V-B2鋼錠采用電爐冶煉、鋼包精煉、真空碳脫氧的方式進行冶煉,利用真空狀態(tài)下的碳氧反應,減少進入鋼水的脫氧產物,提高鋼水的純凈度。

2.3 鍛壓方式

利用16 500 t油壓機對30Cr1Mo1V-B2鋼錠采用寬砧強力壓下鍛造法進行鍛壓。經過兩次鐓粗拔長,保證心部組織被有效壓實,組織均勻[6-7]。材料的超聲探傷指標滿足要求。

2.4 預備熱處理

30Cr1Mo1V-B2鋼在鍛造后進行預備熱處理。采用一次高溫加熱、兩次過冷加一次回火的熱處理方式,使氫元素盡可能地擴散出去,防止白點產生,并確保鉻、鉬、釩等合金元素充分熔解,提高化學成分的均勻性。鍛后進行熱處理加熱時,適當提高升溫速度,能夠起到細化晶粒的作用[8],為超聲探傷和最終熱處理創(chuàng)造良好的內部組織條件。

3 試驗結果

3.1 加熱速度及高溫保溫時間對晶粒度的影響

對編號分別為JL1、JL2、JL3,規(guī)格為30 mm×30 mm×30 mm的三塊試料進行熱處理,熱處理工藝及晶粒度見表2。

由表2可以看出,試樣JL1與JL2相比,JL2的晶粒比JL1粗,這是因為加熱速度越快,過熱度越大,奧氏體實際形成的溫度越高,形核率越大,晶粒越細小。試樣JL1與JL3相比,JL3的晶粒相對較細,這是因為奧氏體晶粒長大與原子擴散有密切關系,在高溫階段停留時間越短,晶粒越細[9]。

表2 試樣熱處理及晶粒度

從整體來看,上述熱處理工藝對材料晶粒度的影響并不大,三塊試樣的晶粒都相對較粗。較粗的晶粒對塑性和抗沖擊韌性不利,但能提高材料高溫蠕變強度和持久強度[10],這對在高溫狀態(tài)下使用的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組高中壓轉子而言是有利的。

3.2 回火溫度對力學性能的影響

為了模擬轉子鍛件的實際生產情況,將試樣與轉子鍛件產品同爐加熱,進行淬火處理,工藝如圖1所示。

圖1 試樣淬火工藝

淬火處理后,將試樣分為L1、L2、L3、L4四塊規(guī)格為30 mm×100 mm×120 mm的小試樣進行回火試驗?；鼗饻囟纫来螢?65 ℃、670 ℃、675 ℃、680 ℃,保溫時間為24 h?；鼗鸷髮⑿≡嚇蛹庸こ蓸藴试嚇舆M行力學性能檢測,檢測結果如表3、圖2、圖3所示。

表3 試樣回火后力學性能

圖2 回火溫度對試樣強度影響曲線

圖3 回火溫度對試樣沖擊功影響曲線

由表3和圖2可以看出,隨著回火溫度的升高,試樣的抗拉強度和屈服強度均逐漸降低,其中抗拉強度由808 MPa降低至737 MPa,屈服強度由675 MPa降低到597 MPa。由表3和圖3可以看出,試樣的沖擊功隨回火溫度的升高先增大后減小,在675 ℃回火時,沖擊功最大值為22 J。目前,國內聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組高中壓轉子鍛件常溫性能要求屈服強度不低于600 MPa,抗拉強度為760～860 MPa,伸長率不小于14%,斷面收縮率不小于38%,室溫沖擊功不小于8 J。可見,試樣L1的強度等指標滿足要求,但抗沖擊性能不足;試樣L3的抗沖擊性能最強,但屈服強度和抗拉強度略顯不足;試樣L4的抗沖擊性能及塑性滿足要求,但強度不足;只有試樣L2的各項性能均滿足要求。

3.3 冷卻方式對力學性能的影響

根據(jù)上述分析結果,筆者制訂了熱處理工藝,如圖4所示。

圖4 熱處理工藝

試樣對應的熱處理工藝冷卻方式分為六種,試樣C1為水冷,試樣C2為油冷,試樣C3為強烈噴風,試樣C4為空氣冷卻,試樣C5為平均每小時降低150 ℃冷卻,試樣C6為平均每小時降低80 ℃冷卻。試樣大小為30 mm×100 mm×120 mm,經過熱處理后,進行性能檢測,檢測結果如表4、圖5、圖6所示。冷卻后的各試樣放大1 000倍金相組織如圖7所示。

表4 試樣冷卻后力學性能

由表4和圖5可以看出,試樣C4、C5、C6的抗拉強度和屈服強度稍高于C1、C2、C3,而試樣C1、C2、C3的塑性稍高。由表4和圖6可以看出,試樣C1、C2、C3的沖擊功為176～154 J,優(yōu)于試樣C4、C5、C6。試樣C6的沖擊功只有7 J,不滿足標準要求。由圖7可以看出,試樣C1、C2、C3組織為索氏體回火組織,試樣C4、C5、C6為貝氏體回火組織。

圖5 冷卻方式對試樣強度影響曲線

圖6 冷卻方式對試樣沖擊功影響曲線

試樣C4、C5、C6組織中,鐵素體和碳化物顆粒較粗大,碳化物呈短桿狀分布在鐵素體板條之間,鐵素體和碳化物分布具有明顯的方向性。這種組織狀態(tài)使鐵素體條間易產生脆斷,鐵素體本身也有可能成為裂紋擴展的路徑,其抗沖擊韌性顯著降低[11]。

4 結論

對于聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組高中壓轉子材料30Cr1Mo1V-B2鋼,通過升溫至950 ℃,保溫1 h的熱處理工藝,獲得的晶粒度最細,為4.5～5級。從總體來看,三種研究的熱處理工藝對材料晶粒度的影響并不大,三塊試樣的晶粒都相對較粗。

試樣高溫加熱與大鍛件同爐生產,通過950 ℃保溫并強烈噴風加670 ℃回火處理后,各項力學性能均滿足標準要求。

根據(jù)試驗結果,采用950 ℃保溫加不同冷卻方式加670 ℃回火的方式對試樣進行處理,試樣采用水冷、油冷、強烈噴風這三種激烈冷卻方式獲得的抗沖擊韌性明顯優(yōu)于采用空氣冷卻、平均每小時降低150 ℃、平均每小時降低80 ℃這三種相對緩和的冷卻方式,試樣達到的最大沖擊功為176 J。