大型核電發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子鍛件熱處理及質(zhì)量評(píng)價(jià)

蔣新亮 李波 崔晉娥 周雯

(二重(德陽(yáng))重型裝備有限公司，四川618013)

我國(guó)引進(jìn)先進(jìn)的核電機(jī)組設(shè)計(jì)、制造技術(shù)過(guò)程中，大型常規(guī)島轉(zhuǎn)子制造技術(shù)被國(guó)外技術(shù)封鎖，成為制約我國(guó)核電裝備發(fā)展的一大瓶頸。我公司從2006年開始進(jìn)行500 t級(jí)以上鋼錠及百萬(wàn)千瓦核電常規(guī)島轉(zhuǎn)子鍛件專項(xiàng)技術(shù)研究和特大型鍛件極限制造工藝流程改造，2010年3月研制出了國(guó)內(nèi)首件百萬(wàn)千瓦級(jí)(1100 MW)核電常規(guī)島半速發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，實(shí)現(xiàn)了零NCR交付用戶，形成了500 t～700 t鋼錠及CAP1400和華龍一號(hào)等三代核電常規(guī)島整鍛發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子鍛件完善的項(xiàng)目管理體系和制造能力?，F(xiàn)就1100 MW核電發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的熱處理與質(zhì)量評(píng)價(jià)進(jìn)行分析介紹。

1 產(chǎn)品概況

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子是核電機(jī)組特大型關(guān)鍵部件，由于尺寸大，質(zhì)量要求高，是目前世界上大鍛件極限制造領(lǐng)域高水平和高難度的標(biāo)志性產(chǎn)品之一。

1.1 轉(zhuǎn)子鍛件尺寸和重量

轉(zhuǎn)子鍛件性能熱處理時(shí)總長(zhǎng)近17 m，直徑達(dá)2 m，重量近260 t。

1.2 技術(shù)要求

1.2.1 材料化學(xué)成分

轉(zhuǎn)子材料相當(dāng)于25Cr2Ni4MoV鋼，其熔煉化學(xué)成分要求應(yīng)符合表1規(guī)定。

1.2.2 力學(xué)性能

力學(xué)性能取試位置與驗(yàn)收指標(biāo)分別見(jiàn)圖1和表2。

圖1 轉(zhuǎn)子性能分區(qū)及取試圖Figure 1 Rotor performance partition and sample taking

1.2.3 殘余應(yīng)力檢測(cè)

環(huán)芯法測(cè)量殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力應(yīng)低于60 MPa。若超過(guò)60 MPa，則需消應(yīng)處理。

2 產(chǎn)品研制

2.1 大型鋼錠制造

采用電弧爐粗煉鋼水→鋼包爐真空VCD精煉鋼水→4包真空合澆。圖2為冶煉及真空鑄錠示意圖。

2.2 轉(zhuǎn)子鍛造

550 t級(jí)大型鋼錠在160 MN水壓機(jī)上實(shí)施鍛造，應(yīng)用WHF+JTS方法。其工藝流程為：

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

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

圖2 冶煉及真空鑄錠示意圖Figure 2 Schematic diagram of smelting and vacuum ingot casting

壓鉗把，倒棱→水口壓鉗把，下料→鐓粗→拔長(zhǎng)中間坯→拔長(zhǎng)滾圓主體部分，分料→各部鍛至鍛件尺寸，氣割出成品。

2.3 轉(zhuǎn)子鍛件熱處理

2.3.1 熱處理工藝參數(shù)研究

主要難點(diǎn)分析：

(1)鍛件體積大，鍛造時(shí)易出現(xiàn)變形不均勻，導(dǎo)致內(nèi)部晶粒粗大且不均勻，同時(shí)存在較大的不均勻變形應(yīng)力，在后期熱處理過(guò)程中要使晶粒均勻化和細(xì)化特別困難。

(2)鍛件成形后重量約為320 t，體積和截面變化(大小截面之差)大，加熱、冷卻過(guò)程中熱應(yīng)力和相變應(yīng)力大，特別在截面變化劇烈處更易形成應(yīng)力集中而引起開裂。

(3)轉(zhuǎn)子本體性能均勻性要求嚴(yán)格，但Ⅰ、Ⅱ兩個(gè)區(qū)性能要求不同，相差為100 MPa，回火時(shí)必須在同一熱處理爐內(nèi)將轉(zhuǎn)子分為兩個(gè)區(qū)域分別加熱和保溫，并要形成規(guī)定的溫差，而在鍛件內(nèi)高低溫區(qū)存在著熱傳導(dǎo)，控制難度大。

(4)由于轉(zhuǎn)子各段截面尺寸相差很大，淬火時(shí)需要采用不同的冷卻速度，要進(jìn)行大量的試驗(yàn)驗(yàn)證才能確定。

2.3.2 細(xì)化晶粒與鍛后熱處理

轉(zhuǎn)子鍛件用鋼屬貝氏體強(qiáng)組織遺傳性材料，晶粒很難細(xì)化和均勻化。細(xì)化晶粒采用如下方法：

(1)應(yīng)用鍛造變形再結(jié)晶方法使奧氏體晶粒改善，在鍛造最后1～2火次時(shí)，溫度不能太高，一般控制在1200～1150℃，變形量在15%～25%，變形后防止鍛件心部溫度升高導(dǎo)致晶粒再次粗化。

(2)鍛后采用多次次高溫奧氏體化(溫度由高到低，呈階梯式)，多次次過(guò)冷加高溫回火方式，實(shí)踐證明，這對(duì)特大型轉(zhuǎn)子鍛件細(xì)化晶粒是有效措施。

(3)鍛后空冷溫度不宜過(guò)低，應(yīng)及時(shí)入爐，以防鍛件開裂。

(4)鍛件加熱時(shí)不宜過(guò)快，最好進(jìn)行適當(dāng)?shù)木鶞?，過(guò)冷時(shí)對(duì)冷速的控制非常重要，不宜過(guò)快，鍛件心部最好降到Bf以下。過(guò)冷時(shí)應(yīng)采取措施以減少鍛件應(yīng)力開裂的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)使組織轉(zhuǎn)變更為徹底以獲得更細(xì)的晶粒。

(5)回火出爐溫度應(yīng)低，以減少鍛件應(yīng)力開裂的風(fēng)險(xiǎn)。

2.3.3 性能熱處理加熱、淬火應(yīng)力控制

為了減少熱應(yīng)力，在特大鍛件的加熱過(guò)程采用階梯加熱，在低溫時(shí)采用較慢速度升溫，在高溫時(shí)采用相對(duì)稍高的加熱速度。

淬火冷卻過(guò)程中，鍛件內(nèi)不可避免的出現(xiàn)相當(dāng)大的溫度梯度，產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力。理論上比較理想的冷卻速度應(yīng)處于過(guò)冷奧氏體分解較快的溫度范圍內(nèi)(相當(dāng)于CCT曲線的鼻尖處)且具有較高的冷速，而在進(jìn)入貝氏體(或馬氏體)轉(zhuǎn)變區(qū)域時(shí)具有相對(duì)緩和的冷卻速度。既可保持較好的淬火效果，又不致于造成太大的淬火應(yīng)力。但實(shí)際上，很難找到如此理想的淬火介質(zhì)和控溫方法。處于保險(xiǎn)考慮，冷卻時(shí)需采用較為穩(wěn)妥的間隙冷卻方法，即噴水、鼓風(fēng)交替冷卻方式，以降低冷卻過(guò)程中的應(yīng)力峰值。

(1)材料性能熱處理工藝參數(shù)研究

性能熱處理工藝方案為將轉(zhuǎn)子從室溫加熱到奧氏體溫度后進(jìn)行均溫，然后快速冷卻淬火使整個(gè)轉(zhuǎn)子表層和心部淬透，再進(jìn)行加熱回火，使轉(zhuǎn)子表層和中心部位性能達(dá)到使用要求?；鼗饡r(shí)將轉(zhuǎn)子分為兩個(gè)區(qū)域分別加熱和保溫，以分別滿足兩區(qū)的不同性能要求。

(2)材料模擬熱處理試驗(yàn)研究

為了研究分區(qū)回火工藝參數(shù)，以相同材料的小試樣進(jìn)行淬火，其工藝方案與轉(zhuǎn)子相同，然后進(jìn)行回火參數(shù)試驗(yàn)。試樣的化學(xué)成分滿足表1要求，回火溫度分別設(shè)定為615℃±10℃、625℃±10℃、640℃±10℃、650℃±10℃、670℃±10℃和690℃±10℃，回火后進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同回火溫度的力學(xué)性能Figure 3 Mechanical properties at different tempering temperatures

通過(guò)小試樣不同回火溫度下的性能數(shù)據(jù)，可以看出要達(dá)到力學(xué)性能要求，綜合考慮制定出了合理的分區(qū)回火溫度。

(3)產(chǎn)品回火參數(shù)試驗(yàn)研究

由于小試樣的冷卻條件和冷卻速度與產(chǎn)品有一定差別，其數(shù)據(jù)只能作為參考，還不能直接用于核電轉(zhuǎn)子。選擇了同材質(zhì)的300 MW發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，其尺寸為?1144 mm×12 160 mm，作為進(jìn)一步驗(yàn)證。其力學(xué)性能表3。

從試驗(yàn)件力學(xué)性能數(shù)據(jù)可以看出，其強(qiáng)度值比小試樣明顯降低，但還是滿足技術(shù)條件要求。隨后又補(bǔ)充進(jìn)行了不同溫度點(diǎn)的回火試驗(yàn)，確定轉(zhuǎn)子分區(qū)回火溫度。

性能熱處理工藝淬火形式為噴水+鼓風(fēng)+回火，見(jiàn)圖4。

(4)熱處理裝爐方式

轉(zhuǎn)子的熱處理重量約為260 t。由于加熱溫度高、時(shí)間長(zhǎng)，轉(zhuǎn)子體積和重量大，裝爐由傳統(tǒng)的吊掛式設(shè)計(jì)改為坐底式，在分區(qū)熱處理設(shè)備上，分別制作了隔熱板和隔熱環(huán)，以實(shí)現(xiàn)設(shè)備分區(qū)回火的功能。

(5)熱處理實(shí)施

性能熱處理主要設(shè)備有?3.2 m×15(20)m井式熱處理爐、?2.5 m×15(20)m井式熱處理爐和?5 m×30 m大型噴水噴霧淬火裝置。

表3 試驗(yàn)轉(zhuǎn)子力學(xué)性能(回火溫度615℃)Table 3 Mechanical properties of test rotor (tempering temperature 615℃)

圖4 性能熱處理工藝Figure 4 Performance heat treatment process

3 質(zhì)量評(píng)價(jià)

按產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了全面檢驗(yàn)和質(zhì)量評(píng)價(jià)。

3.1 化學(xué)成分

化學(xué)成分全部合格，P、S及雜質(zhì)元素相比標(biāo)準(zhǔn)要求，大幅控制在較低水平。成品分析各種元素偏析控制在要求范圍內(nèi)，心部偏析略高于表面。

3.2 氣體含量分析

氣體H、O、N含量符合要求規(guī)定且相當(dāng)?shù)?O、N含量為非合同要求檢驗(yàn)項(xiàng)目)。H含量為0.2×10-6，O含量為10×10-6，氮含量為0.2×10-6。

3.3 硫印試驗(yàn)

硫印試驗(yàn)為非合同要求檢驗(yàn)項(xiàng)目，汽機(jī)端和電機(jī)端試驗(yàn)結(jié)果表明無(wú)硫印痕跡顯示。

3.4 力學(xué)性能

鍛件A、B、C、D、J部位力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4，硬度均勻性檢測(cè)(非合同要求檢驗(yàn)項(xiàng)目)見(jiàn)圖5。各項(xiàng)力學(xué)性能全部合格，也很均勻，且富余量比較大。同時(shí)對(duì)中心部位E、F、G、H、K也進(jìn)行了力學(xué)性能檢測(cè)，中心部位強(qiáng)度與表層A、B、C、D、J基本一致，中心F部位FATT50達(dá)到-30℃。

表4 A、B、C、D、J部位力學(xué)性能Table 4 Mechanical properties of position A,B,C,D,J

12345678910檢測(cè)設(shè)備0°270246241240240235238235237236HBC型90°272244242246246243246241245249HBC型180°273242244246243245238245246240HBC型270°270245240247247241242247235235HBC型

圖5 硬度HBW均勻性檢測(cè)
Figure 5 Hardness HBW uniformity test

3.5 殘余應(yīng)力試驗(yàn)

殘余應(yīng)力要求≤60 MPa，實(shí)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表5。殘余應(yīng)力顯著低于標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.6 磁性能試驗(yàn)

磁性能試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果合格，見(jiàn)表6。

3.7 金相試驗(yàn)及夾雜物評(píng)級(jí)

表面晶粒度要求≥4.0級(jí)，中心部位僅供參考；夾雜物評(píng)級(jí)不作要求，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。

3.8 超聲檢測(cè)

表5 殘余應(yīng)力試驗(yàn)結(jié)果(MPa)Table 5 Residual stress test results(MPa)

表6 磁性能試驗(yàn)結(jié)果Table 6 Magnetic properties test results

表7 金相試驗(yàn)及夾雜物評(píng)級(jí)試驗(yàn)結(jié)果Table 7 Metallographic test and inclusion rating test results

性能熱處理前進(jìn)行UT，結(jié)果顯示轉(zhuǎn)子軸身雜波高度小于3%；性能熱處理后打中心孔前進(jìn)行UT，轉(zhuǎn)子軸身雜波高度小于1%；鉆孔后進(jìn)行UT，轉(zhuǎn)子軸身雜波高度小于1%，三次UT均未發(fā)現(xiàn)不允許缺陷信號(hào)。UT結(jié)果全部合格。

3.9 磁粉檢驗(yàn)

按產(chǎn)品訂貨技術(shù)條件對(duì)轉(zhuǎn)子表面進(jìn)行磁粉檢驗(yàn)，未發(fā)現(xiàn)不允許缺陷顯示。

產(chǎn)品經(jīng)全面的質(zhì)量評(píng)價(jià)，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到產(chǎn)品規(guī)范和訂貨技術(shù)條件要求，未發(fā)生NCR，產(chǎn)品質(zhì)量合格。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)自主創(chuàng)新和技術(shù)攻關(guān)，研制出1100 MW核電常規(guī)島發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，進(jìn)行了全面質(zhì)量評(píng)價(jià)，實(shí)現(xiàn)了零NCR交付用戶，熱處理工藝及產(chǎn)品制造流程合理?，F(xiàn)已形成500 t～700 t級(jí)鋼錠及CAP1400和華龍一號(hào)特大型核電常規(guī)島整鍛轉(zhuǎn)子鍛件完善的項(xiàng)目管理體系和制造能力，打破國(guó)外在這一制造領(lǐng)域的長(zhǎng)期壟斷。先后累計(jì)制造近20件，從第4件開始合格率100%，解決了制約大型核電機(jī)組發(fā)展的核心零部件瓶頸問(wèn)題。