大型空冷發(fā)電機用25CrNi1MoV鋼轉(zhuǎn)軸鍛件制造工藝研究

宋國旺 王旭穎 牛玉溫 彭彩霞 吳杏格

(太原重工股份有限公司,山西 太原 030024)

在碳減排的大環(huán)境下,發(fā)電行業(yè)為降低碳排放,通過持續(xù)優(yōu)化煤電結(jié)構(gòu),淘汰傳統(tǒng)煤電市場中小火電,發(fā)展高效大火電,以及發(fā)展新型光熱、垃圾發(fā)電等新能源,來實現(xiàn)降碳減排的任務(wù)[1-2]。

發(fā)電機轉(zhuǎn)軸是發(fā)電機組設(shè)備中的關(guān)鍵大型零部件,在發(fā)電機高速旋轉(zhuǎn)時,要承受巨大的離心力,同時要承受傳遞扭矩和自重引起的彎矩,綜合工況復(fù)雜,因此,要求發(fā)電機轉(zhuǎn)軸鍛件要有高的強度和塑形、優(yōu)越的韌性、低的脆性轉(zhuǎn)變溫度及良好的導(dǎo)磁性[3]。其制造過程涉及冶煉鑄錠、鍛造和熱處理等熱加工關(guān)鍵工序,同時為提高產(chǎn)品競爭力,降低制造成本,轉(zhuǎn)軸的選材由傳統(tǒng)的30(25)Cr2Ni4MoV、Ni3.5CrMoV、Ni3.5MoV、Ni2.8CrMoV和Ni2CrMoV等轉(zhuǎn)變?yōu)椴捎孟鄬Φ秃辖鸬母邚姸?5CrNi1MoV鋼,來滿足30～100 MW新型光熱、垃圾發(fā)電等新能源市場空冷型發(fā)電機的需求,實現(xiàn)間接降低碳排放的目標(biāo)[4]。關(guān)于25CrNi1MoV材質(zhì)的發(fā)電機轉(zhuǎn)軸鍛件,國內(nèi)已有相關(guān)方面的研究。葉煜等針對屈服強度Rp0.2≥590 MPa的30～60 MW空冷發(fā)電機高強度25CrNi1MoV轉(zhuǎn)子鍛件,計算了轉(zhuǎn)子本體截面受力情況,對試制后的轉(zhuǎn)子進行力學(xué)性能試驗,結(jié)果表明,轉(zhuǎn)子各位置的化學(xué)成分和力學(xué)性能均滿足技術(shù)要求,且波動很小[2]。宋國旺等對屈服強度Rp0.2≥540 MPa的80 MW 25CrNi1MoV發(fā)電機轉(zhuǎn)子進行了試制,并對轉(zhuǎn)子進行力學(xué)性能檢驗,結(jié)果表明,各項指標(biāo)滿足技術(shù)要求,驗證了鑄錠、鍛造、熱處理工藝的合理性[5]。

本文對某發(fā)電項目用100 MW空冷發(fā)電機高強度25CrNi1MoV轉(zhuǎn)軸鍛件進行了試制,該轉(zhuǎn)子的尺寸規(guī)格?1035 mm×9200 mm與前期我公司試制的80 MW轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)身截面?1047 mm基本相當(dāng),但屈服強度等級為Rp0.2≥590 MPa高于80 MW轉(zhuǎn)軸要求,同時隨著容量和性能等級的提高,制造難度也增大。結(jié)合我公司工藝設(shè)備能力和同類型轉(zhuǎn)軸制造經(jīng)驗,對該轉(zhuǎn)軸制定了合理的熱加工工藝,經(jīng)過生產(chǎn)試制,理化檢驗結(jié)果完全滿足技術(shù)要求,驗證了制造工藝的可行性,具備批量生產(chǎn)能力。

1 轉(zhuǎn)軸技術(shù)要求

1.1 轉(zhuǎn)軸材質(zhì)化學(xué)成分

25CrNi1MoV鋼轉(zhuǎn)軸技術(shù)要求的化學(xué)成分見表1。

表1 25CrNi1MoV鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)Table 1 Chemical composition of 25CrNi1MoV steel (mass fraction, %)

1.2 轉(zhuǎn)軸試料位置及力學(xué)性能

轉(zhuǎn)軸鍛件粗加工以及調(diào)質(zhì)熱處理后,按試樣圖要求位置取試,試樣位置見圖1,進行力學(xué)性能試驗。力學(xué)性能數(shù)據(jù)要求見表2。

圖1 試樣圖Figure 1 Sampling drawing

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

(1)在轉(zhuǎn)軸勵端軸身T1位置,徑向做2個拉伸試驗,切向做2個拉伸和2個夏比沖擊試驗(V型缺口和U型缺口各2個),切向做一組FATT50試驗,做一組磁性能試驗,做一組殘余應(yīng)力試驗。

(2)在轉(zhuǎn)軸汽端軸頭T3位置,徑向做2個拉伸試驗,允許用小樣,切向做1個拉伸和2個夏比沖擊試驗(V型缺口和U型缺口各2個)。

(3)在轉(zhuǎn)軸汽端軸身T2位置,切向做2個拉伸和2個夏比沖擊試驗(V型缺口和U型缺口各2個)。

(4)在轉(zhuǎn)軸勵端軸頭T4位置,切向做1個拉伸和2個夏比沖擊試驗(V型缺口和U型缺口各2個),做2個高周疲勞試驗。

(5)在轉(zhuǎn)軸勵端軸身中心盲孔位置,做1個拉伸試驗、1個夏比沖擊試驗(V型缺口和U型缺口各2個),做一組FATT50試驗。

要求鍛件的抗拉強度或屈服強度在同一取樣方向,且各自的波動值,軸身本體不應(yīng)超過70 MPa,整個轉(zhuǎn)軸不允許超過100 MPa。

1.3 轉(zhuǎn)軸超聲檢測要求

轉(zhuǎn)軸鍛件毛坯粗加工和調(diào)質(zhì)熱處理機加工后,按照J(rèn)B/T 1581—2014《汽輪機、汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子和主軸鍛件超聲檢測方法》進行全面檢測,不允許有≥?2 mm當(dāng)量直徑的密集缺陷和?3 mm的單個缺陷,不應(yīng)存在連續(xù)缺陷信號及游動缺陷信號。

1.4 轉(zhuǎn)軸制造難點分析

該項目100 MW轉(zhuǎn)軸鍛件軸身主體截面尺寸大,鍛件滿足超聲檢測難度大,要求從鋼錠冶煉階段進行工藝內(nèi)控,設(shè)計好內(nèi)控化學(xué)成分,控制好鋼水內(nèi)生夾雜物和外來夾雜物,確保鋼錠的純凈度。對于首件試制轉(zhuǎn)軸,要進行全面理化性能檢測,同時屈服強度等級進一步提高,對鍛造工藝和熱處理工藝參數(shù)選擇要求很高。對整個生產(chǎn)試制過程,進行嚴(yán)格控制,確保鋼錠的高純凈、鍛件的致密、熱處理的性能均勻性,從而滿足最終轉(zhuǎn)子符合技術(shù)要求。

2 轉(zhuǎn)軸制造流程

80 t電爐冶煉鋼錠→鋼錠熱運→油壓機鍛造→鍛后熱處理→轉(zhuǎn)軸毛坯機加工→第一次超聲檢測→調(diào)質(zhì)熱處理→調(diào)質(zhì)后機加工→第二次超聲檢測→取試驗料→理化性能試驗→最終交貨機加工及檢驗→鋼印標(biāo)識→簡易防銹包裝交貨。

3 轉(zhuǎn)軸制造過程

3.1 轉(zhuǎn)軸冶煉及鑄錠過程

25CrNi1MoV屬于低碳CrNiMoV鋼,淬透性好,由于本次試制轉(zhuǎn)軸力學(xué)性能等級提高,同時轉(zhuǎn)軸軸身截面直徑大,內(nèi)部無損檢測要求嚴(yán)格,需要對化學(xué)成分進行適當(dāng)內(nèi)控,對鋼中的夾雜物和氣體進行控制,避免后期出現(xiàn)單個缺陷超標(biāo)和性能不均勻現(xiàn)象。本次鋼錠采用“80 t電爐粗煉→120 t鋼包精煉→真空除氣→下注氬氣保護澆注→熱送”的工藝流程,澆注兩支55 t下注鋼錠。

煉鋼工藝圍繞目標(biāo)化學(xué)成分精準(zhǔn)控制和鋼液高純凈度控制的全流程綜合工藝控制措施:

(1)煉鋼原材料控制好壞,直接影響最終轉(zhuǎn)軸成品質(zhì)量。雖然轉(zhuǎn)軸技術(shù)規(guī)范上沒有要求控制As、Sb、Sn含量,但是根據(jù)以往制造經(jīng)驗,為了滿足最終轉(zhuǎn)軸綜合性能,在冶煉爐料準(zhǔn)備時,對廢鋼、生鐵、鋼屑進行化驗,使As≤0.020%,Sn≤0.015%,Sb≤0.0015%,控制到工藝內(nèi)控要求范圍內(nèi)[6]。

(2)電爐粗煉時,控制鋼水P含量、夾雜物和氣體含量。原料控制合理的配碳量≥0.60%,氧化期間進行流渣、造新渣操作,滿足高氧化性、高堿度、低溫和大渣量強化脫P操作,確保出鋼前P≤0.003%,避免回P現(xiàn)象[7]。通過合理的吹氧助熔、合理強氧化脫碳,控制好鋼水過氧化,確保粗煉鋼水脫碳量≥0.30%,出鋼溫度≥1660℃,出鋼過程包底吹氬,嚴(yán)格卡渣,減少氧化渣帶入,控制出鋼C≥0.10%。

(3)精煉爐精煉時,重點進行脫氧脫硫操作,實時調(diào)整好成分和溫度。按一定比例補加石灰、螢石,保證精煉渣量,同時升溫到≥1560℃時,加入碳粉、硅鐵粉和硅鈣粉進行有效擴散脫氧,按要求加入合金后保持白渣≥25 min,期間調(diào)整好氬氣壓力和流量,防止鋼水裸露。

(4)真空處理時,確保氣體含量和夾雜物得到有效控制,特別是鋼液中H含量[8],滿足設(shè)計要求?？刂坪娩撍煞?當(dāng)渣色變白,[O]≤8×10-6,溫度≥1640℃時進行VD處理。在真空≤67 Pa下保持時間≥15 min。吊包前軟攪拌時間≥20 min,吊包溫度控制在1560～1580℃。

(5)鋼錠澆注時,控制好流鋼澆道系統(tǒng)的清潔干燥和澆注速度,采用專用底盤,減少開澆過程中的鋼水紊流,防止鋼水卷渣。所用鋼錠模以及耐火材料仔細(xì)吹掃,保證清潔。澆注過程采用0.15～0.30 MPa的氬氣氬幕圈全程保護澆注,減少鋼水二次氧化。最后澆注完畢加入發(fā)熱劑后同時加入覆蓋劑加強冒口保溫。

(6)鋼錠熱送:鋼錠按規(guī)定時間脫模后,表面溫度不低于700℃,裝入熱送保溫車,運送到鍛造車間。

3.2 轉(zhuǎn)軸鍛造成形過程

100 MW轉(zhuǎn)軸交貨重量25.4 t,由于該轉(zhuǎn)軸兩軸端小凹檔無法鍛出,適當(dāng)放大余量,毛坯重量38.9 t,用55 t下注鋼錠,鋼錠利用率70.7%。鍛造溫度范圍850～1200℃,墩粗和拔長時工序鍛比大于2,總鍛比大于6。在油壓機上進行充分鍛造,分四火鍛造,分別是:第一火:鋼錠壓鉗口、倒棱、切底→第二火:墩粗,采用WHF法拔長壓八方→第三火:墩粗,壓扁方→第四火:壓圓、號印、鍛出臺階、修整出成品。水口切除量≥5%,冒口切除量≥18%。通過有效的墩粗變形,破碎鋼錠中的樹枝狀鑄造組織,提高拔長前的鍛造比,特別是提高轉(zhuǎn)軸鍛件的橫向力學(xué)性能。采用WHF法拔長,有效鍛合壓實坯料內(nèi)部缺陷,滿足超聲檢測要求,砧寬比控制在0.6～0.8,壓下率控制在20%～25%,每次有10%的砧寬搭接量。轉(zhuǎn)軸鍛造完畢后,利用余溫校直,保證鍛件各臺階的同心度。

3.3 轉(zhuǎn)軸鍛后熱處理過程

轉(zhuǎn)軸鍛件在鍛造過程中,由于軸身直徑大,鍛造周期長,鍛造火次多,加熱速度慢,在高溫區(qū)停留時間長,變形分布不均勻,易出現(xiàn)粗晶,組織不均勻,無法滿足鍛后超聲檢測要求[9]。同時25CrNi1MoV鋼奧氏體組織穩(wěn)定,貝氏體轉(zhuǎn)變溫度較低,有一定的晶粒遺傳性,采用高低溫兩次正火+回火工藝,來達(dá)到重結(jié)晶和打破晶粒遺傳,起到細(xì)化晶粒均勻組織的目的,為最終調(diào)質(zhì)熱處理準(zhǔn)備合適的顯微組織及晶粒度[10]。轉(zhuǎn)軸鍛件鍛后,空冷到表面300℃,裝爐進行鍛后熱處理,鍛后熱處理工藝曲線見圖2。

3.4 轉(zhuǎn)軸調(diào)質(zhì)熱處理過程

轉(zhuǎn)軸鍛件按熱處理專用加工圖機加工后,裝爐做性能熱處理,調(diào)質(zhì)熱處理工藝曲線見圖3。由于轉(zhuǎn)軸鍛件軸身截面達(dá)到1 m以上,為了獲得良好的綜合性能,使其淬火后得到馬氏體與下貝氏體組織,轉(zhuǎn)軸芯部也得到貝氏體組織,避免出現(xiàn)鐵素體,才能滿足轉(zhuǎn)軸對軸頭、本體和芯部具有高的強度和沖擊韌性。通過調(diào)整25CrNi1MoV鋼中高淬透性元素鎳、鉻、鉬、釩等元素含量和采用激冷淬火工藝。國內(nèi)對于25CrNi1MoV鋼熱處理工藝有相關(guān)方面的研究。郝興敏等針對25CrNi1MoV鋼30～50 MW小功率發(fā)電機轉(zhuǎn)子,屈服強度等級Rp0.2≥590 MPa,通過數(shù)值模擬確定了對最大直徑約850 mm的鍛件調(diào)質(zhì)熱處理工藝,采用840℃奧氏體化、水淬和620℃回火后,檢測了轉(zhuǎn)子鍛件不同部位的力學(xué)性能和顯微組織,結(jié)果表明,轉(zhuǎn)子鍛件表層和心部力學(xué)性能均滿足要求[4]。秦江等針對25CrNi1MoV鋼轉(zhuǎn)子,截面直徑大約853 mm,屈服強度等級Rp0.2≥540 MPa,通過采用分段噴淬冷工藝,實現(xiàn)軸身激冷+深冷,大幅度提高了25CrNi1MoV轉(zhuǎn)子徑向沖擊韌性富余量[11]。結(jié)合我公司現(xiàn)有熱處理工藝裝備能力,本次試制采用井式電爐進行淬火加熱和回火,冷卻采用水冷淬火方式,轉(zhuǎn)軸加熱到860～890℃,通過一定時間保溫完成奧氏體組織轉(zhuǎn)變。冷卻時,水溫控制在25℃以下,特別是轉(zhuǎn)軸鍛件在井式水槽中要適當(dāng)上下移動,同時確保水流充分循環(huán),使其轉(zhuǎn)軸軸身淬透馬氏體或者馬氏體加下貝氏體組織,還要注意冷卻一定時間后,提出轉(zhuǎn)軸吊孔,防止長時間冷卻吊孔開裂,發(fā)生安全風(fēng)險。淬火后,軸身表面冷卻到≤200℃后出水,裝爐進行600～650℃高溫回火保溫,保溫結(jié)束后進行限速冷卻,消除應(yīng)力。

圖3 轉(zhuǎn)軸調(diào)質(zhì)熱處理工藝曲線Figure 3 Quenching and tempering heat treatment process curve of rotating shaft

4 轉(zhuǎn)軸檢測結(jié)果

4.1 轉(zhuǎn)軸表面硬度和殘余應(yīng)力

轉(zhuǎn)軸鍛件調(diào)質(zhì)熱處理后,在黑皮狀態(tài)下按技術(shù)要求進行表面硬度均勻性檢測,要求同一圓弧表面不超過30HBW,同一母線上不超過40HBW。在兩軸端和軸身部位實測4條母線12個點的硬度值,硬度結(jié)果為249～261HBW,完全滿足硬度均勻性要求。

在圖1的T1位置上,按照切環(huán)法檢測標(biāo)準(zhǔn),實測殘余應(yīng)力為43.88 MPa,符合轉(zhuǎn)軸鍛件殘余應(yīng)力≤60 MPa技術(shù)要求。

4.2 轉(zhuǎn)軸超聲檢測

轉(zhuǎn)軸制造過程中,在鍛后毛坯階段打磨無損檢測帶后,黑皮超聲檢測沒有發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷和粗晶現(xiàn)象,在毛坯粗加工后第一次超聲檢測和調(diào)質(zhì)后第二次超聲檢測階段,按照J(rèn)B/T 1581—2014《汽輪機、汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子和主軸鍛件超聲檢測方法》進行超聲檢測,100%全面掃查,最后沒有發(fā)現(xiàn)有≥?2 mm當(dāng)量直徑的密集缺陷和?3 mm的單個缺陷,也沒有發(fā)現(xiàn)連續(xù)缺陷信號和游動缺陷信號顯示。為了驗證轉(zhuǎn)軸的內(nèi)部質(zhì)量,降低起始靈敏度到當(dāng)量直徑?1.6 mm,也沒有發(fā)現(xiàn)密集缺陷和單個缺陷,說明轉(zhuǎn)軸的內(nèi)部純凈性很好。

4.3 轉(zhuǎn)軸化學(xué)成分

調(diào)質(zhì)后在圖1的T1位置上,進行成品分析,化學(xué)成品分析滿足技術(shù)要求,檢測結(jié)果見表3。設(shè)計化學(xué)成分時,考慮各主要合金元素的含量來滿足轉(zhuǎn)軸的綜合力學(xué)性能要求。提高鉻、鉬元素含量來提高淬透性及回火穩(wěn)定性,鎳元素對提高塑性、韌性,尤其是提高低溫沖擊韌性有良好的作用,釩元素起到細(xì)化晶粒和提高抗回火的作用。同時S和P控制在較低的水平,減輕回火脆性,提高了沖擊韌性。同時在轉(zhuǎn)軸兩軸端進行C元素分析,結(jié)果分別為0.24和0.26,偏差很小,對轉(zhuǎn)軸的強度波動性起到了關(guān)鍵作用。另外對轉(zhuǎn)軸鍛件進行氫含量檢測,實測[H]=0.51×10-6,說明冶煉過程和鍛后熱處理對氫的控制和擴散起到很好的效果。

表3 25CrNi1MoV鋼的成品化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)Table 3 The finished products chemical compositions of 25CrNi1MoV steel (mass fraction, %)

4.4 轉(zhuǎn)軸力學(xué)性能

對于轉(zhuǎn)軸鍛件,在嵌線槽底部受力最嚴(yán)苛,在轉(zhuǎn)軸T1和T2位置套取的徑向試樣長度和嵌線槽深度基本一致,切向試樣的位置位于嵌線槽的底部位置,這樣取試結(jié)果能反應(yīng)轉(zhuǎn)軸實際工況下的應(yīng)力狀態(tài)。通過表4檢測結(jié)果數(shù)據(jù),轉(zhuǎn)軸鍛件本體各項性能指標(biāo)滿足技術(shù)要求。通過中芯試棒試驗,結(jié)果也滿足技術(shù)要求。同時鍛件的抗拉強度或屈服強度在同一取樣方向上的波動值完全滿足技術(shù)要求。通過補做的V型沖擊韌性和FATT50反應(yīng)出轉(zhuǎn)軸鍛件的綜合力學(xué)性能優(yōu)于技術(shù)要求值。按照GB/T 4337—2015《金屬材料疲勞試驗旋轉(zhuǎn)彎曲方法》,在T4位置取樣進行2組高周疲勞測試,最后在試驗應(yīng)力271 MPa下,完全通過>107循環(huán)次數(shù),說明該類型轉(zhuǎn)軸完全滿足長期運轉(zhuǎn)要有一定的疲勞強度的要求。轉(zhuǎn)軸經(jīng)過全面的取試檢測,表現(xiàn)出優(yōu)良的綜合力學(xué)性能,說明轉(zhuǎn)軸鍛件均勻性高,材料純凈性、致密性好。

4.5 轉(zhuǎn)軸磁性能

在轉(zhuǎn)軸的T1部位取試,按照GB/T 13012—2008《軟磁材料直流磁性能的測量方法》進行檢測,表面轉(zhuǎn)軸的鍛件導(dǎo)磁性能滿足設(shè)計要求。磁性能檢測結(jié)果見表5。

表5 磁性能檢測結(jié)果Table 5 Magnetic properties test results

4.6 轉(zhuǎn)軸金相檢驗

在轉(zhuǎn)軸的中芯試樣部位,按照GB/T 6394—2017、GB/T 10561—2005標(biāo)準(zhǔn)進行顯微組織檢查,顯微組織結(jié)果為回火索氏體+少量貝氏體,晶粒度結(jié)果為7.0級。轉(zhuǎn)軸鍛件內(nèi)部的A、B、C、D、DS五種類型夾雜物為0.5～1級,完全滿足設(shè)計技術(shù)要求,反應(yīng)出轉(zhuǎn)軸鍛件的晶粒細(xì)小、純凈性和均勻性良好。

4.7 轉(zhuǎn)軸產(chǎn)品批量驗證

通過固化上述冶煉、鍛造、熱處理等工藝,我公司已經(jīng)批量生產(chǎn)80～100 MW等級25CrNi1MoV空冷發(fā)電機轉(zhuǎn)軸10多支,通過與用戶聯(lián)檢,滿足訂貨技術(shù)要求,制造過程中沒有發(fā)生因化學(xué)成分、超聲檢測、力學(xué)性能等不合格導(dǎo)致的產(chǎn)品報廢,從而驗證了試制工藝的合理性。

5 結(jié)論

通過對試制工藝及過程分析,結(jié)果總結(jié)如下:

(1)25CrNi1MoV鋼制造100 MW高強度等級的轉(zhuǎn)軸鍛件工藝試制結(jié)果顯示,開發(fā)出25CrNi1MoV轉(zhuǎn)軸鍛件是可行的,研發(fā)試制出來的冶煉、鑄錠、鍛造和熱處理工藝方案完全合理可行。

(2)通過對試制轉(zhuǎn)軸的理化檢驗分析顯示,轉(zhuǎn)軸的化學(xué)成分、力學(xué)性能、金相顯微組織等各項指標(biāo)完全滿足技術(shù)規(guī)范要求,表明轉(zhuǎn)軸鍛件具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能,特別是屈服強度的波動值非常小,晶粒度細(xì)小,沖擊韌性和韌脆轉(zhuǎn)變溫度FATT50優(yōu)良。對轉(zhuǎn)軸的高周疲勞測試結(jié)果完全符合長期運轉(zhuǎn)的工況。

(3)通過批量生產(chǎn),掌握了100 MW等級25CrNi1MoV鋼的轉(zhuǎn)軸鍛件的制造技術(shù),同時充分驗證了制造工藝的合理性。