楊 兵 曲東方 郭寶強(qiáng) 鄭洪穎

(沈陽(yáng)鑄鍛工業(yè)有限公司鍛造公司，遼寧110142)

護(hù)環(huán)是火力發(fā)電機(jī)上關(guān)鍵構(gòu)件，熱套在轉(zhuǎn)子的兩端，起到固定繞組線圈端部作用，護(hù)環(huán)隨著轉(zhuǎn)子做高速旋轉(zhuǎn)，承受較大的離心應(yīng)力及槽端線圈繞線對(duì)護(hù)環(huán)的迭加載荷。因此護(hù)環(huán)需要具有較高的屈服強(qiáng)度，同時(shí)為避免護(hù)環(huán)在強(qiáng)磁場(chǎng)工作過(guò)程因電磁感應(yīng)造成護(hù)環(huán)發(fā)熱，影響發(fā)電機(jī)效率及安全性，因此護(hù)環(huán)必須由奧氏體無(wú)磁鋼材料來(lái)制造。由于護(hù)環(huán)材料為無(wú)相變奧氏體無(wú)磁鋼，因此不能通過(guò)傳統(tǒng)的相變熱處理方式來(lái)提高其強(qiáng)度，只能通過(guò)冷變形強(qiáng)化來(lái)達(dá)到提高力學(xué)性能目的。護(hù)環(huán)制造以其嚴(yán)格的技術(shù)要求和特殊的制造工藝方法，一直被世界各國(guó)護(hù)環(huán)制造行業(yè)予以高度的重視和作為研究開(kāi)發(fā)的對(duì)象。目前國(guó)際上制造護(hù)環(huán)的主要材料為1Mn18Cr18N，由于1Mn18Cr18N護(hù)環(huán)制造難度巨大，國(guó)內(nèi)汽輪發(fā)電機(jī)廠家所需300 MW及以上規(guī)格的1Mn18Cr18N鋼護(hù)環(huán)主要依賴進(jìn)口。我公司2006年成功開(kāi)發(fā)出300 MW 1Mn18Cr18N護(hù)環(huán)，形成300 MW 1Mn18Cr18N護(hù)環(huán)批量生產(chǎn)能力。為開(kāi)發(fā)市場(chǎng)，我公司參與國(guó)際采購(gòu)，2009年我公司為印度BHARAT公司成功制造并交貨兩件600 MW 1Mn18Cr18N護(hù)環(huán)，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)制造并被使用空白。由于該規(guī)格護(hù)環(huán)雖然屈服強(qiáng)度要求及交貨尺寸與國(guó)內(nèi)同類規(guī)格相近，但其技術(shù)要求與國(guó)內(nèi)JB/T7030—2002標(biāo)準(zhǔn)相比有較大區(qū)別，現(xiàn)將其制造過(guò)程進(jìn)行全面介紹。

1 600 MW護(hù)環(huán)的技術(shù)要求

1.1 按用戶提供的《PLANT PURCHHASING SPECIFICATION HEEP-HARDWAR》(HW19364)標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)驗(yàn)收。

1.2 主要技術(shù)指標(biāo)：

(1)化學(xué)成分要求見(jiàn)表1。

(2)力學(xué)性能(常溫拉伸)要求見(jiàn)表2。

(3)取樣位置及取樣數(shù)量見(jiàn)圖1。

在護(hù)環(huán)兩端切取整片試環(huán)，分別記錄K、F端，然后按圖示劃分試料區(qū)，制造廠家在護(hù)環(huán)兩端的K3及F6區(qū)域切取試樣做力學(xué)性能試驗(yàn)。

表1 化學(xué)成分要求(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 The requirement of chemical composition(mass fraction, %)

表2 力學(xué)性能要求Table 2 The requirement of mechanical property

圖1 取樣位置和取樣數(shù)量Figure 1 The position and number of sampling

在力學(xué)試驗(yàn)中，中環(huán)切向抗拉性能指標(biāo)及RP0.02指標(biāo)為參考值。

(4)無(wú)損檢測(cè)按ASTM A531超聲波探傷標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

(5)護(hù)環(huán)交貨尺寸為?1 242 mm×?1 069 mm×795 mm。

國(guó)內(nèi)汽輪發(fā)電機(jī)600 MW護(hù)環(huán)的尺寸規(guī)格主要為?1 233 mm×?1 013 mm×875 mm、?1 243 mm×?1 030 mm×945 mm等，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為JB/T 7030—2002 III級(jí)。在95～105℃下，Rp0.2為1 070 MPa～1 210 MPa，沒(méi)有徑向力學(xué)性能要求，而印度公司有該技術(shù)要求，這對(duì)我們是一新的技術(shù)挑戰(zhàn)。我公司對(duì)1Mn18Cr18N 材料做過(guò)大量的材料試驗(yàn)，100℃ 1Mn18Cr18N高溫試驗(yàn)Rp0.2與印度護(hù)環(huán)的常溫性能指標(biāo)Rp0.2基本相當(dāng)，從取樣位置的冷變形強(qiáng)化率計(jì)算與國(guó)內(nèi)基本相同。由于首次為國(guó)外制造600 MW 1Mn18Cr18N護(hù)環(huán)，因此我公司將強(qiáng)化后的護(hù)環(huán)長(zhǎng)度尺寸定為875 mm，也是立足于開(kāi)發(fā)600 MW 1Mn18Cr18N護(hù)環(huán)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)考慮。

2 600 MW護(hù)環(huán)熱鍛工藝研制

汽輪發(fā)電機(jī)護(hù)環(huán)熱鍛工藝編制，必須首先確定滿足力學(xué)性能指標(biāo)要求的冷變形強(qiáng)化率。借助我公司300 MW護(hù)環(huán)制造的技術(shù)平臺(tái)，根據(jù)材料力學(xué)特性，我們先按照滿足其內(nèi)環(huán)切向力學(xué)性能指標(biāo)確定冷變形強(qiáng)化率。以此為基礎(chǔ)，計(jì)算變形強(qiáng)化前護(hù)環(huán)尺寸，然后依此編制出熱鍛工藝。

(1)護(hù)環(huán)熱鍛毛坯鍛件尺寸如圖2所示，鍛件重3 950 kg。

(2)熱鍛工藝方案見(jiàn)表3，采用電渣重熔鋼錠，其尺寸為?700 mm×1 700 mm，在30 MN水壓機(jī)上鍛造。

圖2 護(hù)環(huán)鍛件毛坯尺寸Figure 2 The block size of retaining ring forging

表3 護(hù)環(huán)熱鍛工藝方案Table 3 The forging process plan for retaining ring

(3)實(shí)際變形過(guò)程

1Mn18Cr18N護(hù)環(huán)鋼合金含量高、變形抗力大、裂紋敏感性強(qiáng)，鍛造難度相對(duì)增大。因此確定好變形過(guò)程中各火次的變形工藝參數(shù)對(duì)保證護(hù)環(huán)的內(nèi)部質(zhì)量尤為關(guān)鍵。采用控制鍛造技術(shù)，利用小設(shè)備干大活，規(guī)定了每一火次變形溫度、加熱時(shí)間、送進(jìn)量、壓下量等工藝參數(shù)，有效地保證了護(hù)環(huán)熱鍛毛坯的內(nèi)部質(zhì)量，為以下的制造工序打下良好的基礎(chǔ)。

3 護(hù)環(huán)固溶處理

護(hù)環(huán)固溶處理的主要目的是提高護(hù)環(huán)材料奧氏體組織均勻性及穩(wěn)定性，防止碳化物析出，提高材料冷變形強(qiáng)化的性能。

600 MW 1Mn18Cr18N護(hù)環(huán)截面尺寸大，高度高，為保證固溶處理效果，勢(shì)必要增加保溫時(shí)間，而保溫時(shí)間的增加，會(huì)造成奧氏體鋼晶粒粗大，影響強(qiáng)化后的護(hù)環(huán)斜探頭橫波探傷效果，甚至?xí)驗(yàn)榇志Рǜ叱^(guò)橫波探傷要求標(biāo)準(zhǔn)線高度而導(dǎo)致護(hù)環(huán)報(bào)廢。參考國(guó)內(nèi)外有關(guān)文獻(xiàn)，經(jīng)過(guò)大量的模擬試驗(yàn)，同時(shí)根據(jù)我公司熱鍛護(hù)環(huán)毛坯的工藝特點(diǎn)，確定了適合我公司600 MW 1Mn18Cr18N護(hù)環(huán)材料的固溶處理工藝。固溶處理工藝曲線如圖3所示。

圖3 固溶處理工藝曲線Figure 3 The solution treatment curve

高溫裝爐時(shí)的爐溫溫度在900℃以上。固溶處理后的護(hù)環(huán)進(jìn)行冷變形強(qiáng)化前加工，超聲波初探結(jié)果顯示，底波反射次數(shù)較多，說(shuō)明固溶處理效果良好。

4 600 MW護(hù)環(huán)外補(bǔ)液液壓脹形強(qiáng)化

對(duì)1Mn18Cr18N護(hù)環(huán)進(jìn)行冷變形強(qiáng)化，主要包括兩方面內(nèi)容：一是要達(dá)到護(hù)環(huán)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的力學(xué)性能指標(biāo)；二是要保證護(hù)環(huán)液壓脹形后達(dá)到工藝尺寸要求。

目前國(guó)內(nèi)外公認(rèn)的最佳護(hù)環(huán)冷變形強(qiáng)化方法為液壓脹形強(qiáng)化法，我公司目前采用的是國(guó)際先進(jìn)的以外補(bǔ)液液壓脹形強(qiáng)化護(hù)環(huán)為原理的護(hù)環(huán)壓機(jī)進(jìn)行強(qiáng)化護(hù)環(huán)，如圖4所示。

其基本原理是外設(shè)超高壓泵將超高壓水打入護(hù)環(huán)與模具組成的封閉腔內(nèi)，再通過(guò)低壓系統(tǒng)調(diào)解，使護(hù)環(huán)在高壓液體和模具的共同作用下發(fā)生塑性變形，通過(guò)材料的冷作硬化達(dá)到提高奧氏體護(hù)環(huán)鋼強(qiáng)度的目的。

為保證護(hù)環(huán)強(qiáng)化后力學(xué)性能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，我們?cè)趦杉倘芴幚砗蟮淖o(hù)環(huán)上切取試樣，做材料的力學(xué)性能試驗(yàn)。根據(jù)實(shí)際情況，確定保證達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求的冷變形強(qiáng)化率，最終確定護(hù)環(huán)液壓脹形前尺寸，從而使強(qiáng)化后護(hù)環(huán)的綜合性能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖4 護(hù)環(huán)液壓脹形示意圖Figure 4 The diagrammatic drawing of hydraulic expanding for retaining ring

為保證護(hù)環(huán)液壓脹形后的尺寸達(dá)到工藝尺寸，我們確定了用來(lái)強(qiáng)化600 MW護(hù)環(huán)的多套模具上的冷變形強(qiáng)化量，設(shè)計(jì)并制造600 MW最大減力比外補(bǔ)液液壓脹形模具；為降低護(hù)環(huán)成形的超高壓液體壓力，我們采用溫脹強(qiáng)化護(hù)環(huán)技術(shù)；為保證強(qiáng)化后的護(hù)環(huán)不出現(xiàn)母線凹形，確定了保證護(hù)環(huán)成形質(zhì)量的低壓系統(tǒng)壓力與護(hù)環(huán)塑性變形時(shí)所需超高壓液體過(guò)程匹配值。

檢測(cè)結(jié)果表明，液壓強(qiáng)化后護(hù)環(huán)尺寸達(dá)到了工藝要求的公差范圍(mm)：(?1 252±3)×(?1 049±3)×(875±5)。

5 護(hù)環(huán)脹形后消除應(yīng)力熱處理

護(hù)環(huán)在冷變形強(qiáng)化后要進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理以穩(wěn)定組織，消除殘余應(yīng)力。具體的工藝曲線如圖5所示。

圖5 消除應(yīng)力熱處理曲線Figure 5 The stress-relief heat treatment curve

6 護(hù)環(huán)檢驗(yàn)結(jié)果

(1)爐次D702281和爐次D703011兩件護(hù)環(huán)的力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表4。

由表4可見(jiàn)，D702281的K3切向內(nèi)環(huán)、F6切向內(nèi)環(huán)的屈服強(qiáng)度略超標(biāo)準(zhǔn)上限，由于綜合性能指標(biāo)優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)要求，印方同意屈服強(qiáng)度超上限指標(biāo)值。

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

表5 金相檢驗(yàn)結(jié)果Table 5 The results of metallographic test

(2)金相組織檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表5。

(3)超聲波探傷結(jié)果：按照ASTM A531超聲波探傷標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行橫波、縱波超聲波探傷，未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷，縱波探傷未發(fā)現(xiàn)當(dāng)量直徑大于1.6 mm的缺陷。

(4)磁導(dǎo)率檢測(cè)結(jié)果：按照ASTM A342標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)，均符合(HW19364)技術(shù)協(xié)議要求，兩件護(hù)環(huán)磁導(dǎo)率檢測(cè)結(jié)果均低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定一個(gè)數(shù)量級(jí)。

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