張金珠 張海峰

(天津重型裝備工程研究有限公司，天津300457)

ASTM A668E超長空心水輪機軸鍛件研制

張金珠 張海峰

(天津重型裝備工程研究有限公司，天津300457)

通過優(yōu)化ASTM A668E材料的化學(xué)成分，合理添加合金元素，僅經(jīng)過鍛后熱處理，成功制造出超長大直徑空心水輪機軸鍛件，極大地縮短生產(chǎn)周期，降低制造成本。

水輪機軸；鍛件；成分優(yōu)化；鍛后熱處理

1 訂貨規(guī)格及技術(shù)要求

1.1 規(guī)格及粗加工尺寸

某廠訂購的水輪機軸鍛件交貨尺寸為?2 580 mm(?900 mm內(nèi)孔)×9 342 mm，按照我廠的設(shè)計方案，其粗加工尺寸為?2 650 mm(?720 mm內(nèi)孔)×9 935 mm，重量約149 t。水輪機軸鍛件毛坯尺寸見圖1。

圖 1 水輪機軸鍛件毛坯圖Figure 1 The blank drawing of hydraulic turbine shaft forgings

1.2 技術(shù)要求

按照用戶提供標準要求，該鍛件的化學(xué)成分、硬度及力學(xué)性能等指標見表1。該鍛件的整體強韌性要求較高，以目前的制造水平來看，生產(chǎn)具有相當大的難度。

表 1 水輪機軸用材驗收指標Table 1 The acceptance criteria of material used for hydraulic turbine shaft

2 技術(shù)難點及解決措施

2.1 制造難點

按照制造大綱要求，該水輪機軸的生產(chǎn)流程為：煉鋼→鑄錠→鍛造→鍛后熱處理→粗加工→無損檢測→調(diào)質(zhì)→精加工等。但由于該鍛件規(guī)格的特殊性，導(dǎo)致在實際生產(chǎn)中存在諸多難點，其中熱處理方面的最大難點是調(diào)質(zhì)，其主要原因是該水輪機軸的整體強韌性要求較高，按照現(xiàn)有的同類產(chǎn)品制造經(jīng)驗，必須通過調(diào)質(zhì)才能達到相應(yīng)指標[1]。

根據(jù)我廠設(shè)備情況，對此空心鍛件在調(diào)質(zhì)過程中存在的主要問題為：(1)若采用穿銷孔立式吊裝，由于蠕變問題可能導(dǎo)致材料強度不足；(2)若采用大法蘭吊卡頭立式吊裝，則需增加鍛件長度，會增加鍛造難度；(3)若采用“臥式加熱+臥式噴霧”方式進行熱處理，則法蘭端仍需增加吊裝尺寸，也會增加鍛造難度，同時也存在材料浪費等問題。

表2 前期同類產(chǎn)品制造情況Table 2 The manufacture circumstance of previous similar products

2.2 解決措施

針對該水輪機軸在調(diào)質(zhì)過程中存在的難點，技術(shù)人員嘗試取消調(diào)質(zhì)熱處理，優(yōu)化鋼種成分，僅通過鍛后熱處理實現(xiàn)整體強韌性要求，這樣可省去一道工序，極大地降低制造成本。

表2為我公司同類產(chǎn)品前期生產(chǎn)情況，分析表中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)：

(1)對于材質(zhì)①(Ceq=0.48)，熱處理采用“空冷+噴霧+回火”的方式進行，盡管沖擊韌性值較高，但強度較低，仍需通過調(diào)質(zhì)返修方能使其強度提高至目標要求，因此該材質(zhì)無法僅通過鍛后熱處理生產(chǎn)水輪機軸，還需進行調(diào)質(zhì)。

(2)材質(zhì)②通過增加C、Mo及V的含量來提高碳當量(Ceq=0.61)，鍛后熱處理(兩次正火+回火)可使其強度達到較高的水平，但沖擊韌性極低，即使返修提高回火溫度，韌性指標仍無法滿足要求，因此該材質(zhì)也不適用于水輪機軸的生產(chǎn)。

(3)利用材質(zhì)③生產(chǎn)，鍛后熱處理時鼓風(fēng)冷卻使鍛件整體強韌性達到較好的水平，但強度值仍有一定差距；在此材質(zhì)基礎(chǔ)上，適當添加Ni、Mo、V含量提高碳當量至0.58(材質(zhì)④)，鍛后熱處理時空冷即可獲得較高的強韌性，按此指標基本可用于水輪機軸的生產(chǎn)。

綜上所述，可參考材質(zhì)④制定超長大直徑空心水輪機軸的化學(xué)成分，但考慮到目標鍛件規(guī)格較大，還需適當提高鍛件的性能富余量以充分保證其整體性能。在材質(zhì)④的基礎(chǔ)上進一步優(yōu)化成分，提高Cr、Ni含量，控制碳當量在0.58～0.6，水輪機軸優(yōu)化后的化學(xué)成分見表3。

表3 水輪機軸優(yōu)化后的化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)，%)Table 3 The optimized chemical composition of hydraulic turbine shaft (mass fraction, %)

3 制造流程

3.1 煉鋼工藝

根據(jù)制造大綱要求，煉鋼采用VD+VT的工藝方式，鋼錠重272 t，具體工藝流程為：電爐粗煉鋼水→LF精煉爐→升溫→合金化→精煉爐真空(VD)→微調(diào)成分→真空澆注(VT)→熱送。

檢測鋼液的化學(xué)成分，見表4。

3.2 鍛造工藝

水輪機軸鍛件重148.89 t，錠身利用率54.7%。鍛造過程分四火完成，錠身下料后，用帶孔上球面墩粗板墩粗，沖孔之后芯棒拔長。由于

表4 水輪機軸用鋼錠化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)，%)Table 4 Chemical composition of ingot used for hydraulic turbine shaft (mass fraction, %)

現(xiàn)有芯棒長度限制，采用分段拔長，先拔長水口端凹檔，后拔出冒口端凹檔，精整出成品。

鍛件法蘭端外徑?2 650 mm，內(nèi)孔尺寸為?720 mm，對于這種小孔、大直徑的軸類件，在鍛造成形過程中普遍會出現(xiàn)凹心現(xiàn)象；其次，法蘭端占用坯料過多，極易導(dǎo)致鍛件總長度不足的問題[2]；另外，該鍛件毛坯的內(nèi)孔長度達9 935 mm，而我廠的芯棒長度最大僅8 000 mm，故利用現(xiàn)有輔具無法完成該水輪機軸鍛件的鍛造。

為解決上述生產(chǎn)技術(shù)難題，避免增加輔具投入，從而降低產(chǎn)品制造成本，我們通過工藝創(chuàng)新及輔具改造成功實現(xiàn)了大型水輪機主軸的整體鍛造。主要改造方法包括：(1)使用球面鐓粗板鐓粗及大砧寬比拔長的方法，可以有效緩解沖孔凹心，解決端部占料問題；(2)設(shè)計芯棒給排水加長管，改造了芯棒冷卻系統(tǒng)，解決超長件芯棒拔長排水問題；(3)利用現(xiàn)有芯棒輔具，設(shè)計采用先尾端(水口端)后前端(冒口端)的倒拔式鍛造方式，實現(xiàn)超長空心水輪機主軸的整體鍛造。

3.3 熱處理工藝

為調(diào)整和改善鍛件在鍛造過程中形成的過熱和粗大不均勻組織，降低鍛件內(nèi)部化學(xué)成分與金相組織的不均勻性，細化材料的奧氏體晶粒，提高鍛件的超聲檢測性能，消除草狀波[1]，最終使鍛件達到驗收標準規(guī)定的力學(xué)性能要求，鍛后熱處理采用“兩次正火+回火”的方式。鍛后熱處理工藝曲線如圖2所示。

圖2 水輪機軸鍛后熱處理工藝曲線Figure 2 The curve of heat treatment after forging of hydraulic turbine shaft

4 結(jié)果分析

粗加工時分別在該水輪機軸的水、冒口兩端取樣，每端均對稱180°取切向和軸向試樣進行力學(xué)性能檢驗，且水、冒口取樣位置互成90°。取樣檢測結(jié)果見表5。

表5 水輪機軸性能檢測結(jié)果Table 5 The tested results of mechanical property of hydraulic turbine shaft

通過對四個取樣位置進行“一拉三沖”的檢測結(jié)果，可見該水輪機軸的各項性能指標均較好地滿足用戶要求，鍛件整體強韌性達到較高水平。

5 結(jié)論

通過對超大直徑空心水輪機軸的研制，得出以下結(jié)論：

適當優(yōu)化鋼種化學(xué)成分，僅通過鍛后熱處理使鍛件整體強韌性達到較高水平，鍛后熱處理采用“兩次正火+回火”方式，可有效改善鍛件組織整體均勻性，產(chǎn)品性能滿足用戶要求，并且縮短工藝周期，較好地實現(xiàn)了降本增效的目的。

[1] 王維寧. 正火(淬火)溫度及回火溫度對ASTM A668 CL.E鋼性能的影響[J]. 大型鑄鍛件, 2014(4).

[2] 董嵐楓，鐘約先，馬慶賢，等.大型水輪機主軸鍛造過程裂紋缺陷的預(yù)防[J].清華大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2008,48(5).

編輯 杜 敏

Development of ASTM A668E Super-long Hollow Shaft Forgings for Hydraulic Turbine

Zhang Jinzhu, Zhang Haifeng

By optimizing the chemical composition of ASTM A668E material and adding the alloying elements appropriately, the super-long hollow shaft forgings with large diameter for hydraulic turbine has been manufactured successfully only via heat treatment after forging, which shorten the production period and reduce the manufacturing costs greatly.

hydraulic turbine shaft; forgings; composition optimization; heat treatment after forging

2016—08—12

張金珠(1986—)，碩士，工程師，從事大型鑄鍛件電站產(chǎn)品熱處理方面的工作。

TG156

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