供稿|肖洋 / XIAO Yang

內(nèi)容導讀

通過對C422鋼種特性研究，制定相應的加熱、軋制以及熱處理工藝，確認800半連軋生產(chǎn)線具備3 t C422 電渣錠軋制生產(chǎn)的可行性，闡述了汽輪機葉片鋼C422采用3t電渣錠軋制的工藝開發(fā)過程。從而實現(xiàn)了以軋代鍛，不僅可以提高生產(chǎn)效能，降低制造成本，而且產(chǎn)品表面質(zhì)量得到了改善，各項性能指標良好。

C422鋼作為美國材料標準(ASTM)中高溫葉片的代表鋼種之一，是當今廣泛應用的超臨界汽輪機組高溫葉片材料，因其工作條件復雜、工作環(huán)境惡劣，質(zhì)量要求相應較高。20世紀90年代之前，汽輪機葉片鋼一直是本鋼特鋼廠的拳頭產(chǎn)品，如：1Cr13、2Cr13、1Cr12Mo、2Cr12NiMo1W1V(C422)、1Cr11MoV、17-4PH等。但是2000年以后，隨著汽輪機行業(yè)的蕭條，葉片鋼合同量也隨之減少。而特鋼廠軋制生產(chǎn)線也開始設備轉(zhuǎn)型，由鍛造開坯多火成材的高能耗高成本多產(chǎn)線，改制成800半連軋線機組。800產(chǎn)線改造的完成為低成本低能耗生產(chǎn)高附加值葉片鋼的軋制開坯奠定了基礎。本鋼特鋼廠采用800半連軋線機組成功試生產(chǎn)汽輪機葉片鋼C422，為產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整，降低制造成本，挖掘企業(yè)新的利潤增長點，增強企業(yè)生存能力創(chuàng)造條件。

生產(chǎn)工藝

生產(chǎn) 工藝流程

電極棒冶煉→電渣重熔成3 t電渣圓錠→鋼錠退火→均熱爐加熱→800初軋機軋制開坯→緩冷→鋼坯退火→鋼坯表面清理→加熱爐加熱(二火成材)→軋制→緩冷→軋材退火→矯直→磨光→包裝。

冶煉 工藝

C422為馬氏體型不銹鋼，合金含量高、裂紋敏感性大，對非金屬夾雜物、δ-鐵素體含量都有嚴格要求，冶煉過程中加強氧化操作，嚴格控制出鋼碳含量，禁止鋼水過氧化。δ-鐵素體是一種富鎢、鉬、鉻和釩，且貧錳相，在室溫下有磁性，脆而硬，其能增加鋼的缺口敏感性，顯著地降低鋼的沖擊韌性，降低基體抗腐蝕性，并消弱固溶強化的效果。因此將δ-鐵素體形成元素按照成分下限冶煉，錳和鎳按照上限控制，以抑制δ-鐵素體析出，從而獲得完全的馬氏體組織以及良好的綜合力學性能。表1為C422的化學成分控制。

加熱 工藝

制定加熱工藝時，既要考慮鋼錠的導熱性能和過熱敏感溫度區(qū)，又要滿足軋制的必要條件。C422鋼在熱加工中可能會由于加熱溫度過高而出現(xiàn)高溫δ-鐵素體，以及熱加工后冷卻過程中可能出現(xiàn)開裂等現(xiàn)象。因此，加熱溫度不能過高以防止出現(xiàn)高溫δ-鐵素體，通過低溫進爐，緩慢加熱的辦法來克服和解決鋼錠在加熱過程中的加熱應力和轉(zhuǎn)變應力產(chǎn)生的缺陷，采用比鍛造溫度略高的均熱溫度來滿足軋制條件。

表1 C422化學成分(質(zhì)量分數(shù))%

3 t電渣錠采用換熱式均熱爐加熱，爐內(nèi)提前備溫，爐溫控制在400℃左右，使電渣錠實際溫度與爐內(nèi)溫度一致后按加熱工藝執(zhí)行。由于鋼錠在爐內(nèi)是斜靠爐墻，通過蓋與墻的輻射受熱，會出現(xiàn)鋼錠受熱不均，可能導致鋼錠加熱時不均勻延伸，而在鋼錠熱輻射陰面產(chǎn)生縱向拉應力，因此，在高溫段增加電渣錠翻面均熱操作。

嚴格控制低溫加熱速度，保證鋼錠緩慢升溫，預熱溫度850±20℃，加熱最高溫度1220±20℃，高溫段保溫2～3h保證透燒，透燒后立即組織出爐，嚴禁在高溫區(qū)停留時間過長。加熱工藝曲線如圖1所示。

圖1 加熱工藝

開坯 工藝

C422鋼屬于馬氏體不銹鋼，具有合金含量高、變形抗力大、導熱系數(shù)小、冷熱裂紋敏感性大的特點。應用戶要求，同時考慮到初軋生產(chǎn)效率，以3 t C422電渣錠為原料二火成材生產(chǎn)。在軋制過程中關(guān)掉高壓水除鱗，以及全部冷卻水，防止冷卻水造成軋坯邊角部降溫快而出現(xiàn)黑鋼及角裂。考慮C422鋼錠的高溫變形抗力大、塑性區(qū)間窄等因素，采用小壓下量、多道次的軋制方法進行軋制，壓下量≤25mm，編制初軋機壓下規(guī)程，校驗確認800初軋機具備3 t C422鋼錠的生產(chǎn)能力。軋制孔型采用800初軋機的通用開坯孔型240×240方坯。

軋制 能力校核

改造后的800產(chǎn)線是由φ800mm初軋開坯機和平立交替連軋生產(chǎn)線組成的半連軋機組，其中保留了原有的φ650 mm四架軋機。因C422鋼高溫強度大，加工難度大，在軋制過程中，為防止溫降過快，關(guān)掉所有的冷卻水，加快軋制速度，以保證成品表面質(zhì)量，同時注意控制軋制壓下量，防止變形抗力過大造成軋輥斷裂事故。

根據(jù)熱軋壓力計算公式，計算C422鋼平均軋制壓力，選取φ650mm四架軋機中變形量最大的H4作為校核對象，軋制溫度取1000℃。C422中C質(zhì)量分數(shù)0.20%～0.25%，取0.22%，Mn質(zhì)量分數(shù) 0.50%～1.00%，取0.80%；Cr質(zhì)量分數(shù)11.00%～12.50%，取11.50%，則靜載時的變形抗力為118.6 MPa，黏性系數(shù)η=0.5 N·s/mm2。通過計算平均壓下量、軋輥軋槽半徑、軋輥轉(zhuǎn)數(shù)以及軋制速度等數(shù)據(jù)，可以得出單位軋制壓力為158.3 MPa，則軋制壓力為P=5401 kN。

對軋輥強度和機架強度進行校核，從而判斷軋機能力是否能夠滿足大變形抗力鋼種的生產(chǎn)要求。根據(jù)軋制壓力對軋制力矩、附加摩擦力矩以及空轉(zhuǎn)力矩進行計算的結(jié)果“老四架”650軋機電機功率，能夠達到軋制力要求。同理，對連軋480軋機與576軋機進行軋制能力校核，各電機功率均能達到軋制力要求的功率，因此C422滿足試生產(chǎn)條件。

熱處 理工藝

為了防止中間坯以及成品因應力開裂，將中間坯入緩冷坑進行緩慢冷卻，以充分消除軋制過程的變形應力。C422冷卻組織為馬氏體，其組織轉(zhuǎn)變開裂傾向比較嚴重，因此緩冷后鋼材應及時進行高溫回火或退火處理，以去除組織應力，防止產(chǎn)生裂紋。

C422屬于馬氏體不銹鋼，能在空氣中淬硬，其退火制度如果選擇不當，便會產(chǎn)生裂紋。初軋開坯得到的中間坯，下一道工序需要再次加熱，退火的目的是消除加工變形應力和組織轉(zhuǎn)變應力所產(chǎn)生的缺陷。成品緩冷后，為去除內(nèi)應力，便于后續(xù)的表面機械加工處理，以及達到用戶需要的硬度值，還需經(jīng)退火處理來降低硬度。

由于C422中合金成分Cr含量超出5%，采用適合不銹鋼臨界點的公式計算Ac3和Ac1溫度。根據(jù)GB/T8732—2004 “汽輪機葉片用鋼”標準化學成分(見表1)，計算得出臨界點Ac3約為820℃，Ac1約為770℃。采用完全的退火方式，退火溫度860±10℃。退火工藝曲線為圖2所示。

圖2 退火工藝

產(chǎn)品質(zhì)量

化學 成分

為保證高溫葉片材料的使用壽命，采用電渣重熔冶煉C422，以得到純凈度更高，成分以及組織均勻，結(jié)構(gòu)致密，成品硫含量控制在0.001%左右，磷含量控制在0.01%左右，有害殘余元素銅控制在0.03%以下，達到了進口C422鋼材控制水平，同時，為減少δ-鐵素體含量，將其形成元素按照下限控制冶煉?；瘜W成分滿足表1內(nèi)控要求。

非金 屬夾雜物

對于汽輪機葉片鋼的生產(chǎn)和使用，非金屬夾雜物是評價其質(zhì)量高低的一個重要指標，影響其抗腐蝕性。有效的控制鋼中夾雜物等級，提高電渣錠質(zhì)量，對開發(fā)高附加值產(chǎn)品起到重大作用。C422夾雜物主要是硫化物和氧化物，硫化物以MnS為主，氧化物以Al2O3為主，控制鋼種的硫和氧含量是控制C422夾雜物的有效途徑。電渣重熔冶煉的C422非金屬夾雜物檢驗結(jié)果見表2。

表2 非金屬夾雜物檢驗結(jié)果

δ- 鐵素體

由于汽輪機葉片是汽輪機的核心部件，因此汽輪機葉片用鋼的技術(shù)要求很高，不僅要求冶煉鋼的純凈度高，鋼中各類夾雜物含量控制在比較低的水平，還要求鋼材最終的組織得到比較精確的控制，嚴格控制組織中的δ-鐵素體含量，以保證葉片制造后能夠滿足技術(shù)要求。C422鋼軋制成品顯微組織中δ-鐵素體含量最嚴重視場不超過8%(標準10%)，一般能控制在5%左右。圖3為顯微組織中δ-鐵素體最嚴重視場形貌情況。

圖3 C422軋制成品顯微組織形貌(δ-鐵素體)

結(jié)束語

1) 汽輪機葉片鋼C422軋制生產(chǎn)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鍛造工藝，通過合理的生產(chǎn)工藝制度的制定，鋼材獲得了均勻的徑向尺寸以及良好的表面質(zhì)量，成材率也提高約3%左右，生產(chǎn)成本降低約800元/t，生產(chǎn)周期縮短2～5d。

2) 通過對C422鋼的冶煉成分控制以及加熱工藝參數(shù)嚴格控制，成品δ-鐵素體控制在5%范圍內(nèi)。

3) C422成功軋制生產(chǎn)，產(chǎn)品質(zhì)量均達到設計目標要求，為產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整，降低制造成本，挖掘企業(yè)新的利潤增長點，增強企業(yè)生存能力創(chuàng)造條件。

[1] 王廷溥，齊克敏. 金屬塑性加工學：軋制理論與工藝. 北京：冶金工業(yè)出版社，2005

[2] 崔忠忻. 金屬學與熱處理. 北京：機械工業(yè)出版社，1992

[3] 周怡謀. 型鋼生產(chǎn)中軋制壓力模型的研究. 金屬材料與冶金工程.2000(04)：10