□ 李翠萍1 □ 徐銀浩

1.上海電氣上重鑄鍛有限公司 上海 200245 2.國核工程有限公司 上海 200233

1 研究背景

目前,我國火電機(jī)組主要為燃煤發(fā)電機(jī)組,存在污染嚴(yán)重、供電煤耗高的問題。燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組是將燃?xì)廨啓C(jī)和蒸汽輪機(jī)這兩種不同熱力循環(huán)工作的熱機(jī)聯(lián)合在一起的發(fā)電機(jī)組,簡稱聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組[1]。聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組不僅具有降低二氧化碳、粉塵等污染物排放,減少水資源消耗,運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn),而且具有較高的熱效率,對我國實(shí)現(xiàn)綠色低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式而言具有戰(zhàn)略意義[2-4]。

聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組的工作溫度與超臨界機(jī)組的工作溫度相當(dāng),為566 ℃。聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組高中壓轉(zhuǎn)子材料的化學(xué)成分與工作溫度為538 ℃的亞臨界機(jī)組高中壓轉(zhuǎn)子材料30Cr1Mo1V鋼相近,但其性能要求更高[2],目前,聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組高中壓轉(zhuǎn)子主要依賴進(jìn)口。為實(shí)現(xiàn)鍛件國產(chǎn)化,降低生產(chǎn)成本,迫切需要在聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組高中壓轉(zhuǎn)子材料的研制方面取得突破。

2 試驗(yàn)方法

2.1 材料化學(xué)成分

目前,眾多廠家對聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組高中壓轉(zhuǎn)子材料均有一定的研究。在普通30Cr1Mo1V鋼的基礎(chǔ)上,降低硫、磷、硅、錳、砷、錫、銻、鋁等元素的含量,以提高材料的高溫性能、塑性和韌性。由于錳會(huì)降低高溫持久強(qiáng)度,并且會(huì)與硅元素共同促使磷及其它有害元素向原奧氏體晶界偏析,導(dǎo)致晶界內(nèi)聚力減小,提高回火脆性[5],因此,需將錳含量的上限由1.00%降低至0.80%。優(yōu)化后的國產(chǎn)材料牌號(hào)被定為30Cr1Mo1V-B2,試樣用30Cr1Mo1V-B2鋼的化學(xué)成分檢測結(jié)果見表1。

表1 30Cr1Mo1V-B2鋼化學(xué)成分檢測結(jié)果

2.2 冶煉方式

30Cr1Mo1V-B2鋼錠采用電爐冶煉、鋼包精煉、真空碳脫氧的方式進(jìn)行冶煉,利用真空狀態(tài)下的碳氧反應(yīng),減少進(jìn)入鋼水的脫氧產(chǎn)物,提高鋼水的純凈度。

2.3 鍛壓方式

利用16 500 t油壓機(jī)對30Cr1Mo1V-B2鋼錠采用寬砧強(qiáng)力壓下鍛造法進(jìn)行鍛壓。經(jīng)過兩次鐓粗拔長,保證心部組織被有效壓實(shí),組織均勻[6-7]。材料的超聲探傷指標(biāo)滿足要求。

2.4 預(yù)備熱處理

30Cr1Mo1V-B2鋼在鍛造后進(jìn)行預(yù)備熱處理。采用一次高溫加熱、兩次過冷加一次回火的熱處理方式,使氫元素盡可能地?cái)U(kuò)散出去,防止白點(diǎn)產(chǎn)生,并確保鉻、鉬、釩等合金元素充分熔解,提高化學(xué)成分的均勻性。鍛后進(jìn)行熱處理加熱時(shí),適當(dāng)提高升溫速度,能夠起到細(xì)化晶粒的作用[8],為超聲探傷和最終熱處理創(chuàng)造良好的內(nèi)部組織條件。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 加熱速度及高溫保溫時(shí)間對晶粒度的影響

對編號(hào)分別為JL1、JL2、JL3,規(guī)格為30 mm×30 mm×30 mm的三塊試料進(jìn)行熱處理,熱處理工藝及晶粒度見表2。

由表2可以看出,試樣JL1與JL2相比,JL2的晶粒比JL1粗,這是因?yàn)榧訜崴俣仍娇?過熱度越大,奧氏體實(shí)際形成的溫度越高,形核率越大,晶粒越細(xì)小。試樣JL1與JL3相比,JL3的晶粒相對較細(xì),這是因?yàn)閵W氏體晶粒長大與原子擴(kuò)散有密切關(guān)系,在高溫階段停留時(shí)間越短,晶粒越細(xì)[9]。

表2 試樣熱處理及晶粒度

從整體來看,上述熱處理工藝對材料晶粒度的影響并不大,三塊試樣的晶粒都相對較粗。較粗的晶粒對塑性和抗沖擊韌性不利,但能提高材料高溫蠕變強(qiáng)度和持久強(qiáng)度[10],這對在高溫狀態(tài)下使用的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組高中壓轉(zhuǎn)子而言是有利的。

3.2 回火溫度對力學(xué)性能的影響

為了模擬轉(zhuǎn)子鍛件的實(shí)際生產(chǎn)情況,將試樣與轉(zhuǎn)子鍛件產(chǎn)品同爐加熱,進(jìn)行淬火處理,工藝如圖1所示。

圖1 試樣淬火工藝

淬火處理后,將試樣分為L1、L2、L3、L4四塊規(guī)格為30 mm×100 mm×120 mm的小試樣進(jìn)行回火試驗(yàn)。回火溫度依次為665 ℃、670 ℃、675 ℃、680 ℃,保溫時(shí)間為24 h?；鼗鸷髮⑿≡嚇蛹庸こ蓸?biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行力學(xué)性能檢測,檢測結(jié)果如表3、圖2、圖3所示。

表3 試樣回火后力學(xué)性能

圖2 回火溫度對試樣強(qiáng)度影響曲線

圖3 回火溫度對試樣沖擊功影響曲線

由表3和圖2可以看出,隨著回火溫度的升高,試樣的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均逐漸降低,其中抗拉強(qiáng)度由808 MPa降低至737 MPa,屈服強(qiáng)度由675 MPa降低到597 MPa。由表3和圖3可以看出,試樣的沖擊功隨回火溫度的升高先增大后減小,在675 ℃回火時(shí),沖擊功最大值為22 J。目前,國內(nèi)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組高中壓轉(zhuǎn)子鍛件常溫性能要求屈服強(qiáng)度不低于600 MPa,抗拉強(qiáng)度為760～860 MPa,伸長率不小于14%,斷面收縮率不小于38%,室溫沖擊功不小于8 J。可見,試樣L1的強(qiáng)度等指標(biāo)滿足要求,但抗沖擊性能不足;試樣L3的抗沖擊性能最強(qiáng),但屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度略顯不足;試樣L4的抗沖擊性能及塑性滿足要求,但強(qiáng)度不足;只有試樣L2的各項(xiàng)性能均滿足要求。

3.3 冷卻方式對力學(xué)性能的影響

根據(jù)上述分析結(jié)果,筆者制訂了熱處理工藝,如圖4所示。

圖4 熱處理工藝

試樣對應(yīng)的熱處理工藝?yán)鋮s方式分為六種,試樣C1為水冷,試樣C2為油冷,試樣C3為強(qiáng)烈噴風(fēng),試樣C4為空氣冷卻,試樣C5為平均每小時(shí)降低150 ℃冷卻,試樣C6為平均每小時(shí)降低80 ℃冷卻。試樣大小為30 mm×100 mm×120 mm,經(jīng)過熱處理后,進(jìn)行性能檢測,檢測結(jié)果如表4、圖5、圖6所示。冷卻后的各試樣放大1 000倍金相組織如圖7所示。

表4 試樣冷卻后力學(xué)性能

由表4和圖5可以看出,試樣C4、C5、C6的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度稍高于C1、C2、C3,而試樣C1、C2、C3的塑性稍高。由表4和圖6可以看出,試樣C1、C2、C3的沖擊功為176～154 J,優(yōu)于試樣C4、C5、C6。試樣C6的沖擊功只有7 J,不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。由圖7可以看出,試樣C1、C2、C3組織為索氏體回火組織,試樣C4、C5、C6為貝氏體回火組織。

圖5 冷卻方式對試樣強(qiáng)度影響曲線

圖6 冷卻方式對試樣沖擊功影響曲線

試樣C4、C5、C6組織中,鐵素體和碳化物顆粒較粗大,碳化物呈短桿狀分布在鐵素體板條之間,鐵素體和碳化物分布具有明顯的方向性。這種組織狀態(tài)使鐵素體條間易產(chǎn)生脆斷,鐵素體本身也有可能成為裂紋擴(kuò)展的路徑,其抗沖擊韌性顯著降低[11]。

4 結(jié)論

對于聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組高中壓轉(zhuǎn)子材料30Cr1Mo1V-B2鋼,通過升溫至950 ℃,保溫1 h的熱處理工藝,獲得的晶粒度最細(xì),為4.5～5級。從總體來看,三種研究的熱處理工藝對材料晶粒度的影響并不大,三塊試樣的晶粒都相對較粗。

試樣高溫加熱與大鍛件同爐生產(chǎn),通過950 ℃保溫并強(qiáng)烈噴風(fēng)加670 ℃回火處理后,各項(xiàng)力學(xué)性能均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,采用950 ℃保溫加不同冷卻方式加670 ℃回火的方式對試樣進(jìn)行處理,試樣采用水冷、油冷、強(qiáng)烈噴風(fēng)這三種激烈冷卻方式獲得的抗沖擊韌性明顯優(yōu)于采用空氣冷卻、平均每小時(shí)降低150 ℃、平均每小時(shí)降低80 ℃這三種相對緩和的冷卻方式,試樣達(dá)到的最大沖擊功為176 J。