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)化煤電結構,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[1-2]。

發(fā)電機轉軸是發(fā)電機組設備中的關鍵大型零部件,在發(fā)電機高速旋轉時,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,綜合工況復雜,因此,要求發(fā)電機轉軸鍛件要有高的強度和塑形、優(yōu)越的韌性、低的脆性轉變溫度及良好的導磁性[3]。其制造過程涉及冶煉鑄錠、鍛造和熱處理等熱加工關鍵工序,同時為提高產品競爭力,降低制造成本,轉軸的選材由傳統(tǒng)的30(25)Cr2Ni4MoV、Ni3.5CrMoV、Ni3.5MoV、Ni2.8CrMoV和Ni2CrMoV等轉變?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[4]。關于25CrNi1MoV材質的發(fā)電機轉軸鍛件,國內已有相關方面的研究。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轉子鍛件,計算了轉子本體截面受力情況,對試制后的轉子進行力學性能試驗,結果表明,轉子各位置的化學成分和力學性能均滿足技術要求,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)電機轉子進行了試制,并對轉子進行力學性能檢驗,結果表明,各項指標滿足技術要求,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轉軸鍛件進行了試制,該轉子的尺寸規(guī)格?1035 mm×9200 mm與前期我公司試制的80 MW轉軸轉身截面?1047 mm基本相當,但屈服強度等級為Rp0.2≥590 MPa高于80 MW轉軸要求,同時隨著容量和性能等級的提高,制造難度也增大。結合我公司工藝設備能力和同類型轉軸制造經驗,對該轉軸制定了合理的熱加工工藝,經過生產試制,理化檢驗結果完全滿足技術要求,驗證了制造工藝的可行性,具備批量生產能力。

1 轉軸技術要求

1.1 轉軸材質化學成分

25CrNi1MoV鋼轉軸技術要求的化學成分見表1。

表1 25CrNi1MoV鋼的化學成分(質量分數(shù),%)Table 1 Chemical composition of 25CrNi1MoV steel (mass fraction, %)

1.2 轉軸試料位置及力學性能

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

圖1 試樣圖Figure 1 Sampling drawing

表2 力學性能要求Table 2 Mechanical properties requirements

(1)在轉軸勵端軸身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,做一組殘余應力試驗。

(2)在轉軸汽端軸頭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,軸身本體不應超過70 MPa,整個轉軸不允許超過100 MPa。

1.3 轉軸超聲檢測要求

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

1.4 轉軸制造難點分析

該項目100 MW轉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控,設計好內控化學成分,控制好鋼水內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。對整個生產試制過程,進行嚴格控制,確保鋼錠的高純凈、鍛件的致密、熱處理的性能均勻性,從而滿足最終轉子符合技術要求。

2 轉軸制造流程

80 t電爐冶煉鋼錠→鋼錠熱運→油壓機鍛造→鍛后熱處理→轉軸毛坯機加工→第一次超聲檢測→調質熱處理→調質后機加工→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→鋼印標識→簡易防銹包裝交貨。

3 轉軸制造過程

3.1 轉軸冶煉及鑄錠過程

25CrNi1MoV屬于低碳CrNiMoV鋼,淬透性好,由于本次試制轉軸力學性能等級提高,同時轉軸軸身截面直徑大,內部無損檢測要求嚴格,需要對化學成分進行適當內控,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。

煉鋼工藝圍繞目標化學成分精準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,直接影響最終轉軸成品質量。雖然轉軸技術規(guī)范上沒有要求控制As、Sb、Sn含量,但是根據(jù)以往制造經驗,為了滿足最終轉軸綜合性能,在冶煉爐料準備時,對廢鋼、生鐵、鋼屑進行化驗,使As≤0.020%,Sn≤0.015%,Sb≤0.0015%,控制到工藝內控要求范圍內[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],滿足設計要求?？刂坪娩撍煞?當渣色變白,[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 轉軸鍛造成形過程

100 MW轉軸交貨重量25.4 t,由于該轉軸兩軸端小凹檔無法鍛出,適當放大余量,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,特別是提高轉軸鍛件的橫向力學性能。采用WHF法拔長,有效鍛合壓實坯料內部缺陷,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 轉軸鍛后熱處理過程

轉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,來達到重結晶和打破晶粒遺傳,起到細化晶粒均勻組織的目的,為最終調質熱處理準備合適的顯微組織及晶粒度[10]。轉軸鍛件鍛后,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 轉軸調質熱處理過程

轉軸鍛件按熱處理專用加工圖機加工后,裝爐做性能熱處理,調質熱處理工藝曲線見圖3。由于轉軸鍛件軸身截面達到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,轉軸芯部也得到貝氏體組織,避免出現(xiàn)鐵素體,才能滿足轉軸對軸頭、本體和芯部具有高的強度和沖擊韌性。通過調整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。國內對于25CrNi1MoV鋼熱處理工藝有相關方面的研究。郝興敏等針對25CrNi1MoV鋼30～50 MW小功率發(fā)電機轉子,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的鍛件調質熱處理工藝,采用840℃奧氏體化、水淬和620℃回火后,檢測了轉子鍛件不同部位的力學性能和顯微組織,結果表明,轉子鍛件表層和心部力學性能均滿足要求[4]。秦江等針對25CrNi1MoV鋼轉子,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轉子徑向沖擊韌性富余量[11]。結合我公司現(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,轉軸加熱到860～890℃,通過一定時間保溫完成奧氏體組織轉變。冷卻時,水溫控制在25℃以下,特別是轉軸鍛件在井式水槽中要適當上下移動,同時確保水流充分循環(huán),使其轉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,提出轉軸吊孔,防止長時間冷卻吊孔開裂,發(fā)生安全風險。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,保溫結束后進行限速冷卻,消除應力。

圖3 轉軸調質熱處理工藝曲線Figure 3 Quenching and tempering heat treatment process curve of rotating shaft

4 轉軸檢測結果

4.1 轉軸表面硬度和殘余應力

轉軸鍛件調質熱處理后,在黑皮狀態(tài)下按技術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)法檢測標準,實測殘余應力為43.88 MPa,符合轉軸鍛件殘余應力≤60 MPa技術要求。

4.2 轉軸超聲檢測

轉軸制造過程中,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)超標缺陷和粗晶現(xiàn)象,在毛坯粗加工后第一次超聲檢測和調質后第二次超聲檢測階段,按照JB/T 1581—2014《汽輪機、汽輪發(fā)電機轉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。為了驗證轉軸的內部質量,降低起始靈敏度到當量直徑?1.6 mm,也沒有發(fā)現(xiàn)密集缺陷和單個缺陷,說明轉軸的內部純凈性很好。

4.3 轉軸化學成分

調質后在圖1的T1位置上,進行成品分析,化學成品分析滿足技術要求,檢測結果見表3。設計化學成分時,考慮各主要合金元素的含量來滿足轉軸的綜合力學性能要求。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。同時在轉軸兩軸端進行C元素分析,結果分別為0.24和0.26,偏差很小,對轉軸的強度波動性起到了關鍵作用。另外對轉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鋼的成品化學成分(質量分數(shù),%)Table 3 The finished products chemical compositions of 25CrNi1MoV steel (mass fraction, %)

4.4 轉軸力學性能

對于轉軸鍛件,在嵌線槽底部受力最嚴苛,在轉軸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,這樣取試結果能反應轉軸實際工況下的應力狀態(tài)。通過表4檢測結果數(shù)據(jù),轉軸鍛件本體各項性能指標滿足技術要求。通過中芯試棒試驗,結果也滿足技術要求。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要求。通過補做的V型沖擊韌性和FATT50反應出轉軸鍛件的綜合力學性能優(yōu)于技術要求值。按照GB/T 4337—2015《金屬材料疲勞試驗旋轉彎曲方法》,在T4位置取樣進行2組高周疲勞測試,最后在試驗應力271 MPa下,完全通過>107循環(huán)次數(shù),說明該類型轉軸完全滿足長期運轉要有一定的疲勞強度的要求。轉軸經過全面的取試檢測,表現(xiàn)出優(yōu)良的綜合力學性能,說明轉軸鍛件均勻性高,材料純凈性、致密性好。

4.5 轉軸磁性能

在轉軸的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,表面轉軸的鍛件導磁性能滿足設計要求。磁性能檢測結果見表5。

表5 磁性能檢測結果Table 5 Magnetic properties test results

4.6 轉軸金相檢驗

在轉軸的中芯試樣部位,按照GB/T 6394—2017、GB/T 10561—2005標準進行顯微組織檢查,顯微組織結果為回火索氏體+少量貝氏體,晶粒度結果為7.0級。轉軸鍛件內部的A、B、C、D、DS五種類型夾雜物為0.5～1級,完全滿足設計技術要求,反應出轉軸鍛件的晶粒細小、純凈性和均勻性良好。

4.7 轉軸產品批量驗證

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

5 結論

通過對試制工藝及過程分析,結果總結如下:

(1)25CrNi1MoV鋼制造100 MW高強度等級的轉軸鍛件工藝試制結果顯示,開發(fā)出25CrNi1MoV轉軸鍛件是可行的,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)通過對試制轉軸的理化檢驗分析顯示,轉軸的化學成分、力學性能、金相顯微組織等各項指標完全滿足技術規(guī)范要求,表明轉軸鍛件具有優(yōu)良的綜合力學性能,特別是屈服強度的波動值非常小,晶粒度細小,沖擊韌性和韌脆轉變溫度FATT50優(yōu)良。對轉軸的高周疲勞測試結果完全符合長期運轉的工況。

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