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来源:百度文库 编辑:我爱散文网 时间:2019/11/22 12:39:26
大型锻件质量控制举例 [关闭]

 

    大型锻件的质量,因其关系国计民生重大关键装备,历来倍受社会生产的关注。1972年以来,我国以电站大锻件为核心连续开展质量攻关,制订技术政策,繁荣科技工作,发展了大型锻件的制造技术。1982年到1988年引进日本15种铸锻件产品和热加工技术,加上重机行业的科技攻关成果,大幅度提高了大型锻件的质量。例如,采用真空处理和炉外精炼,提高了钢水的纯净度和均质性。研究应用了模拟技术,深化了关于锻造、热处理工艺和缺陷本质的认识,为优化工艺、开发新技术提供了科学依据。设计和推广了一些新装备,新工艺,使得大型锻件质量、品种、等级、合格率都有明显的提高,实现了600MW火电机组大锻件国产化的进程。
    大型锻造质量的进步与分析缺陷的成因,采取对策加以预防和消除,有着密切的关系。例如,针对锻件超声波探伤不合格的缺陷,采取措施,重点提高钢水纯净度,减少非金属夹杂与有害气体含量;采用新锭型,控制浇注参数,改善钢锭纺晶结构;研究开发新的锻压技术,压实孔隙性缺陷,均匀组织结构;强化加热与冷却过程的控制,消除缺陷,提高超声波探伤的合格率。
    大型锻造的质量、效率和技术经级水平的提高,是一个系统工程,必须在炼钢、锻造、热处理、粗加工和质量检查各环节,采取有效措施,同时注重加强管理。多年来我国大型锻件生产行业经过艰苦努力,使得轧辊、转子、叶轮、护环、封头、空心件、模块、曲轴等大锻件质量提高到一个新的水平。现以转子和护环为例介绍如下:
    1.转子类锻件质量控制
    转子是电站设备的关键件,要求在高速下安全运行,承受着复杂的高应力,技术条件要求十分严格。然而由于影响质量的冶金因素,热力学因素难以完善地加以控制,因而缺陷较多,主要有:大块或密集性的非金属夹杂物,残余缩管、白点、疏松、裂纹和力学性能不合格等。
    汽轮发电机转子锻件,在生产中多数是因为超声波探伤不合格而报废。例如,中介绍的12MW转子锻件,在超声波探伤时发现在轴身部位有两处大于φ12mm当量的缺陷。经X光结构分析,认为是非金属夹杂物铝硅酸盐,属于耐火材料侵蚀物。介绍了34CrMolA钢12MW转子锻件由于成分偏析引起转子力学性能和组织不均的情况,该转子锻件的缺陷基本保留了铸锭缺陷的特征。因此,减少钢中夹杂和钢锭偏析是首先应该重视的问题,否则,钢中夹杂多,钢锭偏析严重,靠锻造与热处理难以生产出优质的转子锻件。所以,转子钢的冶炼和浇注应引起极大的重视。对原材料的精选、炉料的烘烤、冶炼制度的完善,浇注系统的清洁等,都应严格要求。
    锻造虽然可以消除钢锭的枝晶偏析,但对于区域偏析,如钢锭底部的负偏析区和钢锭冒口端碳、硫、磷、疏松等聚集区,锻造作用不大,只有增加钢锭底部端和冒口端的切除率,才能减少其不良影响。冒口端一般切除5%~10%,底部端一般为10%~20%。
    随着钢锭重量增加,钢锭的负偏析愈严重,疏松、晶间裂纹等缺陷,也相应的增加。这就使锻造焊合内部缺陷,改善钢锭中心质量更为困难。由于转子轴身直径大,因此如何提高锻透性,对于转子的锻造来讲,就显得格外重要。宽砧大压下量拔长和中心压实法是目前解决这一问题常采用的工艺措施。如锻造工艺中需用镦粗工序时,为充分焊合钢锭内部缺陷,打碎铸态组织,改变夹杂物的分布状态,不论一次镦粗,还是两次镦粗,只要水压机能力许可,应使镦粗变形程度大于50%。
    转子锻件的轴线与钢锭中心线尽量不能偏移。这就要求钢锭与钢坯必需烧透,在锻造过程中,变形尽量均匀,压台阶时要仔细,避免信心。
    为避免产生白点和满足转子力学性能要求,应优选最佳的锻后冷却和热处理工艺。
    下面以600MW转子锻件为例,介绍其质量控制要点。
    600MW汽轮机低压转子是迄今为止我国制造的最大的整体锻造转子大锻件,其最大直径为φ1925mm,最小直径为φ730mm,总长度8800mm,用238t重的25Cr2Ni4MoV钢锭锻成。由于转子在高速旋转的复杂应力作用下工作,为确保大型火电机组正常安全运行,要求制件应具备均匀的高强度,优良的韧性,可靠的力学性能,残余内应力最小,为此规定了极其严格的技术条件。例如,化学成分的波动范围必须控制;H2、O2、N2等有害气体含量要在许可范围内;各处取样进行力学性能检验;全部进行无损探伤,包括超声波探伤,起始灵敏度为φ1.6mm当量,底波衰减不大于20%;中心孔潜望镜窥视和磁粉探伤表层缺陷;金相评定晶粒度和夹杂物等级、性质;以及形状尺寸精度、表面粗糙度要求等。为了避免缺陷产生,采取如下措施进行质量控制。
    (1)精炼钢水
    根据现有生产条件,采用电炉加平炉供应低磷、高温粗炼钢水。而后倒入钢包炉(LF)二次精炼,去除杂物与有害杂质,进行真空碳脱氧(VCD),吹氩搅动,充分除气、脱硫,提高钢水纯净度。控制注温、注速,真空浇注成24棱短粗型大钢锭。并用发热冒口,保证充分补缩。
    (2)充分锻透压实
    锻压采用三次镦粗,每次变形量均大于40%;四次宽砧高温强压法(WHF)锻透,在1200t水压机上锻压,砧子宽度为1700mm,锻压砧宽比在0.61~0.83间变化,保证充分变形;一次中心压实法(JTS)锻压,采用四面加压,每次压下率为8%,内外温度差大于350℃,保证芯部能有效压实。锻件内用8火次锻成。锻造温度范围为1260~750℃,冒口端锭身切除量8.5%;水口端锭身切除量11.5%,钢锭利用率50.4%。该方案经过模拟试验与理论研究,与国内外同类方案对比,经济可靠。
    (3)三次高温奥氏体化和四次过冷的细化晶粒锻后处理和激冷深冷调质热处理
    25Cr2Ni4MoV钢因有奥氏体粗晶及组织遗传性倾向,为了细化晶粒,均匀组织,应严格控制最后一火的加热温度与变形量。采用三次高温正火,充分过冷,有利于减少残余奥氏体量,充分扩散氢气。为了防止直径差过大,造成冷却不均匀现象,当最小截面冷到400℃时用包石棉布保温,均匀冷却防止裂纹。
    调质处理采用大水量强喷水淬火工艺,以得到更多的马氏体和贝氏体组织,改善断裂韧度。同时在转子本体部位适当开槽,增加冷却表面积,提高淬透深度,得到良好的心部组织。为了减少变形和防止裂纹,在转子的不同部位,采用不同喷水量的冷却工艺,使制件各部位获得大致相同的冷却速度,从而得到良好的淬火效果。调质处理后进行机械加工和套取芯棒,检查中心孔质量。
    该转子质量检查结果:超声波探伤,未发现φ1.6mm以上的当量缺陷。低倍观察:硫印为0.5级;酸洗未见异常现象。沿转子轴身径向套试料和中心试料进行高倍检查,塑性夹杂0.5~1.0级,脆性夹杂0.5~1.5级,中心孔试料高于径向试料,晶粒度5~6级。化学成分,气体含量检查全部符合技术条件,其中S≤0.003%,P≤0.008%,Sb≤0.0016%,[H]≤0.79(10-6),[O]≤27(10-6)。力学性能,残余应力检验全部超过技术规定。中心孔检查未发现缺陷,尺寸检查满足图样要求。综合全部质量检验结果,均达到了引进美国西屋公司订货标准。为我国电站大锻件上等级,上水平,实现国产化创造了有利的条件。
    2.护环的缺陷分析与质量控制
    护环也是火电设备中的关键大锻件,它热装于发电机转子两端,用来紧箍高速旋转的端部绕组,所以要求高强、高韧、均匀、无磁、最小的残余内应力,良好的抗应力腐蚀能力,因而制造难度极大。目前,多用Mn-Cr系奥氏体高强度钢锻坯,粗加工,最后经变形强化提高性能,以满足技术条件要求。
    目前,护环大部分用50Mn18Cr4型钢制造,由于该钢抗应力腐蚀能力比较弱,故有用Mn18Crl8N抗应力腐蚀的高强奥氏体护环钢取代的趋势。
    高锰、高铬奥氏体护环钢,冶炼时保持高合金量,高氮量,锻造时防止开裂,防止粗大不均匀的组织和性能不合格等缺陷,防止早期失效事故等,一直是生产中的难题。于是分析缺陷成因,采取对策,优化工艺参数,控制工艺过程,稳定提高质量的可靠性,长期以来是国内外关注的焦点。以下仅列举几则,简要介绍护环生产中常见的缺陷,以及大型护环的质量控制措施。
    (1)护环热锻过程中的开裂
    护环坯在热成形过程中开裂,其原由是工艺塑性不良,应力状态不佳。锻造开裂常见于镦粗、冲孔及芯棒拔长等工序。
    50Mn18Cr4型护环钢,由于铸锭晶粒粗大,柱状晶带发展,而且加热时对过热敏感,故可锻性较差,热锻时容易开裂。锻造应采用合适的锻造温度范围和成形方法。
    50Mn18Cr4型护环钢的始锻温度选1180~1200℃为宜。该钢种在660~800℃范围内材料塑料显著降低,因此终锻温度应该严格控制在850℃以上。
    Mn18Cr18N钢与50Mn18Cr4对比,化学成分显著不同点是:铬含量高、氮含量高、碳含量低。所以钢的热塑性明显降低,热锻开裂倾向增大,因而采用控制热成形,及时消除裂纹隐患尤为重要。所谓控制锻造,即严格控制热锻温度范围、控制应变速率,改善变形应力状态。这样不仅能防止裂纹缺陷,而且能提高内在质量。
    镦粗开裂是由于切向拉应力过大或材料塑性低。选用合适的变形温度和镦粗变形量,或者在模内镦粗,可以防止此类缺陷。
    50Mn18Cr4型钢再结晶温度(约750~800℃)高,软化能力弱,墩粗时坯料上、下端面金属温度降低得很快,当较大的激粗变形后,如金属硬化得不到恢复,再马上冲孔,则由于端面塑性低,又处在拉应力状态下,孔口部位常易产生裂纹。如果将镦粗和冲孔分别在两火次进行,则可避免此类缺陷。
    芯棒拔长的开裂,常见于坯料端部和内乱.主要原因是应力状态不良和变形温度低。图6-1所示为采用上平下V型砧进行芯棒拔长时,由于每压一次坯料呈椭圆形,在孔内壁受拉应力与切应力作用,并且反复交变,结果端部产生裂纹。其次由于冲孔后常常有毛刺和坯料温度降低,如紧接着拔长,由于材料塑性低,便可能产生裂纹。防止该类缺陷的方法,一是采用上下圆弧砧拔长,改善锻压应力状态;二是冲孔与芯棒拔长分别在两火次内进行,保证材料具有良好的高温塑性。
    (2)护环的组织性能不均匀缺陷
    Mn-Cr型奥氏体护环钢系本质粗晶粒钢,假如锻造时热力学因素控制不合理,极易产生粗大不均的晶粒组织。尤其当钢锭中偏析发达,粗晶严重,热锻时,变形分布不均者,这种缺陷更为明显。图片6-15a示出了50Mn18Cr4钢制的6MW护环,晶粒度差别1~3级。图片6-15b表示出沿晶界有少量颗粒状碳化物析出,它将影响护环的电磁性能。

图6-1  护环坯芯棒拔长时端部裂纹的形成示意图

图片6-15 50Mn18Cr4钢锻件的不均匀晶粒组织
晶粒大小不均 100×b)沿晶界有碳化物析出 500×     有的大型护环晶粒度分布不均匀现象更为严重,甚至在加工后的表皮上,可见大片不均匀粗晶的痕迹。组织不均必然导致性能差异,沿圆周屈服强度(σ0.2)波动范围达102MPa以上。
    目前,组织性能的均匀性,已经成为评价护环质量的重要指标。因为均匀的组织性能,将意味着工作更安全,不会发生局部破坏。防治这类缺陷的对策是:提高钢的纯净度与均质性,严格工艺纪律,控制合理的温度分布与变形分布,便能有效获得均匀的组织和性能。
    3.护环液压胀形强化中的缺陷
    液压胀形系利用超高压水,对环坯内压扩孔变形。液压胀形可能产生“喇叭口”畸形和胀裂等,图片8-430。


图片8-430 液压胀形护环的缺陷      防止“喇叭口”缺陷的主要措施是要保证液压胀形时,及时充分建立并维持胀形所需的高压强。避免胀裂的主要措施是使环坯的组织性能良好、均匀和环坯的壁厚均匀。
    4.300MW护环生产的质量控制
    300MW和600MW火电设备是我国现阶段的主力发电机组,80年代末全套大型铸锻件已实现了国产化。现将其中300MW护环生产质量控制要点介绍如下。
    (1)生产流程
    冶炼、铸锭——锻制重熔电极(亦可铸造电极)——电渣重熔(ESR)——热锻制坯(控制锻造与高温形变热处理)——粗加工——变形强化(液压胀形或楔块模具扩孔法)——去应力处理——检验、包装。
    也有不采用控制热成形与控制冷却,而用粗加工后,固溶化处理并变形强化。该方案流程长,质量不易控制。
    (2)技术要求
    大型护环系高应力、重负荷、易失效的关键件,所以技术要求很高。生产护环除了满足用户订货条件外,希望达到美国西屋电气公司标准(P.D.S10725BR级)。
    (3)冶炼与电渣重熔
    鉴于高强度与抗应力腐蚀的要求,选用Mn18Cr18N钢。该钢中含碳量低(ω(C)≤0.12%),氮高(ω(N)≥0.4%),铬高(ω(Cr)=17.5%~20.0%),硫、磷低(ω(P)≤0.05%,ω(S)≤0.015%),且总合金量占钢水总量50%以上,冶炼难度很大。在电炉上采用氧化法为主的操作,得到满意的化学成分。
    重熔中采用以 CaF2和 Al2O3为主的渣系,注意电功率不宜过大,熔化速度不宜过快的原则,保证了电渣锭的质量。
    (4)加热与锻压
    Mn18Cr18N钢系奥氏体本质粗晶粒钢,高塑性温度区间较窄。热加工变形抗力较大,有很强的过热敏感性,容易过热、过烧。为了得到比较细小均匀的组织结构,必需合理制定并严格遵守加热规范,必须严格控制热力学因素,实行控制热成形与控制冷却方案。即控制温度与变形的参数和最佳匹配关系。变形后,控制高温停留时间,控制入水冷却速度,得到良好的形变热处理效果。经过该方案制成的环坯,组织细小均匀,工序简化,综合力学性能高,为下步变形强化,提高性能奠定了较好的基础。
    为防止过热和晶粒过于粗大以及碳化物大量析出,最后一火锻造温度范围取为1180~900℃。
    电渣锭的锻造工序为:轻压滚圆,压下量为20mm左右;锻粗、冲孔时要防止鼓肚裂纹与毛刺;然后芯轴扩孔,芯棒拔长,要求转动均匀每次压下要均匀锻透,锻压过程中发现裂纹及时清理,以防裂纹扩大。
    (5)扩孔强化
    该大型护环需在120MN水压机上用楔块模具冷扩孔强化,或减压法液压胀形强化,在形变强化过程中应合理控制工艺参数,保证均匀变形。
    最后经330~350℃,12h,稳定尺寸,消除应力回火。
    (6)质量检验结果
    化学成分达到用户要求及美国西屋电气公司标准。其中N含量检查结果为ω(N)0.52%~0.60%,用户要求ω(N)≥0.4%,西屋公司要求ω(N)≥0.50%。
    力学性能全部达到标准,其中σ0.2用户和西屋公司要求为1030~1170MPa,检查结果为1074~1083MPa,伸长率δ5要求为 20%,实际为 20.5%~25%。
    晶粒度规定标准为优于1级,检验结果为5~4级。
    磁导率,要求μ≤1.1,实际μ=1.0015。尺寸检查符合图样要求。
    超声波探伤,要求纵波≤φ2mm 缺陷,实际未发现≥φ1.6mm缺陷。横波,未发现≥1/2 基准线的回波。
    液体渗透探伤检查未发现缺陷痕迹显示。
    综上所述,以上工艺方案、工艺参数、质量控制技术是可靠的,产品全面满足用户订货条件,达到了美国西屋电气公司P.D.510725标准的BR级指标,相当80年代国际水平。