大尺寸超净化汽轮机LP转子锻件的生产与性能.pdf

5 0 东方汽轮机 2 0 0 2年第 2 期 大尺寸超净化汽轮机 L P转子锻件 。的生产与性能 捅要 日本制钢所从 1 9 8 6年以来， 已生产了3 8根超净化的 3 ． 5 ％N i C r Mo V I 2转子。这些转子均用 于容量为 7 0 0 MW以上的燃煤电站机组， 到目前为止 ， 所生产的转子锻件用最大的钢锭重量是 2 2 0吨。但 是， 对于 1 0 0 0 M W等级的超超临界 u s c 机组， 将越来越需要应用更大尺寸的超净化钢转子锻件。为此， 日 本制钢所开始了 1 0 0 0 MW等级大型整锻转子超净化钢生产的研究 ， 并且， 已于近期生产出了两个锻件。这 些锻件的评价工作揭示出 该锻件各个部分的化学成分都达到了超净化 ， 与现在所生产的含 M 的整锻转 子相比， 有更好的强度与韧性。可以期望， 该超净化整锻转子将有很好的回火抗力。 关键词 超净化钢低压汽轮机整锻转子钢包精炼回火脆性无锰钢 1 前 言 在燃煤 电站 ， 为了改进 电站 的热效率 ， 不仅是汽轮机尺寸 、 而且蒸汽温度也在不断 地增加。这就导致 了 N i C r M o V L P转子 的运 行温度增加到了 4 0 0 C， 由于钢 中残余元素 含量 的关系将加速转子产生严重 的回火脆 性。 大约在十年以前 ， 为了消除钢的回火脆 性敏感性， 美国电力研究所 E P m 就着手进 行了有关低 S i ， Mn 、 低杂质含量 ， 以及低气 体含量的一系列研究项 目n ] 。此后 ， 已制造 了大量 超净化 的 3 ． 5 ％N i C r Mo V L P转 子锻 件， 其中不少的转子锻件已经投入运行。这 些超净化锻件的尺寸不断地在增加， 两个钢 包精炼炉的使用， 使 2 0 0 吨以上钢锭的生产 变成了可能。在多炉合浇工艺中， 每一钢包 精炼炉的精炼程序都应仔细调整， 以使杂质 元素含量最低 。但是 ， 对 于容量 为 1 0 0 0 M W 燃煤电站的低压汽轮机， 要求的超净化大型 锻件钢锭 的重量将达到 5 7 0 6 0 0吨。图 l 展示的是 13本发 电装置最大容量 的发展历 史 ， 与 1 3 本制钢所生产这些汽轮机转子需要 的最大钢锭尺寸。发 电装置容量 的稳定增 加使要求的大尺寸钢锭重量超过了5 7 0 吨。 生产这样大 的钢锭需要采用六 个钢包 精炼炉的钢水进行多炉合浇 ， 每一钢包精炼 炉的精炼过程均要给 以特别 的关注。因为 与生产较小的超净化钢锭相 比， 一些钢包炉 需把钢水保持很长的时间， 这时可能会因为 回磷 、 回锰而引起钢水中杂质元素的增 加。 在这样一个长时间的保持 中， 铁的低 收益率 也是一个问题。 为了解决 这一问题 ， 确立 超净 化大 型 L P整锻转子锻件 的制造工艺 ， 对钢水 的长 时间保持问题进行了专门研究 ， 并生产出了 大型的超净化整锻转子锻件。本 文概述 了 其生产工艺与检验评定的结果。这些数据 均与较小的超净化转子锻件、 及常规的大型 整锻 L P转子锻件的性能进行 比较。 2 大尺寸 L P转子锻件的生产 2 ． 1 炼钢工艺的可行性研究 基于 13 本制钢所进行 的该项研究 ， 以及 维普资讯 2 0 0 2 年第 2 期 东方汽轮机 ， 、 至 、． 一 ■ 仲 卿 睾 { } I 年份 图 1 发电机组容量发展史与日本制钢所最大的钢锭重量 与 E P R I的合 同， 确认 了高 品质 的高纯 净 3 ． 5 ％N i C r M o V 钢， 规 定 了 超 净 化 3 ． 5 ％ N i C r M o V钢的化学成分 。所谓超净化 ， 其化 6 0 0 6 0 0 4 0 0 3 0 0 辱 2 0 0 1 0 0 学成分上 的特点是无 S i 、 M n 、 P 、 S 、 A s 、 S n 、 S b 与气体含 量。表 1示 出 了由 E P R I 确定 的 3 ． 5 ％N i C r M o V超净化钢的规范 ] 。 表 1 超净化 3 ． 5 ％N i C r M o V钢 E P R I 规范 Wt ％。 气体 p p m 成分 C M n P S N i C r M o V 劂 0 ． 2 5 0 ． 0 0 ． 0 0 ． 0 0 0 ． 0 o 1 3 ． 5 0 1 ． 6 5 0 ． 1 0 0 ． 1 0 目标成分 E P R I 规 范 ≤ 0 ． 3 0 0 ． 0 5 0 ． 0 } 5 0 ． O 0 c 5 0 ． 0 0 2 3 ． 7 5 2 ． o 0 0 ． 5 0 0 ． 1 5 A 鲫 u A 4 7 0 3 ． 2 5 1 ． 2 5 0． 2 5 0． 0 5 ≤ 0 ． 2 8 ≤0． 1 0 0． 2 00． 6 0 ≤ 0． 0 1 5 ≤ 0． 0 1 8 7级 4 ． 0 o 2 ． 0 o 0 ． 6 0 ～0 ． 1 5 成分 A 1 A s S n S b 0 2 N 2 劂 0． 00 0． 00 0． 0 0 0． 0 o1 目标成分 E P R I 规范 ≤ 0 ． 0 0 ． 0 0 5 0 ． a 晒 0 ． 0 0 2 1 ． 5 0 3 5 8 0 A 鲫 u A 4 7 0 7级 维普资讯 5 2 东方汽轮机 2 0 0 2年第 2 期 为了满足大 型整锻转子锻件要求 的超 净化钢 的化 学成分 ， 其炼 钢工 艺是关键技 术。因 此 ， 就 炼 钢 工 艺 进 行 了广 泛 的研 究 J ， 在大尺寸整锻转子生产前还进行 了几 项预备研究。 图 2表示 了熔炼与钢包精炼工艺 的流 程图。该工艺 的特点是强脱 氧， 换盛钢桶 ， 钢包精炼减少 M n 、 P和 S 。为 了达到成分上 的高纯度 ， 钢包精炼时间的调整是重点 。钢 包精炼炉 L R F 过分长时 间的加热会 引起 Mn 含量的增加。长时间的加热还要 防止铁 的氧化 ， 以及铁 收益率的降低 ， 这一点将 导 致超净化钢成本上的增加。 图 3表示了长时间保持影响大小的初 -’一 ’-l一一 圈回 图 2 大型锻件用 钢锭的熔炼 与注锭工艺 步研究结果。炉料在碱性 电弧炉中熔化 与 氧化之后 ， 换包到钢包精炼炉中 ， 把氧化渣 全部除尽， 以防止 P与 M n的还 原。然后 ， 在钢包精炼 炉 中进行还原 性精炼 与除气 。 之后用另一钢包精炼炉再次精炼， 将该熔化 的钢水再保持 8小时。从 P ， S ， S i 及 M n含 量的变化 ， 我们可 以推论 ， 在钢包精炼炉钢 水的长时间保持中， 超净化的成分得到了保 持 。生产 6 0 0吨钢锭时 ， 由于电弧炉容量的 限制 ， 在 电弧炉氧化精炼后 ， 采用了六个钢 包用于进行进一步的精炼。 2 ． 2 大尺寸超净化转子锻件的生产 基于以上所述的可行性研究 ， 采用 6 0 0 吨钢锭制造 了两个超净化的汽轮机 L P整锻 转子 。钢的熔化 与精炼工艺与可行性研究 报导过的工艺相同。除熔炼与精炼工艺外 ， 对于大尺寸转子的生产 ， 由于钢锭中疏松孔 洞锻合 的困难 ， 以及热处理过程中奥 氏体晶 粒的长大 ， 其锻造与热处理必须格外小心。 其锻造工艺与常规的大型整锻转子锻件相 近。采用非线性 的有 限元分析方法进行 的 数学分析可以预测其锻造过程 中材料 的塑 性变形。对于在不 同位 置带有孔 隙的圆柱 体 ， 用该方法解决了轴对称性锻造 的一系列 问题 ， 仔细地 确定 了孔 隙锻合 的各 主导 因 素 ， 且该方法可以采用孔隙闭合的术语来评 价其热锻过程 J 。为了使孔 隙完全锻合 ， 在 锻造操作 中， 我们对锻造工序增加了一些新 的手段。 要确保大型锻件的使用可靠性， 缺陷的 可检测性是首要事项之一 ， 为克服大直径锻 件的质量影响 ， 对 L P整锻转子锻件的热处 理工艺进行 了研究， 以获得分布均匀的细晶 粒 。这是通过重复正火达到的。此外 ， 正 火 温度的选择对于促进晶粒细化 十分重要 J 。 苗 维普资讯 2 0 0 2年第 2期 东方汽轮机 在调质热处理之前， 该超净化整锻转子锻件 进行 了三次正火处理。图 4示 出了超声 波 探伤可检测出的最小缺 陷尺寸。其最小 可 盆 ● 一 l 真 空 53 检测缺陷尺寸， 与常规超大型整锻转子锻件 的可检测缺陷相 当。图 5示 出了一个在制 的超净化整锻 I J P 转子锻件 的外观形貌。 2 ． 0 0 ． 0 l l熔 炼 氧 l 化 图 3 6 0 0吨超净化钢中 S i 、 Mn 及杂质含量的变化 调质热处理状态 ． 检测频率 2 ． 2 5 M H Z 1 0 0 0 2 0 0 0 转子锻件的本体直径 ／ 耵 T n 图4 超声波探伤的最小可检测缺陷 3 0 0 0 圭 一 亡 ● 5 0 5 1 1 0 删匡＼ 盟甾盆景 维普资讯 5 4 东方汽轮机 2 0 0 2 年第 2 期 图 5 超净化整锻 L P转子锻件的外观形貌 2 ． 3 材料性能的评定 2 ． 3 ． 1 化学成分与力学性能的检验结果 经无损检测 ， 所生产的超净化整锻转子 锻件显示了良好的整体性能 ， 与常规整锻转 子相比， 具有足够的力学性能 。图 6表示 了 该锻件熔炼分析 的结果与转子不 同位置化 学元素 的分布情况。均匀 的化学成分与低 的杂质含量在该锻件 中得到了证实。 元素 J C s i Mn P S Ni Cr CU Mo V As S n S b Wt ． ％ 因子 熔 炼 分析 0 ． 2 3 ． 0 2 5 ． 0 2 8 ． 0 0 2 8 ． 0 0 1 4 3 ． 5 7 1 ． 6 6 0 ． 0 3 0 ． 4 2 0 ． 1 0 ． 0 0 3 ． 0 0 3 ． 0 0 l 0 3 ． 1 目标 0 ． 2 3 ≤ ≤ ≤ ≤ 3 ． 5 5 1 ． 6 0 ≤ 0 ． 3 5 0 ． 0 9 ≤ ≤ ≤ 范围 0 ． 2 5 0 ． 0 3 0 ． o 3 0 ． 0 0 3 0 ． 0 0 l 5 3 ． 6 5 1 ． 7 0 0 ． o 5 0 ． 4 5 0 ． 1 1 ． 0 o 6 ． 0 0 5 ． 0 0 l 5 C 0 ． 2 3 S i O ． 0 2 U n 0 ． 0 3 P 0． 0 G2 4 S 0 ． o 01 5 - j 3 ． 5 5 C r 1 ． 6 7 ■ O O ． ． 2 V O ． 1 O ● O ． O ∞ s n 0 ． o o 3 S b O ． o o l 1 汽轮机端 钢锭的底端 C O ． 2 3 C r 1 ． B 6 Si O ． O 2 0 ． 4 0 I I n 0 ． ∞ V O ． 1 O P 0 ． o o 2 5 ● g 0 ． ∞ 3 S O ． o o 1 4 S n 0 ． o o 3 H i 3 ． S 3 s b O ． o o l O C 0 ． 2 3 S j O ． O Z 0 ． 0 3 P O ． O O 2 ． S O ． o o 1 3 - I 3 ． 5 5 C r 1 ． 6 9 - b O ． 4 2 V O ． 1 O -0 ． o o 3 S n 0 ． o o 3 S b O ． o oI 1 电机端 钢锭 的顶端 C O ． 2 3 C r Si O． O 2 I O _ n O ． O 3 、 『 P 0 ． ∞ 3 2 A a S O ． O 们 3 S n -i 3 ． 5 3 s b 1 ． 7 O 0 4 4 O ． 1 O O ． O o 3 O ． o o 3 O ． o o l l C D ． 2 S S i 0． 0 3 - - 1 0 ． o 3 P 0 ． o o 3 1 S 0 ． o o 1 6 N i 3 ． 5 8 c r 1 ． B 7 1 1o O ． ● 2 、 ， O ． 1 O l O ． o o 3 S n 0 ． o o 3 s b O ． ∞ 1 1 化学成分 r t _ C O ． 2 6 S { O ． O 3 h 0． ∞ P O ． O o 3 1 S O ． o o l S i 3 ． 5 口 C r 1 ． 7 O I I o O ． 4 4 V O ． 1 O l O ． o o 3 S n 0 ． o 0 3 S b 0 ． o o l 1 图 6 6 0 0 吨钢锭制造的超净化转子锻件熔炼分析的结果与化学元素的分布情况 维普资讯 2 0 0 2年第 2 期 东方汽轮机 5 5 2 5 0 2 0 0 ■ 錾1 5 0 蓉 盆 器i 0 0 5 0 O 2 0 O -2 0 主一 4 0 - 5 0 - 8 0 o o 盒 。 嚣 A D ‘ || 9 垂 鸶 A O ； A } o O ． ▲ A A A A ‘ A AA 厶 △ 击 6 w 0 0 m ” 。 超净化 II2600mm I ★ 西 超 净 化 8 0 0 8 5 0 9 0 0 抗拉强度 M P a 厶 圣 薹 2印60。0mm 超 净 化II2600mm I A ． ▲A △ 击 ★ 西 超净化 ★★ A 口 o A AA o A o A 。‘ A U o A B 0 0 B 5 0 9 0 0 抗拉强度 M P a 图7 超净化整锻 L P转子锻件本体中 tl , 的横向韧性 如图 6所示 ， 转子的 S i ， I V I n与杂质含量 很低 ， 我们相信 ， 当它在燃煤 电站长期运行 时 ， 该 3 ． 5 ％N i C r Mo V钢的 回火脆性敏感性 将会很低， 可以期望转子会保持很高的韧性 水平 。J因子 { J S i M n PS 1 0 4 } 广 泛用作低合金钢回火脆性敏感性的指标 。 如图 6所示 ， 该超净化整锻转子锻件达到 了 非常低 的 J 一因子。图 7示出了超净化整锻 转子锻件本体中心冲击性能 F A 1 T与吸收 能 与抗拉强度的关系 ， 图中还列 出了常规 整锻转子的数据 ， 以便 比较 。超净化钢的抗 拉强度与冲击性能与常规的整锻 L P转子锻 件相当。这些结果 的获得取决于该钢化学 成分的仔细选择， 先进的锻造技术与精心设 计的热处理工艺 。 2 ． 3 ． 2 长期运行工况下材料性能的评估 维普资讯 5 6 - 东方汽轮机 2 0 0 2年第 2期 涉及汽轮机安全运行的主要问题之一 ， 是如何消除 L P转子在高温长期运行工况下 的回火脆性 。图 8示出了常规转子锻件 、 也 包括超净化成分转子 ， 其 J 一因子与AF A T r 之间的关系 J 。aF A r I T的含义是 取 自 L P 转子锻件的试样， 在水淬与阶段冷却 译者 注， 即进行阶段式的回火脆化试验 两种状 1 5 0 1 0 0 一 奎 三 日 茎 ； 5 0 ] 况下 ， 由夏 比冲击试验测试 出的、 脆化 试验 前后断口形貌转变温度之差。图 8说 明了 △F A 1 r r 随 J 一因子减少而降低 的趋势 。根 据该图 ， 超净化整锻转子锻件 J 一因子低至 3 ． 1 ， 可 以估计其 AF A rI T将 会非 常小 ， 回火 脆性得到 了消除。 0 一 因子 ， S 1 M n X P S n x1 0 ． 0 0 0 图 8 3 ． 5 ％N i C r Mo V钢 L P转子锻件 J 一因子与AF A T F 之间的关系 经阶段冷却脆化试验的结果 图 9示出了超净化钢与取 自 1 9 7 5年前 后生产的 3 ． 5 ％N i C r M o V常规钢经等温时效 后 的结 果L 7 】 。其 中 0 ． 0 0 5 0 ． 0 1 1 ％ 的 P ， 0 ． 0 0 5 0 ． 0 1 1 ％的 S ， 0 ． 0 0 7 0 ． 0 0 1 6 ％的 A s ， 0 ． 0 0 7 0 ． 0 0 1 6 ％ 的 s n 以 及0 ． OO1 3 0 ． 0 0 3 4 ％的 S b是生产常规转子锻件 时的典 型成分。该材料经 6 1 6 K， 6 7 2 K， 7 2 7 K 译者 注 3 4 3 o C， 3 9 9 o C， 4 5 4 o C 时效 ， 图 9 示出了夏 比 v一缺 口断 口形貌转变温度△F A 1 T r ， 从非 脆化状态增 加的情况。在 电站低压 汽轮机 的主要运行 温度 3 4 3 ℃， 其 △F A 1 T r多数 是 1 0 0 K 。但是， 其最大 的回火脆性 是在 6 7 2 K ， 7 2 7 K 译 者注 3 9 9 o C与 4 54o C ， 在时效 l 0 5 小时后其aF A r I T达到 2 5 0 K 译者注 ℃ K 一 2 7 3 。这表 明， 常规 3 ． 5 ％N i C r M o V钢在 这一温度范 围显示 了非常强 的回火脆性敏 感性。图 9比较了超净化转 子材料与常规 转子材料 ， 经过 3 0 ， OO0小时等温 时效后 的 结果。在 6 1 6 K与 7 2 7 K间进行的该项试验 ， 证明了超净化材料消除 了回火脆性 ， 这使得 维普资讯 2 0 0 2年第 2期 东方汽轮机 5 7 N i C r Mo V钢转子锻件的运行温度可 以提高。 3 0 0 ● 2 5 0 2 0 0 1 5 0 一 1 0 0 ‘C U一 5 0 0 5 0 - 1 0 0 4 0 0 0 0 6 0 0 0 0 8 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 2 0 0 0 0 时间 【 h J 图9 超净化 3 ． 5 ％N i C r Mo V钢的等温时效结果 除了韧性方面的改善外 ， 也报导过该超 净化 L P转子钢还展示了良好 的持久强度性 能 ， 其持久强度性能等于或优于常规 的 L P 转子锻件 J 。其高的持久强度性 能是通过 消除 M n S影响而实现 的。此外 ， 超净化 钢 在耐应力腐蚀开裂与腐蚀疲劳方面具有的 优势也将在不久以后进行报导 。 3 结 论 由 5 7 0吨重 的超净化 3 ． 5 ％N i C r M o V钢 锭成功制造 了一整锻 L P转子锻件。其力学 与冲击性能与常规超大型整锻 L P转子锻件 相近。采用较小尺寸锻件进行 的评定试验 揭示出 超净化 钢具 有低 的 回火脆性 敏感 性， 高的持久强度、 耐应力腐蚀开裂与腐蚀 疲劳的优 良性能。 目前所得到的试验结果 得出 现在的超净化整锻转子材料有更好的 长期运行可靠性 。该超大型整锻 L P超净化 转子锻件将用于 1 0 0 0 M W等级燃煤电站机 组， 将充分地为电站发挥效率。 参 考 文献 1 T．Oh h a s h i 。R．L．Bo d n a r e t a l EPRI Re p o r t NP一5 3 3 9，S e pt e mb e r 1 9 8 7 2 R．I ．J a ff e e e t a l T r a n s ．I S S，F e b r u a r y 。 1 9 8 9．P． I＆ S M 一4 5 3 O．W a t a n a b e e t a lTh e T h e r m a l a n d Nu c l e a r P o we r ，1 98 8，3 9， P． 6 0 7 4 M ． Ta n a k a e t a l P r o c e e d i n g o f No r t h Ame r i c an Me t a l Wo r k i n g Re s e a r c h C o n f e r e n c e，Ha mi l t o n。1 9 7 3 5 Y．Tan a k a， e t a l Te t s u t o Ha g an e． 维普资讯 5 8 东方汽轮机 2 0 0 2年第 2期 上接第 4 9页 I k e d a 。P r o c ． C l e a n Ma t e ri a l s T e c h． ，C h i ． e a g o，Us A，No v e mb e r 1 9 9 2，P． 2 4 9 3 Y F u k u j ，M s h ，K Hi d a ka ，R K a n e k o a n d T T a n S e e r e f ． 2 ， P ． 2 4 9 4 Y K a d o y a ，T ．K i t a i ，I T s u j i ，A M t t s u o ，Y T a n a k a ，T，Az u ma and Y I k e d aT e s t u t o n s g a n e ， v o l 7 9 1 9 9 3 ， p ． 9 8 0 5 E．P o t t h a s t J P o p p e r d a a n g e r ．W ．Wi e ma n n and K Ma y e r P r o c ．1 l F o r g e ma s t e x Me e t ． i I 1 g ， T e r I l i ， I t a l y ， J u n e 1 9 9 1 ， N O． Ⅸ 一8 6 Y T a n a k a ，Y I k e d a ，K O h n i s h i ，O Wa t a n ． a b e ，A K a p l a n，R． C． S c h w ant ，R． I ． J a ff e e and G． P o e P r o c ． S e e r e f ． 5 P ．N o ． Ⅸ 一 7 7 V PS w a mi n a t h a n ，JW S t e i n e r an dA Mi t c h ． e l l Ad v an c e d Ro t o r Fo r g i n g f o r Hi g h Te m p e r a t u r e Tu r b i n e s ，EPRI R e p o r t CS一4 51 6， V o 1 ． 2 1 9 8 6 刘显惠译 自 m GH PURn1 Y 9 Cr M0 、 i NbN RO1 DR F ’ ORG． G FOR m GH PRE I RE L oW PR ES S URE COMB A，I 1 ON M TURB 厄 By Ya s u hi k o Tan a k a，Ts u k a s a Az u ma， Ya s u mi I k e d a and T o h r u I s h i g u r o f r o m T h e J a p a n S t eel W o o k s ，L t d 郑宏达校对 维普资讯