大型汽轮机转子是大型发电站中汽轮机的重要部件，它由大型钢锭锻造而成。平均晶粒度和晶粒度不均匀性是评价大型锻件内部质量的两个重要指标，混晶缺陷是指锻件内某处晶粒度不均匀性超过规定指标，这是大型汽轮机低压转子锻件最重要的一种微观组织缺陷。这种缺陷严重影响转子锻件的服役性能，产生原因与锻件材料26Cr2Ni4MoV的强遗传性、锻造工艺和热处理工艺有关。如何消除混晶缺陷是当前大锻件行业中亟待解决的技术难题。
1991年国家开始立项研究大型汽轮机低压转子混晶缺陷问题，国内各重机厂、相关高校和科研院所都参加了这个科技攻关项目。经过５年的研究，在混晶缺陷的微观机理、热处理工艺消除混晶缺陷等方面取得了显著进展，但是在如何通过改进锻造工艺来消除混晶缺陷还没有取得进展。各厂家只能以多次正火来消除混晶缺陷。对于几百吨的锻件，每次正火都要进行长时间加热和冷却，消耗大量的热能和时间，这是一种高成本、低效率、高耗能的工艺方法。 在国家多个科研项目的资助下，对大型汽轮机低压转子锻件的混晶缺陷进行了长期持续的研究，研究对象为300MW火电汽轮机低压转子和１1000MW 核电汽轮机低压转子，研究内容包括混晶缺陷形成机理、锻造工艺数值模拟、晶粒度与混晶缺陷数值预测技术以及消除混晶缺陷工艺措施与生产验证。这项研究在基础理论、数值预测和解决工程问题3个方面都取得了创新性的研究成果。本文主要介绍解决工程问题的直接成果。 认识转子钢26Cr2Ni4MoV在热状态下的晶粒演化规律，特别是晶粒长大规律，对揭示混晶缺陷的产生机理具有重要意义，为此本文进行了如下几组不同的晶粒长大实验。（1）第1组实验为转子钢26Cr2Ni4MoV在不同温度下的晶粒长大实验。实验温度分别为900，950，1000，1050，1100，1150和1200℃，加热保温时间分别为0.5和1ｈ。所有试样都经历过热变形，变形的应变速率为0.001s-1，变形温度与后续加热保温的温度相同，变形量分为小（0.06～0.15μｍ）、中（0.22～0.39μｍ）、大（0.6～0.63μｍ）3种。与小、中、大的变形量相对应，试样的初始平均晶粒度分别为大、中、小３种尺寸，具体数据与变形温度有关。主要实验结果列于表1。 对比0，0.5和1ｈ的晶粒尺寸可以看出，随着保温时间的增长，经历不同变形试样的晶粒尺寸差别逐渐减小，可以断定足够长的时间后他们将趋向一个稳态晶粒尺寸，这个稳态晶粒尺寸可能小于或大于初始晶粒尺寸。本文根据实验数据的发展趋势预估了这个稳态晶粒尺寸，如表1中最后一列所示。它与温度的关系如图1所示，可以看出该稳态晶粒尺寸随温度升高而升高。表1的结果说明：当初始晶粒尺寸不同的试样在相同温度下加热保温时，如果初始晶粒大于稳态晶粒，则以晶粒尺寸减小的方式逐渐趋于稳态晶粒；如果初始晶粒小于稳态晶粒，则以晶粒尺寸增大的方式逐渐趋于稳态晶粒。显然，前者对应了静态再结晶的晶粒细化，这是因为试样的预变形为再结晶存贮了足够的应变能。 （2）在第2组转子钢26Cr2Ni4MoV的晶粒长大实验中，实验温度为950，1000，1050，1100和1150℃，加热保温时间为10ｈ，实验目的在于模拟转子锻造压实火次与成形火次之间的加热过程。每个温度下的实验都选择了在950℃ 分别经历了14％，32％，45％热变形的3种试样。３种试样的初始晶粒尺寸分别为：经历14％热变形的试样中，442μｍ的大晶粒占97.95％，63.8μｍ 的小晶粒占2.05％；经历32％热变形的试样中，159μｍ 的大晶粒占40％，45.5μｍ 的小晶粒占60％；经历45％热变形的试样中，全部为51μｍ 的小晶粒。这样选择试样是为了模拟压实工序后锻件不同部位经受不同变形和不同晶粒细化的事实，也是为了探讨不同的初始晶粒度分布对高温晶粒长大规律的影响。表2给出了26Cr2Ni4MoV转子钢在热变形以后加热保温10ｈ后的实验结果。 （3）在第3组转子钢26Cr2Ni4MoV 的晶粒长大实验中，实验温度分别为1000，1050，1100和1150℃，加热保温时间为10ｈ。所选试样经历的热变形温度分别为1000，1050和1100℃，晶粒的变形量分为小（4％～14％）和大（22％～51％）2种。（4）第4组实验为1200℃的保温实验，试样的初始平均晶粒度为34μｍ，最大晶粒度为100μｍ。 图2展示了上述第2、3、4组所有试样加热保温10ｈ晶粒长大后的平均晶粒尺寸与最大晶粒尺寸随加热温度变化的实验结果。实验结果表明，不同的初始晶粒度对加热10ｈ以后的晶粒长大结果没有明显影响。它们都发生了充分的静态再结晶和晶粒长大，原本不同的初始晶粒试样和试样内不均匀的晶粒组织变得趋于一致，且形状也变得更规则。当温度低于1050℃时，晶粒长大属于温度引起的正常长大，平均晶粒尺寸在200～300μｍ 之间，可以满足后续热处理正火工艺细化晶粒的要求。但是，当温度高于1050℃时出现个别晶粒的异常长大，最大晶粒尺寸在2ｍｍ 左右。这种异常长大的晶粒将给正火造成困难。 图3为在1200℃下26Cr2Ni4MoV 转子钢晶粒静态长大随时间变化的曲线，可见，当加热时间超过10ｈ后，晶粒将仍然继续长大。实验证明，在变形条件下，26Cr2Ni4MoV 转子钢还会出现晶粒动态长大，它对应多峰型应力应变曲线，出现的条件是lnZ≥21.35（其中Z为热研究中常用参数）。 按照300MW 火电汽轮机低压转子锻造的传统工艺参数，本文对锻件最后的压实火次和随后的加热过程进行了转子锻件温度场随时间变化的数值模拟。模拟过程中转子锻件外形如图4b所示。模拟结果表明，按照现行工艺操作，转子锻件心部的温度始终高于1150℃，说明加热过程中肯定会出现晶粒异常长大。在以后锻打两端台阶轴的成形火次中锻件轴身不变形，属于无应变加热状态，晶粒还会继续长大。这就给后续正火奠定了粗大晶粒的组织基础。也就确认了300MW 汽轮机低压转子产生混晶缺陷的主要原因。2.1 300ＭＷ低压转子预防混晶缺陷的锻造工艺措施
上述研究结果说明，预防混晶缺陷的关键是在锻造全过程中控制晶粒长大，确保后续热处理前转子锻件无粗大晶粒，为此建议如下具体工艺措施。在压实工序的各火次中，特别是在轴身拔长时，提高上砧的压下速度，即提高轴身心部的应变速率，完全避开高温低应变率时晶粒的动态长大。根据参考文献建议具体数据为：在1200℃时应变速率应大于10-4s-1，在1250℃时应变速率应大于10-3s-1。通过多开动一个工作缸或提高进水压力可以达到此目的。 在成形工序的各火次中，应控制轴身心部温度在1050℃左右，最高不能超过1150℃。数值模拟结果显示，无论是锻造过程中的空冷阶段还是回炉加热阶段，轴身心部温度变化不大。例如，在空冷后、入炉前转子心部温度超过1100℃，在入炉后10ｈ 的加热过程中，轴身心部温度只升高50～60℃。这说明仅通过缩短保温时间不能把轴身心部温度控制在1050℃左右。实验表明，一种可行的操作是：在最后压实火次完成以后、每次成形火次入炉加热之前，先将锻完的锻件空冷一段时间，使入炉前的轴身心部温度降至1050～1100℃以下；入炉加热后，要控制加热保温时间使轴身心部温度保持在1050℃左右。具体工艺数据要用数值模拟方法优化确定，优化的原则是锻件轴身心部温度＜1100℃，锻造开始时表面温度＞800℃，留给成形的时间＞1ｈ。 图4为从最后压实火次开始，300ＭＷ 火电汽轮机低压转子锻件各部位温度随时间的变化曲线，由这组温度曲线可以制订出相应的加热与空冷工艺参数，按照这组工艺参数进行锻造就可以避免300ＭＷ 低压转子产生混晶缺陷。 2005年～2006年在第一重机厂对上述建议的工艺措施进行了生产实验， 实验的产品号为04GFE2114和06GFE2043两根300ＭＷ 低压转子，所用的两根钢锭各重205ｔ。考虑到数值模拟的计算误差，根据厂方实际情况对初步工艺方案提出了补充和修改，生产验证实际执行的锻造工艺方案如表3所示。锻造工艺完成后执行正常热处理正火工艺，每正火一次，做一次超声探伤检查，如果缺陷超标再进行一次正火，如果合格转入下道热处理工序。 生产验证的结果是：第1号转子经过两次正火组织性能就达到了要求，比常规工艺减少了一次正火；第2次正火以后，第2号转子锻件心部超声探伤未发现任何缺陷，达到了实验目的，但在锻件一端出现一草状波缺陷，该缺陷与锻件心部混晶没有必然联系。为了消除此缺陷进行了第3次正火热处理，达到了组织性能的要求。这说明所建议的锻造工艺方案，可以防止锻件心部晶粒异常长大，为后续热处理奠定良好的微观基础，能够有效预防汽轮机低压转子锻件心部的混晶缺陷。 传统锻造工艺为保证消除混晶缺陷需要进行3次正火。本次生产实验证实，使用改进后的锻造工艺，2次正火就可消除混晶缺陷。与老工艺相比减少了1次正火，提高了生产效率，降低了能耗，经济效益和社会效益显著。图５显示了正待出炉的用于生产验证的两根转子锻件。2.3 1000ＭＷ 低压转子预防混晶缺预陷的锻造工艺措施 采用类似方法，本文得到了1000ＭＷ 核电汽轮机低压转子预防混晶缺陷的锻造工艺措施。优化的基本原则仍然是轴身心部温度＜1100℃，表面温度＞800℃，保证成形时间＞1ｈ。通过工艺数值模拟获得了满足如此条件的各成形火次的合理工艺参数。图6为优化后的1000ＭＷ 低压转子锻件各部位温度随时间变化曲线。表4列出了最后建议的保证锻件心部不出现晶粒异常长大的1000ＭＷ 低压转子成形火次的工艺参数。 为了验证上述预防混晶缺预陷的锻造工艺措施，本文应用数值模拟方法对1000ＭＷ 汽轮机低压转子锻造全过程进行了数值模拟和晶粒度演化预测，对比了新老工艺参数对晶粒度演化的影响。图7给出了第1道成形火次加热后新老工艺的锻件晶粒度分布，图8给出了第1道成形火次锻打第１周后新老工艺的锻件晶粒度分布。其中，方案1是原工厂老工艺，方案2为具有预防混晶缺陷功能的新工艺。 由于新工艺将锻件心部的温度控制在1150℃以下，最低值为1124℃，避免了晶粒异常长大，而老工艺锻件心部温度始终大于1200℃，最低值为1222℃，心部晶粒长大严重。因此，方案2的锻件心部晶粒度从未超过700μｍ，但是方案1的锻件心部晶粒则超过了2200μｍ。这就验证了所建议的锻造工艺措施可以预防1000 ＭＷ 汽轮机低压转子出现混晶缺陷。 通过转子钢26Cr2Ni4MoV 的晶粒长大实验和汽轮机低压转子锻件温度场的数值模拟，本文研究了大型汽轮机低压转子锻件心部产生混晶缺陷的原因，据此分别对300ＭＷ 火电汽轮机低压转子和1000ＭＷ 核电汽轮机低压转子建议了预防混晶缺陷的锻造工艺措施。这两项技术分别通过了生产实验验证和温度、晶粒度数值模拟的验证。相关技术已经申请并授权了2项发明专利：“消除大型转子锻件混晶缺陷工艺”和“1000ＭＷ 核电站汽轮机低压转子的锻造工艺”（参见文献），其中专利“１０００ＭＷ 核电站汽轮机低压转子的锻造工艺”中还包括了用FMV方法进行钢锭压实的技术。
来源：热加工论坛
点我访问原文链接
