300MW汽轮机低压转子晶粒细化与均匀化的热处理工艺方法研究[1]

300M W汽轮机低压转子晶粒细化与均匀化的热处理工艺方法研究宋传宝　金嘉瑜　刘志颖(第一重型机械集团公司,黑龙江161042)郭培亮(哈尔滨汽轮机有限公司,黑龙江150040)摘　要　对30Cr2Ni4M o V钢的晶粒遗传现象进行讨论,通过对临界区高温侧多次正火、前处理、预备处理等可能消除或减少晶粒遗传的热处理方法进行了模拟试验及分析,根据模拟试验结果,对300M W 汽轮机低压转子进行了细化晶粒热处理的生产试验,确定了合理、有效的热处理工艺方法。

关键词　汽轮机低压转子　30Cr2N i4M oV钢　热处理　晶粒细化1　前言300MW汽轮机低压转子采用的材质为30Cr2Ni4Mo V钢。

具有淬透性高、综合机械性能好、热加工工艺性好等优点,但这种钢是本质粗晶粒钢,有较强的晶粒遗传现象,易产生晶粒粗大和混晶。

转子锻件在制造过程中要经过三次以上超声波探伤,探伤的起始灵敏度高,对材质衰减的要求很严格,因此要求转子锻件对超声波的穿透性要好,而晶粒细小是良好穿透性的必备条件,同时晶粒细小、均匀,可使转子锻件具有良好的冲击韧性、低的脆性转变温度,是满足转子技术要求的必要条件。

技术条件要求中心孔晶粒度≥3级,混晶≤2级。

由于汽轮机低压转子直径大,粗加工直径为 1850m m,锻件直径为 1920mm,是我公司现阶段生产的最大锻件,因此细化晶粒、消除混晶具有较大的难度。

为此,国家重大技术装备“八五”科技攻关项目“300M W、600MW发电机、汽轮机低压转子工艺完善化研究”的课题,将转子细化晶粒、消除混晶作为主要课题之一进行研究。

本文针对研究中的试验结果和生产试验情况进行了讨论。

很多研究工作者对该钢种细化晶粒机理和工艺方法进行了研究,据资料介绍,调整与细化晶粒的热处理工艺措施主要有:(1)提高 — 相变区加热速度这是细化晶粒的有效途径,当加热速度达到400℃/h时可不发生晶粒遗传现象,经正火后可得到细小均匀的晶粒。

但由于转子锻件截面大,加热速度不可能快,所以靠快速加热来细化晶粒是不可行的。

(2)多次正火多次正火是细化晶粒的有效途径之一,这已经在转子的生产实践中得到证明。

我公司生产中采用的三次正火工艺,可获得好的晶粒度,质量较稳定。

但这种工艺生产周期长、耗能大,有必要探索一种简化工艺。

(3)消除晶粒遗传的工艺方法对于该钢种的晶粒遗传机理的解释有很多种,有人认为钢中存在粗大的残余奥氏体针是产生晶粒遗传的主要原因之一;也有人认为马氏体、贝氏体针加热转变时在相变区的低温侧形成的奥氏体呈薄片状和母相保持K—S位向关系(称为恢复奥氏体),导致晶粒遗传。

针对上述原因,提出了多次高温回火、前处理等工艺方34大型铸锻件1998年第4期(总第82期)法,使残余奥氏体分解或使马氏体、贝氏体改变形态,形成无位向结构的珠光体组织。

结合上述原理,我们进行了临界高温侧多次正火、前处理、预备处理等试验,并与三次正火工艺的结果进行了比较,力求找出有效、合理的热处理工艺方法。

2　模拟试验2.1　试验设备试验用设备是从日本制钢所室兰工厂进口的“J ”型模拟热处理炉,该设备最大加热速度可达800℃/h ,冷却速度达6000℃/h ,温差±5℃,完全自动程序控制,可对大锻件的热处理加热、冷却过程进行模拟研究。

2.2　试验用材料试验用材料是在300M W 低压整体转子中心孔芯棒上切取,试料经过1200℃～1250℃粗化处理,粗化后晶粒度为1/2～0级。

2.3　模拟热处理试验及试验结果(1)临界区高温侧多次正火试验据有关资料,认为临界区高温侧正火可促使残余奥氏体分解, 组织发生回复再结晶和粒状奥氏体的大量形成,减弱组织遗传。

经过临界区多次高温侧正火处理,可明显地细化钢的奥氏体晶粒,我们对此进行了验证试验。

试验温度分别为730℃、770℃、790℃、810℃,每种温度分别进行一、二、三次正火试验。

试验工艺见图1,检验结果见表1。

图1　试验工艺表1　试验结果序号模拟热处理工艺(℃)晶粒度结果(级)备 注17301～0一次正火2730,730 1.5～1二次正火3730,730,7302～1.5三次正火47703～3.5,2.5～2一次正火5770,7704～4.5,3二次正火6770,770,7704.5～4,3.5～3三次正火7790 1.5,3～2.5一次正火8790,790 2.5～1.5,4.5～4二次正火9790,790,7903.5～4,3～2.5三次正火10810 2.5～2,4～5一次正火11810,8102～3,部分5二次正火12810,810,8102～1,部分3三次正火(2)前处理工艺试验前处理工艺的目的是使锻件在锻后先尽可能多地产生非位向结构的珠光体组织,并对随后过冷中生成的贝氏体组织进行等轴化处理,使贝氏体组织,特别是针状的下贝氏体组织中的铁素体失去原有形态而等轴化。

可使残余奥氏体的分解和 组织再结晶,而减弱组织遗传。

在进行了前处理后,再进行重结晶处理时,奥氏体的形核点将增加,其长大也不具有方向性,晶粒细化的效果增加。

根据有关资料,前处理(锻后先过冷,后升温到高温回火温度,保温到所需要的时间后,冷却至过冷温度,充分过冷后再升温进行正火)可有效地减少残余奥氏体的数量,减轻或避免晶粒遗传。

根据上述原理,进行了前处理工艺试验。

试验工艺见图2,根据工艺的不同阶段,采用不同的组合。

工艺方法和检验结果见表2。

模拟大锻件加热速度缓慢的特点,在易产生晶粒遗传的关键段650℃～800℃段升温速度控制在5℃/h 。

35大型铸锻件表2　检验结果试验编号模拟热处理工艺晶粒度结果(级)101A 段00102A 段+B 段0.5～0103A 段+B 段+C 段+D 段7.5104A 段+B 段+C 段+D 段+E 段 6.5～7105A 段+B 段+C 段+D 段4～3.5,6.5～6图2　前处理试验工艺图3　预备处理试验工艺图4　模拟现行工艺(3)预备处理试验有关资料认为,钢经高温回火与临界区正火后,将发生残余奥氏体薄膜减少和 相的回复与再结晶,并试验出高温回火+临界正火+正常正火的细化晶粒工艺。

我们对这种工艺和现行的三次正火工艺进行比较试验,两种试验工艺如图3,图4。

检验结果为:进行预备处理试验工艺结果晶粒度为2～2.5级,模拟现行工艺结果晶粒度为8级。

3　试验结果分析临界区高温侧多次正火试验结果(见表1)表明,在730℃时三次正火晶粒度几乎没有改变。

资料介绍690℃～730℃,等温只有片状奥氏体发展,温度越高,停留时间越长,片状奥氏体发展得越充分,遗传越严重。

770℃时,此温度下还没有完全形成恢复奥氏体,多次正火晶粒度略有改善但不明显。

790℃时,此温度下已经完全形成恢复奥氏体,并生成球状奥氏体,随着正火次数增加,晶粒逐渐细化,但有混晶。

810℃时,已经进入恢复奥氏体的再结晶温度,两次正火晶粒较好,但由于没有完全奥氏体化,有混晶现象。

由于是恢复奥氏体与球状奥氏体并存,不可避免要产生混晶。

几种温度的试验结果表明完全采用临界区高温正火细化晶粒是不可行的。

从上述试验结果看,达到细化晶粒和均匀化,必须在减少组织遗传的基础上,利用完全奥氏体化的过程来实现。

前处理工艺就是按这种思路进行试验的。

由前处理工艺试验结果(见表2)可见,试样105#只进行一次正火,细化效果不太好,有混晶。

说明一次正火后,还有少量的恢复奥氏体没有完全再结晶,产生晶粒遗传。

但程度相对减少,如再增加正火可能消除混晶并细化晶粒。

103#,104#试样经三次正火与两次正火细化效果基本一样。

可见前处理后进行两次正火已经完全可以消除晶粒遗传,其晶粒度与三次正火工艺处理的结果基本一致。

试验结果表明这种前处理加两次正火的工艺是可行的。

根据试验结果,可进行生产性试验。

预备处理工艺的晶粒比现行的三次正火工艺的晶粒粗很多,表明在770℃正火不能使恢361998年第4期复奥氏体产生再结晶,生成的恢复奥氏体在冷却中产生遗传。

只通过以后的一次正火很难消除。

这种工艺还不能用于生产试验,而这种临界区高温侧正火放在一次正火后,将有利于晶粒细化。

这种工艺需进一步试验后才能进行生产试验。

4　生产性试验工艺及结果300MW汽轮机转子锻件直径很大,特别是低压转子锻件直径达 1920mm,锻件在加热和冷却时心部的升温和降温速度都很慢,很容易产生晶粒遗传。

大型锻件的奥氏体晶粒的大小不仅取决于锻后热处理方法,同时与材料的成分、铸态原始粗晶、锻造工艺等有关。

300M W汽轮机低压转子采用205t钢锭,大型钢锭的成分偏析,结晶过程,特别是锻造过程要使整个锻件截面得到充分、有效和均匀的变形及较低的终锻温度,对奥氏体的晶粒都有很大影响。

由于转子锻件很大,不可能在一火出成品,转子各部分最后一火的变形程度不同,晶粒情况也不一样。

模拟试验的粗化处理表明,在锻造加热温度下,只保持1.5h,晶粒已长大到1～0级,说明在锻造加热温度,晶粒是很粗大的。

如果转子锻件的某一部分(如轴身等)或整个锻件在最后一火甚至两火无锻比或锻比太小,锻后其晶粒将很大。

锻后热处理必须采用适当的工艺措施。

模拟锻后热处理试验就是要探索出稳定、合理、节能的工艺方法。

模拟试验由于试验过程中加热、冷却速度、保温时间以及过冷时间和温度等不可能完全与实际工件一致,特别是模拟试验所用试样均为重新加热到1200℃～1250℃粗化试样,粗化后的晶粒较均匀,不可能与锻后的晶粒状态一致,所以模拟试验后的结果必须到实际生产中去实践。

由于转子锻件投入大、产值高,而锻后热处理直接影响产品的质量,生产中工艺的变化,特别是重大变化都必须有充分的试验依据。

根据模拟试验结果,在充分分析前处理工艺的影响后,首次在300M W低压转子的生产中应用了该工艺。

实际生产结果,转子中心晶粒度达到6～5.5级。

比三次正火工艺处理方法的结果还好。

完全满足转子锻件调质前探伤灵敏度和材质衰减的要求。

前处理加二次正火的工艺方法(简称前处理工艺),是在生产中应用的一种新的工艺方法,可以获得细小晶粒。

这种工艺可减少一次正火,缩短周期,节约能源,同时前处理温度与回火和待料温度相同。

为生产中的配炉提供了方便,还有扩氢效果。

增加中间回火的工艺方法也可以获得细小晶粒。

这种工艺为生产中因设备故障能源问题等现象,需要缩短周期,而必须采取临时措施,奠定了基础。

5　结论(1)模拟试验表明预备处理工艺和临界区高温多次正火工艺细化晶粒效果不明显,不能完全消除晶粒遗传,不能满足技术要求。

(2)前处理工艺可以获得细小晶粒,并可缩短周期,节约能源,可在生产中推广应用。

(3)300M W低压转子采用前处理工艺生产,可获得与三次正火相同的工艺效果,具有显著的经济效益。

可推广到其它产品中。

参考文献1　东北重型机械学院等编,大锻件热处理,机械工业出版社2　吴景之等,26Cr2Ni4M oV钢的晶粒遗传,金属热处理, 1984,43　徐彦和等,钢的原始组织状态对奥氏体化及再结晶过程的影响,大型铸锻件,1985,3(1998年10月29日收稿) 责任编辑　傅冬梅 37大型铸锻件。