26 高低压联合转子材料及热处理工艺研究_金嘉瑜

试验研究

高低压联合转子材料及热处理工艺研究

金嘉瑜

(中国第一重型机械集团公司冶金研究所,黑龙江161042)

荆天辅

(燕山大学材料科学与工程学院,河北066004)

摘　要　根据高低压联合转子使用特性和技术要求,设计了相应的2.5%C r N i M oV钢转子材料,并进行了相关的物理和工艺参数试验,对试验结果进行了对比和讨论,认为该材料适用于生产高低压联合转子。

关键词　高低压转子　2.5%C r N i M oV钢　热处理

T he P rocess R esearch fo r of T he H P&L P Jo in t

Ro to r M aterial and T he H eat T reatm en t

J i n J i ayu　J i ng T i anfu

Abstract　A cco rding to the characteristic and the technical specificati on of the H P&L P j o int ro to rs, the m aterial2.5%C r N i M oV fo r ro to rs has been developed,and relative m echanical and p rocess param eter tests have been perfo r m ed as w ell.T h is paper describes and contrast w ith the test results,w h ich confir m s that th is m aterial is suitable to the m anufacturing of the H P&L P ro to rs.

Key W ords　H P&L P Ro to r,2.5%C r N i M oV Steel,H eat T reatm ent.

1　前言

大容量汽轮机通常有高压、低压两根或两根以上的转子锻件。汽轮机组不同温度区段的汽缸中的转子锻件使用不同的材料制造。高、中压转子一般偏重考虑高温蠕变和持久强度,转子材料应该具有足够的强度、塑性和韧性,同时还应该有好的抗高温蠕变,持久强度和抗低周疲劳性能,所以都采用具有好的高温性能和淬透性的C r2M o2V合金钢。低压转子一般在350℃以下工作,但由于考虑到设计结构的要求和最后几级叶片的作用,因此低压转子一般重量重、直径大;要求制作低压转子的材料应具有很好的大截面淬透性,有高的强度和韧性的综合性能以及低的断口形貌转变温度和高的断裂韧性等。所以一般选用淬透性好的N i C r M oV钢作低压转子。

近年来,由于能源紧张等问题的日益突出,人们对大型火电发电设备的节能性提出了越来越高的要求。从节约能源、燃料的多样化、运转控制的多样化以及单机容量的大型化的观点来看,高低压联合转子构成的发电机组具有起动快、控制性能好、经济、使用寿命高的特点。因此,高低压联合转子的开发与使用便具有了重要的意义。

从80年代初起,美国、德国、英国和日本等国家就着手研究并制造了新型的高、低压一体化新型转子,使同一支转子分别兼具有高压转子和低压转子的性能[1]。目前国内尚没有开发出这种转子材料,所用转子完全依靠进口。为了满足开发新产品和拓宽市场的需要,我厂开始了高低压联合转子材料和工艺的研究。

大型铸锻件

2　转子材料成分设计

高低压联合转子的工作条件比较复杂,工作环境相差很大,转子两端的温度差高达几百度,因此要求转子两端具有不同的力学性能,即要求转子的高压端具有较好的高温性能,而低压端不但比以前转子更加大型化,而且应具有更好的室温强度和韧性,尤其是对FA T T50的要求更高。这就不能只靠通过热处理工艺方法的改变来实现,还必须研究相应的转子材料。现在用于高温的1%C r M oV钢转子锻件的持久强度优良,但韧性欠佳,而用于低温的3.5%N i C r M oV钢转子锻件韧性优良,但高温持久强度偏低。高低压联合转子要同时兼有高的持久强度与良好的韧性,而通常这是互相矛盾的两种性能[2]。如何调整合金成分使其在性能上兼顾这两种材料的优点,是研究高低压转子的关键。

根据合金元素铬、镍、钼、钒对钢的高温性能、常温性能、FA T T等各种性能的影响,综合1%C r M oV和3.5%N i C r M oV两种钢的成分,适当增加铬含量,以提高材料的高温强度和淬透性;适当降低镍含量,以减少其对高温性能的影响。但是考虑到降低镍含量对韧性和FA T T的影响较大,故通过调整其它合金元素进行补偿。按这个原则选择了几种材料成分组合进行模拟高压端和低压端性能热处理试验,从中选出合适的成分。另据资料介绍[3],当铬含量为2.5%, FA T T为-30℃时,屈服强度达到了一个最高点;铬含量减少时,其屈服强度增加。当铬量为2%～2.5%时,其持久强度不变,而铬量为3%时,其持久强度降低。根据试验和资料介绍的结果,我们选择了2.5%C r N i M oV的材料成分,作为生产高低压联合转子的材料,并进行了更详细的材料和工艺试验。

3　转子工艺研究

3.1　物理参数试验

在法国进口的D T1000高温膨胀仪上,进行了临界点和连续冷却转变曲线的测定,这对指导以后的工艺试验是有必要的。

3.2　工艺参数试验

高低压联合转子的不同性能单纯靠合金成分的调整是不能实现的,必须经过差温热处理,才能获得两端不同的性能。而正确选择高压、低压端的热处理工艺参数是差温热处理工艺研究的基础。

3.2.1　试验设备

试验设备选用模拟热处理炉,其最高加热温度为1300℃,最大冷速为100℃ m in。这种设备可以模拟大锻件的不同的冷却速度。

3.2.2　工艺试验方案

由于高低压联合转子两端不同的性能要求和两端不同的直径,为获得所需要的力学性能,必须采用分段热处理的方法对转子的高压端和低压端实施不同的热处理。结合高压转子和低压转子不同的热处理特点,对于高压端采用比较高的淬火温度和比较缓慢的冷却速度,从而获得好的高温性能;而对于低压端则采用相反的工艺方式来获得良好的综合力学性能。为了明确淬火温度、冷却速度和回火温度对转子不同部位的性能的影响,在模拟热处理炉中分别对转子高压端和低压端的热处理工艺参数进行系列试验。从中找出每个参数的影响程度,为确定热处理工艺提供依据。

3.2.3　试验结果及分析

1)为得到高、低压不同工艺参数下材料的转变特性,在分别对应于高压、低压端材料所需的淬火温度下进行物理性能试验。结果材料的转变点基本没有变化,在高温下的铁素体析出点比低温下的析出点右移。从曲线上看铁素体析出点比30C r1M o1V材料的明显右移,使钢的淬透性增加。

2)对于高压端转子来说,为获得高的持久强度,转子的奥氏体化温度选择比较高的温度区域,为950～970℃,淬火冷却条件为模拟 1200mm锻件的鼓风冷却速度。结果淬火温度的提高使屈服强度和抗拉强度均有所降低,强度波动较小且均满足技术要求。随着回火温度的提高,强度降低、韧性提高。对于低压端转子来说,为获得高的强度与韧性,转子的奥氏体化温度选择相对较低的温度900～920℃,淬火冷却模拟 1400mm、 1600mm锻件的喷水冷却速度。结果表明,在两种不同直径的模拟冷却中,由于淬火冷却速度的变化使两种截面获得的强度基本一样,由于冷却速度选择的原因,大直径的模拟

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