0 引 言

隨著技術(shù)的發(fā)展和人們環(huán)保意識的增強(qiáng)，對火力發(fā)電設(shè)備節(jié)能減排的要求也越來越高，因此超超臨界火力發(fā)電機(jī)組的研究成為熱門。直至20世紀(jì)80年代末至90年代初，美、日、德等國成功研制了一批可以在超超臨界機(jī)組安全運(yùn)行的高溫性能良好的轉(zhuǎn)子鍛件用鋼，并形成了專用材料標(biāo)準(zhǔn)，之后世界即有大批超臨界和超超臨界機(jī)組投入運(yùn)行。

超超臨界汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組發(fā)電煤耗低于300g/kWh，比同等容量的亞臨界機(jī)組每度電少耗煤20g左右，這大大的減少對環(huán)境的污染排放，有利于人類的身體健康和自然界的生態(tài)環(huán)境。據(jù)有關(guān)資料分析表明，一臺年運(yùn)行為7 500 h的650MW機(jī)組，如果采用27MPa/580℃/600℃的超超臨界參數(shù)，將比參數(shù)為18MPa/540℃/540℃的亞臨界機(jī)組年節(jié)省煤炭97 500 t，少排放CO2氣體270 000 t。同時(shí)超超臨界汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組可以比亞臨界機(jī)組效率提高20%以上，具有明顯的高效、節(jié)能和環(huán)保優(yōu)勢，已成為當(dāng)今發(fā)達(dá)國家競相采用和發(fā)展的新技術(shù)。

目前我國超超臨界汽輪機(jī)的蒸汽溫度已達(dá)到600℃、蒸汽壓力為25～28MPa，隨著對火電機(jī)組發(fā)電功率和發(fā)電效率不斷提高的要求，對機(jī)組部件核心鍛件轉(zhuǎn)子材料性能提出了極高的要求。1000MW超超臨界汽輪機(jī)高中壓轉(zhuǎn)子鍛件材料采用多元強(qiáng)化的高合金耐熱鋼，低壓轉(zhuǎn)子的尺寸更大，所需鋼錠重量更重，純凈度要求也更高。國外的生產(chǎn)技術(shù)雖然比較成熟，但尚在持續(xù)研究，而國內(nèi)尚不能穩(wěn)定生產(chǎn)，基本依靠進(jìn)口。對1000MW汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子高壓、中壓和低壓鍛件進(jìn)行研制，打破國外企業(yè)技術(shù)壟斷，實(shí)現(xiàn)超超臨界機(jī)組轉(zhuǎn)子鍛件國產(chǎn)化的大勢所需，是非常必要的。

為了加快提高上海電氣在超超臨界百萬等級火力發(fā)電設(shè)備的制造能力，推進(jìn)我國新型先進(jìn)電力設(shè)備的技術(shù)發(fā)展和清潔能源高效電廠的建設(shè)，最大限度地滿足國民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的需要，上海重型機(jī)器廠有限公司積極自主創(chuàng)新，從2008年開始對1000MW級超超臨界汽輪機(jī)大型轉(zhuǎn)子鍛件進(jìn)行國產(chǎn)化制造技術(shù)研究并開展產(chǎn)品試制，以期盡快突破百萬等級超超臨界汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子鍛件制造技術(shù)瓶頸，提升企業(yè)產(chǎn)品技術(shù)等級和市場競爭力。

本文以汽輪機(jī)廠1000MW級超超臨界高壓、中壓和低壓轉(zhuǎn)子為依托產(chǎn)品，介紹1000MW級超超臨界火電轉(zhuǎn)子鍛件的特點(diǎn)和在冶煉、鍛造、熱處理等工藝技術(shù)方面的主要研究內(nèi)容。

1 1000MW超超臨界汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子鍛件介紹

汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子是火電設(shè)備四大鍛件之一，是汽輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部分的主體，由于轉(zhuǎn)子在高溫、潮濕、復(fù)雜應(yīng)力條件下工作，所以質(zhì)量要求很高，制造技術(shù)含量高，材料、工藝、檢測方法等都比較復(fù)雜。

上海汽輪機(jī)廠的1000MW超超臨界汽輪機(jī)組包括一根高壓轉(zhuǎn)子、一根中壓轉(zhuǎn)子和兩根低壓轉(zhuǎn)子，三維立體視圖見圖1。

高壓轉(zhuǎn)子、中壓轉(zhuǎn)子和低壓轉(zhuǎn)子的基本參數(shù)見表1。

圖1 汽輪發(fā)電機(jī)組三維示意

表1 1000MW超超臨界汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子基本參數(shù)

2 MW級汽輪機(jī)高、中壓轉(zhuǎn)子鍛件研制

2.1 高中壓轉(zhuǎn)子技術(shù)要求

高、中壓轉(zhuǎn)子鍛件在材料設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)目標(biāo)如下：

(1)600℃時(shí)具有良好的持久強(qiáng)度，100 000h蠕變持久強(qiáng)度大約為90～100 MPa。

(2)足夠高的室溫強(qiáng)度，屈服強(qiáng)度下限為700MPa。

(3)良好的蠕變塑性（持久斷裂的延伸率＞10%），無蠕變?nèi)笨诿舾行浴?/p>

(4)足夠好的淬透性，直徑1.2 m的轉(zhuǎn)子鍛件能淬透。

(5)高溫長期工作具有良好的組織穩(wěn)定性。

(6)良好的抗氧化性和耐腐蝕性能。

(7)良好的斷裂韌性，與傳統(tǒng)的12%CrMoV和1%CrMoV鋼相當(dāng)。材料選用X12CrMoWVNbN10-1-1，鍛件技術(shù)要求主要有：

表2 化學(xué)成分要求（wt%）

(1)制造工藝要求

轉(zhuǎn)子鍛件用鋼需采用真空碳脫氧VCD或電渣重熔ESR精煉；采用足夠的噸位的鍛壓機(jī)使整個(gè)鍛件均勻，鍛透；熱處理時(shí)垂直液淬，使轉(zhuǎn)子心部完全馬氏體相變且需要采用二次回火溫度，保證表面能獲得最小殘余應(yīng)力。

(2)化學(xué)成分要求

要求對每爐鋼水進(jìn)行熔煉分析和成品分析，分析結(jié)果見表1，表2規(guī)定。

表2 成品氣體含量要求

(3)機(jī)械性能要求

表3 切向力學(xué)性能要求

表4 芯棒室溫徑向性能要求

表5 芯棒高溫持久性能要求

2.2 高中壓轉(zhuǎn)子研制技術(shù)難度

1000MW超超臨界高、中壓轉(zhuǎn)子鍛件材料為X12CrMoWVNbN10-1-1，屬多元強(qiáng)化的高合金耐熱鋼。該材料合金元素多，且范圍狹窄、成分配比復(fù)雜。對冶煉、鍛造以及熱處理等熱加工工藝控制和設(shè)備條件提出了更高、更苛刻的要求。

(1)電渣重熔技術(shù)

高、中壓轉(zhuǎn)子鍛件產(chǎn)品質(zhì)量要求高，所需鋼錠很大，多元高合金鋼材料合金元素種類多且復(fù)雜，鋼水粘度高、導(dǎo)熱性差，成分控制范圍窄，精煉過程持續(xù)時(shí)間長，鋼種純凈度、成分均勻性、穩(wěn)定性要求都很高，冶煉難度非常大，而且脫氧控制低Si、低Al，電渣重熔脫氧難度非常大。

(2)鍛造技術(shù)

高、中壓轉(zhuǎn)子鍛件材料鍛造溫度范圍很窄，加熱均勻性要求高，極易鍛裂。鍛壓時(shí)應(yīng)變抗力大，有裂紋難以清理。既要防止鍛造過程中鍛裂，又要保證轉(zhuǎn)子全截面鍛透，避免產(chǎn)生中心疏松等缺陷。

(3)熱處理技術(shù)

高、中壓轉(zhuǎn)子鍛件材料用鋼屬高淬透性馬氏體不銹鋼，組織遺傳傾向很大，轉(zhuǎn)子鍛造完成時(shí)晶粒不均勻情況比較嚴(yán)重，為提高轉(zhuǎn)子鍛件超聲波檢測性能，必須準(zhǔn)確控制轉(zhuǎn)子熱處理晶粒。該鋼種奧氏體化溫度高且對爐溫均勻性要求很苛刻，熱處理液體淬火時(shí)也極易開裂，既要防止熱處理開裂，也要使轉(zhuǎn)子全截面淬透，并獲得均勻的回火馬氏體組織，熱處理工藝設(shè)計(jì)難度大。

2.3 高中壓轉(zhuǎn)子工藝控制

高中壓轉(zhuǎn)子鍛件制造工藝流程為：

電渣重熔→鍛造→鍛后熱處理→加工→性能熱處理→加工→超聲波探傷→取樣測試→半精加工→除應(yīng)力處理→精加工→磁粉檢測→最終檢查→成品。

2.3.1 電渣重熔

通過工藝試驗(yàn)和研究對重熔工藝設(shè)計(jì)，設(shè)備工裝改進(jìn)和加強(qiáng)現(xiàn)場控制等方面改進(jìn)轉(zhuǎn)子鋼錠冶煉，主要的工藝參數(shù)設(shè)計(jì)優(yōu)化如下：

(1)優(yōu)選自耗電極的成分和配對組合。

(2)優(yōu)化渣料配比。

(3)優(yōu)化熔化和凝固速率。

(4)全過程采用惰性氣體保護(hù)。

(5)優(yōu)化脫氧參數(shù)，精細(xì)化控制脫氧劑。

圖2 電渣重熔鑄錠

2.3.2 鍛壓（見圖3、圖4）

根據(jù)高中壓轉(zhuǎn)子材料合適的鍛造工藝溫度區(qū)間，合理設(shè)計(jì)鍛造始鍛和終鍛溫度，確定鍛造各階段保溫時(shí)間，使多元合金成分均勻擴(kuò)散，組織相對均衡；通過壓機(jī)、操作機(jī)聯(lián)動(dòng)作業(yè)，采用無鉗把鍛造工藝，精密控制滾壓，鐓粗、拔長、成型各工序，防止鍛裂并保證心部足夠的鍛造比，打碎鋼錠內(nèi)部粗大柱狀晶，鍛合鋼錠內(nèi)部縮松、縮孔等缺陷。

圖3 165MN自由鍛造油壓機(jī)和630t·m操作機(jī)聯(lián)動(dòng)操作

圖4 超超臨界高、中壓轉(zhuǎn)子鍛件成型

2.3.3 熱處理

(1）鍛后熱處理工藝

通過工藝模擬試驗(yàn)和不斷觀察、測定、修正，確定X12CrMoWVNbN10-1-1鋼的等溫轉(zhuǎn)變曲線（TTT曲線），如圖5所示。

圖5 X12CrMoWVNbN10-1-1鋼TTT曲線

根據(jù)上述TTT曲線及模擬試驗(yàn)，確定鍛后熱處理工藝，使轉(zhuǎn)子鍛件獲得完全擴(kuò)散型平衡相變組織，有效切除鍛造過程中粗大的組織遺傳，達(dá)到了細(xì)化轉(zhuǎn)子晶粒，提高超聲波可探性的目的。

(2)性能熱處理工藝

通過測定高、中壓轉(zhuǎn)子材料基本相變點(diǎn)及奧氏體晶粒度等溫長大規(guī)律（見圖6），計(jì)算機(jī)模擬實(shí)際淬火冷卻速度，不斷摸索和工藝試驗(yàn)，確定了滿足轉(zhuǎn)子性能要求的性能熱處理工藝，高、中壓轉(zhuǎn)子淬火和回火出爐狀況見圖7。

圖6 高、中壓轉(zhuǎn)子鋼奧氏體晶粒等溫長大曲線

2.4 高、中壓轉(zhuǎn)子性能檢驗(yàn)

(1)化學(xué)成分檢驗(yàn)

圖7 超超臨界高、中壓淬火和回火出爐狀況

表6 成品化學(xué)成分檢測結(jié)果（wt%）

表7 氣體含量檢測

(2)力學(xué)性能檢驗(yàn)

表8 超超臨界高壓轉(zhuǎn)子室溫力學(xué)性能

表9 超超臨界高壓轉(zhuǎn)子芯棒高溫持久性能

上海重型機(jī)器廠有限公司在1000MW級超超臨界高、中壓轉(zhuǎn)子鍛件研制，通過產(chǎn)學(xué)研結(jié)合，自主創(chuàng)新，攻克技術(shù)難題，取得突破，高、中壓轉(zhuǎn)子產(chǎn)品滿足訂貨技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平。

3 MW級汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子鍛件研制

3.1 低壓轉(zhuǎn)子技術(shù)要求

低壓轉(zhuǎn)子選用純凈鋼26NiCrMoV14-5材料。選材主要依據(jù)低壓轉(zhuǎn)子應(yīng)用環(huán)境要求材料：

(1)高強(qiáng)度、高塑性、高韌性，具有良好的斷裂韌性。

(2)良好的疲勞強(qiáng)度和抗疲勞裂紋擴(kuò)展能力。

(3)良好的抗腐蝕性（局部腐蝕、應(yīng)力腐蝕開裂、腐蝕疲勞、沖蝕）。

由于3.5%NiCrMoV鋼具有上述優(yōu)良特性，為世界上各大汽輪機(jī)制造廠大型整鍛低壓轉(zhuǎn)子用鋼的首選。

(1)制造工藝要求

轉(zhuǎn)子鍛件用鋼需采用真空碳脫氧；采用足夠的噸位的鍛壓機(jī)使整個(gè)鍛件鍛透，均勻；熱處理時(shí)垂直水淬，使轉(zhuǎn)子體中心溫度冷卻＜80℃，選擇合理的回火溫度和冷卻速度，使達(dá)到最小殘余應(yīng)力。

(2)化學(xué)成分要求

要求對每爐鋼水進(jìn)行熔煉分析和成品分析，分析結(jié)果應(yīng)符合表10、表11規(guī)定。

表10 化學(xué)分析要求 (wt %)

表11 氣體分析要求 (×10-6)

(3)力學(xué)性能要求

力學(xué)性能需滿足表12所示，且切向試樣RP0.2和Rm離散值均不可超過50MPa。

表12 力學(xué)性能要求

(4)無損探傷

超聲波探傷和磁粉探傷標(biāo)準(zhǔn)滿足西門子PS-0.0004標(biāo)準(zhǔn)最新版要求，對判定缺陷要求高。

3.2 低壓轉(zhuǎn)子研制技術(shù)難度

1000MW超超臨界低壓轉(zhuǎn)子要求鍛件材料純凈度高，力學(xué)性能綜合要求高且均勻性好，良好的斷裂韌性和抗疲勞性能，組織晶粒均勻細(xì)小，殘余應(yīng)力值更低，且要求有一定的抗回火脆性和耐腐蝕性能。相比300～600MW而言，轉(zhuǎn)子直徑更大，所需鋼錠重量更重，純凈度要求更高，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)都有所提升，對冶煉、鍛造、熱處理和取樣等工藝設(shè)計(jì)和設(shè)備控制提出了更加復(fù)雜和精密的要求。

(1)冶煉技術(shù)

1000MW超超臨界低壓轉(zhuǎn)子鍛件產(chǎn)品所需的鋼錠噸位為300t級，鋼錠成分需要進(jìn)行反偏析控制確保轉(zhuǎn)子鍛件均勻，氣體和殘余元素含量要降到很低，真空處理和脫硫、脫磷操作要很徹底，鋼液流動(dòng)的整個(gè)系統(tǒng)須保證十分純凈，整個(gè)冶煉過程多包合澆，操作連續(xù)，周期長，控制難度很大。

(2)鍛造技術(shù)

低壓轉(zhuǎn)子鋼錠由于噸位大，全截面均勻性要求高，需要進(jìn)行多次鐓拔使鋼錠中粗大的鑄態(tài)結(jié)構(gòu)、疏松、夾雜、孔洞等冶金缺陷，通過鍛造熱變形加以鍛合消除或改善，并嚴(yán)防內(nèi)部萌生新裂紋，使轉(zhuǎn)子心部鍛透、鍛實(shí)，以達(dá)到滿足力學(xué)性能的要求,尤其是材料均勻性。通過均勻變形和精密成型，改善組織狀態(tài)和毛坯表面質(zhì)量。

(3)熱處理技術(shù)

低壓轉(zhuǎn)子材料含Ni、Cr等合金元素含量高，鍛造冷卻后得到的非平衡組織，容易恢復(fù)為粗大的原始奧氏體晶粒，改造和細(xì)化晶粒難度大。轉(zhuǎn)子淬火直徑將近2m，芯部和表面由于熱處理加熱和冷卻速度各不相同，既要防止整個(gè)淬回火過程復(fù)合應(yīng)力產(chǎn)生裂紋，又要使全截面淬透，組織、性能均勻性符合要求，對熱處理工藝設(shè)計(jì)和轉(zhuǎn)子冶金質(zhì)量提出了非常高的要求。

(4)加工技術(shù)

低壓轉(zhuǎn)子毛坯和產(chǎn)品重量很重，且在轉(zhuǎn)子軸身中部和端部中心深盲孔進(jìn)行套料取樣，需要設(shè)計(jì)專用的套料及扭斷工具，并合理設(shè)計(jì)深孔擴(kuò)孔、砂光等精加工工藝方法和手段滿足中心深盲孔高精度要求。

3.3 低壓轉(zhuǎn)子工藝控制

低壓壓轉(zhuǎn)子鍛件制造工藝流程為：

真空冶煉→鍛造→鍛后熱處理→加工→性能熱處理→加工→超聲波探傷→取樣測試（→半精加工→除應(yīng)力處理）→精加工→磁粉檢測→最終檢查→成品。

3.3.1 冶煉

通過鋼錠錠型選擇，成分優(yōu)化配比，C、Mo反偏析補(bǔ)償控制，殘余元素和低H、低O控制，改進(jìn)澆注參數(shù)等工藝措施，加強(qiáng)現(xiàn)場操作，進(jìn)行鋼水粗煉、精煉和澆注，完成鋼錠凝固并脫模。圖8為低壓轉(zhuǎn)子鋼錠。

圖8 低壓轉(zhuǎn)子鋼錠

3.3.2 鍛壓

通過前期計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬和物理模擬，確定“鐓粗+寬砧強(qiáng)壓（WHF法）+中心壓實(shí)（JTS法）”的鍛造工藝方法，確定始鍛和終鍛溫度，確定采用上平下V型砧成型等措施，徹底破碎鑄造組織、鍛合內(nèi)部孔隙性缺陷，使鍛件心部鍛透、壓實(shí)，表面質(zhì)量和表面裂紋得到有效控制。鍛造最終成型見圖9所示。多次正回火工藝，利用多次相變重結(jié)晶，利用晶粒邊界效應(yīng)來細(xì)化奧氏體晶粒，提高超聲波探傷性能。根據(jù)材料CCT曲線，對轉(zhuǎn)子全截面淬火噴水過程不同位置的冷卻進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬（見圖10），通過深冷、激冷控制，確保轉(zhuǎn)子心部淬透。轉(zhuǎn)子性能熱處理出爐狀態(tài)見圖11。

圖9 鍛造成型的1000MW超超臨界低壓轉(zhuǎn)子

圖10 轉(zhuǎn)子冷卻曲線模擬

圖11 低壓轉(zhuǎn)子淬火出爐

3.3.3 熱處理

通過計(jì)算機(jī)模擬研究和熱處理工藝試驗(yàn)，確定

3.4 低壓轉(zhuǎn)子性能檢驗(yàn)

(1)化學(xué)成分檢驗(yàn)

表13 低壓轉(zhuǎn)子成品分析（wt %）

表14 低壓轉(zhuǎn)子氣體分析

(2)機(jī)械性能

表15 低壓轉(zhuǎn)子力學(xué)性能

上海重型機(jī)器廠有限公司通過1000MW級超超臨界低壓轉(zhuǎn)子鍛件研制，產(chǎn)品均滿足了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求，達(dá)到了國外同類轉(zhuǎn)子鍛件制造水平，特別是探傷質(zhì)量及中心徑向性能、FATT等部分指標(biāo)達(dá)到世界先進(jìn)水平。

4 結(jié) 語

上海重型機(jī)器廠有限公司通過自主創(chuàng)新，立足產(chǎn)學(xué)研結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了1000MW超超臨界汽輪機(jī)高、中、低壓轉(zhuǎn)子鍛件的研制成功，成為國內(nèi)有能力制造1000MW級超超臨界低壓轉(zhuǎn)子的廠商之一，打破了國外的技術(shù)壟斷，降低電站的建設(shè)成本，疏通了特大型轉(zhuǎn)子鍛件的制造瓶頸，為我國特大型汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子鍛件的國產(chǎn)化，加快國家能源建設(shè)的步伐奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，同時(shí)也標(biāo)志著上海重型機(jī)器廠有限公司的電站轉(zhuǎn)子鍛件制造技術(shù)水平和產(chǎn)品質(zhì)量等級又上了一個(gè)新臺階。