徐文正

(上海電氣上重鑄鍛有限公司，200240)

護(hù)環(huán)是發(fā)電機(jī)組中最關(guān)鍵的部件之一，是用來(lái)緊箍發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子兩端繞組線圈的圓環(huán)，形狀簡(jiǎn)單，但是工作時(shí)承受裝配應(yīng)力、離心力、彎曲應(yīng)力和熱應(yīng)力等，是發(fā)電機(jī)組中承受應(yīng)力最大的主要部件。所以護(hù)環(huán)要求具有較高的屈服強(qiáng)度、良好的塑性指標(biāo)、均勻的力學(xué)性能和較小的殘余應(yīng)力。一般功率在300 MW以上的大型機(jī)組護(hù)環(huán)，其屈服強(qiáng)度Rp0.2都在1000 MPa以上。護(hù)環(huán)在強(qiáng)磁場(chǎng)、潮濕的腐蝕介質(zhì)中工作，為了提高發(fā)電機(jī)的效率，減少漏磁和渦流熱損耗，防止工作溫度過(guò)高，護(hù)環(huán)通常采用導(dǎo)磁率極低的1Mn18Cr18N奧氏體鋼制造。某公司根據(jù)用戶要求，通過(guò)對(duì)該材料進(jìn)行分析研究，結(jié)合早期的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，制定了合理的生產(chǎn)試制工藝，并完成了小批量的300 MW水氫冷護(hù)環(huán)鍛件試制。

1 試制工藝

1.1工藝流程

根據(jù)1Mn18Cr18N的鋼種特性，制定了如下生產(chǎn)工藝路線：電渣重熔→鍛造→固溶處理→取樣檢測(cè)→冷變形強(qiáng)化→除應(yīng)力處理→取樣檢測(cè)。

1.2 冶煉

護(hù)環(huán)用1Mn18Cr18N鋼的元素要求特殊，高錳高鉻低硅低鋁，N高達(dá)0.50%以上，化學(xué)成分的控制范圍又非常狹窄。因此，電渣重熔過(guò)程的控制難度很大，稍有不慎就可能導(dǎo)致成分超標(biāo)報(bào)廢。為此，在護(hù)環(huán)用1Mn18Cr18N電渣鋼錠的試制中，采取以下一些措施。

(1)根據(jù)成品的成分要求及電渣重熔過(guò)程各元素的物理化學(xué)變化行為，優(yōu)化設(shè)計(jì)自耗電極的化學(xué)成分要求。

(2)全過(guò)程跟蹤自耗電極的生產(chǎn)制備，對(duì)每一爐自耗電極都進(jìn)行成分復(fù)驗(yàn)，不合格者退回，從源頭上控制好質(zhì)量。

(3)針對(duì)該鋼種的特殊性，優(yōu)化了電渣重熔工藝參數(shù)；電渣重熔全過(guò)程采用干燥空氣保護(hù)技術(shù)。同時(shí)，工藝技術(shù)人員現(xiàn)場(chǎng)跟班，精心操作，重熔過(guò)程定時(shí)取樣分析，動(dòng)態(tài)調(diào)整脫氧劑加入量。

采用電渣重熔方式冶煉護(hù)環(huán)試制件的鋼錠。電渣重熔冶煉的初步工藝流程為：EF+ESR，具體流程為：電極準(zhǔn)備→通電→造渣→冶煉、熔化→測(cè)溫→取渣樣→加脫氧劑→補(bǔ)縮→脫氧→脫錠。

表1 護(hù)環(huán)化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical composition of retaining ring(mass fraction，%)

通過(guò)以上各項(xiàng)措施，生產(chǎn)了兩支8.5 t 300 MW水氫冷護(hù)環(huán)用1Mn18Cr18N電渣錠，化學(xué)成分滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，具體檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。

1.3 鍛造

鍛造是護(hù)環(huán)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中最關(guān)鍵的工序之一。通過(guò)鍛造不僅要保證護(hù)環(huán)毛坯成形，更主要的是護(hù)環(huán)內(nèi)部組織細(xì)化和均勻晶粒，提高護(hù)環(huán)脹形前的初始強(qiáng)度，保證護(hù)環(huán)最終達(dá)到較高的強(qiáng)度并具備較好的塑性，同時(shí)滿足超聲檢測(cè)的要求。

鍛造1Mn18Cr18N護(hù)環(huán)存在相當(dāng)?shù)碾y度。一方面由于護(hù)環(huán)材料的合金含量高，鍛造裂紋明顯增多，鍛件出現(xiàn)開裂的機(jī)會(huì)大大增加；另一方面，護(hù)環(huán)鋼本身屬本質(zhì)粗晶粒鋼，而1Mn18Cr18N護(hù)環(huán)當(dāng)鍛造溫度大于1100℃時(shí)，晶粒長(zhǎng)大傾向明顯；當(dāng)鍛造溫度大于1200℃時(shí)，晶粒長(zhǎng)大急劇。同時(shí)，當(dāng)鍛造溫度低于1000℃時(shí)，護(hù)環(huán)熱坯變形抗力增大，使得在有限的壓力下護(hù)環(huán)變形趨于困難。

為了攻克護(hù)環(huán)鍛造難關(guān)，在工藝上采取了以下幾條措施并獲得了理想的效果。300 MW水氫冷護(hù)環(huán)毛坯尺寸見(jiàn)圖1，鍛造工藝方案見(jiàn)表2。

圖1 護(hù)環(huán)鍛件毛坯尺寸Figure 1 The block size of retaining ring forgings

表2 護(hù)環(huán)熱鍛工藝方案Table 2 The forging process plan for retaining ring

(1)小變形、多火次中溫區(qū)鍛造

選擇1190～950℃為主要鍛造溫度區(qū)域，同時(shí)采用小變形、多火次鍛造，這樣不僅減少了鍛件裂紋，而且保證了護(hù)環(huán)晶粒度的要求。

(2)均勻變形

為了保證護(hù)環(huán)晶粒度的均勻性，在護(hù)環(huán)的整個(gè)熱變形過(guò)程中，嚴(yán)格控制各火次的變形程度。除鐓粗比以外，其余各火次的鍛造比一般在1.3～1.4范圍內(nèi)。

1.4 固溶處理

1Mn18Cr18N鋼在加熱過(guò)程中不發(fā)生相變，是單相奧氏體鋼。所以通常應(yīng)使熱加工過(guò)程中產(chǎn)生的碳化物經(jīng)過(guò)高溫固溶處理進(jìn)入奧氏體，然后把碳呈固溶狀態(tài)的奧氏體組織進(jìn)行快冷保留到室溫，以提高材料的塑韌性和抗應(yīng)力腐蝕能力。固溶處理工藝如圖2所示。

圖2 護(hù)環(huán)固溶處理工藝曲線Figure 2 The solution heat treatment of retaining ring

固溶處理后對(duì)護(hù)環(huán)進(jìn)行檢測(cè)，護(hù)環(huán)試制件1的檢測(cè)靈敏度為?3 mm，出現(xiàn)一處底波下降區(qū)域，護(hù)環(huán)試制件2的檢測(cè)靈敏度為?1.8～?2.0 mm，兩件護(hù)環(huán)均未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷。經(jīng)分析，由于鍛造加熱過(guò)程中的異常，導(dǎo)致護(hù)環(huán)試制件1表面出現(xiàn)“太陽(yáng)斑”現(xiàn)象，致使其檢測(cè)靈敏度較低且出現(xiàn)底波下降。

對(duì)兩件護(hù)環(huán)冒口端進(jìn)行性能及組織檢測(cè)，僅發(fā)現(xiàn)微量碳化物，晶粒度情況良好，脹形前初始強(qiáng)度較高，具體結(jié)果見(jiàn)表3。同時(shí)，對(duì)護(hù)環(huán)試制件2從外壁至內(nèi)壁每隔25 mm進(jìn)行晶粒度檢測(cè)，如表4所示，金相照片如圖3所示。由此可見(jiàn)，通過(guò)護(hù)環(huán)熱鍛及后續(xù)固溶處理后，可以得到穩(wěn)定的奧氏體，晶粒度均勻性也較好。

1.5 冷變形強(qiáng)化

冷變形強(qiáng)化的目的是通過(guò)適當(dāng)?shù)睦渥冃畏绞?，使護(hù)環(huán)在冷擴(kuò)孔變形中得以強(qiáng)化，以保證護(hù)環(huán)獲得最終交貨尺寸的同時(shí)，達(dá)到產(chǎn)品的性能要求。

護(hù)環(huán)試制件擬定采用外補(bǔ)液的冷變形強(qiáng)化方法，其脹形原理是：在加工好的護(hù)環(huán)毛坯內(nèi)注滿液體，并使液體產(chǎn)生高壓，高壓液體產(chǎn)生的變形力使護(hù)環(huán)毛坯在冷態(tài)下產(chǎn)生永久性塑性變形，隨著護(hù)環(huán)毛坯變形程度的增大，直徑變大、高度縮小、厚度減薄，其強(qiáng)度顯著提高。護(hù)環(huán)脹形前后毛坯尺寸如圖4所示。

表3 護(hù)環(huán)脹形前性能及晶粒度Table 3 Performance and grain size of retaining ring before hydraulic expansion with additional liquid

圖3 護(hù)環(huán)冒口端從外壁至內(nèi)壁晶粒度Figure 3 The outer wall to inner wall grain size of the retaining ring riser head

表4 護(hù)環(huán)冒口端徑向從外壁至內(nèi)壁晶粒度Table 4 The outer wall to inner wall grain size in radial of the retaining ring riser head

圖4 護(hù)環(huán)脹形前后毛坯尺寸Figure 4 The blank size of retaining ring before and after hydraulic expansion with additional liquid

圖5 護(hù)環(huán)除應(yīng)力工藝曲線Figure 5 The stress relief heat treatment of retaining ring

在護(hù)環(huán)脹形過(guò)程中，根據(jù)護(hù)環(huán)外徑尺寸的變化情況，調(diào)整脹形裝置的壓力和兩端阻力環(huán)的高度尺寸。脹形后，護(hù)環(huán)兩端尺寸基本相同，且整體外徑偏差均在18 mm以內(nèi)。

1.6 除應(yīng)力處理

冷變形強(qiáng)化后的護(hù)環(huán)，由于冷變形過(guò)程中造成比較高的殘余應(yīng)力。為了穩(wěn)定護(hù)環(huán)冷變形后的尺寸，必須消除大部分殘余應(yīng)力，并使其呈較均勻的分布狀態(tài)。除應(yīng)力工藝如圖5所示。

表5 力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果Table 5 The examination results of mechanical property

圖6 護(hù)環(huán)脹形后組織Figure 6 The microstructure of retaining ring after hydraulic expansion with additional liquid

對(duì)護(hù)環(huán)試制件1的冒口端、護(hù)環(huán)試制件2的兩端取樣進(jìn)行性能檢測(cè)，見(jiàn)表5。由于護(hù)環(huán)試制件1脹形外徑尺寸沒(méi)有到位、其中徑變形量不足，致使強(qiáng)度偏低，但其塑性指標(biāo)富余較多。若對(duì)其繼續(xù)脹形，性能完全可以滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。護(hù)環(huán)試制件2的冒口端性能已滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但底部端的塑性指標(biāo)較差。對(duì)其進(jìn)行金相分析，底部端試樣在晶界和基體上存在較多的圈狀碳化物，而冒口端試樣則少了許多，金相組織見(jiàn)圖6。

對(duì)兩件護(hù)環(huán)進(jìn)行超聲檢測(cè)，護(hù)環(huán)試制件1檢測(cè)靈敏度為?2.0 mm，熱鍛后底部下降區(qū)域依然存在；護(hù)環(huán)試制件2檢測(cè)靈敏度為?1.6 mm，未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷。

2 缺陷分析及控制措施

2.1 缺陷分析

護(hù)環(huán)試制件1的超聲檢測(cè)問(wèn)題是由于鍛造加熱過(guò)程中的異常，加熱噴嘴火焰直接噴射至護(hù)環(huán)毛坯表面，導(dǎo)致出現(xiàn)“太陽(yáng)斑”現(xiàn)象，致使其檢測(cè)靈敏度較低且出現(xiàn)底波下降。

護(hù)環(huán)試制件2的底部端碳化物問(wèn)題，是由于護(hù)環(huán)毛坯固溶處理后僅對(duì)冒口端做了取樣檢測(cè)。同時(shí)，在固溶處理過(guò)程中，水冷速度不夠，導(dǎo)致晶界和基體上析出了大量圈狀碳化物。將護(hù)環(huán)試制件2的底部端試樣在模擬爐中再次進(jìn)行固溶處理后，圈狀碳化物全部固溶進(jìn)入了奧氏體，其組織情況見(jiàn)圖7。

圖7 護(hù)環(huán)底部端試樣再次固溶處理后組織Figure 7 The microstructure of the bottom of retaining ring sample after the re-solution heat treatment

2.2 控制措施

(1)選定爐況最好、最合適的加熱爐，護(hù)環(huán)裝爐前確保所有的噴嘴均處在正常狀態(tài)，確保燃?xì)狻⒖諝?、壓縮空氣管道無(wú)泄漏，所有相關(guān)儀表和設(shè)備均正常且可以良好使用。

(2)固溶處理裝爐時(shí)，選用兩點(diǎn)吊工裝代替托盤。護(hù)環(huán)出爐水冷時(shí)，加快上下竄動(dòng)的頻率，加快工件冷卻速度減少碳化物析出。固溶處理后，在護(hù)環(huán)兩端取樣進(jìn)行金相檢測(cè)，確保護(hù)環(huán)脹形前的組織。

3 結(jié)論

通過(guò)該批次300MW水氫冷護(hù)環(huán)試制，基本

掌握了護(hù)環(huán)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的工藝。鍛造和固溶處理后，可以得到穩(wěn)定的奧氏體，晶粒度均勻性也較好。同時(shí)，脹形后的護(hù)環(huán)性能強(qiáng)度和塑性都有一定的富余。雖然由于鍛造加熱和碳化物析出的問(wèn)題，兩件護(hù)環(huán)都沒(méi)有達(dá)標(biāo)，但都已將問(wèn)題分析清楚且明確了控制措施，為后續(xù)生產(chǎn)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

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