趙亞雄 樊應(yīng)劍

(中國第一重型機械股份有限公司鑄鍛鋼事業(yè)部,黑龍江 齊齊哈爾 161042)

轉(zhuǎn)子是汽輪機的重要部件,需要耐高溫、耐腐蝕,運行環(huán)境條件差,對汽輪機轉(zhuǎn)子鍛件的材料要求也越來越高,提高汽輪機轉(zhuǎn)子鍛件的制造水平和工藝水平是必然趨勢。某材質(zhì)為30Cr1Mo1V的汽輪機轉(zhuǎn)子因無損檢測不合格而報廢,為做好產(chǎn)品質(zhì)量原因分析,從根本上解決產(chǎn)品質(zhì)量問題,對該汽輪機轉(zhuǎn)子鍛件進(jìn)行解剖。

1 基本情況

汽輪機轉(zhuǎn)子材質(zhì)30Cr1Mo1V,錠型96 t(一錠出兩件)。此件為水口件,生產(chǎn)的基本工藝流程:電弧爐冶煉→LF精煉→VD處理→真空澆注(模鑄)→鍛造。鋼水經(jīng)過100 t堿性電弧爐冶煉,出鋼方式采用偏心底出鋼,承接鋼水的精煉包包底加入一定量的硅錳合金進(jìn)行脫氧合金化;鋼水在130 t精煉爐造渣、脫氧、合金化,然后進(jìn)行20 min的VD真空去氣處理,VD處理結(jié)束后軟吹30 min,而后鋼水加熱升溫到合適的溫度后出鋼進(jìn)行真空澆注。凝固后的鋼錠經(jīng)過鍛造、熱處理、粗加工工序,按照技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行無損檢測。

對粗加工后的汽輪機轉(zhuǎn)子鍛件進(jìn)行無損檢測時,發(fā)現(xiàn)了貫穿性的缺陷,如圖1所示,其中:A部?3～4 mm(最大?6 mm)密集缺陷;B部?4 mm延伸缺陷;C部?4～6 mm(最大?8 mm)密集缺陷;D部?6～8 mm(最大?10 mm)密集缺陷;E部?10 mm延伸缺陷。

圖1 鍛件缺陷圖

2 缺陷分析

2.1 缺陷定位和取試

根據(jù)無損檢測報告,C、D、E部處缺陷最大,缺陷最大反射當(dāng)量達(dá)?8 mm、?10 mm,為了準(zhǔn)確定位缺陷,在解剖前UT現(xiàn)場定位缺陷,尋找缺陷相對較大的位置,并標(biāo)記/記錄深度。C部記錄位置盡量靠近水口側(cè),缺陷深度469～541 mm;D部缺陷深度412～446 mm;E部缺陷深度487～490 mm,無損檢測儀器顯示缺陷波比底波波幅高。在距離缺陷標(biāo)記位置的冒口側(cè)130 mm劃線鋸切位置。

沿C、D、E部標(biāo)記的鋸切位置,使用鋸床分別加工30 mm厚圓餅,分別按取樣位置標(biāo)記為C1、D1、E1。繼續(xù)加工成200 mm寬的長條,轉(zhuǎn)移C1、D1、E1標(biāo)記。對轉(zhuǎn)子各部位鋸片剩余的余料,根據(jù)無損檢測定位的缺陷深度,從端面套取定位的缺陷,套料尺寸?30 mm×300 mm,分別按取樣位置標(biāo)記C2、D2、E2,如圖2所示。

圖2 鍛件取樣示意圖

2.2 低倍分析

將C1、D1、E1分別選擇一個端面磨床加工至粗糙度Ra0.8 μm,進(jìn)行酸洗、硫印檢驗,如圖3所示。C1、D1、E1經(jīng)酸洗檢查,C1中心有一個1 cm縮孔;其它試料未發(fā)現(xiàn)裂紋、白點、翻皮、夾渣等缺陷;一般疏松0.5級,中心疏松0.5級,無點狀偏析;硫印檢驗點狀偏析0.5級。

(a)C1

2.3 成分分析

對C1、D1、E1試片的中間缺陷位置做化學(xué)成分及氣體含量分析,結(jié)果如表1所示。C1、D1、E1試片中間部位的化學(xué)成分與精煉鋼水的爐后成分相近,芯部Cr、Mo偏析在允許范圍之內(nèi),說明鋼水冶煉澆注全流程范圍內(nèi)控制比較理想。

表1 化學(xué)成分及氣體含量分析(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

2.4 掃描電鏡分析

在試件端面套棒過程中,C2、E2按要求尺寸取樣,D2在套棒時由于設(shè)備故障,長度尺寸不夠300 mm,尺寸為?30 mm×220 mm。對套取三根試樣表面進(jìn)行觀察,發(fā)現(xiàn)表面都存在裂紋,如圖4所示,其中E2表面的裂紋最嚴(yán)重幾乎貫穿于整個試樣,C2、D2表面裂紋比較輕微但目視也是清晰可見。

圖4 試棒

在試棒C2、D2、E2的中間位置,加工一周3 mm深槽,沿槽壓開試棒,觀察斷口形貌,對斷口表面進(jìn)行掃描電鏡分析,看到的夾雜物進(jìn)行能譜分析其組成。試棒料斷口形貌及EDS分析如圖5。

C2試棒在中間位置壓開斷口后,觀察斷口發(fā)現(xiàn)斷口中間有一條長裂紋,裂紋以外的斷面組織致密。在掃描電鏡下觀察長裂紋,部分裂紋區(qū)域表面顯示鋼錠凝固狀態(tài)下自由面形貌,在裂紋區(qū)域的斷面上附著許多白色片狀、條狀、顆粒狀物質(zhì),經(jīng)能譜分析發(fā)現(xiàn),各種形態(tài)夾雜物成分主要以O(shè)、Al、Si、Mn為主。

D2試棒在中間位置壓開斷后,斷口表面的邊緣處發(fā)現(xiàn)一處小裂紋,在掃描電鏡下觀察斷口表面形貌,表面及裂紋區(qū)域都存在片狀、顆粒狀夾雜物,經(jīng)能譜分析,夾雜物的成分主要以O(shè)、Al、Si、Mn為主。

E2試棒在中間位置壓開斷后,斷口表面的裂紋非常明顯,幾乎貫穿了整個試棒截面,由于試棒截面的裂紋比較大,發(fā)現(xiàn)裂紋內(nèi)部在套棒過程中有所污染,對斷口簡單的處理,在掃描電鏡下觀察斷口形貌,在裂紋中間及周圍存在許多白色的夾雜物,經(jīng)能譜分析發(fā)現(xiàn),夾雜物的成分主要以O(shè)、Si、Mn為主。

由于E2試樣斷口表面的裂紋幾乎貫穿整個截面,為了進(jìn)一步了解裂紋內(nèi)部的斷面形貌及表面夾雜物形態(tài)分布,在保證裂紋內(nèi)部形貌不被破壞的前提下,用工具把E2試樣沿著裂紋分離成兩半,進(jìn)行掃描電鏡和能譜分析。

E2試樣沿著裂紋源徑向打開后,發(fā)現(xiàn)只有試樣邊緣處有連接,其他區(qū)域都是裂紋的自由面,觀察表面有被切削液輕微污染痕跡,有些區(qū)域比較光滑,有些區(qū)域有小孔狀缺陷。在掃描電鏡下觀察打開的斷口表面,存在顆粒狀、片狀、樹枝狀和條狀的夾雜物,部分表面顯示鋼錠芯部凝固狀態(tài)下的鑄態(tài)組織的自由面。對表面發(fā)現(xiàn)的夾雜物能譜分析,夾雜物成分主要以O(shè)、Si、Mn為主;另外對鑄態(tài)組織的自由面選一點進(jìn)行打成分,能譜顯示成分是Fe,跟鍛件基體成分一致,如圖6所示。

圖6 斷口形貌及EDS分析

3 原因分析及討論

通過上述的解剖分析,確定了轉(zhuǎn)子缺陷的性質(zhì)為裂紋性缺陷并伴隨O-Al-Si-Mn類夾雜物,為分析其無損檢測夾雜物的來源,我們對汽輪機轉(zhuǎn)子冶煉澆注過程、原材料的使用、附具準(zhǔn)備情況、人員操作及工藝執(zhí)行情況進(jìn)行了追溯和分析。

3.1 夾雜物來源分析

夾雜物的來源有可能是冶煉過程,也有可能來源于澆注過程,分別進(jìn)行了具體分析。

3.1.1 冶煉過程分析

鋼水的潔凈度是保證鍛件無損檢測質(zhì)量和材料優(yōu)良性能的主要因素,而合適的鋼水冶煉工藝是保證鋼水潔凈度重要基礎(chǔ)。鋼水通過脫氧方式的不同分為鋁鎮(zhèn)靜鋼和硅鎮(zhèn)靜鋼,對應(yīng)的鋼水產(chǎn)生的夾雜物類型也不相同。此次高中壓轉(zhuǎn)子冶煉主要是使用C粉、硅鐵粉脫氧,屬于硅鎮(zhèn)靜鋼。在硅鎮(zhèn)靜鋼中SiO2-MnO-Al2O3和CaO-SiO2-Al2O3是常見的夾雜物類型,另外,在硅鎮(zhèn)靜鋼時常也能發(fā)現(xiàn)Al2O3和MgO-Al2O3尖晶石等硬脆性夾雜物[1-2]。通常認(rèn)為鋼中的SiO2-MnO-Al2O3系夾雜物是Si-Mn脫氧的產(chǎn)物(MnO-SiO2)與鋼液中溶解Al反應(yīng)生成的結(jié)果[3-4]。Kong等[5]在研究中高錳鋼精煉過程夾雜物演變行為時發(fā)現(xiàn),相比常規(guī)鋁鎮(zhèn)靜鋼,中錳鋼(wMn≈5%)會生成一種(Mn, Mg)O·Al2O3尖晶石夾雜物。這類夾雜物是在MgO·Al2O3尖晶石生成后開始生成,并會隨著精煉時間的延長,進(jìn)一步演變?yōu)楹形⒘縈nO的CaO-Al2O3(-MgO)系夾雜物。

鋼水在冶煉過程中,夾雜物的類型和形態(tài)也是在不斷的變化中。汽輪機轉(zhuǎn)子鍛件冶煉主要包括粗煉鋼水熱兌、精煉造渣、擴散脫氧、吹氬攪拌、合金化(化學(xué)成分調(diào)整)、VD去氣去夾雜處理、鋼水軟吹鎮(zhèn)靜和合適的溫度出鋼等。電站轉(zhuǎn)子是Si-Mn脫氧鋼,此種類型鋼中常見的夾雜物成分與解剖發(fā)現(xiàn)的夾雜的主要成分相吻合,說明鍛件無損檢測夾雜物超標(biāo)可能與鋼水在冶煉過程中沒有嚴(yán)格按工藝規(guī)定流程操作所引起的。

3.1.2 澆注過程分析

鋼水在LF精煉結(jié)束后,精煉鋼水包吊至澆注跨對澆注包進(jìn)行燒氧引流,引流結(jié)束后吊至澆注平臺與中間包澆注口對眼,對眼完成后拉開吹氬滑板鋼水澆入中間包,待中間包鋼水到達(dá)規(guī)定液面后,打開中間包塞棒,鋼水通過中間包水口流出,經(jīng)過導(dǎo)流管在真空狀態(tài)下鋼流被打碎成液滴狀澆入鋼錠模。澆注過程中鋼水受污染主要來自于以下幾方面:

(1)鋼水在澆注過程中注流氬氣保護(hù)、中間包密封和氬氣置換沒有做到位容易造成鋼水二次氧化。

(2)鋼水經(jīng)精煉包水口澆入中間包內(nèi),鋼水容易對中間包耐材進(jìn)行侵蝕或者上次澆注中間包內(nèi)殘留物清理的不徹底造成對鋼水的污染。中間包鋯莫來石成分見表2。

表2 中間包鋯莫來石成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

(3)鋼水經(jīng)中間包水口進(jìn)入長導(dǎo)流管(8節(jié))時,鋼流呈傘狀形態(tài),澆注過程中鋼水對導(dǎo)流管下端形成沖刷,被沖刷的耐材進(jìn)入鋼錠模中。導(dǎo)流管鋯莫來石成分見表3。

表3 導(dǎo)流管鋯莫來石成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

(4)在真空澆注過程中,鋼水注流被打碎成雨滴狀,鋼水的[Mn]元素在真空狀態(tài)下一部分以氣態(tài)形式揮發(fā),錳蒸汽遇到真空蓋內(nèi)襯后,被冷凝在內(nèi)襯表面。鋼錠澆注結(jié)束破壞真空后,附著在真空蓋上的錳與空氣中氧反應(yīng)生成了MnO物質(zhì),并存在于真空室內(nèi)襯上面,在下次澆注前如不清理去除,就易落入鋼水內(nèi)形成夾雜物。真空蓋殘留物化學(xué)成分見表4。

表4 真空蓋殘留物化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

綜合以上各方面鋼水受污染的來源分析認(rèn)為,夾雜物成分中的Al可能來源鋼水對中間包耐材或者導(dǎo)流管的沖刷;夾雜物成分中Mn可能來源于澆注過程中真空蓋上未清理干凈殘留物的掉入或者是硅錳脫氧鋼中常見夾雜物控制的不理想所致。

3.2 裂紋來源分析

芯部的裂紋有可能是由于超標(biāo)的夾雜缺陷引起的,也有可能是來自于鋼錠芯部凝固過程中的疏松在鍛造過程中沒有焊合。

3.2.1 夾雜引起裂紋分析

這件汽輪機轉(zhuǎn)子鍛件是使用96 t鋼錠一錠出兩件的水口件,水口件還原在鋼錠上是靠近的錠尾,錠尾是鋼水在凝固過程中夾雜物的沉積區(qū),夾雜物大量聚集在錠尾主要表現(xiàn)在以下幾個方面:(1)鋼水真空澆注結(jié)束后,在凝固過程中鋼水自然對流攜帶夾雜物到鋼錠底部或者鋼錠的激冷層把夾雜捕捉到錠尾;(2)鋼錠澆注結(jié)束后,真空放散冒口液面遇冷形成一層凝固薄殼,在第二批發(fā)熱劑加入后,鋼水薄殼熔化形成結(jié)晶雨并沉降到鋼錠底部;(3)上浮過程中夾雜物受粘稠層或凝固前沿的阻礙聚集于底部[4]。綜上,鋼水在凝固過程中夾雜物極易聚集靠近錠尾的部位,大量夾雜的聚集極易導(dǎo)致鍛件芯部長條狀裂紋缺陷。

3.2.2 鋼錠疏松引起裂紋分析

鋼錠內(nèi)部疏松的形成是一個復(fù)雜的過程。本質(zhì)上來說,疏松是在鋼錠凝固過程中由固-液相區(qū)內(nèi)傳熱、氣體析出和液態(tài)金屬流動等多種因素的影響下形成的[6]。鋼錠疏松通常分為一般疏松、枝晶疏松和中心疏松,實際生產(chǎn)實踐中發(fā)現(xiàn)一般疏松和支晶疏松危害不大,在鍛造過程中將會鍛合,而中心疏松危害比較嚴(yán)重,鍛造過程中無法鍛合將遺留在鍛件中,造成鍛件在后續(xù)無損檢測中顯示出裂紋性質(zhì)的缺陷。鋼錠在凝固過程中產(chǎn)生疏松是無法避免,但只能有效技術(shù)減輕疏松。一方面鋼錠疏松產(chǎn)生跟鋼錠模的設(shè)計密切相關(guān),鋼錠模設(shè)計參數(shù)一般包括高徑比、錐度[7-10]、壁厚及鋼錠材質(zhì),合適的鋼錠模參數(shù)可以有效減輕鋼錠的疏松。另一方面鋼錠芯部疏松也與冒口保溫效果有關(guān),合理保溫冒參數(shù)和良好的耐材可以有效延長冒口鋼水的凝固時間,對錠身長時間補充凝固所需的鋼水,進(jìn)而有效減輕鋼錠芯部的疏松,最終避免鍛件芯部裂紋性質(zhì)的缺陷產(chǎn)生。

4 改進(jìn)措施

針對汽輪機轉(zhuǎn)子鍛件無損檢測不合格問題,結(jié)合分析結(jié)果,擬對后續(xù)產(chǎn)品工藝采取如下相應(yīng)措施:

(1)通過優(yōu)化導(dǎo)流管參數(shù),改變導(dǎo)流管長度,由以前8節(jié)調(diào)整為現(xiàn)在的6節(jié),縮短鋼水在導(dǎo)流管的停留時間,進(jìn)而減輕對導(dǎo)流管下面兩環(huán)磚的沖刷保證鋼水的潔凈度。

(2)經(jīng)查詢相關(guān)文獻(xiàn),中間包材質(zhì)鋯石磚,如果提高鋯石磚中的Al2O3的含量可以提高對鋼水耐侵蝕性和沖刷性,通過與耐材廠家交流,適當(dāng)提高耐材Al2O3的含量,用良好的耐材性能保證鋼水的潔凈度。

(3)對使用的錠型參數(shù)重新模擬,在根據(jù)現(xiàn)場實際的生產(chǎn)條件下進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整;對保溫材質(zhì)進(jìn)行優(yōu)化,由原來的鑄鐵外殼+保溫磚改變?yōu)槟撤N新型材質(zhì)保溫外殼+新型保溫磚+改進(jìn)型砌筑結(jié)構(gòu),進(jìn)而增強冒口的保溫效果改善鋼錠內(nèi)部質(zhì)量。

(4)改變鋼水精煉造渣工藝方案,對精煉造渣材料、造渣材料的加入順序進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整,有效地控制夾雜物的類型和尺寸大小。

從上述幾方面的措施應(yīng)用于后續(xù)產(chǎn)品生產(chǎn)中,轉(zhuǎn)子鍛件再沒有出現(xiàn)此種類型的缺陷,從源頭上有效解決了芯部通長缺陷的質(zhì)量問題。

5 結(jié)語

本文中的汽輪機轉(zhuǎn)子鍛件的芯部發(fā)現(xiàn)的無損檢測缺陷是由于心部裂紋和裂紋內(nèi)伴隨的夾雜物所導(dǎo)致的;后續(xù)生產(chǎn)中通過優(yōu)化導(dǎo)流管長度、提升耐材質(zhì)量、改進(jìn)保溫帽結(jié)構(gòu)、優(yōu)化精煉造渣工藝方案,汽輪機轉(zhuǎn)子鍛件沒有再出現(xiàn)此種類型的缺陷,從源頭上有效解決了芯部通長缺陷的質(zhì)量問題。高品質(zhì)汽輪機轉(zhuǎn)子鍛件制造流程長,涉及多個生產(chǎn)環(huán)節(jié),在生產(chǎn)制造過程應(yīng)該做好每一個細(xì)節(jié)去確保組織均勻性能穩(wěn)定的產(chǎn)品。