核電AP1000整鍛低壓轉(zhuǎn)子的試制

曹志遠 張海峰 季 雪 高建軍

(天津重型裝備工程研究有限公司，天津300457)

常規(guī)島低壓鍛件是核電機組的關(guān)鍵零部件，采用整鍛轉(zhuǎn)子可以大幅降低葉輪的切向應(yīng)力，進而降低葉輪的合成應(yīng)力，這樣轉(zhuǎn)子就可以采用較低屈服強度的材料制造。轉(zhuǎn)子材料通過選用更低的屈服應(yīng)力和超低的磷硫含量，可以顯著降低應(yīng)力腐蝕(SCC)發(fā)生的可能性。同時，采用整鍛轉(zhuǎn)子能夠有效減少產(chǎn)生汽輪機飛射物的可能性。目前常規(guī)島整鍛低壓轉(zhuǎn)子是世界上所需鋼錠最大(600 t級)、鍛件毛坯最重(173 t)、截面尺寸最大(?2 796 mm)、技術(shù)要求最高的實心鍛件，是熱加工綜合技術(shù)水平最高的代表產(chǎn)品。

為實現(xiàn)AP1000核電整鍛低壓轉(zhuǎn)子的試制，一重在熱加工煉鋼、鍛造、熱處理方面進行了大量的科研準備工作，本文僅對鍛造研究內(nèi)容進行簡要的敘述。

1 材料的熱鍛力學(xué)性能和動態(tài)再結(jié)晶規(guī)律研究

實驗材料：30Cr2Ni4MoV轉(zhuǎn)子鋼，鍛態(tài)，初始晶粒尺寸275 μm；

試驗方法：熱壓縮試驗獲取熱鍛力學(xué)性能，熱壓縮后立即淬水，金相試驗測定晶粒尺寸，獲取晶粒演化規(guī)律。

實驗結(jié)果：圖1為轉(zhuǎn)子鋼在不同溫度和不同應(yīng)變速率下的應(yīng)力應(yīng)變曲線，可以看出有三類形狀曲線：低溫高應(yīng)變速率下的應(yīng)力應(yīng)變曲線呈單調(diào)上升狀，它對應(yīng)動態(tài)回復(fù)，形成亞晶，但沒有晶粒粗化和細化；在中等溫度和應(yīng)變速率下應(yīng)力應(yīng)變曲線呈單峰型，它對應(yīng)動態(tài)再結(jié)晶和晶粒細化；在高溫和低應(yīng)變速率下應(yīng)力應(yīng)變曲線呈多峰型，它對應(yīng)晶粒長大。引入Z參數(shù)：

(1)

2 壓實方法的研究

根據(jù)材料的流變曲線，用Deform軟件對直徑4 500 mm的鍛坯進行數(shù)值模擬。按起始砧寬比0.5對WHF、KD、FM三種拔長方法(見圖5)進行單道次20%壓下量的數(shù)值模擬。邊界參數(shù)為：上模均速取20 mm/s，模具與鍛坯熱摩擦系數(shù)取0.7，材料30Cr2Ni4MoV的流變曲線取自圖1所示的實驗參數(shù)，不考慮溫度場按恒溫1 200℃模擬。模擬后的后處理主要以等效應(yīng)變、靜水壓力、X、Y、Z方向的應(yīng)力分布以及水壓機載荷來分析，分析結(jié)果見表1。

圖1 30Cr2Ni4MoV鋼的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線Figure 1 The stress-strain curve of 30Cr2Ni4MoV steel

圖2 平均晶粒度D(μm)與lnZ的關(guān)系(真應(yīng)變ε=0.7)Figure 2 The curve of mean grain size D(μm)-lnZ (True strainε=0.7)

圖3 不同溫度下/s)再結(jié)晶體積分數(shù)隨應(yīng)變的變化Figure 3 The changes of recrystallization volume fraction with strain under different temperature /s)

圖4 lnD2 - lnZ關(guān)系圖Figure 4 The relationship curve of lnD2-lnZ

根據(jù)以上研究結(jié)論并綜合考慮鍛造600 t級鋼錠所用的150 MN水壓機的載荷、心部變形效果、設(shè)備操作的難易性、可鍛造時間等因素，最終將FM做為鋼錠壓實的主要拔長方法。

圖5 三種拔長方法Deform前處理圖Figure 5 The pre-processing drawings of three type drawing out method

拔長方法等效應(yīng)變心部靜水壓力σm心部三向應(yīng)力狀態(tài)水壓機最大載荷/MNWHF從X、Y、Z三個方向的等效應(yīng)變分布來看,心部等效應(yīng)變?yōu)?.2,最大等效應(yīng)變在1/4△H(變形后的坯料高度)附近,整個截面的變形區(qū)域較小,分布較均勻。心部呈壓應(yīng)力狀態(tài),靜水壓值為-11.3,分布區(qū)域最小。一向壓,兩向拉201KD從X、Y、Z三個方向的等效應(yīng)變分布來看,最大等效應(yīng)變在心部為0.3,整個截面的變形區(qū)域最大,分布較不均勻。心部呈壓應(yīng)力狀態(tài),靜水壓值為-15,分布區(qū)域最大。兩向壓或三向壓266FM非對稱性變形,從X、Y、Z三個方向的等效應(yīng)變分布來看,最大等效應(yīng)變在心部為0.3,窄砧下方的等效應(yīng)變數(shù)值要大于平臺上方的等效應(yīng)變,區(qū)域性分布近似于WHF的等效應(yīng)變分布。心部呈壓應(yīng)力狀態(tài),靜水壓值為-15,分布區(qū)域較小。兩向壓或三向壓235

3 熱鍛平均晶粒度控制的研究

在終鍛成形時必須考慮有效解決鍛造所引起的“混晶”問題。由于塑性變形后的各種材料，在每種溫度下都對應(yīng)著最大晶粒長大尺寸，而且與加熱時間關(guān)系不大。因此，避免無鍛比鍛造和控制終鍛溫度是保證晶粒組織合格的兩種常用方法。不同溫度條件下晶粒穩(wěn)定尺寸關(guān)系曲線如圖6所示。

圖6 不同溫度條件下晶粒穩(wěn)定尺寸Figure 6 The grain stabile size under the different temperature condition

另外，采用平均晶粒度預(yù)測的數(shù)值模擬技術(shù)對轉(zhuǎn)子鍛造最終出成品階段材料的再結(jié)晶和晶粒長大過程進行了數(shù)值模擬，預(yù)測了轉(zhuǎn)子各部位的平均晶粒度，避免因鍛造工序控制不當產(chǎn)生晶粒異常粗大和后續(xù)混晶缺陷，見圖7。

圖7 轉(zhuǎn)子成品平均晶粒度的模擬結(jié)果Figure 7 The simulating result of mean grain size in finish rotor

圖8 AP1000核電整鍛低壓轉(zhuǎn)子的鍛造過程Figure 8 The forging process of LP integral forged rotor for AP1000 nuclear power plant

4 產(chǎn)品試制

根據(jù)多年積累的大鍛件鍛造經(jīng)驗以及兩年多的專項科研準備最終確定了AP1000核電整鍛低壓轉(zhuǎn)子的鍛造工藝方案。于2009年6月開始了AP1000核電整鍛低壓轉(zhuǎn)子的生產(chǎn)試制。

AP1000核電整鍛低壓轉(zhuǎn)子采用580 t鋼錠鍛造，鍛造過程見圖8。鍛造工藝上采用了兩次鐓粗三次拔長的鍛造工藝，最終成形。

5 結(jié)果及結(jié)論

試制的AP1000核電整鍛低壓轉(zhuǎn)子調(diào)質(zhì)后探傷結(jié)果顯示，整個鍛件(最大軸身直徑為?2 826 mm)心部?1.6 mm可探，未發(fā)現(xiàn)超標缺陷。其結(jié)果表明一重的鍛造技術(shù)已經(jīng)解決了600 t鋼錠的心部疏松、縮孔等鑄造缺陷的壓實問題，具備了生產(chǎn)600 t級AP1000核電整鍛低壓轉(zhuǎn)子的鍛造能力。