國外主要汽輪機轉(zhuǎn)子鍛件制造廠及研發(fā)動態(tài)介紹

(哈爾濱汽輪機廠有限責任公司，黑龍江150046)

汽輪機轉(zhuǎn)子是火力發(fā)電的心臟，質(zhì)量在幾十噸以上，在高溫、高壓超超臨界水蒸氣環(huán)境中以1500～3600r/min的高速運轉(zhuǎn)，尤其是高、中壓轉(zhuǎn)子需要承受高溫、高應(yīng)力、蒸汽氧化腐蝕等嚴苛的工況條件[1-2]。因此，對于轉(zhuǎn)子材料要求其不僅具有較小的殘余應(yīng)力，還需要組織性能均勻、韌性好及強度高等。轉(zhuǎn)子的鍛造難度相比于平常的軸類鍛件，要明顯大得多，因此需要有熟練的操作工人、先進的設(shè)備及可靠的工藝，方能保證得到優(yōu)質(zhì)、精密的轉(zhuǎn)子[3]。特別是隨著汽輪機進汽參數(shù)的不斷提高，轉(zhuǎn)子材料的成分越來越復(fù)雜，制造工藝難度也越來越大。

目前，投入商業(yè)運行的最高工作溫度的汽輪機進汽溫度已經(jīng)達到620℃，高溫轉(zhuǎn)子采用歐洲研發(fā)的FB2鋼。然而，該鋼的成分和制造工藝非常復(fù)雜，目前世界上能夠生產(chǎn)大型FB2轉(zhuǎn)子鍛件的重型機械廠屈指可數(shù)，而且實際生產(chǎn)鍛件的性能水平也有較大差異。另外，為了進一步提高電廠效率，降低CO2排放，國內(nèi)外正在開展700℃及以上等級的先進超超臨界(A-USC)機組的研發(fā)，傳統(tǒng)的鐵素體耐熱鋼已經(jīng)無法滿足轉(zhuǎn)子的使用要求，必須采用Ni基合金制造高溫轉(zhuǎn)子。因此，國內(nèi)外重型機械廠也與主機廠、科研院所等針對Ni基合金轉(zhuǎn)子鍛件開展了深入而廣泛的研發(fā)工作。

本文介紹了國外主要重型機械廠的設(shè)備能力情況、典型產(chǎn)品、最新研發(fā)動態(tài)等，為國內(nèi)重型機械廠的發(fā)展提供參考。

1 國外主要重型機械廠制造能力和典型產(chǎn)品

在2000年前，日本是世界上超臨界機組和超超臨界機組投產(chǎn)最多的國家。這主要是因為日本在9%～12%Cr鐵素體鋼研發(fā)方面投入大量的精力，解決了超臨界、超超臨界汽輪機高溫部件用材問題。在9%～12%Cr耐熱鋼汽輪機轉(zhuǎn)子鍛件研發(fā)、制造、應(yīng)用等方面，日本也一直處于世界領(lǐng)先地位。在日本，主要生產(chǎn)汽輪機轉(zhuǎn)子鍛件的廠家有日本制鋼所、日本鑄鍛鋼、神戶制鋼所等。

1.1 日本制鋼所(JSW)

1.1.1制造能力

日本制鋼所的制造能力[4]如下：

冶煉車間：120t堿性電爐(EF)，4臺鋼包精煉爐(LF)，其中3臺150t，1臺30t。這些鋼包精煉爐可以進行真空氧脫碳(VOD)工藝。原來的100t電渣重熔(ESR)設(shè)備升級到150t。為了能夠制造更大的鋼錠及擴大煉鋼車間的產(chǎn)能，2009年安裝了2個650t真空罐、2個25t真空罐、1個蒸汽噴射器，以及600t吊車。因此，可以制造的最大鋼錠由600t提高到670t。

鍛造車間：安裝了1臺140MN油壓機，代替原來的80MN壓機。

熱處理車間：安裝了1臺?3.9m井式熱處理爐及相應(yīng)的噴淬設(shè)備，用于轉(zhuǎn)子等軸類鍛件的淬火，以及1臺?12m的淬火槽，用于大直徑環(huán)鍛件和餅類鍛件的淬火處理。

機械加工車間：安裝有2臺400t數(shù)控車床，5臺大型立式數(shù)控車床，400t車削銑床，1臺鏜床。

1.1.2典型產(chǎn)品

日本制鋼所具備制造鋼錠重670t的大型核電低壓轉(zhuǎn)子的能力[5]。

對試制轉(zhuǎn)子鍛件進行了縱向低倍剖面檢查，檢查標準為JIS G0553。除在鋼錠頂部靠近軸身的軸徑位置發(fā)現(xiàn)輕微A型偏析外，鋼錠非常均勻。鍛件縱向低倍剖面檢查如圖1所示。

圖1 鍛件縱向低倍剖面檢查Figure 1 Macroscopic examination of longitudinal section for forging

1.2 日本鑄鍛鋼(JCFC)

1.2.1制造能力

JCFC公司的制造能力[4]如下：

冶煉車間：1臺100t電爐，1臺150t鋼包精煉爐。2010年安裝650t和300t真空罐，使得最大鋼錠重量提高至650t。除原有的電渣熱冒口設(shè)備外，2012年新增145t電渣重熔設(shè)備。

鍛造車間：1臺130MN油壓機，配有450t·m操作機，1臺105MN壓機和1臺30MN壓機。

熱處理車間：1臺井式淬火爐，7臺井式電爐，1臺感應(yīng)加熱爐等。

機械加工設(shè)備：7臺大型車床，能力從100t到300t，2011年新增400t車床。

1.2.2典型產(chǎn)品

(1)9%～12%Cr鋼轉(zhuǎn)子鍛件

自1991年至2013年，JCFC公司采用真空碳脫氧(VCD)、電渣熱冒口(ESHT-J)或電渣重熔(ESR)工藝為世界各地高效電廠提供了近200根9%～12%Cr鋼轉(zhuǎn)子。JCFC能夠制造的最大FB2轉(zhuǎn)子鍛件重量達5.02t，還可以制造630℃等級MTR10大型轉(zhuǎn)子鍛件。FB2和MTR10大型轉(zhuǎn)子鍛件在調(diào)質(zhì)后的超聲波最小可探缺陷尺寸均在?1.5mm以內(nèi)。FB2和MTR10轉(zhuǎn)子的MDDS[6]如圖2所示。

(a)FB2轉(zhuǎn)子

(b)MTR10轉(zhuǎn)子圖2 FB2和MTR10轉(zhuǎn)子的MDDSFigure 2 MDDS of FB2 and MTR10 rotors

(2)核電低壓轉(zhuǎn)子鍛件

自1980年以來，JCFC公司為世界范圍內(nèi)的核電站提供了100多根整鍛低壓汽輪機轉(zhuǎn)子，最大鋼錠重量達500t。在制造500t鋼錠的基礎(chǔ)上，JCFC試制了2根650t鋼錠，并采用第2根650t鋼錠制造了整鍛低壓轉(zhuǎn)子鍛件，其最大直徑約2700mm，總長約12000mm。各項試驗結(jié)果表明，650t鋼錠及相應(yīng)的轉(zhuǎn)子鍛件的性能優(yōu)異[7]。

1.3 神戶制鋼所

1.3.1制造能力

神戶制鋼所的制造能力[4]如下：

冶煉車間：3臺電爐，分別為100t、20t和18t，2臺鋼包精煉爐，分別為25～135t和15～50t，1臺15～18t真空氧脫碳爐，二次精煉有1臺17t電渣重熔爐。

鍛造車間：5臺壓機，分別為130MN、100MN、40MN、50MN、45MN，配套有400t·m、250t·m、120t·m、20t·m操作機；2010年新上一臺100MN快速高精度鍛造線，用于鍛造長軸類鍛件；2013年完成130MN壓機改造升級。

熱處理車間：400t熱處理爐等，共計31套。

機械加工車間：95套設(shè)備，其中2013年安裝車削銑床。

1.3.2典型產(chǎn)品

(1)9%～12%Cr鋼轉(zhuǎn)子

1987年率先與日本電力公司合作開發(fā)出600℃等級9%～12%Cr轉(zhuǎn)子(TMK1)，用于若松電站(50MW593℃超臨界機組)。該轉(zhuǎn)子用39t ESR錠制成，鍛件直徑980mm，重28t。1991年又用TMK1鋼為碧南三號電站700MW超臨界機組制成中壓轉(zhuǎn)子。該轉(zhuǎn)子用55t ESR鋼錠鍛造，鍛件直徑1220mm[8]。

(2)高低壓聯(lián)合整體轉(zhuǎn)子

1985年用2Cr1.75Mo1Mn0.5NiV鋼制成用于100MW機組的聯(lián)合轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子用80t VCD鋼錠鍛制，低壓端直徑1350mm，采用分區(qū)熱處理技術(shù)。1992年用2.5CrMoV鋼生產(chǎn)一根l00MW機組用聯(lián)合轉(zhuǎn)子，低壓端直徑為1650mm[8]。

1.4 德國薩爾公司

1.4.1制造能力

德國薩爾公司的制造能力如下：

冶煉車間：1臺125t電爐，16t真空感應(yīng)爐(VIM)，合金錠重量從2t到16t，30t真空自耗爐(VAR)。

電渣重熔設(shè)備具備多個臺位，可制造鋼錠的規(guī)格如下：

ESR鋼錠直徑：465mm、750mm、1000mm、1300mm、1600mm、2300mm；

ESR鋼錠長度：2300mm、2400mm、5200mm、6000mm、6400mm、6400mm；

ESR鋼錠重量：3t、8t、32t、60t、105t、200t。

鍛造車間：1臺40MN壓機，1臺85MN壓機和1臺120MN壓機，多臺操作機，范圍從25t·m至200t·m。

熱處理車間：組合式熱處理設(shè)備，可以實現(xiàn)固溶、淬火、退火、時效、去應(yīng)力等各類熱處理操作。采用模擬熱處理和有限元分析，準確實現(xiàn)要求的各種性能。還有臺車爐、井式爐、環(huán)形爐，滿足各類熱處理工藝的要求。

加工車間：各類磨床、鏜床、車床、鋸床等，最大可加工長度25m，直徑3.3m，重量120t。

1.4.2典型產(chǎn)品

(1)焊接轉(zhuǎn)子鍛件

薩爾公司采用ESR工藝、120MN壓機為Alstom公司試制了核電焊接低壓轉(zhuǎn)子輪盤鍛件。鍛件材質(zhì)為22NiCrMoV12-7，熱處理重量為105t，交貨重量超過50t。鍛件預(yù)備熱處理和性能熱處理工藝如圖3所示。超聲檢測采用2MHz探頭，預(yù)備熱處理及性能熱處理后的MDDS分別為1.8mm和0.9mm。各項性能檢查結(jié)果均優(yōu)異[9]。

(a)預(yù)備熱處理工藝

(b)性能熱處理工藝圖3 鍛件的熱處理工藝Figure 3 Heat treatment process of forging

(2)9%～12%Cr鋼轉(zhuǎn)子鍛件

德國薩爾公司在2000～2007年，共交貨55根COST E鋼轉(zhuǎn)子和11根COST F鋼轉(zhuǎn)子，其中 COST E鋼最大交貨重量為45t，最大直徑為1280mm；COST F鋼的最大交貨重量為44t，最大直徑為1380mm[10]。

1.5 意大利FOMAS公司

1.5.1制造能力

意大利FOMAS公司的制造能力如下：

冶煉設(shè)備：3臺保護氣氛電渣重熔設(shè)備，最大鋼錠直徑2000mm，最大重量125t。

鍛造車間：3臺壓機，分別為35MN、60MN、125MN，配備80t·m、250t·m、400t·m操作機。

熱處理車間：29套熱處理爐，2個淬火油槽，3個淬火水槽，1套噴淋淬火設(shè)備。

加工車間：14臺數(shù)控臥車，9臺數(shù)控立車，2臺數(shù)控鏜床，3套萬能數(shù)控加工中心。

1.5.2典型產(chǎn)品

(1)核電焊接轉(zhuǎn)子鍛件

表1 薩爾公司制造的Ni基合金鍛件產(chǎn)品Table 1 Ni based alloy forging products produced by Saarland Cast Steel Plant

核電汽輪機焊接轉(zhuǎn)子鍛件是FOMAS公司的主要產(chǎn)品之一，鍛件材料有B65-AS、STM528、20Cr2NiMo、22Cr2Ni3MoV、25Cr2Ni2MoV、22NiCrMoV12-7等，最大單個鍛件交貨重量為64.5 t，最大鍛件直徑為3200 mm。

(2)9%～12%Cr轉(zhuǎn)子鍛件

FOMAS公司也有大量COST E、COST F等9%～12%Cr鋼轉(zhuǎn)子鍛件交貨業(yè)績。從2014年開始試制大型FB2轉(zhuǎn)子鍛件，也已經(jīng)有大量FB2轉(zhuǎn)子鍛件交貨業(yè)績。其FB2轉(zhuǎn)子鍛件采用電爐(EAF)+鋼包精煉(LF)+真空除氣(VD)冶煉，澆注成電極，然后采用保護氣氛電渣重熔(ESR)精煉，采用120 MN壓機鍛造成型[11]。

2 最新研發(fā)動態(tài)

2.1 630～650℃轉(zhuǎn)子鍛件研發(fā)

為了滿足630～650℃轉(zhuǎn)子用鋼的要求，JCFC對MARBN鋼進行了深入研究，開展了4種成分MARBN鋼的熱處理工藝、蠕變持久及組織性能研究，并給出了4種成分MARBN鋼的蠕變持久曲線[12]。

日本JSW公司在9%～12%Cr鐵素體耐熱鋼轉(zhuǎn)子研發(fā)和制造方面也有著非常豐富的經(jīng)驗。也開展了大量630～650℃高溫轉(zhuǎn)子的研究工作，經(jīng)研究表明，其研發(fā)的Co3W4鋼可以用于635℃轉(zhuǎn)子[13]。

2.2 高溫合金轉(zhuǎn)子鍛件研發(fā)

在A-USC汽輪機高溫轉(zhuǎn)子用Ni基合金研發(fā)方面，德國薩爾公司開展大量廣泛而深入的研究工作。表1是其制造的Ni基合金轉(zhuǎn)子鍛件產(chǎn)品[14]。由表1可以看出：

(1)薩爾早在2000年就開始進行汽輪機用大型Ni基合金鍛件研究；

(2)其最大合金錠重量達38.5 t；

(3)其中263合金采用三聯(lián)工藝冶煉，合金錠重22.4 t。

日本JSW公司與主機廠合作開發(fā)了先進超超臨界汽輪機(A-USC)高溫轉(zhuǎn)子用低膨脹系數(shù)Ni基合金鍛件。采用VIM+ESR雙聯(lián)工藝冶煉了規(guī)格為?1050 mm×2800 mm、重達20 t的合金錠，采用140 MN壓機鍛制成10.5 t的鍛件，最大直徑1124 mm。鍛件的表面及心部組織均勻，晶粒度為3～4級，超聲波最小可探缺陷尺寸在1.6 mm以下[15]。

2.3 地熱汽輪機轉(zhuǎn)子鍛件

傳統(tǒng)的地熱汽輪機轉(zhuǎn)子通常采用1%Cr低合金鋼制造，但是該鋼種的最大淬透截面為1500 mm，無法滿足更大功率地熱汽輪機對大直徑轉(zhuǎn)子的用材需求。因此，JCFC公司開發(fā)了一種淬火直徑可達1900 mm的地熱汽輪機轉(zhuǎn)子。該新鋼種的主要成分為0.25C-2.2Cr-1.1Mo-0.2Ni-0.2V。對該鋼進行了力學(xué)性能、應(yīng)力腐蝕試驗(SCC)等各項性能測試，結(jié)果表明，鋼的性能優(yōu)異，能夠滿足大直徑地熱汽輪機轉(zhuǎn)子的用材要求。

3 結(jié)束語

轉(zhuǎn)子是汽輪機最核心的部件。隨著汽輪機進汽參數(shù)的不斷提高，對于汽輪機轉(zhuǎn)子鍛件的制造能力和工藝水平的要求越來越高，因此近年來國外主要汽輪機鍛件生產(chǎn)廠家不斷更新設(shè)備，提高工藝水平，有的廠家已經(jīng)可以穩(wěn)定地制造大型Ni基合金轉(zhuǎn)子鍛件。然而，國內(nèi)制造的常規(guī)的600℃等級的9%～12%Cr鋼轉(zhuǎn)子鍛件的性能尚不穩(wěn)定，在更高參數(shù)用轉(zhuǎn)子鍛件研發(fā)和應(yīng)用方面，與國外的差距更加明顯。因此，希望本文可以為國內(nèi)大型汽輪機轉(zhuǎn)子鍛件研發(fā)和應(yīng)用提供參考。