大型水輪機(jī)軸法蘭鍛件用鋼的冶煉工藝研究

邢 凱 李金良

(天津重型裝備工程研究有限公司，天津300457)

我國在大型水輪發(fā)電機(jī)組方面進(jìn)行技術(shù)突破，實現(xiàn)了700 MW級以上大型水輪發(fā)電機(jī)組、高壓電氣設(shè)備、調(diào)速系統(tǒng)及控制系統(tǒng)等關(guān)鍵水電裝備的國產(chǎn)化，推動了國內(nèi)冶金材料、大型鑄鍛件以及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的全面技術(shù)進(jìn)步[1]。眾所周知，鋼錠質(zhì)量的好壞很大程度上影響著鍛件的質(zhì)量。本文針對某水電站水輪機(jī)軸法蘭鍛件用鋼錠的生產(chǎn)展開討論。

1 技術(shù)要求與成分控制

1.1 技術(shù)要求

某大型水輪發(fā)電機(jī)主軸法蘭毛坯交貨圖如圖1所示，其材質(zhì)為20MnSX，要求進(jìn)行鋼水熔煉分析和鍛件成品分析，其化學(xué)成分要求見表1，鍛件經(jīng)性能熱處理后的力學(xué)性能要求見表2。

圖1 法蘭毛坯交貨圖Figure 1 Delivery drawing of flange blank

用戶技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求鍛件外圓面、坡口端面的超聲檢測不允許存在裂紋、白點、縮孔、疏松等缺陷；在距鍛件交貨表面15 mm范圍內(nèi)，不允許有當(dāng)量直徑超過3 mm的缺陷；在距鍛件交貨表面15 mm以下的區(qū)域不允許有當(dāng)量直徑超過5 mm的單個缺陷，且在每1 dm3的范圍內(nèi)當(dāng)量直徑在3 mm～5 mm之間的缺陷總數(shù)不超過10個；缺陷引起的底波降低量不超過12 dB。

綜上所述，在滿足力學(xué)性能的前提下，還要滿足碳當(dāng)量的要求和嚴(yán)格的UT標(biāo)準(zhǔn)，因此對于該法蘭鍛件的生產(chǎn)重點在于確定適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)成分和冶煉工藝，提高鋼水的純凈度，確保鍛件的力學(xué)性能和使用性能。

表1 20MnSX化學(xué)成分要求(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical composition requirements of 20MnSX (mass fraction, %)

表2 20MnSX鍛件力學(xué)性能要求Table 2 Mechanical properties requirements of 20MnSX forging

1.2 成分控制

根據(jù)用戶技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，確定材料的化學(xué)成分是關(guān)鍵的一步。一般來講，碳鋼中的碳含量對產(chǎn)品最終的性能影響最大。碳含量越高，鋼的強度越大，但是其韌性就會下降，并且碳含量對碳當(dāng)量Ceq的貢獻(xiàn)也最大，影響產(chǎn)品的焊接性能。錳元素主要以固溶強化的方式來提高鋼的強度，適當(dāng)合理地應(yīng)用Cr、Ni、Mo等元素，使得產(chǎn)品最終強韌性和焊接性能的匹配達(dá)到最佳水平，這也是這類鋼生產(chǎn)的難點之一。此外，嚴(yán)格控制鋼中磷、硫等有害元素的含量，盡力去除氧、氫含量，最大限度地純凈精煉鋼水。結(jié)合生產(chǎn)經(jīng)驗，以及現(xiàn)有生產(chǎn)裝備和工藝路線，制定了大型水輪機(jī)法蘭鍛件用鋼熔煉成分的內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)，見表3。

表3 化學(xué)成分內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 3 Internal control standard of chemical composition (mass fraction, %)

表4 力學(xué)性能檢測結(jié)果Table 4 Test results of mechanical properties

2 冶煉工藝

該大型水輪機(jī)法蘭鍛件冶煉生產(chǎn)工藝流程為：100 t超高功率電弧爐→130 t LF精煉→VD爐真空精煉→真空澆注鋼錠。

2.1 電弧爐冶煉

粗煉爐首先優(yōu)化原材料配比。冶煉采用一類生鐵和同類鋼種的返回廢鋼和鋼屑，其中生鐵配比為20%～25%，同類鋼種返回廢鋼和鋼屑控制在75%左右。配料時嚴(yán)格控制廢鋼中的Cu、Mo等元素，超出內(nèi)控值嚴(yán)禁冶煉本鋼種。冶煉中注意保證足夠的脫碳量和脫碳速度，使得鋼水中的夾雜物盡早上浮，提高鋼水的純凈度。出鋼溫度控制在1620～1640℃，出鋼過程順流加入小袋石灰，充分利用電爐高溫余熱盡快成渣。電爐出鋼要防止氧化渣進(jìn)入精煉包，為后續(xù)精煉創(chuàng)造有利條件。

2.2 精煉爐冶煉

2.2.1 LF爐精煉

精煉初期，利用石灰造渣，螢石調(diào)整爐渣流動性，同時利用碳粉等粉狀脫氧劑進(jìn)行擴(kuò)散脫氧。精煉期間，保持精煉爐微正壓，精煉渣保持黃白渣要大于等于30 min，注意觀察爐渣的變化情況。此外，調(diào)整鋼水的化學(xué)成分，并使其均勻分布，降低合金的消耗量，提高合金的收得率。當(dāng)爐渣流動性良好、鋼液溫度合適及化學(xué)成分達(dá)到要求，則可進(jìn)VD爐開始真空處理。

2.2.2 VD爐真空精煉

VD精煉過程中鋼渣充分混合加大反應(yīng)界面，具有很好的去氣和脫氧的效果，進(jìn)一步提高鋼液的純凈度。同時鋼液成分、溫度更加均勻，改善了鋼液的內(nèi)在性能。鋼水經(jīng)過LF工序處理后，當(dāng)鋼水的化學(xué)成分基本滿足要求，溫度達(dá)到1645～1655℃時轉(zhuǎn)至真空位處理。要求真空度小于等于266.6 Pa，真空處理時間20 min，注意控制氬氣流量，確保VD精煉過程安全、穩(wěn)定、高效。

2.3 鑄錠

真空澆注系統(tǒng)必須清潔、干燥，達(dá)到無銹、無油、無塵。使用前對鋼錠模、底盤表面清理，然后烘烤、噴砂處理，人工打磨局部銹蝕。中間包使用高鋁質(zhì)磚砌筑，并烘烤使其澆注前溫度大于800℃。此外，精煉爐出鋼之時直到精煉包開澆前，中間包要進(jìn)行氬氣置換，防止精煉鋼水二次氧化。鋼水澆注溫度為1570～1590℃，澆注速度大于5 tmin。澆注完畢，迅速在冒口中加入發(fā)熱劑和保溫劑，凝固后迅速脫模送至鍛造車間加熱爐中。

3 生產(chǎn)結(jié)果

澆注的鋼錠經(jīng)過鍛造與熱處理工序后，該鍛件的力學(xué)性能完全滿足技術(shù)要求，并且部分指標(biāo)的富余量較大，見表4。精加工后UT檢測也滿足技術(shù)要求。鍛件的金相組織為鐵素體+珠光體，見圖2。

圖2 法蘭鍛件金相組織Figure 2 Metallographic structure of flange forgings

4 結(jié)論

(1)生產(chǎn)的20MnSX法蘭產(chǎn)品化學(xué)成分控制合理，能夠滿足技術(shù)要求。

(2)采用雙真空方式生產(chǎn)該產(chǎn)品，其鋼水潔凈度較高，提高了產(chǎn)品的無損檢測合格率。