30Cr1Mo1V汽轮机转子的生产工艺

文/龚东升·天重江天重工有限公司

30Cr1Mo1V汽轮机转子的生产工艺

文/龚东升·天重江天重工有限公司

转子工作时不仅需要承受高速旋转（3000r/min）所产生的巨大离心力，同时还承受扭转和弯曲的应力，是汽轮机上重要的安全部件。因此，要求其强度高、韧性好、组织性能均匀、残余应力小等，探伤执行标准为JB/T1265-2002。转子的锻造难度大于一般轴类锻件，因此必须要有可靠的工艺、先进的设备和熟练的操作工人才能保证锻出优质的转子。

我公司经过几代技术人员的研究，已经拥有较为成熟的转子锻造工艺和热处理工艺，已经能生产30万、60万千瓦汽轮机转子锻件。现以30CrMo1V汽轮机整体转子为例介绍一下汽轮转子的生产工艺。

转子的生产流程

为了使转子达到技术标准中的各项规定，其生产过程中的每一环节，都应有严格的技术规范和检测措施，目前其生产流程如下：

冶炼→铸锭→加热→锻造→第一次热处理（锻后热处理）→锻件外观检查→切取低倍试片→毛坯超声探伤→锻件初加工→超声波探伤→机加工→第二次热处理→（调质）→切取性能试样、钻中心孔→检查内孔质量→超声波探伤→外观尺寸检查→合格件交付。

原材料

随着大型发电机单机容量的不断增大，转子锻件也相应朝着大型化发展，为了保证锻件质量，钢锭的尺寸也趋于大型化。分析国外电站事故的原因可以得出以下结论，转子断裂除了应力集中、转子中心区横向塑性低和脆性转变温度较高外，还发现转子中存在着大量的夹杂物和疏松等冶金缺陷，甚至有些还存在白点。因此，钢锭在冶炼时需要采用先进的工艺方法，严格控制硫磷和其他有害元素的含量。硫、磷含量均应不大于0.012%，钢中氢气含量应不大于1.5ppm。浇注也应采用真空或其他先进方法，以降低有害气体的含量，减少疏松程度。

锻造

锻件尺寸愈大，钢锭中的冶金缺陷愈严重，在锻造过程中改善缺陷愈困难。因此，为生产出质量合格的大型锻件，就应根据锻件组织性能的具体要求，正确选用恰当的变形工艺，改进操作方法，以及利用坯料不均匀的温度场和应力场等，使坯料锻透，内部空洞类缺陷得到焊合，从而达到改善锻件内部质量和提高锻件力学性能的目的。

转子锻造过程中，拔长和镦粗是两个最基本也是最重要的变形工步。在改进钢锭变形的新工艺方法中，应始终以这两种变形工步为基础，改变变形钢锭的受力状态。

图1 整体转子锻件图

图2 加热工艺曲线图

依照以上所述，使用WHF法进行锻造，砧宽比不小于0.8，单面压下量为11%。转子材质为30Cr1Mo1V，要求锻造比不小于3，锻件重29.4t，材料利用率为68%，钢锭重43t，火次为四火，整体转子锻件图如图1所示。

加热工艺

该整体转子采用的是合金结构钢，始锻温度为1220℃，终锻温度为750℃，根据车间设备实际情况（台车式加热炉，燃烧介质为煤气），经多次实际检测，炉膛内锻件本体温度比炉前仪表显示温度低30℃左右。在（850±10）℃时对锻件保温5h，保证温度均匀，再升温至1250℃。

图中横线代表时间区间，其中“待料”是指该加热炉的钢锭陆续到达之前的等待时间，

时间长短不一，主要取决于炼钢分厂的生产进度；“5h”等类似符号代表此温度阶段保温的最小时间。竖线代表温度的大小；斜线代表等速率升温。

图3 8000t水压机

锻造工艺

选用工具及设备

我公司选用的设备主要为8000t水压机，该水压机为三梁四柱型结构，2006年由6000t改造成8000t，改造后公称吨位为8000t，锻造能力为拔长150t，镦粗80t；配套设备为150t运输车、150t锻造车、80t操作机；选用辅助工具为80t吊钳、75t翻转吊钳、上平下V砧、镦粗漏盘、镦粗帽等。

四火次的确定

第一火：该火次进行压φ850mm钳把、倒棱、错底。当第一火只是压钳把和带锥度倒棱时，锻造温度下的最小保温时间可以比工艺规定时间缩短一半。

第二火：该火次进行第一次镦粗压实，是关系到转子锻件内部质量的关键火次。为保证中心压透，始锻温度为1270℃，保温时间为14h，终锻温度为800℃。镦粗锻件到φ2200mm×1150mm时，用1200mm平砧，并注意每一趟与上一趟错砧50%，单面压下量为11%；然后滚外圆到φ1350mm。该火次的锻造比为2.65，未满足要求的锻件需要进行第二次压实。

图4 分料成形锻件

图5 热处理工艺曲线图

第三火：该火次进行第二次镦粗压实。始锻温度为1270℃，终锻温度为800℃，保温14h。镦粗锻件到φ2200mm×1120mm，拔长时保证双面压下量为22%，最后滚外圆到φ1300mm。

第四火：该火次进行锻件成形。始锻温度为1200℃，终锻温度为750℃，保温5h，使用600mm上平下V砧，通拔到φ1240mm，按图4分料成形锻件（可分为两火完成）。

注意第二、三、四火，在生产过程中准备好烧剥设备，及时铲除锻造过程中出现的裂纹，尤其是第四火成形时严禁带裂纹锻造。经过以上锻造过程，锻造比达到了5.5,满足要求。火耗大约为6%，实际生产中第四火可以分为两火完成，但此时由于剩余锻造比很小，保温的温度不要超过1100℃，以防止晶粒粗大。

热处理工艺

大锻件的热处理，包括锻后冷却、退火（低温退火、中间退火、完全退火、等温退火等）、正火、回火、调质，还有等温冷却及起伏等温退火等。大锻件热处理通常与锻后冷却结合在一起进行。根据转子锻件需要满足的力学性能、高温持久强度和硬度的要求，制定了如图5所示的热处理工艺曲线。

图中横线代表时间区间，其中“待料”是指该加热炉的钢锭陆续到达之前的等待时间，时间长短不一，主要取决于炼钢分厂的生产进度。“6”等数字代表此温度阶段保温的时间。“（720±10）℃”代表该阶段的温度，“（7）”表示该阶段先进行均温7h。竖线代表温度的大小，斜线代表等速率，升温技术要求应满足以下5点：

⑴锻造完成后立即回炉处理，表面温度不得低于720℃。

⑵吊下空冷时置于不小于450mm的垫铁上散开冷却。

⑶严禁火焰直接喷烧工件，严格执行热处理工艺的要求。

⑷括号内的时间仅供参考，根据工件温度的多少可适当延长均温时间。

⑸调弯以后，待650℃均温后，需补足剩余的20h保温时间。

对经过上述热处理之后的锻件，进行毛坯探伤，检验结果为合格，未发现缺陷。调质处理前对锻件进行探伤，结果也为合格。

结束语

用户对转子生产过程中的工艺参数要求严格，因此我公司采用两次镦粗压实的方法，对钢锭心部的疏松、气孔等缺陷进行压实，同时利用WHF法，单面大压下量锻造，迫使锻件心部产生较大变形，其心部的变形比用普通平砧拔长要大得多，同时必须保证每火次的锻件温度和保温时间。在镦粗压实的两火中，镦粗一定要到位，严格按照工艺要求执行，确保生产出合格的转子锻件。

龚东升，助理工程师，主要研究大型锻件的工艺和RR法全纤维曲轴的锻造技术。