1000mw超超臨界機(jī)組核心零件制造技術(shù)的發(fā)展

1000mw超超臨界機(jī)組核心零件制造技術(shù)的發(fā)展

0超超臨界機(jī)組轉(zhuǎn)子組件的國產(chǎn)化和應(yīng)用前景展望隨著技術(shù)的發(fā)展和人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，人們對(duì)能源效率和減稅的要求越來越高。因此，超級(jí)電容器的研究已成為焦點(diǎn)。直至20世紀(jì)80年代末至90年代初,美、日、德等國成功研制了一批可以在超超臨界機(jī)組安全運(yùn)行的高溫性能良好的轉(zhuǎn)子鍛件用鋼,并形成了專用材料標(biāo)準(zhǔn),之后世界即有大批超臨界和超超臨界機(jī)組投入運(yùn)行。超超臨界汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組發(fā)電煤耗低于300g/kWh,比同等容量的亞臨界機(jī)組每度電少耗煤20g左右,這大大的減少對(duì)環(huán)境的污染排放,有利于人類的身體健康和自然界的生態(tài)環(huán)境。據(jù)有關(guān)資料分析表明,一臺(tái)年運(yùn)行為7500h的650MW機(jī)組,如果采用27MPa/580℃/600℃的超超臨界參數(shù),將比參數(shù)為18MPa/540℃/540℃的亞臨界機(jī)組年節(jié)省煤炭97500t,少排放CO2氣體270000t。同時(shí)超超臨界汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組可以比亞臨界機(jī)組效率提高20%以上,具有明顯的高效、節(jié)能和環(huán)保優(yōu)勢(shì),已成為當(dāng)今發(fā)達(dá)國家競(jìng)相采用和發(fā)展的新技術(shù)。目前我國超超臨界汽輪機(jī)的蒸汽溫度已達(dá)到600℃、蒸汽壓力為25～28MPa,隨著對(duì)火電機(jī)組發(fā)電功率和發(fā)電效率不斷提高的要求,對(duì)機(jī)組部件核心鍛件轉(zhuǎn)子材料性能提出了極高的要求。1000MW超超臨界汽輪機(jī)高中壓轉(zhuǎn)子鍛件材料采用多元強(qiáng)化的高合金耐熱鋼,低壓轉(zhuǎn)子的尺寸更大,所需鋼錠重量更重,純凈度要求也更高。國外的生產(chǎn)技術(shù)雖然比較成熟,但尚在持續(xù)研究,而國內(nèi)尚不能穩(wěn)定生產(chǎn),基本依靠進(jìn)口。對(duì)1000MW汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子高壓、中壓和低壓鍛件進(jìn)行研制,打破國外企業(yè)技術(shù)壟斷,實(shí)現(xiàn)超超臨界機(jī)組轉(zhuǎn)子鍛件國產(chǎn)化的大勢(shì)所需,是非常必要的。為了加快提高上海電氣在超超臨界百萬等級(jí)火力發(fā)電設(shè)備的制造能力,推進(jìn)我國新型先進(jìn)電力設(shè)備的技術(shù)發(fā)展和清潔能源高效電廠的建設(shè),最大限度地滿足國民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的需要,上海重型機(jī)器廠有限公司積極自主創(chuàng)新,從2008年開始對(duì)1000MW級(jí)超超臨界汽輪機(jī)大型轉(zhuǎn)子鍛件進(jìn)行國產(chǎn)化制造技術(shù)研究并開展產(chǎn)品試制,以期盡快突破百萬等級(jí)超超臨界汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子鍛件制造技術(shù)瓶頸,提升企業(yè)產(chǎn)品技術(shù)等級(jí)和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。本文以汽輪機(jī)廠1000MW級(jí)超超臨界高壓、中壓和低壓轉(zhuǎn)子為依托產(chǎn)品,介紹1000MW級(jí)超超臨界火電轉(zhuǎn)子鍛件的特點(diǎn)和在冶煉、鍛造、熱處理等工藝技術(shù)方面的主要研究?jī)?nèi)容。110超超臨界發(fā)電機(jī)組汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子是火電設(shè)備四大鍛件之一,是汽輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部分的主體,由于轉(zhuǎn)子在高溫、潮濕、復(fù)雜應(yīng)力條件下工作,所以質(zhì)量要求很高,制造技術(shù)含量高,材料、工藝、檢測(cè)方法等都比較復(fù)雜。上海汽輪機(jī)廠的1000MW超超臨界汽輪機(jī)組包括一根高壓轉(zhuǎn)子、一根中壓轉(zhuǎn)子和兩根低壓轉(zhuǎn)子,三維立體視圖見圖1。高壓轉(zhuǎn)子、中壓轉(zhuǎn)子和低壓轉(zhuǎn)子的基本參數(shù)見表1。2高、中壓壓縮式發(fā)動(dòng)機(jī)的振興性能2.1熱處理與高溫力學(xué)性能高、中壓轉(zhuǎn)子鍛件在材料設(shè)計(jì)時(shí),設(shè)計(jì)目標(biāo)如下:(1)600℃時(shí)具有良好的持久強(qiáng)度,100000h蠕變持久強(qiáng)度大約為90～100MPa。(2)足夠高的室溫強(qiáng)度,屈服強(qiáng)度下限為700MPa。(3)良好的蠕變塑性(持久斷裂的延伸率>10%),無蠕變?nèi)笨诿舾行浴?4)足夠好的淬透性,直徑1.2m的轉(zhuǎn)子鍛件能淬透。(5)高溫長(zhǎng)期工作具有良好的組織穩(wěn)定性。(6)良好的抗氧化性和耐腐蝕性能。(7)良好的斷裂韌性,與傳統(tǒng)的12%CrMoV和1%CrMoV鋼相當(dāng)。材料選用X12CrMoWVNbN10-1-1,鍛件技術(shù)要求主要有:(1)均勻的鍛透轉(zhuǎn)子鍛件用鋼需采用真空碳脫氧VCD或電渣重熔ESR精煉;采用足夠的噸位的鍛壓機(jī)使整個(gè)鍛件均勻,鍛透;熱處理時(shí)垂直液淬,使轉(zhuǎn)子心部完全馬氏體相變且需要采用二次回火溫度,保證表面能獲得最小殘余應(yīng)力。(2)必要的化學(xué)成分要求要求對(duì)每爐鋼水進(jìn)行熔煉分析和成品分析,分析結(jié)果見表1,表2規(guī)定。(3)機(jī)械工程要求注:1.符號(hào)*表示三個(gè)夏比V型缺口試樣的平均值;2.RP0.2,Rm試驗(yàn)離散性均不得超過50MPa。2.2米工鋼的結(jié)構(gòu)1000MW超超臨界高、中壓轉(zhuǎn)子鍛件材料為X12CrMoWVNbN10-1-1,屬多元強(qiáng)化的高合金耐熱鋼。該材料合金元素多,且范圍狹窄、成分配比復(fù)雜。對(duì)冶煉、鍛造以及熱處理等熱加工工藝控制和設(shè)備條件提出了更高、更苛刻的要求。(1)高校合金加工難度高、中壓轉(zhuǎn)子鍛件產(chǎn)品質(zhì)量要求高,所需鋼錠很大,多元高合金鋼材料合金元素種類多且復(fù)雜,鋼水粘度高、導(dǎo)熱性差,成分控制范圍窄,精煉過程持續(xù)時(shí)間長(zhǎng),鋼種純凈度、成分均勻性、穩(wěn)定性要求都很高,冶煉難度非常大,而且脫氧控制低Si、低Al,電渣重熔脫氧難度非常大。(2)均勻性和抗力高、中壓轉(zhuǎn)子鍛件材料鍛造溫度范圍很窄,加熱均勻性要求高,極易鍛裂。鍛壓時(shí)應(yīng)變抗力大,有裂紋難以清理。既要防止鍛造過程中鍛裂,又要保證轉(zhuǎn)子全截面鍛透,避免產(chǎn)生中心疏松等缺陷。(3)轉(zhuǎn)子熱處理顆粒不均勻高、中壓轉(zhuǎn)子鍛件材料用鋼屬高淬透性馬氏體不銹鋼,組織遺傳傾向很大,轉(zhuǎn)子鍛造完成時(shí)晶粒不均勻情況比較嚴(yán)重,為提高轉(zhuǎn)子鍛件超聲波檢測(cè)性能,必須準(zhǔn)確控制轉(zhuǎn)子熱處理晶粒。該鋼種奧氏體化溫度高且對(duì)爐溫均勻性要求很苛刻,熱處理液體淬火時(shí)也極易開裂,既要防止熱處理開裂,也要使轉(zhuǎn)子全截面淬透,并獲得均勻的回火馬氏體組織,熱處理工藝設(shè)計(jì)難度大。2.3加工工藝的測(cè)定高中壓轉(zhuǎn)子鍛件制造工藝流程為:電渣重熔→鍛造→鍛后熱處理→加工→性能熱處理→加工→超聲波探傷→取樣測(cè)試→半精加工→除應(yīng)力處理→精加工→磁粉檢測(cè)→最終檢查→成品。2.3.1面改進(jìn)轉(zhuǎn)子鋼錠冶煉工藝參數(shù)的設(shè)計(jì)優(yōu)化通過工藝試驗(yàn)和研究對(duì)重熔工藝設(shè)計(jì),設(shè)備工裝改進(jìn)和加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)控制等方面改進(jìn)轉(zhuǎn)子鋼錠冶煉,主要的工藝參數(shù)設(shè)計(jì)優(yōu)化如下:(1)優(yōu)選自耗電極的成分和配對(duì)組合。(2)優(yōu)化渣料配比。(3)優(yōu)化熔化和凝固速率。(4)全過程采用惰性氣體保護(hù)。(5)優(yōu)化脫氧參數(shù),精細(xì)化控制脫氧劑。2.3.2多元合金的擴(kuò)散培養(yǎng)根據(jù)高中壓轉(zhuǎn)子材料合適的鍛造工藝溫度區(qū)間,合理設(shè)計(jì)鍛造始鍛和終鍛溫度,確定鍛造各階段保溫時(shí)間,使多元合金成分均勻擴(kuò)散,組織相對(duì)均衡;通過壓機(jī)、操作機(jī)聯(lián)動(dòng)作業(yè),采用無鉗把鍛造工藝,精密控制滾壓,鐓粗、拔長(zhǎng)、成型各工序,防止鍛裂并保證心部足夠的鍛造比,打碎鋼錠內(nèi)部粗大柱狀晶,鍛合鋼錠內(nèi)部縮松、縮孔等缺陷。2.3.3發(fā)燒(1)等溫轉(zhuǎn)變曲線通過工藝模擬試驗(yàn)和不斷觀察、測(cè)定、修正,確定X12CrMoWVNbN10-1-1鋼的等溫轉(zhuǎn)變曲線(TTT曲線),如圖5所示。根據(jù)上述TTT曲線及模擬試驗(yàn),確定鍛后熱處理工藝,使轉(zhuǎn)子鍛件獲得完全擴(kuò)散型平衡相變組織,有效切除鍛造過程中粗大的組織遺傳,達(dá)到了細(xì)化轉(zhuǎn)子晶粒,提高超聲波可探性的目的。(2)等溫長(zhǎng)規(guī)律的應(yīng)用通過測(cè)定高、中壓轉(zhuǎn)子材料基本相變點(diǎn)及奧氏體晶粒度等溫長(zhǎng)大規(guī)律(見圖6),計(jì)算機(jī)模擬實(shí)際淬火冷卻速度,不斷摸索和工藝試驗(yàn),確定了滿足轉(zhuǎn)子性能要求的性能熱處理工藝,高、中壓轉(zhuǎn)子淬火和回火出爐狀況見圖7。2.4高、中壓旋轉(zhuǎn)性能測(cè)試(2)高、中壓轉(zhuǎn)子器件開發(fā)上海重型機(jī)器廠有限公司在1000MW級(jí)超超臨界高、中壓轉(zhuǎn)子鍛件研制,通過產(chǎn)學(xué)研結(jié)合,自主創(chuàng)新,攻克技術(shù)難題,取得突破,高、中壓轉(zhuǎn)子產(chǎn)品滿足訂貨技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求,達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平。3mw汽車座壓縮器的開發(fā)3.1試驗(yàn)材料及性能低壓轉(zhuǎn)子選用純凈鋼26NiCrMoV14-5材料。選材主要依據(jù)低壓轉(zhuǎn)子應(yīng)用環(huán)境要求材料:(1)高強(qiáng)度、高塑性、高韌性,具有良好的斷裂韌性。(2)良好的疲勞強(qiáng)度和抗疲勞裂紋擴(kuò)展能力。(3)良好的抗腐蝕性(局部腐蝕、應(yīng)力腐蝕開裂、腐蝕疲勞、沖蝕)。由于3.5%NiCrMoV鋼具有上述優(yōu)良特性,為世界上各大汽輪機(jī)制造廠大型整鍛低壓轉(zhuǎn)子用鋼的首選。(1)鍛透、均勻。在鍛壓機(jī)上確定鍛壓機(jī)使各轉(zhuǎn)子鍛件用鋼需采用真空碳脫氧;采用足夠的噸位的鍛壓機(jī)使整個(gè)鍛件鍛透,均勻;熱處理時(shí)垂直水淬,使轉(zhuǎn)子體中心溫度冷卻<80℃,選擇合理的回火溫度和冷卻速度,使達(dá)到最小殘余應(yīng)力。(2)必要的化學(xué)成分要求要求對(duì)每爐鋼水進(jìn)行熔煉分析和成品分析,分析結(jié)果應(yīng)符合表10、表11規(guī)定。(3)力學(xué)要求力學(xué)性能需滿足表12所示,且切向試樣RP0.2和Rm離散值均不可超過50MPa。(4)受傷暴露超聲波探傷和磁粉探傷標(biāo)準(zhǔn)滿足西門子PS-0.0004標(biāo)準(zhǔn)最新版要求,對(duì)判定缺陷要求高。3.2裂韌性和抗疲勞性能1000MW超超臨界低壓轉(zhuǎn)子要求鍛件材料純凈度高,力學(xué)性能綜合要求高且均勻性好,良好的斷裂韌性和抗疲勞性能,組織晶粒均勻細(xì)小,殘余應(yīng)力值更低,且要求有一定的抗回火脆性和耐腐蝕性能。相比300～600MW而言,轉(zhuǎn)子直徑更大,所需鋼錠重量更重,純凈度要求更高,各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)都有所提升,對(duì)冶煉、鍛造、熱處理和取樣等工藝設(shè)計(jì)和設(shè)備控制提出了更加復(fù)雜和精密的要求。(1)反偏析控制的難點(diǎn)1000MW超超臨界低壓轉(zhuǎn)子鍛件產(chǎn)品所需的鋼錠噸位為300t級(jí),鋼錠成分需要進(jìn)行反偏析控制確保轉(zhuǎn)子鍛件均勻,氣體和殘余元素含量要降到很低,真空處理和脫硫、脫磷操作要很徹底,鋼液流動(dòng)的整個(gè)系統(tǒng)須保證十分純凈,整個(gè)冶煉過程多包合澆,操作連續(xù),周期長(zhǎng),控制難度很大。(2)熱處理鑄造技術(shù)低壓轉(zhuǎn)子鋼錠由于噸位大,全截面均勻性要求高,需要進(jìn)行多次鐓拔使鋼錠中粗大的鑄態(tài)結(jié)構(gòu)、疏松、夾雜、孔洞等冶金缺陷,通過鍛造熱變形加以鍛合消除或改善,并嚴(yán)防內(nèi)部萌生新裂紋,使轉(zhuǎn)子心部鍛透、鍛實(shí),以達(dá)到滿足力學(xué)性能的要求,尤其是材料均勻性。通過均勻變形和精密成型,改善組織狀態(tài)和毛坯表面質(zhì)量。(3)原始粉體晶粒的改造和細(xì)化低壓轉(zhuǎn)子材料含Ni、Cr等合金元素含量高,鍛造冷卻后得到的非平衡組織,容易恢復(fù)為粗大的原始奧氏體晶粒,改造和細(xì)化晶粒難度大。轉(zhuǎn)子淬火直徑將近2m,芯部和表面由于熱處理加熱和冷卻速度各不相同,既要防止整個(gè)淬回火過程復(fù)合應(yīng)力產(chǎn)生裂紋,又要使全截面淬透,組織、性能均勻性符合要求,對(duì)熱處理工藝設(shè)計(jì)和轉(zhuǎn)子冶金質(zhì)量提出了非常高的要求。(4)和端部中心深盲孔進(jìn)行套料取樣的技術(shù)路線低壓轉(zhuǎn)子毛坯和產(chǎn)品重量很重,且在轉(zhuǎn)子軸身中部和端部中心深盲孔進(jìn)行套料取樣,需要設(shè)計(jì)專用的套料及扭斷工具,并合理設(shè)計(jì)深孔擴(kuò)孔、砂光等精加工工藝方法和手段滿足中心深盲孔高精度要求。3.3加工工藝的檢測(cè)低壓壓轉(zhuǎn)子鍛件制造工藝流程為:真空冶煉→鍛造→鍛后熱處理→加工→性能熱處理→加工→超聲波探傷→取樣測(cè)試(→半精加工→除應(yīng)力處理)→精加工→磁粉檢測(cè)→最終檢查→成品。3.3.1執(zhí)行殘余元素控制通過鋼錠錠型選擇,成分優(yōu)化配比,C、Mo反偏析補(bǔ)償控制,殘余元素和低H、低O控制,改進(jìn)澆注參數(shù)等工藝措施,加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)操作,進(jìn)行鋼水粗煉、精煉和澆注,完成鋼錠凝固并脫模。圖8為低壓轉(zhuǎn)子鋼錠。3.3.2中心壓實(shí)jts法通過前期計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬和物理模擬,確定“鐓粗+寬砧強(qiáng)壓(WHF法)+中心壓實(shí)(JTS法)”的鍛造工藝方法,確定始鍛和終鍛溫度,確定采用上平下V型砧成型等措施,徹底破碎鑄造組織、鍛合內(nèi)部孔隙性缺陷,使鍛件心部鍛透、壓實(shí),表面質(zhì)量和表面裂紋得到有效控制。鍛造最終成型見圖9所示。3.3.3強(qiáng)化晶?？刂仆ㄟ^計(jì)算機(jī)模擬研究和熱處理工藝試驗(yàn),確定多次正回火工藝,利用多次相變重結(jié)晶,利用晶粒邊界效應(yīng)來細(xì)化奧氏體晶粒,提高超聲波探傷性能。根據(jù)材料CCT曲線,對(duì)轉(zhuǎn)子全截面淬火噴水過程不同位置的冷卻進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬(見圖10),通過深冷、激冷控制,確保轉(zhuǎn)子心部淬透。轉(zhuǎn)子性能熱處理出爐狀態(tài)見圖11。3.4低壓縮差性能評(píng)價(jià)(2)低壓轉(zhuǎn)子器件制造技術(shù)上海重型機(jī)器廠有限公司通過1000MW級(jí)超超臨界低壓轉(zhuǎn)子鍛件研制,產(chǎn)品均滿足了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求,達(dá)到了國外同類轉(zhuǎn)子鍛件制造水平,特別是探傷質(zhì)量及中心徑向性能、FATT等部分指標(biāo)達(dá)