600 MW 1Mn18Cr18N护环的制造

2010-09-26曲东方郭宝强郑洪颖

大型铸锻件 2010年6期

杨兵曲东方郭宝强郑洪颖

(沈阳铸锻工业有限公司锻造公司，辽宁110142)

护环是火力发电机上关键构件，热套在转子的两端，起到固定绕组线圈端部作用，护环随着转子做高速旋转，承受较大的离心应力及槽端线圈绕线对护环的迭加载荷。因此护环需要具有较高的屈服强度，同时为避免护环在强磁场工作过程因电磁感应造成护环发热，影响发电机效率及安全性，因此护环必须由奥氏体无磁钢材料来制造。由于护环材料为无相变奥氏体无磁钢，因此不能通过传统的相变热处理方式来提高其强度，只能通过冷变形强化来达到提高力学性能目的。护环制造以其严格的技术要求和特殊的制造工艺方法，一直被世界各国护环制造行业予以高度的重视和作为研究开发的对象。目前国际上制造护环的主要材料为1Mn18Cr18N，由于1Mn18Cr18N护环制造难度巨大，国内汽轮发电机厂家所需300 MW及以上规格的1Mn18Cr18N钢护环主要依赖进口。我公司2006年成功开发出300 MW 1Mn18Cr18N护环，形成300 MW 1Mn18Cr18N护环批量生产能力。为开发市场，我公司参与国际采购，2009年我公司为印度BHARAT公司成功制造并交货两件600 MW 1Mn18Cr18N护环，填补了国内制造并被使用空白。由于该规格护环虽然屈服强度要求及交货尺寸与国内同类规格相近，但其技术要求与国内JB/T7030—2002标准相比有较大区别，现将其制造过程进行全面介绍。

1 600 MW护环的技术要求

1.1 按用户提供的《PLANT PURCHHASING SPECIFICATION HEEP-HARDWAR》(HW19364)标准生产验收。

1.2 主要技术指标：

(1)化学成分要求见表1。

(2)力学性能(常温拉伸)要求见表2。

(3)取样位置及取样数量见图1。

在护环两端切取整片试环，分别记录K、F端，然后按图示划分试料区，制造厂家在护环两端的K3及F6区域切取试样做力学性能试验。

表1 化学成分要求(质量分数，%)Table 1 The requirement of chemical composition(mass fraction, %)

表2 力学性能要求Table 2 The requirement of mechanical property

图1 取样位置和取样数量Figure 1 The position and number of sampling

在力学试验中，中环切向抗拉性能指标及RP0.02指标为参考值。

(4)无损检测按ASTM A531超声波探伤标准规定。

(5)护环交货尺寸为∅1 242 mm×∅1 069 mm×795 mm。

国内汽轮发电机600 MW护环的尺寸规格主要为∅1 233 mm×∅1 013 mm×875 mm、∅1 243 mm×∅1 030 mm×945 mm等，技术标准为JB/T 7030—2002 III级。在95～105℃下，Rp0.2为1 070 MPa～1 210 MPa，没有径向力学性能要求，而印度公司有该技术要求，这对我们是一新的技术挑战。我公司对1Mn18Cr18N 材料做过大量的材料试验，100℃ 1Mn18Cr18N高温试验Rp0.2与印度护环的常温性能指标Rp0.2基本相当，从取样位置的冷变形强化率计算与国内基本相同。由于首次为国外制造600 MW 1Mn18Cr18N护环，因此我公司将强化后的护环长度尺寸定为875 mm，也是立足于开发600 MW 1Mn18Cr18N护环国内市场考虑。

2 600 MW护环热锻工艺研制

汽轮发电机护环热锻工艺编制，必须首先确定满足力学性能指标要求的冷变形强化率。借助我公司300 MW护环制造的技术平台，根据材料力学特性，我们先按照满足其内环切向力学性能指标确定冷变形强化率。以此为基础，计算变形强化前护环尺寸，然后依此编制出热锻工艺。

(1)护环热锻毛坯锻件尺寸如图2所示，锻件重3 950 kg。

(2)热锻工艺方案见表3，采用电渣重熔钢锭，其尺寸为∅700 mm×1 700 mm，在30 MN水压机上锻造。

图2 护环锻件毛坯尺寸Figure 2 The block size of retaining ring forging

表3 护环热锻工艺方案Table 3 The forging process plan for retaining ring

(3)实际变形过程

1Mn18Cr18N护环钢合金含量高、变形抗力大、裂纹敏感性强，锻造难度相对增大。因此确定好变形过程中各火次的变形工艺参数对保证护环的内部质量尤为关键。采用控制锻造技术，利用小设备干大活，规定了每一火次变形温度、加热时间、送进量、压下量等工艺参数，有效地保证了护环热锻毛坯的内部质量，为以下的制造工序打下良好的基础。

3 护环固溶处理

护环固溶处理的主要目的是提高护环材料奥氏体组织均匀性及稳定性，防止碳化物析出，提高材料冷变形强化的性能。

600 MW 1Mn18Cr18N护环截面尺寸大，高度高，为保证固溶处理效果，势必要增加保温时间，而保温时间的增加，会造成奥氏体钢晶粒粗大，影响强化后的护环斜探头横波探伤效果，甚至会因为粗晶波高超过横波探伤要求标准线高度而导致护环报废。参考国内外有关文献，经过大量的模拟试验，同时根据我公司热锻护环毛坯的工艺特点，确定了适合我公司600 MW 1Mn18Cr18N护环材料的固溶处理工艺。固溶处理工艺曲线如图3所示。

图3 固溶处理工艺曲线Figure 3 The solution treatment curve

高温装炉时的炉温温度在900℃以上。固溶处理后的护环进行冷变形强化前加工，超声波初探结果显示，底波反射次数较多，说明固溶处理效果良好。

4 600 MW护环外补液液压胀形强化

对1Mn18Cr18N护环进行冷变形强化，主要包括两方面内容：一是要达到护环标准规定的力学性能指标；二是要保证护环液压胀形后达到工艺尺寸要求。

目前国内外公认的最佳护环冷变形强化方法为液压胀形强化法，我公司目前采用的是国际先进的以外补液液压胀形强化护环为原理的护环压机进行强化护环，如图4所示。

其基本原理是外设超高压泵将超高压水打入护环与模具组成的封闭腔内，再通过低压系统调解，使护环在高压液体和模具的共同作用下发生塑性变形，通过材料的冷作硬化达到提高奥氏体护环钢强度的目的。

为保证护环强化后力学性能达到标准要求，我们在两件固溶处理后的护环上切取试样，做材料的力学性能试验。根据实际情况，确定保证达到标准要求的冷变形强化率，最终确定护环液压胀形前尺寸，从而使强化后护环的综合性能达到标准要求。

图4 护环液压胀形示意图Figure 4 The diagrammatic drawing of hydraulic expanding for retaining ring

为保证护环液压胀形后的尺寸达到工艺尺寸，我们确定了用来强化600 MW护环的多套模具上的冷变形强化量，设计并制造600 MW最大减力比外补液液压胀形模具；为降低护环成形的超高压液体压力，我们采用温胀强化护环技术；为保证强化后的护环不出现母线凹形，确定了保证护环成形质量的低压系统压力与护环塑性变形时所需超高压液体过程匹配值。

检测结果表明，液压强化后护环尺寸达到了工艺要求的公差范围(mm)：(∅1 252±3)×(∅1 049±3)×(875±5)。