联合循环机组高中压转子锻件的研制

滕 毅 赵 丽

(天津重型装备工程研究有限公司，天津300457)

燃气-蒸汽联合循环是将燃气轮机和蒸汽轮机这两种按不同热力循环工作的热机联合在一起的发电机组，也简称为联合循环。它能大幅度提高机组热效率，是节约能源的一种新型发电形式，其不仅具有降低CO2排放、减少耗水量、实现粉尘零污染等环保优点，而且其供电效率能够达到42%～46%，具有高效的综合利用率，这对于我国实现绿色低碳经济发展模式具有战略意义。

联合循环发电机组中的核心部件是高中压转子，由于机组进汽端温度高(566℃)，对材料来说就是超临界机组。因此对高中压转子的技术要求比亚临界机组更加严格，即比常规高中压转子要求具有更低的FATT、更高的抗拉强度及高温持久性能。由于该转子主要依赖进口，因此我公司与哈汽共同合作进行了联合循环高中压转子锻件的研制。本文重点对联合循环高中压转子超纯30Cr1Mo1V钢进行热工艺研究，使其最终达到联合循环机组高的性能要求。

1 技术要求

超纯30Cr1Mo1V钢的化学成分见表1，常温力学性能见表2，高温性能见表3。

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

注：O≤30×10-6，H≤1.0×10-6，N≤100×10-6

表2 常温力学性能要求Table 2 The requirement of the normal temperature mechanical property

表3 高温性能要求Table 3 The requirement of the high temperature mechanical property

2 制造难点

2.1 联合循环机组高中压转子的化学成分除Mn元素外，其余均为超纯，致使冶炼浇注对残余元素、成分偏析及气体更难于控制。

2.2 超纯30Cr1Mo1V钢转子的常温屈服强度比普通30Cr1Mo1V钢(≥590 MPa)高10 MPa，抗拉强度比常规转子(≥720 MPa)高出40 MPa以上，FATT比常规转子(≤116℃)低3℃。

3 制造过程

针对联合循环机组高中压转子力学性能的特点，本着降低成本、发挥材料潜力的原则，开发了超纯30Cr1Mo1V钢，其生产流程为：冶炼→锻造→预备热处理→超声波探伤→调质热处理→检验→精加工。

3.1 冶炼浇注

采用真空碳脱氧(LVCD)，利用真空状态下[C]、[O]反应，提高钢水的纯净度，减少脱氧产物进入钢水，降低钢水的[O]含量；采用VCD大大降低P、S的偏聚。通过LVCD+VCD的方式实现锻件除Mn外，其余元素均为超纯的目的。

3.2 锻造

采用大砧宽比(1 500 mm宽V砧)压实砧压实，两次镦粗拔长，使心部有效压实。保证转子组织均匀，满足超声波探伤要求。

3.3 热处理

3.3.1 预备热处理

转子含有较多的Cr、Mo、V等合金元素，尤其是钒碳化物是难溶的碳化物。超纯30Cr1Mo1V钢在锻造后采用退火工艺，即一次高温两次过冷的工艺方式能使钒碳化物充分溶解，弥散析出细小均匀的钒碳化物，为后序热处理做组织准备。

3.3.2 调质热处理

4 检验结果

通过对超纯30Cr1Mo1V钢进行热工艺研制，其化学成分、常温力学性能、金相、高温持久等检验结果详见表4～表6和图2～图3。

图1 高中压转子锻件调质热处理工艺曲线Figure 1 The quenching and tempering process curve of HIP rotor

表4 化学成分检验结果(质量分数，%)Table 4 The examination result of the chemical composition(mass fraction, %)

注：轴身X2中O=20×10-6，H=0.7×10-6，N=38×10-6；轴端L1中O=24×10-6，H=0.5×10-6，N=40×10-6。

表5 力学性能检验结果Table 5 The examination result of the mechanical property

表6 高温持久强度(试样位置为轴身径向)Table 6 The high temperature permanent strength(the position of samples is shaft-radial)

图2 金相照片Figure 2 The metallograph

图3 高温持久强度曲线Figure 3 The curve of high temperature permanent strength

5 结论

通过对联合循环高中压转子材料进行优化设计，冶炼时除Mn外，其余元素按超纯冶炼工艺操作，并采用鼓风冷却热处理工艺实现了超纯转子具有较低的FATT、较高的抗拉强度及高温持久性能的要求。通过试制，证明该材料及工艺的优化是可行的，既降低了成本，延长了转子使用寿命，又实现了联合循环机组的可靠运行。