国外主要汽轮机转子锻件制造厂及研发动态介绍

(哈尔滨汽轮机厂有限责任公司，黑龙江150046)

汽轮机转子是火力发电的心脏，质量在几十吨以上，在高温、高压超超临界水蒸气环境中以1500～3600r/min的高速运转，尤其是高、中压转子需要承受高温、高应力、蒸汽氧化腐蚀等严苛的工况条件[1-2]。因此，对于转子材料要求其不仅具有较小的残余应力，还需要组织性能均匀、韧性好及强度高等。转子的锻造难度相比于平常的轴类锻件，要明显大得多，因此需要有熟练的操作工人、先进的设备及可靠的工艺，方能保证得到优质、精密的转子[3]。特别是随着汽轮机进汽参数的不断提高，转子材料的成分越来越复杂，制造工艺难度也越来越大。

目前，投入商业运行的最高工作温度的汽轮机进汽温度已经达到620℃，高温转子采用欧洲研发的FB2钢。然而，该钢的成分和制造工艺非常复杂，目前世界上能够生产大型FB2转子锻件的重型机械厂屈指可数，而且实际生产锻件的性能水平也有较大差异。另外，为了进一步提高电厂效率，降低CO2排放，国内外正在开展700℃及以上等级的先进超超临界(A-USC)机组的研发，传统的铁素体耐热钢已经无法满足转子的使用要求，必须采用Ni基合金制造高温转子。因此，国内外重型机械厂也与主机厂、科研院所等针对Ni基合金转子锻件开展了深入而广泛的研发工作。

本文介绍了国外主要重型机械厂的设备能力情况、典型产品、最新研发动态等，为国内重型机械厂的发展提供参考。

1 国外主要重型机械厂制造能力和典型产品

在2000年前，日本是世界上超临界机组和超超临界机组投产最多的国家。这主要是因为日本在9%～12%Cr铁素体钢研发方面投入大量的精力，解决了超临界、超超临界汽轮机高温部件用材问题。在9%～12%Cr耐热钢汽轮机转子锻件研发、制造、应用等方面，日本也一直处于世界领先地位。在日本，主要生产汽轮机转子锻件的厂家有日本制钢所、日本铸锻钢、神户制钢所等。

1.1 日本制钢所(JSW)

1.1.1制造能力

日本制钢所的制造能力[4]如下：

冶炼车间：120t碱性电炉(EF)，4台钢包精炼炉(LF)，其中3台150t，1台30t。这些钢包精炼炉可以进行真空氧脱碳(VOD)工艺。原来的100t电渣重熔(ESR)设备升级到150t。为了能够制造更大的钢锭及扩大炼钢车间的产能，2009年安装了2个650t真空罐、2个25t真空罐、1个蒸汽喷射器，以及600t吊车。因此，可以制造的最大钢锭由600t提高到670t。

锻造车间：安装了1台140MN油压机，代替原来的80MN压机。

热处理车间：安装了1台∅3.9m井式热处理炉及相应的喷淬设备，用于转子等轴类锻件的淬火，以及1台∅12m的淬火槽，用于大直径环锻件和饼类锻件的淬火处理。

机械加工车间：安装有2台400t数控车床，5台大型立式数控车床，400t车削铣床，1台镗床。

1.1.2典型产品

日本制钢所具备制造钢锭重670t的大型核电低压转子的能力[5]。

对试制转子锻件进行了纵向低倍剖面检查，检查标准为JIS G0553。除在钢锭顶部靠近轴身的轴径位置发现轻微A型偏析外，钢锭非常均匀。锻件纵向低倍剖面检查如图1所示。

图1 锻件纵向低倍剖面检查Figure 1 Macroscopic examination of longitudinal section for forging

1.2 日本铸锻钢(JCFC)

1.2.1制造能力

JCFC公司的制造能力[4]如下：

冶炼车间：1台100t电炉，1台150t钢包精炼炉。2010年安装650t和300t真空罐，使得最大钢锭重量提高至650t。除原有的电渣热冒口设备外，2012年新增145t电渣重熔设备。

锻造车间：1台130MN油压机，配有450t·m操作机，1台105MN压机和1台30MN压机。

热处理车间：1台井式淬火炉，7台井式电炉，1台感应加热炉等。

机械加工设备：7台大型车床，能力从100t到300t，2011年新增400t车床。

1.2.2典型产品

(1)9%～12%Cr钢转子锻件

自1991年至2013年，JCFC公司采用真空碳脱氧(VCD)、电渣热冒口(ESHT-J)或电渣重熔(ESR)工艺为世界各地高效电厂提供了近200根9%～12%Cr钢转子。JCFC能够制造的最大FB2转子锻件重量达5.02t，还可以制造630℃等级MTR10大型转子锻件。FB2和MTR10大型转子锻件在调质后的超声波最小可探缺陷尺寸均在∅1.5mm以内。FB2和MTR10转子的MDDS[6]如图2所示。

(a)FB2转子

(b)MTR10转子图2 FB2和MTR10转子的MDDSFigure 2 MDDS of FB2 and MTR10 rotors

(2)核电低压转子锻件

自1980年以来，JCFC公司为世界范围内的核电站提供了100多根整锻低压汽轮机转子，最大钢锭重量达500t。在制造500t钢锭的基础上，JCFC试制了2根650t钢锭，并采用第2根650t钢锭制造了整锻低压转子锻件，其最大直径约2700mm，总长约12000mm。各项试验结果表明，650t钢锭及相应的转子锻件的性能优异[7]。

1.3 神户制钢所

1.3.1制造能力

神户制钢所的制造能力[4]如下：

冶炼车间：3台电炉，分别为100t、20t和18t，2台钢包精炼炉，分别为25～135t和15～50t，1台15～18t真空氧脱碳炉，二次精炼有1台17t电渣重熔炉。

锻造车间：5台压机，分别为130MN、100MN、40MN、50MN、45MN，配套有400t·m、250t·m、120t·m、20t·m操作机；2010年新上一台100MN快速高精度锻造线，用于锻造长轴类锻件；2013年完成130MN压机改造升级。

热处理车间：400t热处理炉等，共计31套。

机械加工车间：95套设备，其中2013年安装车削铣床。

1.3.2典型产品

(1)9%～12%Cr钢转子

1987年率先与日本电力公司合作开发出600℃等级9%～12%Cr转子(TMK1)，用于若松电站(50MW593℃超临界机组)。该转子用39t ESR锭制成，锻件直径980mm，重28t。1991年又用TMK1钢为碧南三号电站700MW超临界机组制成中压转子。该转子用55t ESR钢锭锻造，锻件直径1220mm[8]。

(2)高低压联合整体转子

1985年用2Cr1.75Mo1Mn0.5NiV钢制成用于100MW机组的联合转子。转子用80t VCD钢锭锻制，低压端直径1350mm，采用分区热处理技术。1992年用2.5CrMoV钢生产一根l00MW机组用联合转子，低压端直径为1650mm[8]。

1.4 德国萨尔公司

1.4.1制造能力

德国萨尔公司的制造能力如下：

冶炼车间：1台125t电炉，16t真空感应炉(VIM)，合金锭重量从2t到16t，30t真空自耗炉(VAR)。

电渣重熔设备具备多个台位，可制造钢锭的规格如下：

ESR钢锭直径：465mm、750mm、1000mm、1300mm、1600mm、2300mm；

ESR钢锭长度：2300mm、2400mm、5200mm、6000mm、6400mm、6400mm；

ESR钢锭重量：3t、8t、32t、60t、105t、200t。

锻造车间：1台40MN压机，1台85MN压机和1台120MN压机，多台操作机，范围从25t·m至200t·m。

热处理车间：组合式热处理设备，可以实现固溶、淬火、退火、时效、去应力等各类热处理操作。采用模拟热处理和有限元分析，准确实现要求的各种性能。还有台车炉、井式炉、环形炉，满足各类热处理工艺的要求。

加工车间：各类磨床、镗床、车床、锯床等，最大可加工长度25m，直径3.3m，重量120t。

1.4.2典型产品

(1)焊接转子锻件

萨尔公司采用ESR工艺、120MN压机为Alstom公司试制了核电焊接低压转子轮盘锻件。锻件材质为22NiCrMoV12-7，热处理重量为105t，交货重量超过50t。锻件预备热处理和性能热处理工艺如图3所示。超声检测采用2MHz探头，预备热处理及性能热处理后的MDDS分别为1.8mm和0.9mm。各项性能检查结果均优异[9]。

(a)预备热处理工艺

(b)性能热处理工艺图3 锻件的热处理工艺Figure 3 Heat treatment process of forging

(2)9%～12%Cr钢转子锻件

德国萨尔公司在2000～2007年，共交货55根COST E钢转子和11根COST F钢转子，其中 COST E钢最大交货重量为45t，最大直径为1280mm；COST F钢的最大交货重量为44t，最大直径为1380mm[10]。

1.5 意大利FOMAS公司

1.5.1制造能力

意大利FOMAS公司的制造能力如下：

冶炼设备：3台保护气氛电渣重熔设备，最大钢锭直径2000mm，最大重量125t。

锻造车间：3台压机，分别为35MN、60MN、125MN，配备80t·m、250t·m、400t·m操作机。

热处理车间：29套热处理炉，2个淬火油槽，3个淬火水槽，1套喷淋淬火设备。

加工车间：14台数控卧车，9台数控立车，2台数控镗床，3套万能数控加工中心。

1.5.2典型产品

(1)核电焊接转子锻件

表1 萨尔公司制造的Ni基合金锻件产品Table 1 Ni based alloy forging products produced by Saarland Cast Steel Plant

核电汽轮机焊接转子锻件是FOMAS公司的主要产品之一，锻件材料有B65-AS、STM528、20Cr2NiMo、22Cr2Ni3MoV、25Cr2Ni2MoV、22NiCrMoV12-7等，最大单个锻件交货重量为64.5 t，最大锻件直径为3200 mm。

(2)9%～12%Cr转子锻件

FOMAS公司也有大量COST E、COST F等9%～12%Cr钢转子锻件交货业绩。从2014年开始试制大型FB2转子锻件，也已经有大量FB2转子锻件交货业绩。其FB2转子锻件采用电炉(EAF)+钢包精炼(LF)+真空除气(VD)冶炼，浇注成电极，然后采用保护气氛电渣重熔(ESR)精炼，采用120 MN压机锻造成型[11]。

2 最新研发动态

2.1 630～650℃转子锻件研发

为了满足630～650℃转子用钢的要求，JCFC对MARBN钢进行了深入研究，开展了4种成分MARBN钢的热处理工艺、蠕变持久及组织性能研究，并给出了4种成分MARBN钢的蠕变持久曲线[12]。

日本JSW公司在9%～12%Cr铁素体耐热钢转子研发和制造方面也有着非常丰富的经验。也开展了大量630～650℃高温转子的研究工作，经研究表明，其研发的Co3W4钢可以用于635℃转子[13]。

2.2 高温合金转子锻件研发

在A-USC汽轮机高温转子用Ni基合金研发方面，德国萨尔公司开展大量广泛而深入的研究工作。表1是其制造的Ni基合金转子锻件产品[14]。由表1可以看出：

(1)萨尔早在2000年就开始进行汽轮机用大型Ni基合金锻件研究；

(2)其最大合金锭重量达38.5 t；

(3)其中263合金采用三联工艺冶炼，合金锭重22.4 t。

日本JSW公司与主机厂合作开发了先进超超临界汽轮机(A-USC)高温转子用低膨胀系数Ni基合金锻件。采用VIM+ESR双联工艺冶炼了规格为∅1050 mm×2800 mm、重达20 t的合金锭，采用140 MN压机锻制成10.5 t的锻件，最大直径1124 mm。锻件的表面及心部组织均匀，晶粒度为3～4级，超声波最小可探缺陷尺寸在1.6 mm以下[15]。

2.3 地热汽轮机转子锻件

传统的地热汽轮机转子通常采用1%Cr低合金钢制造，但是该钢种的最大淬透截面为1500 mm，无法满足更大功率地热汽轮机对大直径转子的用材需求。因此，JCFC公司开发了一种淬火直径可达1900 mm的地热汽轮机转子。该新钢种的主要成分为0.25C-2.2Cr-1.1Mo-0.2Ni-0.2V。对该钢进行了力学性能、应力腐蚀试验(SCC)等各项性能测试，结果表明，钢的性能优异，能够满足大直径地热汽轮机转子的用材要求。

3 结束语

转子是汽轮机最核心的部件。随着汽轮机进汽参数的不断提高，对于汽轮机转子锻件的制造能力和工艺水平的要求越来越高，因此近年来国外主要汽轮机锻件生产厂家不断更新设备，提高工艺水平，有的厂家已经可以稳定地制造大型Ni基合金转子锻件。然而，国内制造的常规的600℃等级的9%～12%Cr钢转子锻件的性能尚不稳定，在更高参数用转子锻件研发和应用方面，与国外的差距更加明显。因此，希望本文可以为国内大型汽轮机转子锻件研发和应用提供参考。