大型下注钢锭生产35CrNi3MoV 转子的工艺研究
2023-12-26王旭颖王意平彭彩霞太原重工股份有限公司
文／王旭颖，王意平，彭彩霞·太原重工股份有限公司
35CrNi3MoV 钢是一种优质合金结构钢，因其具有高的淬透性和良好的综合力学性能，广泛用于制造火电、核电等电站装备和大型冶金、矿山和运输装备中的承力和传动结构部件。长期以来，大型转子用钢锭主要生产方式为双真空浇铸，特别是60 吨级以上钢锭生产。双真空浇铸有其优势，但也存在设备投资大、工序复杂、生产周期长、成本高的缺点。为解决上述问题，我公司对利用大型下注钢锭生产35CrNi3MoV 转子的热加工工艺进行研究，解决了材料的纯净度、均质性、致密性、成材率、使用性能等问题。
技术要求
化学成分
为满足转子最终使用性能，综合强韧性及磁性能要求，冶炼前期对35CrNi3MoV 钢化学成分进行设计，控制主要合金元素、气体及参与元素，标准要求及内控要求见表1。
表1 35CrNi3MoV 钢化学成分(质量分数，%)
力学性能
转子锻件粗加工后进行调质处理，按取样图(图1)取样，进行性能试验，性能要求见表2、表3。
表2 力学性能要求
表3 磁性能要求
图1 产品取样图
超声波探伤
转子超声波验收要求按EN10228-3 等级4 级；
起始灵敏度：φ2mm；
单个缺陷：最大允许φ3mm；
延伸缺陷/密集缺陷：不允许存在大于φ2mm 当量；
延伸缺陷的长度：≤φ2mm 当量时，不得大于缺陷处的声束直径；
密集缺陷：间距小于40mm 时，有三处即为密集；
由缺陷引起的底波降低量：厚度大于60mm时，最大允许4.4dB。
冶炼铸锭难点及主要工艺要求
冶炼铸锭难点
⑴纯净度问题：大型下注钢锭采用真空精炼+大气浇注的方式生产，需严格控制夹杂物等级超标的问题。
⑵均质性问题：应用大型下注钢锭成分均匀性控制技术，解决转子类下注钢锭成分偏析造成锻后组织不均和表面质量的问题。
⑶致密性问题：应用大型下注钢锭致密性控制技术，解决转子类下注钢锭内部缩孔、疏松严重造成锻后超声波探伤不合格的问题。
主要工艺要求
⑴工艺流程。
从35CrNi3MoV 钢的质量要求可以看出，35CrNi3MoV钢锻件超探要求严格。生产过程中需严格控制钢中P、S含量；合金含量高，尤其是元素Cr 偏析严重的问题，冶炼铸锭过程中需严格控制；Cu、As、Sn、Sb 等残余元素含量，H、O、N 含量及各类夹杂物含量亦需严格控制。针对35CrNi3MoV 钢严格的质量要求，通过研究生产工艺，确定采用“80t 电炉初炼——120tLF 精炼——120tVD 处理——120tLF——软搅拌——下注”工艺路线，并在相关生产环节进行严格控制。
⑵炉料准备。
①产品合金含量高，严禁第一炉冶炼，确保前一炉留钢成分As、Sn、Sb 需满足本炉要求。
②废钢备料必须进行精选，要求熔清残余元素及有色金属元素满足工艺要求。
③精炼使用镍铁合金时，注意提前进行烘烤。
④辅助材料清洁干燥，送化验室分析预判成分，萤石使用普通萤石，合金入炉使用前要求烘烤干燥。
⑶冶炼浇注过程控制。
①初炼要求合理吹氧助熔、合理脱碳、合理造渣，做到前期低温去磷，氧化期钢液均匀沸腾，以达到去气、去夹杂的目的，但严禁炉内出现大沸腾。
②采用留钢、留渣操作，防止氧化渣进入精炼包内。
③出钢时控制C 含量及P 含量以满足要求。
④控制出钢温度，出钢时Ar 气压力控制在要求范围。
⑤浇注全程进行Ar 气保护，并尽量缩短水口与纤维氩幕圈的距离，上冒口后适当减流，确保冒口补缩良好。
⑥脱模热运：严格按照工艺规定的脱模时间进行脱模，并热运至锻造车间。
锻造难点及主要工艺要求
锻造难点
⑴控制偏析问题：钢锭热运至锻造车间后，升温至锻造温度，通过锻前高温扩散来减轻或消除枝晶偏析，改善化学成分的分布；自由锻造过程控制底部和冒口的切除量，将成分偏析降到合理范围，并最终提高锻件的质量。
⑵压实锻透问题：通过前期数值模拟，运用锻造数值模拟软件Forge 对转子镦粗、拔长过程反复计算，得到最优锻造工艺参数。制定工艺时选取最优方案，解决心部超声波探伤问题。
⑶晶粒控制问题：控制成形温度，最后火次前预留1.4 以上锻比；通过合理的锻后热处理，切断组织遗传。
主要工艺要求
⑴工艺流程。
热运钢锭加热→分火次锻造→锻后热处理。
⑵工艺要点。
①第一火压钳把、压圆、切底后，在第二火锻造前，增加高温保温时间，进行高温扩散，要求保温时间≥30 小时，改善偏析并均匀成分。
②利用前期数值模拟，大变形时镦粗变形率达到40%，采用宽砧强压法拔长，拔长至八方后预留锻比，返炉待成形。
③成形时尽量控制心部温度在1150℃，避免心部温度高时无锻比引起晶粒异常长大及混晶现象的发生。操作过程严格控制钢锭的实际利用率，如有裂纹及时热清除，对冒口及底部的切除量进行有效控制，
④锻后热处理：通过两次正火+回火方式，锻造完成后，锻件先空冷至表面300℃以下入炉保温切断组织遗传，进行高低温两次正火细化晶粒、改善成分偏析，回火炉冷以消除热应力和组织应力，便于后续车削加工。锻后热处理曲线见图2。
图2 锻后热处理曲线图
性能热处理
最终性能热处理采用调质处理，以提高转子钢的硬度、强度、韧性、塑性、耐磨性以及较好的综合力学性能。性能热处理曲线见图3。
图3 性能热处理曲线图
产品检验
转子锻件在我公司冶炼锻造完成后，经过后续的调质处理，达到了客户要求，最终产品检测结果如下。
化学成分结果
熔炼分析及成品分析结果见表4，结果显示熔炼分析及成品分析均符合表1 所示的产品技术要求，且主要合金元素在中上线，可保证产品热处理后各项性能指标合格。
表4 化学成分(质量分数，%)
性能结果
机械性能检测结果见表5，结果符合表2 所示性能要求，且强度均匀性较好，可保证产品各部位屈服强度的分散度≤100MPa。磁性能结果见表6，结果符合表3 所示要求。
表5 机械性能结果
表6 磁性能结果
低倍检测结果
低倍组织检验的试验方法采用酸浸试验和断口试验，检测结果见表7。
表7 低倍检测结果
无损检测结果
转子超声波探伤符合EN10228-3 等级4 级，未发现单个超过φ3mm 的缺陷及大于φ2mm 当量延伸缺陷/密集缺陷。
结束语
35CrNi3MoV 材质大型单真空钢锭转子为我公司首次生产，且为出口产品。我公司通过对冶炼过程控制、锻造过程控制、性能热处理过程控制，证明此生产工艺合理可行，该工艺打破了传统生产方式，将在引领未来锻件行业新技术方向的变革、提高企业品牌效应等领域，扮演重要角色。
