异种钢转子锻件的开发和制造

李红

（哈尔滨汽轮机厂有限责任公司，哈尔滨 150046）

1 引言

异种钢转子（MAR）中压部分最大直径为1100mm，低压部分的最大轴身为φ1440mm，全长5500mm。CrMoV 钢和3.5%NiCrMoV 钢之间的部位称为这两种钢混合成分的过渡区域，为了通过热处理获得预期的机械性能，这种过渡区的形状和位置的确定成为极其重要的因素。而且，过渡区的轴对称性一旦被破坏，由于运行期间周向热膨胀系数不同，会因中心线的偏移而产生振动，这对高速旋转的汽轮机转子是致命的。因此，在钢锭制造和锻造时要控制过渡区的形状和位置，并保持其轴对称性，这是制造MAR的关键。此外，MAR 受到了严格的制约，因为必须把异种钢接合的锻件同时在不同条件下进行热处理。为此，本文进行了以下的制造技术开发。

2 MAR的制造

为掌握钢锭的周向方位、过渡区的位置及其轴对称性，在各操作步骤前后作记号。用于作为电渣重熔电极的CrMoV 钢和3.5%的NiCrMoV 钢分别在电炉和钢包精炼炉中获得。把制出的CrMoV 钢和3.5%NiCrMoV 钢的钢锭锻造成圆棒形，再把两者焊接成一根ESR 钢锭。在钢锭T部用气刨法提取桶样分析的试样，因此该处出现了一个凹口，以此作为以后工序中确定周向方位的基准。

为了在锻造中确定过渡区的位置关系，在锻造前，特殊金属垫在ESR 钢锭处和钢锭表面分别做出过渡区开始位置和终端位置的两个标记（轴心部和表层部2 处）。这种标记用的金属垫是专为MAR 新制的，用这种三角金属垫一般不会像以前所做的标记那样，锻造后在表面残存很深的瑕疵。锻造时使用了8000t 和10000t 锻压机。锻造后的低压部分由于专用金属垫的使用、多种测量方法的并用、锻造方法的优化（温度，变形速度，L/D 比等），使过渡区的轴对称性保持在所要求的范围内。

为了鉴别回火后的锻造钢锭的过渡区，把外围部分进行机加工后，用便携型荧光X 射线分析装置对相当于过渡区的部分进行成分分析。沿轴长方向的单向延伸最大为50mm，这对直径为1500mm 左右的自由锻件来说是个良好的结果。

此外，内部的过渡区形状是根据超声波探伤（UT）的回波分布来掌握的。过渡区截面的UT 检查结果实例，根据结晶晶粒直径的不同，其晶界线会在过渡区内部出现。由外围部表层分析结果和UC 检查结果制出了锻造钢锭中的过渡区位置以及三维形状图。这种过渡区的三维形状图在以FEM为依据的热稳定性解析中也得到应用。为了使运行条件下轴心的移动最小，使用热稳定性最佳化程序来决定制品在锻造钢锭中的位置，然后进行调质前的机加工。

为了使异种钢锻件经过热处理得到规定的性能，采用了高低压一体化转子调质方法——偏差热处理方法。由于热处理条件复杂，要根据FEM 热分析结果求出这种MAR中的最合适的偏差热处理条件。从热分析的结果来看，在调质热处理中，把CrMoV 钢和3.5%NiCrMoV 钢分别加热到970°C 和670°C，通过对CrMoV 钢和3.5%NiCrMoV 钢分别实施强制空冷和喷水冷却进行淬火，然后再对其分别实施670°C 和600°C的偏差回火。

3 MAR的质量检验

进行调质后的材料试验和无损检查后的分别加工，实施热稳定性试验。测量轴心移动的热稳定性试验是用以下方法进行的：从室温开始渐渐加热，中压部分加热到621℃，低压部分加热到399℃，然后保持此状态24h，再测量降温到室温时的外围偏差程度。连续测量各温度下外围的偏差，以求出加热和停止时轴心的移动量。经确认，轴心的移动量在设计目标值以下，故可应用于实际。

轴心部分沿长度方向的成分分布，过渡区从B 端（发电机侧）约2500mm 处开始，在3500mm 处完全变成3.5%NiCrMoV 钢成分。灰色的浓淡交界区是CrMoV 钢和过渡区的界线。界线的位置与根据外围部成分分析结果和UC检查结果推算出的位置完全一致，这显示了MAR 制造中开发的过渡区确定方法的有效性。

制造的MAR 各部位的机械性能。中压部分和低压部分的材料性能都与分别用CrMoV 钢和3.5%NiCrMoV 钢制造的转子基本相同，完全满足设计目标值要求。

这根MAR 也叫做ESR 制品，已确认，通过从外围开始的UT 检查，缺陷很少，充分满足了规定的质量要求。

4 结语

本文开发的适用合缸用转子材料的MAR，化学成分、力学性能以及热稳定性等方面都符合设计目标。加大了MAR的设计自由度，能进一步提高汽轮机的效率。