一種大型燃汽輪機(jī)透平盤用不銹耐熱鋼及其鍛件的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及冶金材料的馬氏體耐熱不銹鋼領(lǐng)域。具體地講是關(guān)于一種成分性能要 求非常高的大型燃汽輪機(jī)透平盤用不銹耐熱鋼及其鍛件的制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前我國(guó)電力來(lái)源主要依賴燃煤發(fā)電，盡管逐步應(yīng)用超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組提高 火電行業(yè)的能效和環(huán)保水平，從源頭上降低煙氣污染物和二氧化碳排放，努力做到節(jié)能減 排，但隨著全球范圍內(nèi)的能源與動(dòng)力需求以及環(huán)境保護(hù)等要求的變化，我國(guó)裝機(jī)容量達(dá)到 12億KW的今天，尋求新的發(fā)電方式，采用燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電技術(shù)來(lái)解決能源、經(jīng)濟(jì)和環(huán)保之間 矛盾已是勢(shì)在必行。燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電站具有以下特點(diǎn)：（1)高效率低能耗。當(dāng)前燃?xì)庖?蒸汽 聯(lián)合循環(huán)燃?xì)鈾C(jī)電站的熱效率一般在45%左右，最高可達(dá)到50%以上，不久的將來(lái)有可能 達(dá)到或超過(guò)60%，這是任何蒸汽輪機(jī)發(fā)電站難以達(dá)到的。（2)優(yōu)越的高峰性能。燃?xì)廨啓C(jī) 的啟動(dòng)與停機(jī)方便、迅速、接載負(fù)荷時(shí)間短，它不僅能靈活承擔(dān)基本負(fù)荷，且具有優(yōu)越的調(diào) 峰性能。（3)適應(yīng)環(huán)境保護(hù)要求，對(duì)環(huán)境污染少。燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電站的燃料為燃料油（柴油、 重油）、天然氣或工業(yè)伴生氣（焦?fàn)t煤氣等），由于燃燒完全，其燃燒生成排放物對(duì)環(huán)境影響 較少。（4)相對(duì)燃煤的蒸汽輪機(jī)發(fā)電站，在相同容量下，燃?xì)廨啓C(jī)電廠的建設(shè)周期短、占地面 積小、用水量少、單位投資少、發(fā)揮效益快。除了發(fā)電領(lǐng)域以外，燃?xì)廨啓C(jī)在航空、航海、陸用 動(dòng)力方面也發(fā)揮著重要作用。
[0003] 燃?xì)廨啓C(jī)所涉及材料主要集中在壓氣機(jī)、燃燒室和透平三大部件上，透平的作用 是把燃燒室中產(chǎn)生的高溫高壓氣體的能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，一般透平的進(jìn)口氣體溫度都在 1000°C以上。透平輪盤是大型燃?xì)鈾C(jī)中最關(guān)鍵的零件之一，它不僅要承受高溫且應(yīng)具有一 定的強(qiáng)度和韌性，與航空發(fā)動(dòng)機(jī)不同，這些輪盤的直徑和截面厚度都很大，不可能選用合金 含量高、成本高的鎳基高溫合金，如A-286等鐵鎳基高溫合金及Wasplloy738等鎳基高溫合 金?；谶@些原因，大型燃?xì)鈾C(jī)輪盤一般選用能耐較高溫度的不銹耐熱鋼，并輔以結(jié)構(gòu)上的 外加冷卻條件設(shè)計(jì)，來(lái)制成透平輪盤。
[0004] 用于制作燃?xì)廨啓C(jī)透平輪盤的不銹耐熱鋼期望耐熱溫度越高越好，一般選用能耐 600°C使用溫度的12Cr-M〇-V、12Cr-W-M〇-V-Nb-N類的馬氏體不銹鋼。根據(jù)小型燃?xì)廨啓C(jī)透 平盤（〈Φ1000mm)和鎳基高溫合金燃機(jī)輪盤的開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)上，結(jié)合大型燃汽輪機(jī)用透平盤的 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和使用要求，本發(fā)明選用12Cr-W-M〇-V-Nb-N類的馬氏體不銹耐熱鋼來(lái)制作大型 燃汽輪機(jī)用透平盤鍛件。采用W、Mo、V、Nb、N元素強(qiáng)化的12%Cr馬氏體鋼具有良好的強(qiáng)韌 性、疲勞性能、高溫性能以及加工性能等，已廣泛用作蒸汽溫度為593°C及以上溫度的高溫 轉(zhuǎn)動(dòng)零部件，如汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子、葉片等，并在此基礎(chǔ)上不斷的改進(jìn)、試驗(yàn)，開(kāi)發(fā)可以用到620°C 的馬氏體耐熱鋼，這些材料具有良好的高溫性能和使用性能，其主要合金成分可以作為本 發(fā)明材料的技術(shù)基礎(chǔ)。表1為國(guó)內(nèi)外與本發(fā)明相近的12%Cr馬氏體耐熱鋼的專利、最新研 究成果及產(chǎn)品牌號(hào)化學(xué)成分，表2為現(xiàn)有合金熱處理后的性能。
[0005] 表1. 12Cr-W-M〇-V-Nb-N類的馬氏體不銹耐熱鋼的專利、最新研究成果及產(chǎn)品牌 號(hào)
[0006]
[0007] 備注：元素有< 的成分要求，是指這些元素是殘余有害元素，是原料和冶煉過(guò)程中 不可避免的，希望越低越好。
[0008] 表2. 12Cr-W-M〇-V-Nb-N類的馬氏體不銹耐熱鋼熱處理后的性能
[0009]
[0010]表1所列的12Cr-W-M〇-V-Nb-N類馬氏體不銹耐熱鋼，主要用于超超臨界蒸汽輪機(jī) 機(jī)組，用作汽輪機(jī)的高中壓內(nèi)缸、高壓噴嘴室、高中壓閥門、高中壓第1級(jí)葉片等，材料的使 用的使用溫度與本發(fā)明的輪盤要求相近，但材料的使用環(huán)境、性能要求及產(chǎn)品的尺寸規(guī)格 均達(dá)不到目前大型鍛件的使用要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 本發(fā)明的目的是在超超臨界蒸汽輪機(jī)用鋼的技術(shù)基礎(chǔ)上，提出一種成分性能要求 非常高的大型燃汽輪機(jī)透平盤用不銹耐熱鋼及其鍛件的制造方法。
[0012] 一種大型燃汽輪機(jī)透平盤用不銹耐熱鋼，其包含按質(zhì)量百分比計(jì)的如下組分： C0. 10 ~0. 14%;MnO. 35 ~0. 55%;CrlO. 20 ~10. 80%;Ni0. 70 ~0. 85%;M〇0. 90 ~1. 10%; V0. 10 ~0· 30% ;Ν0· 035 ~0· 065% ;W0. 90 ~1. 10% ;NbO. 030 ~0· 070%，余量為鐵和不 可避免的殘余元素，其中，所述雜質(zhì)的元素的質(zhì)量百分比分別為Si< 0. 15%;P< 0. 010%; A1 ^ 0. 010%；S^ 0. 005%；Sb^ 0. 003%；Sn^ 0. 005%；As^ 0. 005% ；0 ^ 0. 0035% ； Η彡 0· 00015%。
[0013] 作為優(yōu)選方案，所述殘余元素滿足如下條件：
[0014] J= (WSl+WMn)*(WP+WSn)*104〈70,其中，WSl、WMn、WP、WSn分別為相應(yīng)元素的質(zhì)量百分 比。
[0015] -種利用本發(fā)明所述的不銹耐熱鋼制造鍛件的方法，其包括如下步驟：電爐冶煉、 電渣冶煉、鍛造、退火、鍛件熱處理、機(jī)加工、性能檢測(cè)、成品。
[0016] 作為優(yōu)選方案，所述電爐冶煉包括如下操作：
[0017] 選用低S、P、As、Sb、Sn的含量的廢鋼或生鐵，裝入EAF電爐中熔煉，氧化法除 P和Si，當(dāng)鋼中P彡0.003 %后加入鉻鐵等合金料，溶清后取樣分析，待Si彡0. 15wt%、 P彡0· 005wt%，拉渣出第一爐鋼液；
[0018] 將所述第一爐鋼液轉(zhuǎn)移至A0D爐中，添加高碳鉻鐵、鎳、鉬鐵或鎢鐵的合金料，先 脫碳至碳含量為〇. 07~0. 10wt% ;再脫氧至氧含量為0. 008wt% ;控制還原Si彡0. 10% ; 控制還原渣的堿度達(dá)到渣色為綠色后，取樣分析成分，吹N至N含量不高于0.045wt%，得到 第二爐鋼液；
[0019] 將所述第二爐鋼液轉(zhuǎn)入LF爐中微調(diào)合金成分至要求，造渣調(diào)整渣的堿度為白色， 控制S彡0· 002wt%，Si彡0· 15wt%，P彡0· 008wt%，得到第三爐鋼液；
[0020] 將所述第三爐鋼液轉(zhuǎn)入VD爐中，抽真空至66. 7Pa時(shí)，在Ar氣氛中攪拌下保持 抽氣不少于20min，控制H、0成分，測(cè)溫取樣分析成分；分析0. 00015wt%、N達(dá)到 0. 045-0. 055wt%，在溫度彡1570°C下得到第四爐鋼液；
[0021] 將所述第四爐鋼液在保護(hù)渣和Ar氣氛保護(hù)下澆注成電極，模冷16~22h后，將電 極脫模，加熱至熱680~720°C，保溫45~50小時(shí)后，以30~50°C/h的降溫速率進(jìn)行緩 冷，所述保護(hù)渣為Si02、A1203、CaO、Na20按重量比為50:20:25:5復(fù)配的混合物。
[0022] 作為優(yōu)選方案，所述電渣重熔冶煉包括如下操作：
[0023] 將退火后的電極投入CaF2-Al203-Mg0的三元渣系中，控制熔速為10~14kg/min， 得到電渣錠；
[0024] 將所述電渣錠進(jìn)行模冷4. 0~4. 8h，脫模后加熱至680~720°C，保溫45-50小時(shí) 進(jìn)行退火，退火結(jié)束后緩冷。
[0025] 作為優(yōu)選方案，所述鍛造包括如下操作：
[0026] 將退火后的電渣錠加熱至1150~1190°C，保溫8~14小時(shí)后鍛造開(kāi)坯；先將所 述電渣錠鍛造加工成Φ900mm棒材，再將所述棒材加熱到1140~1180°C保溫5~10h進(jìn) 行輪盤坯料加工，將所述輪盤坯料加工至600mm的高度后，回爐加熱至1120~1150°C，保 溫2~6h后，蓋上保溫棉保溫鍛造，控制開(kāi)鍛溫度不低于1KKTC，停鍛溫度不低于900°C， 一火鍛成Φ2050X190X520mm鍛坯；
[0027] 將所述鍛坯加熱到860~900°C保溫14~20h，緩冷到680~740°C保溫35~ 5〇h，再緩冷到室溫后，重新加熱到670~720°C保溫25~40h后以30~50°C/h的降溫速 率進(jìn)行緩冷。
[0028] 作為優(yōu)選方案，所述退火是將鍛坯加熱至860~900°C保溫14~20小時(shí)，緩冷到 680~740°C保溫35~50h，再緩冷到室溫后，重新加熱到670~720°C保溫25~40h后 30~50°C/h的降溫速率進(jìn)行緩冷。
[0029] 作為優(yōu)選方案，所述鍛件的熱處理工藝包括如下操作：
[0030] 將退火后的鍛坯機(jī)加工成鍛件后，將鍛件所述加熱到1000~1100°C保溫10~20 小時(shí)后，在大型淬火介質(zhì)水槽、充分?jǐn)嚢柩h(huán)、保證水溫低于40°C條件下，10~30分鐘內(nèi) 反復(fù)3~6次淬火，出水后在550~600°C保溫15~20h，空冷到室溫后，再加熱至630~ 680°C保溫15~20h，空冷，進(jìn)行回火處理，得到鍛件，其中，所述的大型淬火介質(zhì)水槽的規(guī) 格為20*15*3米。
[0031] 作為優(yōu)選方案，所述的性能檢測(cè)的方法是將熱處理后的鍛件表面進(jìn)行機(jī)加工后進(jìn) 行探傷檢測(cè)和取樣，所述探傷檢測(cè)按照GB/T6402的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行。
[0032] 作為進(jìn)一步優(yōu)選方案，所述CaF2-Al203-Mg0的三元渣系，CaF2、Al203、Mg0的重量比 為（60 ~70) : (25 ~35) : (1 ~10)。
[0033] 采用本發(fā)明合金成分設(shè)計(jì)，制造的鍛件本體取樣測(cè)試，性能指標(biāo) 為：Rm彡 1100Mpa，RPQ.2:800 ~900Mpa，A彡 14%，Z彡 4