汽輪機轉子鍛件缺陷分析及改進措施

趙亞雄 樊應劍

(中國第一重型機械股份有限公司鑄鍛鋼事業部,黑龍江 齊齊哈爾 161042)

轉子是汽輪機的重要部件,需要耐高溫、耐腐蝕,運行環境條件差,對汽輪機轉子鍛件的材料要求也越來越高,提高汽輪機轉子鍛件的制造水平和工藝水平是必然趨勢。某材質為30Cr1Mo1V的汽輪機轉子因無損檢測不合格而報廢,為做好產品質量原因分析,從根本上解決產品質量問題,對該汽輪機轉子鍛件進行解剖。

1 基本情況

汽輪機轉子材質30Cr1Mo1V,錠型96 t(一錠出兩件)。此件為水口件,生產的基本工藝流程:電弧爐冶煉→LF精煉→VD處理→真空澆注(模鑄)→鍛造。鋼水經過100 t堿性電弧爐冶煉,出鋼方式采用偏心底出鋼,承接鋼水的精煉包包底加入一定量的硅錳合金進行脫氧合金化;鋼水在130 t精煉爐造渣、脫氧、合金化,然后進行20 min的VD真空去氣處理,VD處理結束后軟吹30 min,而后鋼水加熱升溫到合適的溫度后出鋼進行真空澆注。凝固后的鋼錠經過鍛造、熱處理、粗加工工序,按照技術標準進行無損檢測。

對粗加工后的汽輪機轉子鍛件進行無損檢測時,發現了貫穿性的缺陷,如圖1所示,其中:A部?3～4 mm(最大?6 mm)密集缺陷;B部?4 mm延伸缺陷;C部?4～6 mm(最大?8 mm)密集缺陷;D部?6～8 mm(最大?10 mm)密集缺陷;E部?10 mm延伸缺陷。

圖1 鍛件缺陷圖

2 缺陷分析

2.1 缺陷定位和取試

根據無損檢測報告,C、D、E部處缺陷最大,缺陷最大反射當量達?8 mm、?10 mm,為了準確定位缺陷,在解剖前UT現場定位缺陷,尋找缺陷相對較大的位置,并標記/記錄深度。C部記錄位置盡量靠近水口側,缺陷深度469～541 mm;D部缺陷深度412～446 mm;E部缺陷深度487～490 mm,無損檢測儀器顯示缺陷波比底波波幅高。在距離缺陷標記位置的冒口側130 mm劃線鋸切位置。

沿C、D、E部標記的鋸切位置,使用鋸床分別加工30 mm厚圓餅,分別按取樣位置標記為C1、D1、E1。繼續加工成200 mm寬的長條,轉移C1、D1、E1標記。對轉子各部位鋸片剩余的余料,根據無損檢測定位的缺陷深度,從端面套取定位的缺陷,套料尺寸?30 mm×300 mm,分別按取樣位置標記C2、D2、E2,如圖2所示。

圖2 鍛件取樣示意圖

2.2 低倍分析

將C1、D1、E1分別選擇一個端面磨床加工至粗糙度Ra0.8 μm,進行酸洗、硫印檢驗,如圖3所示。C1、D1、E1經酸洗檢查,C1中心有一個1 cm縮孔;其它試料未發現裂紋、白點、翻皮、夾渣等缺陷;一般疏松0.5級,中心疏松0.5級,無點狀偏析;硫印檢驗點狀偏析0.5級。

(a)C1

2.3 成分分析

對C1、D1、E1試片的中間缺陷位置做化學成分及氣體含量分析,結果如表1所示。C1、D1、E1試片中間部位的化學成分與精煉鋼水的爐后成分相近,芯部Cr、Mo偏析在允許范圍之內,說明鋼水冶煉澆注全流程范圍內控制比較理想。

表1 化學成分及氣體含量分析(質量分數,%)

2.4 掃描電鏡分析

在試件端面套棒過程中,C2、E2按要求尺寸取樣,D2在套棒時由于設備故障,長度尺寸不夠300 mm,尺寸為?30 mm×220 mm。對套取三根試樣表面進行觀察,發現表面都存在裂紋,如圖4所示,其中E2表面的裂紋最嚴重幾乎貫穿于整個試樣,C2、D2表面裂紋比較輕微但目視也是清晰可見。

圖4 試棒

在試棒C2、D2、E2的中間位置,加工一周3 mm深槽,沿槽壓開試棒,觀察斷口形貌,對斷口表面進行掃描電鏡分析,看到的夾雜物進行能譜分析其組成。試棒料斷口形貌及EDS分析如圖5。

C2試棒在中間位置壓開斷口后,觀察斷口發現斷口中間有一條長裂紋,裂紋以外的斷面組織致密。在掃描電鏡下觀察長裂紋,部分裂紋區域表面顯示鋼錠凝固狀態下自由面形貌,在裂紋區域的斷面上附著許多白色片狀、條狀、顆粒狀物質,經能譜分析發現,各種形態夾雜物成分主要以O、Al、Si、Mn為主。

D2試棒在中間位置壓開斷后,斷口表面的邊緣處發現一處小裂紋,在掃描電鏡下觀察斷口表面形貌,表面及裂紋區域都存在片狀、顆粒狀夾雜物,經能譜分析,夾雜物的成分主要以O、Al、Si、Mn為主。

E2試棒在中間位置壓開斷后,斷口表面的裂紋非常明顯,幾乎貫穿了整個試棒截面,由于試棒截面的裂紋比較大,發現裂紋內部在套棒過程中有所污染,對斷口簡單的處理,在掃描電鏡下觀察斷口形貌,在裂紋中間及周圍存在許多白色的夾雜物,經能譜分析發現,夾雜物的成分主要以O、Si、Mn為主。

由于E2試樣斷口表面的裂紋幾乎貫穿整個截面,為了進一步了解裂紋內部的斷面形貌及表面夾雜物形態分布,在保證裂紋內部形貌不被破壞的前提下,用工具把E2試樣沿著裂紋分離成兩半,進行掃描電鏡和能譜分析。

E2試樣沿著裂紋源徑向打開后,發現只有試樣邊緣處有連接,其他區域都是裂紋的自由面,觀察表面有被切削液輕微污染痕跡,有些區域比較光滑,有些區域有小孔狀缺陷。在掃描電鏡下觀察打開的斷口表面,存在顆粒狀、片狀、樹枝狀和條狀的夾雜物,部分表面顯示鋼錠芯部凝固狀態下的鑄態組織的自由面。對表面發現的夾雜物能譜分析,夾雜物成分主要以O、Si、Mn為主;另外對鑄態組織的自由面選一點進行打成分,能譜顯示成分是Fe,跟鍛件基體成分一致,如圖6所示。

圖6 斷口形貌及EDS分析

3 原因分析及討論

通過上述的解剖分析,確定了轉子缺陷的性質為裂紋性缺陷并伴隨O-Al-Si-Mn類夾雜物,為分析其無損檢測夾雜物的來源,我們對汽輪機轉子冶煉澆注過程、原材料的使用、附具準備情況、人員操作及工藝執行情況進行了追溯和分析。

3.1 夾雜物來源分析

夾雜物的來源有可能是冶煉過程,也有可能來源于澆注過程,分別進行了具體分析。

3.1.1 冶煉過程分析

鋼水的潔凈度是保證鍛件無損檢測質量和材料優良性能的主要因素,而合適的鋼水冶煉工藝是保證鋼水潔凈度重要基礎。鋼水通過脫氧方式的不同分為鋁鎮靜鋼和硅鎮靜鋼,對應的鋼水產生的夾雜物類型也不相同。此次高中壓轉子冶煉主要是使用C粉、硅鐵粉脫氧,屬于硅鎮靜鋼。在硅鎮靜鋼中SiO2-MnO-Al2O3和CaO-SiO2-Al2O3是常見的夾雜物類型,另外,在硅鎮靜鋼時常也能發現Al2O3和MgO-Al2O3尖晶石等硬脆性夾雜物[1-2]。通常認為鋼中的SiO2-MnO-Al2O3系夾雜物是Si-Mn脫氧的產物(MnO-SiO2)與鋼液中溶解Al反應生成的結果[3-4]。Kong等[5]在研究中高錳鋼精煉過程夾雜物演變行為時發現,相比常規鋁鎮靜鋼,中錳鋼(wMn≈5%)會生成一種(Mn, Mg)O·Al2O3尖晶石夾雜物。這類夾雜物是在MgO·Al2O3尖晶石生成后開始生成,并會隨著精煉時間的延長,進一步演變為含有微量MnO的CaO-Al2O3(-MgO)系夾雜物。

鋼水在冶煉過程中,夾雜物的類型和形態也是在不斷的變化中。汽輪機轉子鍛件冶煉主要包括粗煉鋼水熱兌、精煉造渣、擴散脫氧、吹氬攪拌、合金化(化學成分調整)、VD去氣去夾雜處理、鋼水軟吹鎮靜和合適的溫度出鋼等。電站轉子是Si-Mn脫氧鋼,此種類型鋼中常見的夾雜物成分與解剖發現的夾雜的主要成分相吻合,說明鍛件無損檢測夾雜物超標可能與鋼水在冶煉過程中沒有嚴格按工藝規定流程操作所引起的。

3.1.2 澆注過程分析

鋼水在LF精煉結束后,精煉鋼水包吊至澆注跨對澆注包進行燒氧引流,引流結束后吊至澆注平臺與中間包澆注口對眼,對眼完成后拉開吹氬滑板鋼水澆入中間包,待中間包鋼水到達規定液面后,打開中間包塞棒,鋼水通過中間包水口流出,經過導流管在真空狀態下鋼流被打碎成液滴狀澆入鋼錠模。澆注過程中鋼水受污染主要來自于以下幾方面:

(1)鋼水在澆注過程中注流氬氣保護、中間包密封和氬氣置換沒有做到位容易造成鋼水二次氧化。

(2)鋼水經精煉包水口澆入中間包內,鋼水容易對中間包耐材進行侵蝕或者上次澆注中間包內殘留物清理的不徹底造成對鋼水的污染。中間包鋯莫來石成分見表2。

表2 中間包鋯莫來石成分(質量分數,%)

(3)鋼水經中間包水口進入長導流管(8節)時,鋼流呈傘狀形態,澆注過程中鋼水對導流管下端形成沖刷,被沖刷的耐材進入鋼錠模中。導流管鋯莫來石成分見表3。

表3 導流管鋯莫來石成分(質量分數,%)

(4)在真空澆注過程中,鋼水注流被打碎成雨滴狀,鋼水的[Mn]元素在真空狀態下一部分以氣態形式揮發,錳蒸汽遇到真空蓋內襯后,被冷凝在內襯表面。鋼錠澆注結束破壞真空后,附著在真空蓋上的錳與空氣中氧反應生成了MnO物質,并存在于真空室內襯上面,在下次澆注前如不清理去除,就易落入鋼水內形成夾雜物。真空蓋殘留物化學成分見表4。

表4 真空蓋殘留物化學成分(質量分數,%)

綜合以上各方面鋼水受污染的來源分析認為,夾雜物成分中的Al可能來源鋼水對中間包耐材或者導流管的沖刷;夾雜物成分中Mn可能來源于澆注過程中真空蓋上未清理干凈殘留物的掉入或者是硅錳脫氧鋼中常見夾雜物控制的不理想所致。

3.2 裂紋來源分析

芯部的裂紋有可能是由于超標的夾雜缺陷引起的,也有可能是來自于鋼錠芯部凝固過程中的疏松在鍛造過程中沒有焊合。

3.2.1 夾雜引起裂紋分析

這件汽輪機轉子鍛件是使用96 t鋼錠一錠出兩件的水口件,水口件還原在鋼錠上是靠近的錠尾,錠尾是鋼水在凝固過程中夾雜物的沉積區,夾雜物大量聚集在錠尾主要表現在以下幾個方面:(1)鋼水真空澆注結束后,在凝固過程中鋼水自然對流攜帶夾雜物到鋼錠底部或者鋼錠的激冷層把夾雜捕捉到錠尾;(2)鋼錠澆注結束后,真空放散冒口液面遇冷形成一層凝固薄殼,在第二批發熱劑加入后,鋼水薄殼熔化形成結晶雨并沉降到鋼錠底部;(3)上浮過程中夾雜物受粘稠層或凝固前沿的阻礙聚集于底部[4]。綜上,鋼水在凝固過程中夾雜物極易聚集靠近錠尾的部位,大量夾雜的聚集極易導致鍛件芯部長條狀裂紋缺陷。

3.2.2 鋼錠疏松引起裂紋分析

鋼錠內部疏松的形成是一個復雜的過程。本質上來說,疏松是在鋼錠凝固過程中由固-液相區內傳熱、氣體析出和液態金屬流動等多種因素的影響下形成的[6]。鋼錠疏松通常分為一般疏松、枝晶疏松和中心疏松,實際生產實踐中發現一般疏松和支晶疏松危害不大,在鍛造過程中將會鍛合,而中心疏松危害比較嚴重,鍛造過程中無法鍛合將遺留在鍛件中,造成鍛件在后續無損檢測中顯示出裂紋性質的缺陷。鋼錠在凝固過程中產生疏松是無法避免,但只能有效技術減輕疏松。一方面鋼錠疏松產生跟鋼錠模的設計密切相關,鋼錠模設計參數一般包括高徑比、錐度[7-10]、壁厚及鋼錠材質,合適的鋼錠模參數可以有效減輕鋼錠的疏松。另一方面鋼錠芯部疏松也與冒口保溫效果有關,合理保溫冒參數和良好的耐材可以有效延長冒口鋼水的凝固時間,對錠身長時間補充凝固所需的鋼水,進而有效減輕鋼錠芯部的疏松,最終避免鍛件芯部裂紋性質的缺陷產生。

4 改進措施

針對汽輪機轉子鍛件無損檢測不合格問題,結合分析結果,擬對后續產品工藝采取如下相應措施:

(1)通過優化導流管參數,改變導流管長度,由以前8節調整為現在的6節,縮短鋼水在導流管的停留時間,進而減輕對導流管下面兩環磚的沖刷保證鋼水的潔凈度。

(2)經查詢相關文獻,中間包材質鋯石磚,如果提高鋯石磚中的Al2O3的含量可以提高對鋼水耐侵蝕性和沖刷性,通過與耐材廠家交流,適當提高耐材Al2O3的含量,用良好的耐材性能保證鋼水的潔凈度。

(3)對使用的錠型參數重新模擬,在根據現場實際的生產條件下進行適當的調整;對保溫材質進行優化,由原來的鑄鐵外殼+保溫磚改變為某種新型材質保溫外殼+新型保溫磚+改進型砌筑結構,進而增強冒口的保溫效果改善鋼錠內部質量。

(4)改變鋼水精煉造渣工藝方案,對精煉造渣材料、造渣材料的加入順序進行優化調整,有效地控制夾雜物的類型和尺寸大小。

從上述幾方面的措施應用于后續產品生產中,轉子鍛件再沒有出現此種類型的缺陷,從源頭上有效解決了芯部通長缺陷的質量問題。

5 結語

本文中的汽輪機轉子鍛件的芯部發現的無損檢測缺陷是由于心部裂紋和裂紋內伴隨的夾雜物所導致的;后續生產中通過優化導流管長度、提升耐材質量、改進保溫帽結構、優化精煉造渣工藝方案,汽輪機轉子鍛件沒有再出現此種類型的缺陷,從源頭上有效解決了芯部通長缺陷的質量問題。高品質汽輪機轉子鍛件制造流程長,涉及多個生產環節,在生產制造過程應該做好每一個細節去確保組織均勻性能穩定的產品。