一种超纯净合金及其汽轮机转子体锻件的制造方法

摘要

本发明提供了一种超纯净合金，其化学成分的质量百分比为：C：0.26-0.37、Mn≤0.06、Si≤0.06、P≤0.006、S≤0.003、Cr：1.4-2.4、Ni：3.0-4.5、Mo：0.15-0.8、V：0.05-0.25、Cu≤0.12、Al≤0.006、Sn≤0.008、Sb≤0.0017、As≤0.008、O≤35ppm、H≤1.0ppm、N≤80ppm；其余为Fe和不可避免杂质。本发明还提供了利用该合金制造汽轮机转子体锻件的方法，该方法通过对现有电炉冶炼和锻造工艺的改进，所得到的低压转子体锻件可以承受长期400℃以上和高应力的工作环境。

说明书

技术领域

本发明涉及合金结构钢及其锻件的制造技术领域，具体涉及一种船用汽轮机低压转子体锻件的超纯净中碳低合金高强钢，及其转子体锻件的制造方法。

背景技术

汽轮机转子是汽轮机中最重要的关键部件之一，承担传输动力的作用，处于高温、高压和高应力工作状态，工作环境十分恶劣，所以它要求：1.材料成分均匀；2.残余、杂质元素及气体含量极低；3.具有良好的力学性能、塑性、疲劳性能、持久性能、蠕变性能、抗腐蚀性能、加工性能等。

根据使用状况，汽轮机转子分为高中压转子和低压转子。高中压转子选用Ni-Fe基的高温合金和含Cr10％以上的不锈钢材料制作，其材料性能要求为：要有足够的高温持久强度、高温塑性、韧性，良好的抗热疲劳性能和可锻造性；低压转子选用NiCrMoV系合金结构钢制作，其材料性能要求为：要有足够的抗拉强度、塑性、韧性、疲劳强度，低的时效脆化敏感性，可锻性。

目前，国内汽轮机低压转子材料NiCrMoV系合金结构钢有：30Cr1Mo1V(强度级别590)、30Cr2Ni4MoV(强度级别690)和高纯净30Cr2Ni4MoV(强度级别760)，“强度级别”值越高的低压转子，效果越好(同等汽轮机功率的“低压转子零部件”单重越小，或者说，“低压转子零部件”单重相同，“强度级别”值越高，汽轮机功率越大)；合金成分和锻件的相关性能参见表1、表2。

目前，NiCrMoV系材料中，30Cr1Mo1V(强度级别590MPa)、30Cr2Ni4MoV(强度级别690MPa)和高纯净30Cr2Ni4MoV(强度级别760MPa)三种材料，全部只能在350℃以下的温度工作(在350-500℃长期使用时会出现回火脆化现象，只能制作工作温度350℃以下的低压转子，不能满足市场需求新钢种的性能要求。)，限制了汽轮机功率超高、超强的发展要求(汽轮机工作温度越高，汽轮机功率越大，汽轮机驱动力越大，有利于汽轮机的小型化)。

表1.国内现有低压转子材料的合金成分

  元素  C  Mn  Si  P  S  Cr  Ni  Mo  V  30Cr1Mo1V(JB/T8707-98)  0.27/0.34  0.70/1.00  0.17/0.37  ≤0.012  ≤0.012  1.05/1.35  ≤0.50  1.00/1.30  0.21/0.29  30Cr2Ni4MoV(JB/T8707-98)  ≤0.35  0.2/0.4  0.17/0.37  ≤0.012  ≤0.012  1.50/2.0  3.25/3.75  0.30/0.60  0.07/0.15  高纯净30Cr2Ni4MoV  ≤0.37  0.17/0.43≤0.12  ≤0.015  ≤0.015  1.45/2.05  3.18/3.82  0.23/0.62  0.06/0.16  元素  Cu  Al  Sn  Sb  As  O  H  N  30Cr1Mo1V(JB/T8707-98)  ≤0.15  ≤0.010  ≤0.015  ≤0.0015  ≤0.020  ≤35ppm  ≤1.0ppm  ≤100ppm  30Cr2Ni4MoV(JB/T8707-98)  ≤0.20  ≤0.015  ≤0.015  ≤0.0015  ≤0.020  ≤35ppm  ≤1.5ppm  ≤70ppm  高纯净30Cr2Ni4MoV  ≤0.17  ≤0.012  ≤0.017  ≤0.0017  ≤0.025  ≤35ppm  ≤1.5ppm  ≤70ppm

表2.国内现有低压转子材料的性能

综上所述，高标准低压转子(工作温度＞350℃，强度级别760：Rp0.2≥760MPa、Rm≥860MPa、A4≥16％、Z≥45％、Akv≥40J)的制造，是社会发展的需要，也是一个技术难题。

对国外汽轮机高中压转子和低压转子材料进行了查新检索，如表3所示，用于汽轮机高中压转子材料也是Ni-Fe基的高温合金、含Cr10％以上的不锈钢材料，用于低压转子材料是NiCrMoV系合金结构钢。尽管查新到的低压转子材料未见到S、P、As、Sb、Sn等有害元素和N、H、O含量的控制范围，但其Cr、Ni、Mo、V、Mn、Si元素尤其是Mn、Si的含量与国内的30Cr1Mo1V、30Cr2Ni4MoV合金相当，即是常用的NiCrMoV系合金，只能制作工作温度350℃以下的低压转子。

表3.有关查新检索的合金成分

  元素  C  Mn  Si  P  S  Cr  Ni  Mo  V  W  Mg  B资料10.005/0.158/22余1/95/21≤0.01  ≤0.015  资料2  ≤0.05  14/16资料30.3/0.5  0.80/1.20  0.15/0.41.0/3.00.80/2.5  0.35/0.70  0.10/0.25  资料4  0.01/0.2  0.5/1.2  ≤2  0.2/0.5资料50.15/0.35≤1.0≤0.350.5/3.00.1/2.00.3/1.50.1/0.4  0.1/2.0  元素  Cu  Al  Co  Ti  Fe  Nb  Sn  Sb  As  O₂  H₂  N₂  资料1  0.1/2.0  5/30  0.3/2.5  资料2  1.1/1.5  1.2/1.7  30/40  1.9/2.7  资料3  余  资料4  ≤1  余  资料5  余

发明内容

因此，针对现有低压转子材料的缺陷，本发明的目的在于，在现有NiCrMoV系30Cr2Ni4MoV合金的基础上，优化C、Ni、Cr、Mo、V合金成分，设计一种新型的超纯净NiCrMoV合金的低压转子材料，并提供利用该新型超纯净合金材料制造可耐350℃以上高温的低压转子的方法。

本发明的目的是这样实现的，一种超纯净合金，其化学成分的质量百分比为：C：0.26-0.37、Mn≤0.06、Si≤0.06、P≤0.006、S≤0.003、Cr：1.4-2.4、Ni：3.0-4.5、Mo：0.15-0.8、V：0.05-0.25、Cu≤0.12、Al≤0.006、Sn≤0.008、Sb≤0.0017、As≤0.008、O≤35ppm、H≤1.0ppm、N≤80ppm；其余为Fe和不可避免杂质。

根据本发明所述的低压转子用的超纯净合金，在一个优选的实施方案中，所述合金中Mn、Si、P、Sn的质量百分比应满足如下条件：(Mn+Si)×(P+Sn)×10⁴＜10。

在确定汽轮机低压转子Cr-Ni-Mo系高强钢合金基础上，选择表4所示的合金成分来研制开发该汽轮机低压转子所需的材料。

Ni-Cr-Mo是形成中碳低合金高强钢的基本组员，各元素含量的变化仅反映在强韧性的不同而已；

Mo是合金的强化元素，能提高合金的强韧性、高温特性和回火温度性；

钒的作用主要是微合金化；

控制极低含量的Mn、Si、Al等易氧化元素，目的是尽可能减少冶炼和加工过程中形成氧化夹杂物的量等；

严格控制S、P、As、Sb、Sn等有害元素和N、H、O含量，是为了避免形成硫化物、氧化物、低熔点物质等弱化合金的高温性能，提高合金强韧性能。

严格控制Mn、Si、P、Sn等元素的极低含量，尽可能降低合金的时效脆化敏感性。

这样设计的合金实现了固溶强化、细化晶粒、沉淀强化、晶界强化、组织强化等多种强化机制，有效提高合金综合性能，尤其是高温特性，使得燃汽轮低压转子材料具有低的时效脆化敏感性，能满足400℃以上工作温度的使用要求。

表4本发明合金的化学成分

一种采用上述超纯净合金制造汽轮机转子体锻件的方法，包括电炉冶炼、真空自耗冶炼、锻造、热处理和机加工，其中，该方法按以下步骤进行：

(1)备好原料，在EAF(电弧炉)+LF(精炼炉)内冶炼合金，在氧化期脱碳，充分脱磷、去气、去夹杂，还原期充分脱氧、脱硫；

(2)钢液温度≥1650℃后转入VD炉(真空脱气炉)进行真空脱气，底部通入Ar气，充分搅拌，VD炉真空度达67Pa时脱气，在钢液温度达到1560℃～1570℃时，浇铸成电极棒，电极脱模后热送退火、精整后真空自耗冶炼；

(3)在所述锻造工序中，对所述真空自耗冶炼得到的自耗钢锭进行热加工，在转子体锻坯成材锻造时，用保温材料包裹所述转子体的一端，加工所述转子体的中部和另一端，随后调头锻打包裹有保温材料的一端，保证转子体锻坯一火锻造完成；

(4)锻坯扩氢退火，经整体热处理后机加工成所需的成品转子。

上述电炉冶炼过程是选用低S、P、As、Sb、Sn等杂质的原料，在EAF(电弧炉)+LF(精炼炉)内冶炼合金，加入Al、石灰、萤石等冶炼物料，并在氧化期确保一定的脱碳量，充分脱磷、去气、去夹杂，还原期充分脱氧、脱硫，控制Mn、Si≤0.05％，S、P≤0.03％，As、Sb、Sn≤0.005％，Al≤0.02％，出钢前至少流渣+扒渣两次；炉外精炼(LF)时，还要严格控制炉渣配比，采用埋弧操作避免钢液增氮，严格控制升温所需的喂Al量，保证钢液的含Al量低，调整各合金元素达到所需的成分范围，进一步去除夹杂等；合金成分合格、钢液温度T≥1650℃后转入VD炉进行真空脱气，底部通Ar气充分搅拌进一步加速夹杂的上浮和气体的逸出，在VD炉脱气时，通过测试H、N，保证O、H、N的低含量，要求达到H≤3PPm，N≤60PPm。

真空自耗冶炼是本发明的必要技术措施。本发明所采用的真空自耗冶炼是已有技术的一部分。利用真空自耗冶炼技术是为了进一步纯净合金组织，退火精整的电极在极低的真空条件(设定值为0Torr)下重熔精炼，促使杂质元素尤其低熔点元素的去除和气体的逸出，保证残余、杂质元素S、P、As、Sb、Sn达到合金成分范围及气体含量达到合金成分范围O≤35ppm、H≤1.0ppm、N≤80ppm，冶炼浇铸成Φ508mm自耗锭，热送锻造加工。

在锻造工序中，自耗钢锭采用常规的锻造工艺技术进行锻坯的热加工，先采用公知的热加工技术锻造开坯，后在转子体锻坯成材锻造时采用特有的锻造工艺技术，由于转子体中间大两端小，需要采用一定的保温技术和热加工技术工艺，即一端包裹上保温材料，加工中部和另一端，随后调头锻打包裹的一端，保证转子体锻坯一火锻造完成，转子体的组织成分均匀。锻造加热温度为1180±20℃，保温3-5小时，锻造工艺三镦三拔，七火成材。所述的保温材料采用中国专利200510023801.0所涉及的绝热棉。

根据本发明所述的制造汽轮机转子体锻件的方法，较好的是，所述脱气时间≥20分钟。

在一个优选的实施方案中，步骤(2)所述电极棒直径为Φ422±10mm。

根据本发明所述的制造汽轮机转子体锻件的方法，较好的是，所述扩氢退火工艺分为两段，第一段为890-930℃保温15小时空冷，第二段是在645-675℃保温105小时缓冷。

进一步地，所述整体热处理工艺为在820-860℃/5-8h/水淬以及570-610℃/16-20h/炉冷。

本发明的技术原理是：通过在现有NiCrMoV系30Cr2Ni4MoV合金的基础上，优化C、Ni、Cr、Mo、V合金成分，设计一种NiCrMoV系合金材料，研发出一种新型的超纯净NiCrMoV合金的低压转子材料，充分利用沉淀强化、晶界强化、组织强化等强化机制；在材料强度级别不降低的前提下，提高材料的塑性和冲击韧性AKv；同时，设计合适的合金成分、严格控制Mn、Si、P、Sn等元素，弱化材料的回火脆化敏感性，即杜绝低压转子在350-500℃温度范围内长期工作产生回火脆化现象；并严格控制S、P、As、Sb等有害元素以及N、H、O含量，纯净合金组织，增强组织强化作用。充分利用合金元素的多种强化和组织强化机制，有效提高合金综合性能；严格控制有害元素含量和气体含量。

本发明合金成分设计后，采用电炉(EAF+LF+VD)+真空自耗的熔炼方式来冶炼合金，利用EAF+LF炉去S、P等杂质和VD除气去杂质的功能，优化冶炼工艺技术，冶炼制备较纯净的合金电极；再通过真空自耗进一步除气、除夹杂，获得纯净的合金组织，浇注成超纯净30Cr2Ni4MoV合金钢锭；冶炼好合金钢锭采用常规的锻造工艺技术进行锻坯的热加工，在转子体锻成材锻造时，采用一定的保温技术和热加工技术工艺，保证转子体锻坯一火锻造完成，转子锻坯体锻坯两端的组织成分均匀；锻坯按一定工艺热处理退火后机加工成所需的转子体锻件，取样进行性能测试后进行转子整体热处理和加工。

本发明的有益效果是：选用杂质含量低的原料，采用电炉(EAF+LF+VD)+真空自耗的方式冶炼合金，通过优化冶炼工艺技术，冶炼出较纯净的合金电极；再通过真空自耗进一步除气除夹杂，获得纯净的合金组织，冶炼超纯净30Cr2Ni4MoV合金的各工序的化学成分分析结果和(Mn+Si)×(P+Sn)×10⁴值如表4所示。由表4可知采用的现有技术+创新技术达到所期望的成分要求，电炉冶炼的电极棒主成分Cr、Ni、Mo、V、C在合适的范围内，Mn、Si、S、P、As、Sb、Sn、Al含量已相当低，气体O、H、N含量控制到满意的水平，再通过真空自耗进一步除气除夹杂，使有害杂质元素和气体含量降到设计的水平，满足使用要求，夹杂物的分析结果如表5，表明冶炼方式除夹杂效果良好。

表5.夹杂物的分析结果

在转子体锻成材锻造时，采用一定的保温技术和热加工技术工艺，保证转子体锻坯一火锻造完成，转子体锻坯两端的组织成分均匀。锻坯扩氢退火后，取样进行性能测试，性能的测试结果如表6所示，表明材料的性能完全达到技术指标和使用要求。

表6.超纯净30Cr2Ni4MoV材料热处理后的性能结果

备注：1.工艺一：850℃/60分/水淬+580℃/4小时/炉冷到300℃后空冷，

2.工艺二：850℃/60分/水淬+590℃/4小时/炉冷到300℃后空冷。

3.转子体锻件整体热处理工艺：840±20℃/5-8h/水淬+590±20℃/16-20h/炉冷。

具体实施方式

实施例1

本实施例中合金材料的化学成分质量百分比为：C：0.28；Mn：0.024；Si：0.016；P：0.002；S：0.004；Cr：1.65；Ni：3.75；Mo：0.44；V：0.14；Cu：0.04；Al：0.003；Sn：0.004；Sb：0.0010；As：0.006；O≤35ppm、H≤1.0ppm、N≤80ppm；其余为Fe和不可避免的杂质。

选用低S、P、As、Sb、Sn等杂质的Fe、Cr、Mo、Ni、V-Fe等原料，在EAF(电弧炉)+LF(精炼炉)内冶炼合金，加入Al、石灰、萤石等物料，并在氧化期确保一定的脱碳量，充分脱磷、去气、去夹杂，还原期充分脱氧、脱硫，炉前分析控制Mn、Si≤0.05％，S、P≤0.03％，As、Sb、Sn≤0.005％，Al≤0.02％；出钢前至少流渣+扒渣两次，添加Cr、Mo、Ni、V-Fe，调整各合金元素达到上述成分含量；炉外精炼(LF)时，还要严格控制炉渣配比，采用埋弧操作避免钢液增氮，严格控制升温所需的喂Al量保证钢液的含Al量低；成分合格后测温，T≥1650℃转入VD炉进行真空脱气，底部通Ar气，充分搅拌，进一步加速夹杂的上浮和气体的逸出，VD炉真空度达67Pa时保持25分钟充分脱气，炉前取样测试H、N，当H≤3PPm，N≤60PPm，钢液温度达到1560℃～1570℃时，浇铸成Φ422mm电极棒，电极脱模后热送退火，退火工艺为680℃保温20小时后缓冷，电极退火精整后进行自耗冶炼。

真空自耗炉先抽真空，在极低的真空条件(设定值为0Torr)下重熔精炼电极，按一定工艺冶炼浇铸成Φ508mm自耗锭，热送锻造加工。

采用常规的锻造工艺锻造开坯，特有的锻造工艺一火锻造成材。在转子体锻坯成材锻造时，用保温材料包裹所述转子体的一端，加工所述转子体的中部和另一端，随后调头锻打包裹有保温材料的一端，保证转子体锻坯一火锻造完成；加热温度为1180℃，保温3-5小时，锻造工艺三镦三拔，七火成材。所述保温材料为中国专利200510023801.0所涉及的绝热棉。

锻造好的转子体锻坯扩氢退火后机加工成组织成分均匀的超纯净30Cr2Ni4MoV合金转子体锻件，扩氢退火工艺分两段，第一段加热910℃保温15小时空冷，第二段加热670℃保温105小时缓冷，锻件经整体热处理后机加工所需的成品转子。锻件热处理工艺为840℃/8h/水淬+590℃/18h/炉冷。合金的电炉和自耗成分参见表4实例1，有关夹杂物和性能测试结果见表5、6中的实例1。

实施例2

本实施例中合金材料的化学成分质量百分比为：C：0.28；Mn：0.023；Si：0.017；P：0.002；S：0.004；Cr：1.64；Ni：3.75；Mo：0.44；V：0.14；Cu：0.039；Al：0.003；Sn：0.004；Sb：0.0010；As：0.006；O≤35ppm、H≤1.0ppm、N≤80ppm；其余为Fe和不可避免的杂质。

其中真空脱气时间为28分钟；锻造加热温度为1200℃；锻造好的转子体锻坯扩氢退火，第一段加热925℃保温15小时空冷，第二段加热660℃保温105小时缓冷；锻件整体热处理后机加工所需的成品转子，锻件经整体热处理后机加工所需的成品转子，锻件热处理工艺为860℃/5h/水淬+580℃/20h/炉冷。其他同实施例1.

实施例3

本实施例中合金材料的化学成分质量百分比为：C：0.31；Mn：0.025；Si：0.016；P：0.002；S：0.003；Cr：1.69；Ni：3.80；Mo：0.45；V：0.12；Cu：0.04；Al：0.004；Sn：0.004；Sb：0.0011；As：0.005；O≤35ppm、H≤1.0ppm、N≤80ppm；其余为Fe和不可避免的杂质。

其中真空脱气时间为30分钟，锻造加热温度为1170℃；锻造好的转子体锻坯扩氢退火，第一段加热900℃保温15小时空冷，第二段加热660℃保温105小时缓冷；锻件整体热处理后机加工所需的成品转子，锻件经整体热处理后机加工所需的成品转子，锻件热处理工艺为850℃/6h/水淬+600℃/16h/炉冷。其他同实施例1.

将实施例2所得的锻件进行相关的热处理工艺试验，结果见表7.表明该合金在850-950℃淬水+580-620℃回火后具有良好的性能，转子体锻件热处理工艺在此基础上进行技术优化处理而来的。

表7超纯净30Cr2Ni4MoV热处理工艺试验结果

本发明的超纯净30Cr2Ni4MoV合金材料所制成得汽轮机低压转子体锻件产品，超过高标准低压转子要求(工作温度＞350℃，强度级别760：Rp0.2≥760MPa、Rm≥860MPa、A4≥16％、Z≥45％、Akv≥40J)，产品实物性能达到：工作温度400-450℃，强度级别760∶Rp0.2＝760-860MPa、Rm≥860MPa、A4≥17％、Z≥53％、Akv≥81J；满足了市场要求。