提高超超臨界轉(zhuǎn)子鋼純凈度的一些工藝思考

管仲毅

（上海電機學院  上海大鍛件協(xié)同創(chuàng)新中心）

摘  要：本文通過對超超臨界轉(zhuǎn)子研制開發(fā)過程的回顧，說明鋼的純凈度是導致該類轉(zhuǎn)子鍛件報廢的關(guān)鍵原因之一，進而對如何提高超超臨界轉(zhuǎn)子鋼的純凈度提出了一些可供探討的工藝思考。

關(guān)鍵詞：超超臨界轉(zhuǎn)子；ESR精煉；純凈度；工藝思考

一重集團公司王寶忠的新著《超大型核電鍛件綠色制造技術(shù)》中著重指出：“鋼錠的純凈性對于鍛件來說至關(guān)重要。制造難度巨大且關(guān)乎核安全的超大鍛件的質(zhì)量更加引人注目”；“如果鋼錠的純凈性差，那么無論采用多么先進的鍛造和熱處理技術(shù)，也都無法研制處合格鍛件”。在超大型核電鍛件綠色制造的基礎(chǔ)中，
首先闡述的是鋼的冶煉精煉裝備和鑄錠凝固過程控制。

要提高火電機組熱效率，就要提高蒸汽壓力和溫度參數(shù)，因此發(fā)展超臨界、超超臨界機組是必然的方向。

汽輪機高溫部件集中在機組高壓端，其中包括進汽閥組、高壓汽缸和高壓轉(zhuǎn)子等組件。汽輪機轉(zhuǎn)子是汽輪機機組中的關(guān)鍵部件，是連接汽輪機和發(fā)電機的中間紐帶。汽輪機依靠高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子帶動發(fā)電機發(fā)電，將機械能轉(zhuǎn)化為電能。其中高壓轉(zhuǎn)子的受力最為復(fù)雜，高溫下轉(zhuǎn)子屈服強度、材料蠕變、材料疲勞與蠕變的耦合等都要經(jīng)受得住極端條件下的安全穩(wěn)定要求。

我國重型裝備大型鑄鍛件制造企業(yè)在2006年之后相繼開展對600℃超超臨界轉(zhuǎn)子鍛件研究攻關(guān)。在Cr12不銹鋼中加入適當?shù)?/span>Ni、Mo、W、Nb、N等強化元素，滿足了相應(yīng)性能，但質(zhì)量穩(wěn)定性相比德、美、日等還有很大差距。

中國一重最初主要采用真空精煉+真空碳脫氧澆注鋼錠的工藝路線，后續(xù)實又裝備120噸普通ESR電渣；中國二重沒有大型ESR電渣設(shè)備，采用真空碳脫氧進行了小樣工藝探索，摸索了鍛造“輕壓快打”工藝，目前引進因泰克公司ESR裝備，建設(shè)150噸保護氣氛電渣爐；上重廠在其較早既已擁有的200噸普通ESR電渣爐及工藝技術(shù)積累的基礎(chǔ)上對X12CrMoWVNbN10-1-1材質(zhì)高中壓轉(zhuǎn)子進行了較大投入，至2013年前后共投料30余件，但各種原因?qū)е洛懠�合格率不�?/span>20%。近兩年中信重工、臺�，斉瑺柕扔窒嗬^以超超臨界轉(zhuǎn)子鍛件為目標之一投放百噸級ESR設(shè)備。

從化學成分上看似乎適合雙精煉真空碳脫氧澆注，XCr12轉(zhuǎn)子也進行過一些VCD工藝嘗試，但從鋼的熔點、粘度特性、過熱度、凝固過程偏析、夾雜物上浮可能性等幾方面看都是存在問題的。

（1）澆注溫度應(yīng)該偏高些，但對中間包材料的軟化熔侵（有選用氧化鋯結(jié)合蠟石磚）是問題；

  （2）真空澆注的限流器末端材料自從峨眉耐火材料廠不再供應(yīng)特制材料，就沒有很好解決過，甚至不曾去解決（斗山是注意到且有特殊設(shè)計）；

（3）鋼的粘度較大，兩相區(qū)較大；過熱度偏高造成偏析疏松在所難免；

（4）FB2控【N】，真空澆注【N】平衡量降低；

進入2010年后，發(fā)電機組的適應(yīng)溫度要求已經(jīng)主要從600℃提高到620℃，相應(yīng)高、中亞轉(zhuǎn)子的材料由X12CrMoWVNbN10-1-1提高的改進加強型的FB2，在X12Cr基礎(chǔ)上添加了Co、B、控N等元素。

在國內(nèi)對此CB2材料尚處于研發(fā)階段，國家工信部于21014年在已建立的700℃先進超超臨界機組聯(lián)合攻關(guān)聯(lián)盟的基礎(chǔ)上，集合國內(nèi)主要制造企業(yè)和科研院所，從材料研制、轉(zhuǎn)子成型、到機組運行，成立幾個相關(guān)的國家級課題，直接推進至該領(lǐng)域的國際高端前沿。而700℃先進超超臨界轉(zhuǎn)子鍛件材料采用任何鐵基材料已不能適應(yīng)如此高溫狀態(tài)下的性能要求，需要更耐高溫的Ni基合金材料。

盡管如此，對X12Cr、改進型FB2轉(zhuǎn)子鍛件材料的研究仍然具有現(xiàn)實意義，目前600和620℃超超臨界機組仍然是市場裝機的主力機型。 X12Cr型轉(zhuǎn)子材料投料嘗試較多，有少量交貨，但是報廢比例大，又被FB2型取代，探究其報廢的內(nèi)在原因?qū)?/span>FB2鍛件材料的攻關(guān)具有直接借鑒價值。

對化學成分超標或者控制不穩(wěn)定，這是熔煉工藝與操作要去完善的內(nèi)容；對宏觀探傷超標可以直接去探究熔煉和凝固的控制過程；對于以上兩個方面看似都合格了，但材料性能總是不能穩(wěn)定過關(guān)，當然鍛造和熱處理也會有決定性影響，但對相當批量的材料進行金相分析以及經(jīng)過大量設(shè)定工藝條件下的檢測分析，得出一個是鋼的純凈化精煉和凝固純凈均勻致密化的的核心結(jié)論為：自身的冶金純凈度不夠?qū)е聫姸群蜎_擊性能不合格，表現(xiàn)為材料的【O】含量偏高，晶粒組織間易氧化元素分布不均，晶界上存在異常氧化物。這是鋼的純凈化精煉和凝固純凈均勻致密化的問題，是鋼冶金應(yīng)該擔負的研究責任和任務(wù)。

目前的狀況是，而鑄造超超臨界缸體取得實質(zhì)進展，二重、上重都實現(xiàn)相對穩(wěn)定的制造交產(chǎn)，一重也進行了鋼種和鑄件生產(chǎn)試驗，但轉(zhuǎn)子依然依靠進口。

圍繞超超臨界轉(zhuǎn)子鍛件純凈度問題的工藝思考：

（1）超大型ESR的快速熔化技術(shù)適應(yīng)大截面強冷順序凝固，速度和純凈能力與重熔純凈的時機模式的邏輯關(guān)系。

（2）強化的馬氏體耐熱不銹鋼X12、FB2超超臨界轉(zhuǎn)子重熔過程中甚至使用了比AL更強的Ca來脫氧，為什么還是感覺【O】偏高。

（3）大型ESR重熔外加脫氧怎么保證均勻性，脫氧動力學速度和重熔速度凝固速度匹配嗎，這種脫氧一定是在界面發(fā)生擴散脫氧，微觀脫氧產(chǎn)物都能夠進入熔渣嗎。

（4）自耗電極是否規(guī)范，ESR冶金高手往往要對電氣設(shè)備的穩(wěn)恒控制更捻熟，相對自耗電極則依靠外圍配套，配套企業(yè)往往依靠走量贏得市場，對后續(xù)ESR過程、鍛造及熱處理過程不甚了了，但從產(chǎn)品質(zhì)量上看，質(zhì)量控制是全流程的。

（5）ESR過程的熔渣對通過的鋼水有過濾能力，自耗電極原始鋼錠稍加清理后水冒口保留提高了利用率，究竟合理不。

（6）了解到幾個主要研制超超臨界轉(zhuǎn)子的ESR生產(chǎn)廠家，熔渣還是生料配置，引弧化渣后進行重熔。邏輯上主要成分熔渣能夠達到與設(shè)定目標相似，但是對應(yīng)于FB2的化學成分、【O】含量、微觀純凈度等核心問題，熔渣僅僅預(yù)熔已經(jīng)不夠了。

（7）電渣重熔是提純和減少偏析的公認有效手段，超大噸級ESR結(jié)晶器內(nèi)鋼錠的順序凝固順序生長的枝晶還是非常頑固的，嚴重性大于雙真空模鑄錠中心的等軸晶。ESR晶粒細于模鑄錠，但是沒有到不經(jīng)過鍛造熱處理能夠達到的晶粒度，不能為自己的一點優(yōu)勢盲目樂觀，必須為后續(xù)創(chuàng)造基礎(chǔ)條件的同時全流程考慮工藝配置。

（8）百噸級ESR鍛件因為宏觀缺陷報廢過程中常常看到現(xiàn)象，好的部分確實純凈度優(yōu)于真空澆注模鑄錠，但是宏觀缺陷卻多于模鑄錠。這就意味著ESR熔煉凝固過程一定存在不穩(wěn)定因素。熔化速度合適否、熱源點與凝固點有否偏移、鋼渣界面與固液兩相區(qū)是否異常擾動，等等原因要多加探討解決。

有效熔化固然重要、好的凝固質(zhì)量更重要，是根本。硬件裝備要滿足工藝設(shè)計需要，通過滿足工藝設(shè)計來滿足產(chǎn)品質(zhì)量。無論熔煉精煉裝備、還是凝固裝備與工藝方法，包括LF、VD、ESR等硬件裝備，提供了工藝運行的基礎(chǔ)，而恰當?shù)墓に嚢�括其操作運行的軟技術(shù)（操作過程、合適材料、控制手段、運行環(huán)境）等是質(zhì)量致勝的根本。