11.3.6. Термическая обработка крупных деталей энергоагрегатов

Крупные поковки и отливки. Современный уровень развития техники требует от энергетического и тяжелого машиностроения изготовления агрегатов большой единичной мощности. Это приводит к существенному увеличению массы и соответственно размеров наиболее ответственных деталей подобных агрегатов: роторов турбин и генераторов, корпусов турбин, рабочих колес гидротур­бин (табл. 11.60).

Таблица 11.60

Размеры и масса роторов генераторов различной мощности

При изготовлении поковок сечением 3000 мм и массой ≥ 240 т возникают условия, способствующие образованию в стали крупного зерна аустенита. К этим условиям относятся особенности кристаллизации крупных слитков, трудности проведения горячей пластической деформации — длительные, многократные (до 14 раз) нагревы под ковку, достигающие 1250 °С, неравномерная деформация по сечению поковки, вынужденный отказ (из-за технических трудностей) от опера­ции осадки на слитках массой > 300 т, а также малые скорости нагрева и охлаж­дения при перекристаллизации и продолжительные выдержки в процессе аустенитизации во время термической обработки (табл. 11.61).

Таблица 11.61

Характеристики нагрева поковок различного сечения до температуры 900 °С

На одном из заводов энергетического машиностроения разработан и внедрен новый сокращенный антифлокенный режим предварительной термической обра­ботки крупных поковок сечением от 800 до 2200 мм (рис. 11.45). Фактические температурно-временные поля в процессе термической обработки по этому режиму и время охлаждения поковок после нормализации приведены на рис. 11.46. Общая продолжительность этого режима термической обработки поковок сечением 800…1200 мм ~350 ч, сечением 1250..1800 мм ~550 ч, сечением 1850…2200 мм ~670 ч, что на 30 % меньше по сравнению с существовавшими до настоящего времени ре­жимами.

Рис. 11.45. режимы предварительной термической обработки хрупких

поковок сечением 800…2200 мм из вакуумированной стали

С целью исправления крупно­зернистой структуры в процессе изготовления крупных сварнокованых и кованосварных изделий раз­работана и внедрена новая техноло­гия термической обработки. Она включает предварительную обра­ботку, состоящую из нагрева до температуры исправления крупно­зернистости, промежуточного нагре­ва до температуры Ас₃ + 10 °С стали с последующим медленным охлаж­дением для получения структуры перлита или перлита и бейнита, и окончательную — на требуемый уровень механических свойств. Эта технология благодаря устранению крупнозернистости позволяет про­водить ультразвуковой контроль качества поковок. На рис. 11.47, представлен режим термической обработки сварного блока перед ковкой ротора генератора мощностью 1000 МВт (масса сварной поковки ≈250 т).

Рис. 11.47. режимы термической обработки сварного блока перед поковкой ротора генератора мощностью 1000 МВт (охлаждение поковки до 300 °С проводится до температуры металла шва)

Для правильного выбора времени охлаждения в процессе окончательной термической обработки целесообразно пользоваться специальными обобщенными графиками (рис. 11.48). На оси ординат этих графиков отложена температура поковки, а по оси абсцисс указано приведенное время (час):, гдеR_K — радиус поковки, мм. На графиках представлены обобщенные кривые охлаждения различных зон поковок от поверхности до центра. Пользуясь обобщенными графиками, можно рассчитать время охлаждения поковок в процессе закалки. При совмещении этих графиков с термокинетической диаграммой превращения аустенита можно определить структуру стали, а отсюда и зависимость механиче­ских свойств по сечению поковок.

Ориентировочно время охлаждения поковок можно также выбирать по экс­периментальным данным, представленным в табл. 11.62.

Сварные роторы турбин. В Советском Союзе широко применяются сварные роторы турбин, которые по сравнению с цельноковаными обладают рядом преимуществ. Сварной ротор состоит из элементов относительно малых раз­меров, что дает возможность использовать для их изготовления более каче­ственные слитки меньшей массы, а также новые методы выплавки. Отсутствие центрального отверстия в сварных роторах позволяет снизить требования к проч­ности стали.

Технологический процесс изготовления сварных роторов проводится по схеме: выплавка и ковка слитков, термическая обработка, ультразвуковой контроль заготовок элементов сварных роторов, автоматическая сварка, ультразвуковой контроль, отпуск сварного ротора.

Для изготовления сварных роторов применяют стали, химический состав которых приведен в табл. 11.63, а требуемый уровень механических свойств — в табл. 11.64. Режимы окончательной термической обработки элементов сварного ротора представлены на рис. 11.49.

Таблица 11.62

Продолжительность охлаждения центра цилиндрических

поковок в различных средах

Таблица 11.63

Химический состав сталей, рекомендуемых для изготовления

заготовок элементов сварных роторов, %

Рис. 11.49. Режимы окончательной термической обработки элементов сварного ротора К1000-60/1500 из стали 25Х2НМФА. Сталь, выплавленная ЭШП, подвергается отпуску 630…640 °С, мартеновская сталь с 0,24…0,26 % С – при 630…640 °С, а с содержанием С > 0,26 % - при 640…650 °С. Температура печи при посадке ≤ 350 °С: I – 1-я закалка; II – 2-я закалка (охлаждение до 120…150 °С на металле); III – отпуск

Таблица 11.64

Механические свойства элементов сварных роторов в

зависимости от категории прочности

На дисках из стали 20ХН2МФШ показано преимущество прерывистого (вода — масло) охлаждения в процессе закалки по сравнению с непрерывным Охлаждением в масле (табл. 11.65).

Таблица 11.65

Критическая температура хрупкости дисков из стали 20ХН2МФШ

в зависимости от охлаждения в процессе закалки

Отпуск после сварки роторов турбин проводится при температуре 630… 640 °С с промежуточной выдержкой при 400…550 °С (с целью получения минималь­ного перепада температур между поверхностью и центром ротора). Охлаждение от температуры отпуска — медленное для обеспечения низкого уровня остаточных напряжений (рис. 11.50).

Рис. 11.50. Режим окончательной термической обработки сварных роторов

При выборе продолжительности и температуры отпуска можно пользоваться зависимостью между пределом текучести (σ_0,2, кгс/мм²) стали и параметрами отпуска:

где Т₁ — температура первого отпуска (элементов сварного ротора), К; Т — температура второго отпуска (сварного ротора), К; τ₁ — продолжительность первого отпуска (элементов сварного ротора), ч; τ — продолжительность второго отпуска (сварного ротора), ч; а₀, а₁, а₂ — коэффициенты, зависящие от химиче­ского состава стали и условии ее термической обработки.

Кроме указанных параметров при выборе продолжительности и температуры отпуска необходимо учитывать развитие процессов релаксации напряжений, а также полигонизации (при рекристаллизации) α-фазы, увеличивающих сопротивление хрупкому разрушению металла сварного соединения.

В процессе эксплуатации роторов среднего давления их рабочая температура может достигать 300…400 °С. Механические свойства стали 25Х2НМФА при крат­ковременных испытаниях в интервале температур 20…400 °С представлены в табл. 11.66.

Таблица 11.66

Механические свойства стали 25Х2НМФА при

кратковременных испытаниях

Применение стали 25Х2НМФА позволяет обеспечить гарантированный уро­вень свойств элементов сварных роторов (табл. 11.67).

Таблица 11.67

Гарантируемый уровень механических свойств заготовок

сварных роторов из стали 25Х2НМФА

Цельнокованые и сварнокованые роторы турбин и генераторов. Рост мощности указанных энергоагрегатов и связанное с ним увеличение размеров роторов, повышение требований к качеству металла и уровню механических свойств потребовали изыскания новых сталей и разработки принципиально но­вых конструкций этих изделий.

Для изготовления роторов турбин и генераторов широкое применение нашли хромомолибденовые, хромоникельмолибденовые и хромоникельмолибденованадиевые стали, химический состав которых и требуемый уровень механиче­ских свойств приведены в табл. 11.68…11.70.

Таблица 11.68

Химические свойства сталей, применяемых для изготовления

дисков, валов и цельнокованых роторов паровых турбин, %

Для изготовления крупных роторов с диаметром бочки до 2000 мм разработана сталь 25ХНЗМФА, обладающая глубокой прокаливаемостью и низкой критиче­ской температурой хрупкости. Влияние температуры аустенитизации в интервале 780…1100 °С (выдержка при температуре аустенитизации 1 ч, охлаждение в масле и отпуск при 640 °С, 6 ч) на балл зерна аустеннта и механические свойства этой стали иллюстрирует табл. 11.71.

Аустенитизацию рекомендуется проводить в интервале температур 840…860 °С. Повышение температуры закалки до 900 °С увеличивает прочностные свой­ства (σ_в на 30 кгс/мм²) при одновременном снижении пластических характеристик (относительное удлинение на 9 %, а ударную вязкость на 7 кгс·м/см).

Если для заготовок роторов небольших сечений требуется повышенная вяз­кость и нет необходимости в достижении высокой прочности, то закалку рекомен­дуется проводить от 820…840 °С. При этом вследствие относительно низкого содержания углерода в стали, изделия можно охлаждать в воде или последова­тельно — в воде и масле.

Таблица 11.69

Механические свойства заготовок дисков в зависимости

от категории прочности (тангенциальные образцы)

Для получения высоких прочностных свойств рекомендуется нагрев под закалку крупных поковок проводить до 850…900 °С с последующим охлажде­нием на воздухе или в масле.

Влияние скорости охлаждения от 850 °С (выдержка 1 ч) на механические свой­ства стали 25ХНЗМФА приведены в табл. 11.72.

Влияние температуры отпуска на механические свойства образцов из стали 25ХНЗМФА после закалки от 850 °С показано в табл. 11.73.

Окончательная термическая обработка дисков из этой стали включает двойную закалку: первую от 900 °С с охлаждением в масле, вторую — от 840 °С с охлаждением сначала в воде (40 мин), затем в масле (50 мин) и далее отпуск при 610 °С 30 ч. Такая термическая обработка позволяет получить по сечению диска следующие механические свойства (тангенциальные образцы): σ_0,2 ≥ 77 кгс/мм². σ_в ≥ 87 кгс/мм², δ ≥ 15 %, ψ ≥ 62,5 %, KCU ≥ 118 Дж/см², Т₅₀ ≤ -18 °С (на образцах I типа).

Механические свойства стали 25Х2Н4МФА после термической обработки по тому же режиму, что и стали 25ХНЗМФА при температурах испытания 20…650 °С приведены в табл. 11.74.

Для изготовления роторов генераторов мощностью 500…1200 МВт для атомных электростанций применяют стали 25ХНЗМФА и 35ХНЗМФА, механические свойства которых должны удовлетворять следующим требованиям: σ_0,2 ≥ 55 кгс/мм². σ_в ≥ 65 кгс/мм², δ ≥ 15 %, ψ ≥ 35 %, KCU ≥ 49 Дж/см².

Окончательная термическая обработка роторов турбогенераторов, как пра­вило, состоит из однократной закалки с охлаждением в масле пли в воде и от­пуска, во время которого производится правка. Режим окончательной термиче­ской обработки валов роторов массой 50…100 т приведен на рис. 11.51.

Таблица 11.70

Механические свойства заготовок валов и роторов

в зависимости от категории прочности

Разработан новый режим окончательной термической обработки роторов из стали 35ХНЗМФА, состоящий из двойной закалки с охлаждением в масле и отпуска, обеспечивающий высокий уровень механических свойств по сечению ротора (табл. 11.75).

Таблица 11.71

Влияние температуры аустенизации на механические

свойства стали 25ХН3МФА

Таблица 11.72

Влияние скорости охлаждения от температуры аустенизации на

механические свойства стали 25ХН3МФА (отпуск при 640 °С, 6 ч)

Таблица 11.73

Влияние температуры отпуска (выдержка 6 ч) на механические

свойства стали 25ХН3МФА

Таблица 11.74

Механические свойства стали 25Х2Н4МФА в зависимости

от температуры испытания

Таблица 11.75

Механические свойства (тангенциальные образцы) по сечению

прибыльной части бочки (Ø 1800 мм) ротора турбогенератора

мощностью 1200 МВт из стали 35ХН3МФА