10 t 导叶轴头X3CrNiMo13-4不锈钢电渣重熔锻件的试制

向大林   王克武   谢培德   朱孝谓

（上海重型机器厂，200245）

  摘  要  研制的10 t水轮机导叶轴头控氮低碳马氏体高强高韧不锈钢X3CrNiMo13-4大锻件电渣锭利用率达85%；钢锭化学成分均匀，低温韧性优良，超声波探伤未发现≥φ2mm缺陷。

  关键词  大锻件   马氏体不锈钢   低温韧性   电渣重熔

Production of ESR X3CrNiMo13-4 Stainless Steel Forging for 10 t Shaft of Wicket Gate

Xiang Dalin, Wang Kewu, Xie Peide and Zhu Xiaowei

(Shanghai Heavy Machinery Plant,200245)

  Abstract    The 10t carbon containing nitrogen X3CrNiMo13-4 martensitic stainless steel forging for wicket gate has been produced by ESR process. The yield of ESR ingot was up to 85%, of which the composition was homogeneous and the toughness at low temperature was excellent. The ≥φ2 mm defect wasn't found in steel by ultrasonic inspection.

  Material Index   Heavy Forging, Martensitic Stainless Steel, Low Temperature Toughness, ESR

  国内尚未见生产控氮低碳马氏体高强度高韧性 X3CrNiMo13-4 不锈钢大锻件。导叶锻件需约20 t 重的钢锭锻制，钢锭大，浇注时间长，高铬钢水易产生二次氧化和遭受耐火材料污染。高合金钢水浇铸成大钢锭易产生严重偏析和夹杂物聚集等冶金缺陷。为提高钢的质量和利用率，降低废品率，需进行电渣重熔。本文叙述采用12.5 t X3CrNiMo13-4 电渣锭生产10 t 锻件的性能。

1   导叶轴的技术要求

  710 MW 轴向辐流式水轮机，导叶上端轴重5.45 t，长3021mm，最大直径640mm，毛坯最大直径700mm，下端轴重1.77t，长801mm，最大直径640mm。锻件的技术要求主要有：

  （1）材料为德国钢号X3CrNiMo13-4，其化学成分要求如表1。

  （2）力学性能如表2。

  （3）超声波探伤按NFA04-308，底波法，B级验收。

  根据上述要求，借鉴以往的生产经验和专利技术研制的导叶上、下端轴控氮低碳马氏体高强高韧不锈钢锻件已通过用户一次验收合格并关付使用。

表1   马氏体不锈钢X3CrNiMo13-4的化学成分要求/%

Table1   Requirement for chemical composition of X3CrNiMo13-4 martensitic stainless steel/%

表2   X3CrNiMo13-4 马氏体不锈钢锻件的力学性能

Table2   Requirements ofr mechanical properties of X3CrNiMo13-4 martensitic stainless steel forgng

2   研制工艺

2.1  冶炼

  材料通过 EAF+VOD+ESR 三联法获得。即由电弧炉熔炼粗钢水，经预脱碳、脱磷及合金化后倒入真空吹氧脱碳精炼炉，进行脱碳、脱氧、脱硫、脱气和还原，出钢前进行成分微调和氮合金化。为了改善钢锭的冶金质量并获得高的材料利用率，再进行电渣精炼，重熔成12.5t电渣锭。

  与一般的熔炼方法不同，电渣重熔把精炼和铸锭合二为一，在同一个水冷铜模中进行，不接触耐火材料。电渣重熔时熔渣的覆盖避免了一般冶炼方法在钢液浇注过程中的二次氧化，消除了夹杂物的外部来源。电渣重熔过程中，金属是以薄膜形式熔化，以细小熔滴下落穿过渣池，渣-钢反应接触界面大，加之渣池过热度大，电磁力及热对流的强烈搅拌，电制度、渣制度、温度制度、脱氧制度和速度制度等工艺自由度大，可对重熔金属的不同杂质实现有选择生的可控精炼。这些都为金属的充分精炼及高的纯净度提供了可靠保证。电渣锭在顶部大功率高温电渣加热、底部强制水冷具有很陡的温度梯度的条件下，边精炼边凝固，即以微量液态金属渐进定向结晶的方式进行可控快速凝固，不但凝固收缩可以源源不断地得到电极金属的补充，而且枝晶间距小，因此，组织致密，成分均匀。模壁与钢锭之间形成的薄薄的渣皮还使电渣锭有面平滑光洁，不锈钢电渣锭无需精整剥皮，可直接锻造。因此，经电渣重熔后，钢锭利用率大大提高，而废品率极低，经济效益显著，特别是对于有特殊要求的高合金钢大锻件生产更是如此。

2.2  锻造和热处理

  锻造在2 800t 水压机上进行，用12.5t 电渣锭（φ1 030*1 920mm）将上、下端轴合锻成一个锻件，机加工时将其锯开交货。

  锻件经4火锻成，第1火压钳把和清除引锭板，属于锻造前的准备工作，第2火镦粗至φ1 270 mm，然后拔长至φ1 000mm，第3火和第4火则是先拔长至φ670mm，然后逐段压出阶梯，形成导叶轴锻件。锻造温度为1 250-850℃，锻造的镦粗比为1.5，拔长比为3.5，钢锭利用率（包括试样在内）为85%。

  锻件经1 000℃淬火，620℃回火后进行粗加工和检测。

3   结果和讨论

3.1  化学成分

  电渣重熔结束前的熔池分析和锻件上取样得到的结果列于表3。尽管钢的合金含量高，约20%，钢锭重达10多吨，但从表3的数据可以看出，电渣锭的化学成分和锻件成分一致，均匀性很高。经电渣重熔后，氧含量大大降低，仅为30*10^-6左右。这些都显示了电渣重熔的固有特点和技术优势。

3.2  力学性能

  为了研究锻件性能的均匀性，在合锻的上、下端轴锻件的两端和中部锯开处都进行了力学性能检测，得到的结果列于表4。

  从表4可知，锻件的屈服比很高，而韧性又有很大的富裕量，是产品要求的4倍。20.6J时的无塑性转变温度低达-77℃，属于性能优异的马氏体不锈钢，且各部位及切向、纵向性能均匀一致。

  此外，还加做了冷弯试验，经导向弯曲180°（弯芯直径60mm），无裂纹，可见材料的塑性变形性能良好。

表4   X3CrNiMo13-4马氏体不锈钢锻件的机械性能检测结果

Table4   Examination results for mechanical properties of X3CrNiMo13-4 martensitic stainless steel forging

3.3  超声波检测

  产品经100%体积探测，结果只有底波而没有发现缺陷波，即单个点状缺陷、延伸缺陷和密集缺陷的波幅测定结果都为K=0。然后提高探伤检测标准，用当量直径法探测，起始灵敏度提高到φ2 mm，仍未发现大于或等于2 mm当量直径的缺陷。可见大直径的实心轴不锈钢产品具有优良的内在质量。

4   总结

  （1）国内首次研制的三峡工程710 MW水轮机导叶轴头控氮低碳马氏体高强度高韧性不锈钢X3CrNiMo13-4 大锻件，经用户严格验收，一次合格，已交付使用。

  （2）采用EAF+VOD+ESR 三联法研制的马氏体不锈钢轴类锻件，毛坯重量超过10t，电渣锭利用率达85%；成分和性能均匀性很高，各部位切向和纵向性能一致，而且富余量很大，0℃冲击值达技术要求的4倍；20.6J的无塑性转变温度（NDT）低达-77℃；超声波探伤未发现≥φ2 mm当量缺陷。可见，所采取的研制方法和工艺技术既保证质量又有经济效益。