三峡水轮发电机组单机容量为700MW,其中大型不锈钢铸焊结构转轮的直径为10.44m,叶片最大轮廓尺寸为4537mm×4951mm×2300mm,净重17.49t,VOD精炼钢水,探伤要求为CCH70-3,是当今世界尺寸最大的混流式转轮,三峡右岸发电机组大部分为国内设计,国内制造(哈电4台,东电4台),转轮用不锈钢铸件大部分由国外提供,由于供应商不能按期供货,使哈电无法按合同向三峡提供成品转轮。

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三峡叶片热处理工艺研究

文章出处:亚博全站APP官网登录发表时间:2018年03月23日

 鉴于哈电已成功研制并批量生产了转轮直径为8.3m的景洪水轮机叶片,哈电公司在征求用户同意下,决定自行研制,保证叶片质量相当于或优于国外进口叶片,减少叶片受制于人的情况发生,为巨型转轮材料全部国产化奠定基础。


1.主要难点

由于三峡项目的严格要求,而且在国内从来没有任何厂家生产过这么大的叶片,三峡电站业主对我们的技术能力提出质疑,因而给我们提供的性能要求要比国外生产的铸件的要求高了很多,提高了其中的两个指标,其对比如表1所示。

表 1

性能要求

σ0.2/MPa

σb/MPa

δ%

Ψ%

HB

aKv/J

国外采购

≥550

≥750

≥15

≥30

217-286

≥100

国内生产

≥600

≥800

≥20

≥30

217-286

≥100

可以看出,对于国内生产的铸件性能值要高于从国外采购,而且所提高的延伸率和抗拉强度这两个指标是互相冲突的。延伸率是考核金属的韧性指标,而抗拉强度是考核强度指标,一般不这样提高材料的机械性能。为了圆满的完成三峡叶片的生产任务,对不锈钢铸件的热处理工艺进行专题立项,进行技术研究。


2.试验过程

通过查找资料、调查国外生产厂家的热处理技术,经过对比、验证及调整,并就现有设备的情况制订出了几种热处理工艺方案进行试验:选取四组试样,每组两根,进行四次热处理试验,其工艺如表2所示。

表  2

编号

正火/

冷却方式

一次回火/

冷却方式

二次回火/

冷却方式

1

1030

风冷

615

空冷

600

炉冷

2

1030

风冷

620

空冷

600

炉冷

3

1030

风冷

650

空冷

600

炉冷

4

1030

风冷

680

空冷

620

炉冷

为了使试验具有可比性,选取了同一炉次冶炼的试棒进行试验,通过模拟软件模拟的结果,试棒的凝固及冷却过程基本相似。在进行热处理试验时,也是选取的同一个热处理炉来进行试验,保证了此次试验具有良好的可比性。


试验后的性能值如表3所示。

表  3

编号

σ0.2/MPa

σb/MPa

δ%

Ψ%

HB

aKv/J

1

655

930

15.0

65.5

260

150 155 146

2

715

915

17.0

68.0

285

150 134 152

3

820

885

18

61.5

269

137 145 146

4

685

800

21.0

70.0

278

145 154 160

从几组试验数据上看,对于铸件的抗拉强度指标基本上都能达到三峡叶片的技术要求,而铸件的延伸率指标则不容易达到要求。可以看出,要同时提高这两个指标非常难,一共进行了4组试验,只有一组完全达到了要求。后来又通过几次对此种工艺方案的验证,最终确定了比较合适的热处理工艺。通过此工艺处理的铸件,其性能值基本上都能够达到要求,也有一些没有达到相应的要求,但是通过对三片三峡叶片的热处理来看,所有指标均满足了要求。


金相组织如如1所示,从金相组织上看,热处理后得到的组织均为板条状马氏体组织,且非常均匀。

 

 

3.生产过程

(1)三峡叶片热处理前的准备

由于三峡叶片高度约为5m,铸件毛坯重量达到了25t,这就使铸件的装炉有了很大的困难,而且由于叶片的高度太高,为了使铸件加热速度及冷却速度基本一致,也为了防止叶片在热处理过程中发生较大变形,给后序加工及校型带来难度,通过讨论及借鉴国外的技术,制定了采用立装的方式进行装炉。为了能使叶片立起来后保持稳定,就需要设计专用热处理垫铁,垫铁图片如图2所示。

 

设计时充分考虑了三峡叶片的高度、重心及其稳定性。每组(两块)垫铁有两个开口,可以放置两片叶片,在热处理过程中可以起到良好的固定作用,并可使叶片在加热和冷却过程中基本同步,使叶片表面可以获得均匀的组织及硬度分步。


(2)叶片的装炉方式

为了防止叶片变形,并能够保证叶片在加热及冷却过程中能够取得一致,因而采用立装方式进行装炉。叶片装炉照片如图3所示。

在热处理过程中,为了对叶片各个区域的温度有个直观的概念,在热处理时在叶片本体上加了10只本体热电偶,用来测定叶片本体的温度,并通过调整烧嘴的煤气流量,来控制炉温,使热处理炉的炉温最终和10只本体热电偶的温度趋于一致,最终达到了三峡叶片的热处理温度的均匀性,为叶片具有良好的性能提供了坚实的保证。


(3)三峡叶片的性能值

从表4可以看出,三峡叶片的最终性能指标均达到了技术标准的要求,可见其工艺方案是合理的,是切实可行的,最终圆满的完成了三峡叶片的试制工作,为以后批量生产提供了技术支持。

 

4.结语

从所生产的三片三峡叶片来看,其最终性能值都满足了三峡叶片的要求。在其他的不锈钢铸件的应用上大多数也达到了上述指标。由此可得出合理的热处理工艺方案,即第四种工艺方案。此次研究取得了良好的效果,为以后批量生产三峡叶片提供了坚实的技术保证。


试制的三峡叶片完全符合三峡叶片新标准,达到国外同类产品先进水平。使我们具有了批量生产巨型叶片的技术和能力,实现了巨型叶片国产化的目标,扩大了大容量水电机组的国产化份额,增强了民族工业在国际上的竞争力,使国外垄断局面得以根本改变,社会效益、经济效益显著。

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