低碳马氏体不锈钢混流式转轮制造技术

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[摘 要]本文介绍了混流式水轮机转轮超低碳、高屈强比、高韧性铸造马氏体不锈钢ZG06Cr13Ni4Mo的材料技术特性。阐述了超低碳马氏体不锈钢独特的热处理工艺， 即充分体现了铸件材料的性能、铸造质量、焊接制造工艺；又为我公司大中型水轮机的设计和制造，提供可靠的技术支撑。

[关键词]超低碳马氏体不锈钢 热处理 性能 转轮

中图分类号：TG260 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）03-0011-01

1 转轮有限元模拟及铸造成形

转轮作为水轮机的一个重要组成的部分，对整个水轮机出力有着重要的影响，因此对转轮进行全面的分析是十分必要的。采用Workbench13.0对该电站转轮进行了详尽的有限元分析。对额定工况及飞逸工况、转轮振动形态、温度场、应力场、变形及缺陷预测等进行计算；各工况下的最大应力都不超过屈服极限，满足转轮制造技术能力。

2 热处理对转轮材料的组织、性能影响

2.1 超低碳马氏体不锈钢ZG06Cr13Ni4Mo一般在浇铸完成后须600～650 ℃软化退火，这是纯净超低碳马氏体不锈钢铸件的独特退火工艺，可完全取代高温扩散退火。

2.2 铸钢件试验材料按工正火（N）、回火（T）工艺分成两组；分别命名工艺编号为：SF-1和SF-2（其中SF-1为N+T，SF-2为N+T+T）。SF-1经1020 ℃正火+620℃回火处理后，其组织为低碳板条马氏体基体+逆变奥氏体+δ铁素体（见图3），各项性能数据满足技术要求；但屈强比未能达到技术要求。SF-2在SF-1工艺基础上再进行590 ℃二次回火则增大逆变奥氏体含量，提高了钢的屈强比，改善力学性能和工艺性能。见表1。

3 焊接对混流转轮的影响因素

焊材采用哈尔滨焊接研究所研制的HS13/5L 焊丝进行焊接，焊丝的化学成分见表2。

转轮焊接 采用手工电弧焊打底，其余焊缝采用95%Ar+5%CO2混合气体保护焊进行焊接。焊前预热：用远红外加热器对焊接区域局部预热100～120℃后方可焊接，焊接过程中始终监控温度，不得低于100℃；并进行对称连续焊接，焊接先焊叶片正压侧与上冠之间坡口，焊至一侧坡口深度的1/3-1/2后再焊叶片负压侧与下环之间坡口至1/3-1/2深度，稍作暂停，将上冠与支墩之间连接焊缝刨开，然后清根叶片负压侧与上冠之间坡口，整个过程注意、电压、电流、清根等事项。叶片与上冠焊缝280℃×4h后热处理，缓冷，后热结束后准备转轮翻身；转轮翻身后清根叶片正压侧与下环之间坡口，层间温度控制在100～180℃。详细焊接注意事项按焊接工艺规范执行。在实际焊接转轮时， 只要焊前准备工作充分（焊工培训和焊接材料质量控制）， 对于同种钢（尤其是马氏体不锈钢母材）， 焊后热处理有利于消除内应力， 同时，经多次焊接工艺评定试验证明，焊态、焊后退火热处理也能改善焊接接头的性能和组织，见表3。严格按照规定的焊接规范参数施焊， 完全可以保证转轮的焊接质量。

4 结论

（1）铸造马氏体不锈钢ZG06Cr13Ni4Mo材料回火力学性能主要决定于其中较高温度的那次回火，二次回火可在保证力学性能要求的同时提高屈强比。

（2）转轮结构复杂性通过计算，制作前期需做有限元分析及铸造用材料进行严格内控。

（3）混流转轮焊接难度大，严格按焊接工艺评定参数进行的同时且要掌握工艺技术要领。

（4）由于焊接完成后焊接应力偏大且集中，焊后需做退火消应力处理；方可满足性能要求。

（5）转轮制作对材料要求极高，铸造过程需控制做好内控；保证钢液的纯净度。

参考文献

[1] 中国科学院金属研究所（IMR）.三峡700MW级水轮机转轮马氏体不锈钢铸件技术规范[S].辽宁沈阳：中国科学院金属研究所.2008

[2] 吴英.大型水轮机转轮用铸造马氏体不锈钢叶片的研制[J].铸造.2009