大型电站转子锻造工艺分析

摘要：大型电站转子是当前大型锻件中比较有代表性的技术密集型产品，它具有重量大、体积大、质量要求高、生产周期长、冶金缺陷较多、以及生产难度高等特征。是尖端锻造技术的代表。随着我国电力行业，尤其是火电行业的快速发展，对电站核心设备之一的转子锻件无论是数量和质量需求都大幅增加。因此，进一步探索转子锻造工艺，提高其产品质量已经是十分紧迫的任务。本文中，笔者立足于自身多年从事金属材料研究及锻造工艺研究的实际经验，结合相关理论，就大型电站转子锻造工艺做简要分析。

关键词： 电站转子 锻造工艺 镦粗 拔长.

电站转子通常是指发电机或汽轮机上的大轴，是电站设备，尤其是火电和核电站设备中的关键组成部分。随着我国国民经济的迅速发展，火电和核电设备需求越来越大，对转子的重量和尺寸的要求越来越大，数量要求越来越多、质量要求越来越高，这给大型电站转子的生产带来很大的困难。因此，转子的生产技术水平也代表了整个大型轴类锻件的整体生产水平，并且在一定程度上反映着我国机械装备工业的水平。自建国以来，经过几十年的发展，我国的锻压技术取得了较大的发展，先后开发出了：KD锻造法、WHF锻造法、JTS锻造法等锻件锻造方法。

1.转子制造概述。

电站转子是火电设备的四大锻件之一，是一个知识技术高度密集型的产品。上个世纪八十年代以前，我国电站转子的生产制造水平较低，主要以进口为主。后来随着钢包精炼（LF）电渣重熔（ESR）等新工艺的出现，以及有限元数值模拟、凝固结晶软件的应用，钢锭的致密性大大提高。高密度、高质量的大型钢锭制造成为可能，我国才开始自主制造电站转子。 随着电站规模的不断增大，对电站转子的重量和尺寸要求不断增大，目前最大电站转子的直径已经增加到2830MM，转子用钢锭也已增加到600T。随着钢锭的重量增加，其内部缺陷也增多，对锻造质量的要求也越来越严格。为此，锻造工作者做了大量的工作，提出了许多行之有效的锻造方法，对电站转子的锻造工艺不断进行研究和改进。

2.转子锻造工艺分析。

2.1. 转子锻造的现行工艺。

我国目前的转子锻造以第一重型机器厂为主要代表，该厂自上个世纪八十年代开始锻造转子以来，在对国外技术进行消化、吸收的基础上提出了KD锻造法。目前，该厂的转子锻造普遍采用三次镦粗三次WHF法，两次JTS法和一次KD法的锻造工艺。

2.2.现行转子锻造工艺中需要探讨的问题。

笔者认为，现行转子锻造工艺需要探讨的问题主要有三个。 第一、三次镦粗及拔长的作用和目的的区别；第二、后继工序的开展是否会消弱前道工序产生的锻合效果；第三、混晶及柱状晶的消除和晶粒的细化与锻造工艺的联系程度。

3.转子锻造的新工艺探讨。

笔者认为， 由于受到高温潮湿的工作环境、高速旋转的离心力、自重和传递扭矩产生的弯曲应力的综合影响，对转子锻件的质量要求较高。由此。为了保证转子安全和可靠运行，在实际锻造中，一般采用多种锻造方法对锻件进行反复镦粗、拔长和中心压实、以确保钢锭中的铸态组织被破碎、碳化物及夹杂的重新分布、晶粒度的细化、同时达到锻合铸件内部孔隙和微裂纹的目的，保证对转子密度和强度的质量要求。

3.1.工艺设计准则。

从外形上看，电站转子是多阶的轴类锻件。由于其工作环境情况复杂恶劣（高温高压），所以对其质量要求非常高。在电站转子生产过程中，出于质量控制的需要，要检验的项目很多，为了满足这些质量要求，锻造是其中非常关键的程序，因此，也是造成锻造工艺非常复杂的原因。

转子锻造工艺设计具有经验性、综合性以及创造性等特征，所以很难用一个数学模型来表示和求解。但是工艺设计时可以遵循一定的原则，根据转子的形状、尺寸大小以及技术要求，结合生产条件、设备状况以及技术水平等生产中的实际情况，力求最大限度做到经济合理、技术可靠，以确保合理指导生产。在工艺设计制订中，工序方案设计和工艺参数确定是最为重要且难度最大的环节。

第一、锻造作用准则的设计，根据技术要求，笔者个人认为，锻造作用准则可分为三个阶段，

首先，破碎钢锭的铸造组织，满足力学性能指标要求。这一准则实际操作中主要是通过一次镦粗或者镦粗――拔长――镦粗这样一个过程来达成。

其次，锻合铸件内部孔隙及微裂纹，满足超声波探伤标准要求。这一准则实际操作中主要是通过LZ法和新FM法进行一次拔长来实现。

最后，混晶控制及细化晶粒度，为热处理作准备。这一准则主要是通过热力学参数控制来实现。

第二、全局工艺优化准则路线。转子锻造的阶段性作用理清以后，为实现各阶段变形机制的无缝连接，就必须要从全局出发，进行工艺的优化组合。

首先，破碎钢锭铸造组织的变形阶段，拔长要采用锥形板镦粗和新FM法、LZ锻造法相结合的方法。

其次，在焊合内部孔隙的变形阶段，可以采用LZ法或者新FM法进行拔长，但是要确保一次拔长能够实现焊合内部孔隙。此过程中可以根据实际需要加用JTS法，但是在采用此法后禁止再有平板镦粗工序。

再次，在采用LZ法和新FM法时，要十分注意砧宽比、料宽比以及下压率三个重要参数的合理匹配，保证不出现拉应力。

第四，混晶的消除可以采用高温和低温停锻两种工艺。

第五，主变形阶段的毛坯加热要保证在1250摄氏度――1270摄氏度之间，并且要确保保温时间够长，以实现偏析扩散和孔隙的焊合。

3.2.工艺设计方法。

工艺设计方法的内容很多，笔者在此就其中的工序方案设计和工艺参数确定两个方面做简要分析。

首先，工序方案的设计。拔长是轴类锻件锻造的主要工序，当钢锭直接拔长或者横向机械性能要求增加时，需要选用校核过的设备来增加中间镦粗工序。而对于横切面积尺寸大，中心部位质量要求较高的转子，除了增加中间镦粗工序，还要求有中心压实法，中心压实法主要有JTS法、FM法。而对于具有晶体遗传倾向的低压转子，需要特别增加一道锻造控制工序来消除晶粒遗传现象。

其次，工艺参数的确定。镦粗和拔长是目前转子锻造中的两个主要工序，根据新的锻造理论，如果镦粗和拔长参数不合理，会产生拉应力，这对大型转子锻件生产的负面影响是很大的。因此，必须要选择合理的参数。以600MW低压转子参数选取为例：第一、镦粗参数选择。一般情况下，镦粗比为h0/h=2―2.25，镦粗后高径比为h/h=0.8―0.85.；第二，拔长工艺参数选择。 在当前的大型电站转子生产中，拔长参数主要集中在砧宽比、料宽比以及压下率三个方面。在拔长过程中，必须要三个参数合理匹配才能保证砧宽比和料宽比符合既定限制条件。在压下过程中合理的砧宽比应该保持在0.85―1.06之间，这样可保证不出现轴向拉应力；料宽比保持在0.85―1.18之间，可保证不出现横向拉应力；压下率首次取值为10.5%，以后则每次均取值为20%，即可满足砧宽比、料宽比的合理匹配要求。

3.3.砧宽的选择。

在锻造过程中为了有效提高转子的锻件质量和改善钢锭中心的锻透性，大型锻件的锻造一般是采用宽砧进行锻造。砧子的外形和尺寸则是事先进行过一系列严格的实验确定的。大型轴类锻件的变形主要是采用拔长来完成。据国外相关资料介绍，砧宽和锻件直接比例最为理想的比值为0.6――0.8之间，最低也不能小于0.4。一旦小于0.4，锻件心部就会因为拉应力的产生而出现裂纹。目前国内主要锻件生产厂家在这一比例的选择上，有的认为大于0.67较合适，有的厂家则将这一比例控制在0.46――0.63之间。

4.结语。

转子是电站的核心设备之一，其特殊的工作环境和性能要求使得其锻造即是一个复杂的系统工程，同时也是一个知识技术高度密集的锻造工作。基于不同经济社会发展时期对电站转子制造要求的不同，及在电站转子生产过程中，冶炼和热处理工艺技术的不断进步，改进和创新转子锻造的技术和工艺流程，达到实现转子锻造技术不断进步，满足社会发展对电力行业要求的有效手段。当前我国经济社会的发展给水电、火电以及核电的发展带来了巨大的需求，这必将给电站转子的生产从数量和质量两个方面带来新的要求，为满足这一需求的变化，我国转子生产企业要从工艺优化入手，结合国内生产实践经验和国外先进生产技术，改进电站转子的生产工艺的不足之处，提高生产效益和产品质量，以保证我国社会发展对电力行业的需要。

参考文献：

[1]张涛 刘助柏 任运来 李伟民 高士友 王海君《汽轮机低压转子锻件锻造的关键技术》《机械工程学报》1998年04期。

[2]许飞霞《大型圆筒形锻件高温锻造过程数值模拟》《上海交通大学》2008年。

[3]吕茂寒 齐作玉《发电机转子、低压汽轮机转子锻造技术的进展》《大型铸锻件》1991年第21期

作者简介：

李福利 （1954.9.22--） 男 汉 高级工程师 大学（本科）金属材料及锻造工艺 中国机械设备工程股份有限公司。