CN105441780A - 大电机1Mn18Cr18N无磁性护环的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大电机1Mn18Cr18N无磁性护环的制造方法，包括对钢材原材料进行熔炼获得钢锭、对钢锭强压快锻获得护环锻件以及对护环锻件进行固溶热处理、低温锻造、冷作强化、楔块扩孔、旋压、低温回火去除应力，对钢材原材料进行熔炼的步骤为：选用优质合金和原生态废钢作为钢材原材料；进行电炉熔炼，电炉熔炼过程中加入复合脱氧剂CMnSiAlCa；电炉熔炼的合金化过程中加入含氮量分别为8～10%和6～10%的FeCrN+FeMnN双料合金，经氩气保护浇注制得高氮电极；高氮电极经ESR电渣重熔制得1Mn18Cr18N钢锭。本发明的优点是，经合金固态化加氮法获得高氮；在熔炼过程中通过添加复合脱氧剂严格控制非金属夹杂物的含量以提高钢液纯净度，从而制得综合力学性能优异的护环。
Description
技术领域
本发明属于冶金锻造热处理技术领域，具体涉及一种1400MW大电机1Mn18Cr18N无磁性护环的制造方法。
背景技术
护环是发电机组上的关键部件之一，其制造等级是一个国家大型电站设备制造水平的标志。发电机在3000转/分的高速运转中，护环承受的离心力达到屈服极限的80%。护环在交变磁场中工作，为了降低功率损耗，防止温升危及护环的热配合和损坏绝缘子，护环应是无磁钢。护环在苛刻的服役条件下还长期和水汽接触，容易产生应力腐蚀现象。因此，要求护环材料具备超高的强度、良好的塑韧性、无磁性及优良的抗应力腐蚀能力。
80年代前，护环基本采用50Mn18Cr4系列钢制造，经过几十年的运行实践，人们发现50Mn18Cr4系列钢的抗应力腐蚀能力较差。现美国、法国、德国、日本等发达国家都已采用美国1Mn18Cr18N无磁性护环，这是一种高锰、高氮、高铬含量的高科技、高难度无磁不锈钢锻件，制造难度大。到目前为止，国内300MW以上大型护环基本全部依赖进口。
发明内容
本发明的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供一种大电机1Mn18Cr18N无磁性护环的制造方法，该制造方法通过在熔炼过程中采用双料加氮法电炉冶炼制得高氮电极以及高氮电极ESR电渣重熔，制得综合力学性能优异的无磁护环。
本发明目的实现由以下技术方案完成：
一种大电机1Mn18Cr18N无磁性护环的制造方法，包括对钢材原材料进行熔炼获得钢锭、对所述钢锭强压快锻获得护环锻件以及对所述护环锻件进行固溶热处理、低温锻造、冷作强化、楔块扩孔、旋压、低温回火去除应力，其特征在于对所述钢材原材料进行熔炼包括如下步骤：选用合金和原生态废钢作为钢材原材料；进行电炉熔炼，电炉熔炼过程中加入复合脱氧剂CMnSiAlCa；电炉熔炼的合金化过程中加入含氮量分别为8～10%和6～10%的FeCrN+FeMnN双料合金，经氩气保护浇注制得高氮电极；高氮电极经ESR电渣重熔制得1Mn18Cr18N钢锭。
所述复合脱氧剂CMnSiAlCa的组分为：0.40%≤C≤0.45%、20%≤Mn≤21%、7%≤Si≤8%、4.5%≤Al≤5.0%、5%≤Ca≤6%，其余为Fe。
所述高氮电极在ESR电渣重熔过程中，加入含氮量为20～30%的Si3N4，使钢液中[N]≥0.67%，钢液中非金属夹杂物A+B+C+D总和≤3.5级。
对所述钢材原材料进行熔炼获得1Mn18Cr18N钢锭，其组分为：0.06%≤C≤0.08%、18.50%≤Mn≤19.50%、Si≤0.60%、P≤0.015%、S≤0.010%、17.80%≤Cr≤18.50%、Al≤0.030%、N≥0.67%、B≤0.001%、1.60%≤Ni≤1.80%。
对所述护环锻件进行冷作强化、旋压包括如下步骤：将所述护环锻件毛坯装入工装夹具中紧箍，对所述护环锻件进行楔块扩孔，之后经冷拔机进行冷拔，并经旋压机进行旋压。
对所述护环锻件进行低温回火去除应力包括如下步骤：将所述护环锻件在低于350℃的炉中保温至少12小时，之后开炉冷却，待降至150℃后取出空冷。
本发明的优点是，经FeCrN、FeMnN合金固态化加氮法获得高氮N≥0.67%；在熔炼过程中通过对化学成分的优化组合，同时通过添加复合脱氧剂严格控制非金属夹杂物的含量以提高钢液纯净度，从而制得综合力学性能优异的护环。
附图说明
图1为本发明中工装夹具紧箍护环剖面示意图；
图2为本发明中工装夹具紧箍护环俯视图。
具体实施方式
以下结合附图通过实施例对本发明的特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：
如图1-2，图中标记1-4分别为：螺栓1、变形后护环锻件2、工装夹具3、变形前护环锻件4。
实施例：本实施例具体涉及一种核电1400MW大电机1Mn18Cr18N无磁性护环的制造方法，该制造方法主要包括如下步骤：
（1）合金元素优化组合确定成分
确定1Mn18Cr18N钢化学成分，具体参见下表1，其中，碳C取中上限，锰Mn取中上限，Cr取中下限，高氮含量以提高强度（奥氏体不锈钢每增加0.1%的N，强度提高60～100MPa），[N]≥0.67%，锰、氮结合扩大奥氏体相区，保证导磁率。
表11Mn18Cr18N钢化学成分对比表（%）
（2）高氮电极电渣重熔
a）电炉冶炼选用优质合金和原生态废钢作为原材料，废钢不得混有有色金属、泥沙、油污、铁锈等污染源，以减少杂质元素和夹杂物；
b)清洗炉膛和钢包：炉膛和钢包表面总会有残留的钢液，其中的W、Co、Pb、As、Sn等有害元素进入本钢种会造成污染，所以在熔炼前先进行洗炉，洗炉方法具体是在熔炼本钢种前先熔炼2～3炉与本钢种成分相近的钢种，如1Cr13、1Cr17Ni2、1Cr18Mn12N等；
c）在EF电弧炉熔炼过程中加入复合脱氧剂CMnSiAlCa，其组分为：0.40%≤C≤0.45%、20%≤Mn≤21%、7%≤Si≤8%、4.5%≤Al≤5.0%、5%≤Ca≤6%，其余为Fe；使复合脱氧剂与钢水中氧化物、硫化物产生化合作用形成钢渣，浮在钢液上面，在氧化期、还原期、出钢前通过3次扒渣，将钢水中的非金属夹杂物扒除干净；常规钢种非金属夹杂物A+B+C+D总和≤6.5级，而本钢种经过三次扒渣，非金属夹杂物A+B+C+D总和降至4.5级以下，钢水得到了净化，有利于提高无磁性、保证导磁率达标，其中A类是指硫化物类，B类是指氧化铝类，C类是指硅酸盐类，D类是指球状氧化物类；
d）在EF电弧炉熔炼合金化过程使用FeCrN（含氮量8～10%）+FeMnN（含氮量6～10%）固态合金双料加氮法，提高氮含量，再经过氩气保护浇注制得高氮电极；
e）利用制得的高氮电极进行电渣重熔（ESR），电渣重熔过程加入Si3N4（含氮量20～30%），进一步提高氮含量，使达到[N]≥0.67%；通过电渣重熔，能够均匀钢锭成分和组织，进一步降低非金属夹杂物含量，达到A+B+C+D≤3.5级；
f）整修钢锭模具,将内壁磨光，预热至150℃或以上，在热模具腔体中浇注钢水，并加盖发热冒口，使其缓慢冷却获得优质钢锭，1Mn18Cr18N钢锭的化学成分如上表1所示。
（3）FM法强压快锻
利用具有足够压力的7000吨数控油压机对1Mn18Cr18N钢锭进行强压快锻，锻造比≥3，保证锻透，从而破碎铸态组织，获得细晶粒无磁性护环筒体锻件。
（4）固溶热处理
将无磁性护环筒体锻件以80℃/h的速度缓慢加热至1050±10℃后保温，再进行快速水冷。
（5）低温锻造
为提高无磁性护环筒体锻件的强度，需要对无磁性护环筒体锻件进行600℃的低温锻造。
（6）冷作强化
为进一步提高无磁性护环筒体锻件的强度，需要进行冷拔或冷作强化，冷作强化过程需要使用专用工装（如图1、2所示），在室温或稍高于室温下，将变形前护环锻件4放入专用的工装夹具3中，并利用螺栓1紧箍，箍紧后在压机上进行楔块扩孔，获得变形后护环锻件2。
（7）旋压
为了均匀护环锻件的力学性能，需要对护环锻件进行旋压，通过旋压使强度波动值≤50MPa。
（8）低温回火去除应力
为去除护环锻件在冷变形过程中产生的应力，要对护环锻件进行低温回火，具体操作是将护环锻件加热到略低于350℃，保温12小时以上，之后开炉缓慢冷却，待降至150℃之后再空冷。
（9）精加工
利用数控机床对护环锻件进行机加工，确保尺寸和精度，并保证粗糙度满足图纸要求。
（10）振动时效去应力
利用振动时效装置对护环锻件进行振动时效处理，以消除机加工过程中产生的应力。
表2产品力学性能对比表
通过以上工序，制得护环锻件产品的性能如表2所示，由上表2可见，本实施例中的1Mn18Cr18N钢通过成分优化组合确定各合金元素含量，电炉熔炼过程添加复合脱氧剂CMnSiAlCa，并在氧化期、还原期、出钢前通过3次扒渣，净化钢水，电炉熔炼的合金化过程加入FeCrN（含氮量8～10%）+FeMnN（含氮量6～10%）双料合金提高氮含量，电炉熔炼结束后经氩气保护浇注制得高氮电极，高氮电极电渣重熔（ESR）制得高品质电渣锭，对电渣锭进行FM法强压快锻，锻造比≥3，保证锻透；然后进行固溶热处理，再使用专用工装进行冷作强化或冷拔，再经旋压保证力学性能的均匀性，又进行低温回火去除冷变形应力，数控机加工到图纸尺寸，最后进行振动时效去除机加工应力，来实现对其强度的提高，拉伸强度Rm从1070～1180Mpa提高至1080～1300Mpa，屈服强度从1000～1150Mpa提高至1180Mpa以上，从而制得综合性能优异的护环锻件产品。
Claims (6)
1.一种大电机1Mn18Cr18N无磁性护环的制造方法，包括对钢材原材料进行熔炼获得钢锭、对所述钢锭强压快锻获得护环锻件以及对所述护环锻件进行固溶热处理、低温锻造、冷作强化、楔块扩孔、旋压、低温回火去除应力，其特征在于对所述钢材原材料进行熔炼包括如下步骤：选用合金和原生态废钢作为钢材原材料；进行电炉熔炼，电炉熔炼过程中加入复合脱氧剂CMnSiAlCa；电炉熔炼的合金化过程中加入含氮量分别为8～10%和6～10%的FeCrN+FeMnN双料合金，经氩气保护浇注制得高氮电极；高氮电极经ESR电渣重熔制得1Mn18Cr18N钢锭。
2.根据权利要求1所述的一种大电机1Mn18Cr18N无磁性护环的制造方法，其特征在于所述复合脱氧剂CMnSiAlCa的组分为：0.40%≤C≤0.45%、20%≤Mn≤21%、7%≤Si≤8%、4.5%≤Al≤5.0%、5%≤Ca≤6%，其余为Fe。
3.根据权利要求1所述的一种大电机1Mn18Cr18N无磁性护环的制造方法，其特征在于所述高氮电极在ESR电渣重熔过程中，加入含氮量为20～30%的Si3N4，使钢液中[N]≥0.67%，钢液中非金属夹杂物A+B+C+D总和≤3.5级。
4.根据权利要求1所述的一种大电机1Mn18Cr18N无磁性护环的制造方法，其特征在于对所述钢材原材料进行熔炼获得1Mn18Cr18N钢锭，其组分为：0.06%≤C≤0.08%、18.50%≤Mn≤19.50%、Si≤0.60%、P≤0.015%、S≤0.010%、17.80%≤Cr≤18.50%、Al≤0.030%、N≥0.67%、B≤0.001%、1.60%≤Ni≤1.80%。
5.根据权利要求1所述的一种大电机1Mn18Cr18N无磁性护环的制造方法，其特征在于对所述护环锻件进行冷作强化、旋压包括如下步骤：将所述护环锻件毛坯装入工装夹具中紧箍，对所述护环锻件进行楔块扩孔，之后经冷拔机进行冷拔，并经旋压机进行旋压。
6.根据权利要求1所述的一种大电机1Mn18Cr18N无磁性护环的制造方法，其特征在于对所述护环锻件进行低温回火去除应力包括如下步骤：将所述护环锻件在低于350℃的炉中保温至少12小时，之后开炉冷却，待降至150℃后取出空冷。
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