CN103184391A - 用于百万千瓦级大型水轮机顶盖的环板钢及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种百万千万瓦级大型水轮机顶盖用环板钢，其化学成分（重量百分比）：C0.1~0.2；Si0.2~0.5；Mn1.0~1.5；P≦0.015；S≦0.01；Cr0.6~1.0；Mo0.3~0.6；Ni0.6~1.0；Cu0.2~0.5；Nb0.06~0.1；Ti0.010~0.015；B0.0010~0.0015；Al＞0.025；O≦0.0030；N≦0.0035；其余为铁和不可避免的杂质。制造方法：（1）按上述成分进行冶炼，尽量降低钢中的O、N等有害元素，浇铸之后脱模空冷至室温；（2）将铸锭加热到900～920℃，保温一段时间后，锻造成圆棒锻件；（3）用锻件做电渣熔铸的电极，采用异型结晶器，通过电渣熔铸工艺生产1/4弧形板坯；（4）采用预淬火、亚温淬火、回火的热处理工艺（QLT工艺）对弧形环板进行热处理，达到所需要的力学性能。通过这种制造方法很好地满足水轮机顶盖用钢的需要，具备良好的推广及应用前景。

Description

用于百万千瓦级大型水轮机顶盖的环板钢及其制造方法

·技术领域

本发明提供了一种用于百万千瓦级大型水轮机顶盖的环板钢，及其制造方法，属于金属材料制造领域。

 

·背景技术

随着我国经济的快速发展，对能源的需求越来越多，能源消耗不断加剧，由此带来的环境问题也越来越凸显。为了应对能源消耗所带来的各种环境问题如大气污染、水污染等，使得经济能可持续地发展，必须大力发展清洁的能源，以替代不可再生的能源，调整能源结构，实现能源的多元化。发展清洁能源不仅可以满足我国发展对能源的需要，还可以改善能源结构、减少环境污染，具有战略意义，因而受到许多国家的重视。水电是一种清洁能源，而且我国水电资源丰富。目前水力发电技术也是应用最成熟的、最安全的。 因此发展水电对解决我国能源问题有着重要意义。

随着人们对水电资源的开发力度不断加大，水电站建设不断大型化，对水电用钢的要求也越来越高。水轮机顶盖是水轮机中重要的部件，在水轮机中起着支撑和过流作用，需要保证足够的刚度和强度，才能使得整个机组能安全可靠地运行。百万千瓦级大型水轮机的顶盖用钢往往要求大于100mm厚度，除了有较高的强度和韧性外，还要求抗层状撕裂性能达到Z35及以上。

对于大、中型水轮机机组，水轮机顶盖环板的传统制造工艺：生产Z向钢→切割成环板，这种工艺不仅生产周期长，而且板料的利用率低，。

目前，在国内外关于Z向钢的生产已经形成多项专利。

舞阳钢铁有限责任公司申请的专利CN201010501298.6提出了一种大厚度、Z向性能优异的钢板的生产方法。该专利的大厚度Z向钢板是采用电炉、连铸及电渣熔铸技术，降低P、S，提纯钢质，采用大板坯电渣熔铸技术，通过轧制变形以及轧后正火处理，达到抗层状撕裂性能及强韧性的良好匹配。此发明除了电渣重熔外，还要经过轧制变形，生产工序繁多，此外此专利生产出来的大厚度Z向钢的强度较低，无法达到大型水轮机顶盖用钢的力学性能要求。

舞阳钢铁有限责任公司申请的专利CN201210182419.4提出了一种大厚度大单重低合金高强度结构钢板的生产方法。虽然该发明的Z向钢厚度可达410mm，但钢板的屈服强度较低，生产仍需要经过轧制变形。

济钢集团有限公司申请的专利CN201210263864.3提出了一种150-300mm厚低合金高强度钢板制造方法。该发明是将多块连铸坯焊接在一起形成大厚度连铸坯料，然后通过轧制变形以及热处理达到所需要的力学性能。但这种钢的强度较低，连铸坯需要经过焊接，工序相对繁琐。

综合以上发明专利，目前，生产Z向钢都得经过轧制变形、热处理， Z向钢的厚度可达到410mm，但强度较低。传统水轮机顶盖环板的制造工艺不仅工序多、生产周期长，而且板料的利用率低，此外经过冷加工后，板料的组织和力学性能会变差。因此为了满足我国水电建设的需要，同时降低生产成本、提高生产效率，急需开发出合金系统简单、强度高、抗层状撕裂性能优异，且厚度大的水轮机顶盖环板用Z向钢及短流程的生产工艺。

 

·发明内容

本发明的目的是提供了一种能够用于百万千瓦级大型水轮机顶盖的大厚度抗层状撕裂钢板，以及这种环板的制造方法。通过电渣熔铸直接铸造成1/4弧形板坯，然后热处理达到所需要的力学性能，避免了传统生产工艺切割板料，造成材料利用率低，生产工序繁琐等缺点。

为了实现上述目的，本发明的百万千瓦级大型水轮机顶盖用钢所采用的技术方案是：一种用于百万千瓦级大型水轮机顶盖的环板钢，其化学成分重量百分比：

C 0.1~0.2 ；Si 0.2~0.5；Mn 1.0~1.5 ；P≦0.015；S≦0.01；Cr 0.6~1.0；Mo 0.3~0.6 ；Ni 0.6~1.0 ；Cu 0.2~0.5 ；Nb 0.06~0.1；Ti 0.010~0.015 ； B 0.0010~0.0015；Al＞0.025；O≦0.0030；N≦0.0035；其余为铁和不可避免的杂质；其特征在于：

Ti/B为0.8~1.20；

所述的百万千瓦级大型水轮机顶盖用钢板的厚度大于100mm。

一种用于百万千瓦级大型水轮机顶盖的环板钢的生产方法，其步骤如下：

1) 按权利要求1的成分进行冶炼，尽量降低钢中的O 、N等有害元素，浇铸之后，脱模空冷至室温；

2 ) 将铸锭加热到900～920℃，保温一段时间，然后锻造成圆棒锻件；

3 ) 电渣熔铸前清除锻件表面的氧化铁皮，将锻件作为电渣熔铸的电极，进行电渣重熔冶炼提纯，渣料为ANF-6：70%CaF2+30%Al2O3，采用交流电作为熔铸电源，结晶器入水温度为25℃，通过控制出水温度来控制冷却速度，保证出水温度小于50℃，采用异型结晶器，熔铸出1/4弧形板坯；电渣熔铸完成后脱模空冷至室温；

4) 将弧形板加热到900-950℃完全奥氏体保温，保温不少于1.5h，水冷至室温；将环板再次加热到800-840℃保温，保温不少于1.5h，水冷至室温；再次将环板加热500-600℃进行回火，保温不少于3~5h后，空冷至室温，达到水轮机顶盖用钢板的力学性能要求。

进一步的，所述方法采用电渣熔铸的方法实现1/4弧形板坯的形状，采用QLT热处理工艺达到所需的力学性能，避免轧制变形。

进一步的，预先淬火温度为950℃，亚温淬火温度为800℃，回火温度为500℃。 

碳：碳是钢中最主要的强化元素，增加碳含量可以显著提高钢的强度，但增加碳含量同时会对钢的塑性、韧性和焊接性能产生不利影响。为了保证钢既有较高的强度，又具有良好的塑性、韧性以及焊接性能，应该降低碳含量。

硅：在钢中主要起固溶强化的作用，可以提高钢的强度，但会使塑性和韧性降低，因此硅的含量不能太高。

锰：在钢中主要起固溶强化作用，通过增加锰含量可以弥补因碳含量降低所造成的强度损失。为了保证有较高的强度，应该适当地提高锰元素的含量。

硫：钢中的有害元素。高温时S会形成（Fe + FeS）共晶而导致钢的高温开裂，即产生热脆性，降低钢的延展性和韧性，在锻造和轧制时造成裂纹。硫对焊接性能也不利，它不但导致焊缝产生热裂，而且在焊接过程中容易生成SO2气体，使焊缝产生气孔和疏松，它还降低钢材的耐腐蚀性。为了保证钢的性能，硫的含量应该尽量低。

磷：磷也是钢中的有害元素，使钢的脆性转折温度急剧升高（冷脆），使得钢的低温韧性降低。同时当P含量大于0.015%时，磷的偏析会急剧增加 ，因此磷元素的含量应该尽量低。

铬：可以强烈抑制过冷奥氏体的转变，提高钢的淬透性，有利于获得比较均匀的组织。铬也是强碳化物形成元素，可以形成合金碳化物，弥散析出在铁素体基体上，起到析出强化的作用，提高钢的强度和硬度。在回火时，铬还能提高钢的回火抗力。

钼：可以稳定奥氏体组织，提高淬透性，有利于获得均匀的组织；钼也是强碳化物形成元素，增加钢的二次硬化能力，提高钢的回火稳定性，同时抑制钢的回火脆性。

铜：面心立方ε-Cu从α-Fe中析出使钢材强化，此外Cu还可以提高钢的抗腐蚀性能 。过量的添加Cu，会形成铜脆、铸坯表面龟裂、内部质量问题等；添加的Cu量不足，所起的作用较小，特别是考虑到环板的厚度较大，在钢中添加Cu提高环板心部的强度。

镍：镍在钢中主要以固溶的形式存在。在钢中添加镍，可提高钢的强度而不显著降低其韧性，提高钢的低温韧性，改善钢的可加工性和可焊性，同时镍可以提高钢的抗腐蚀能力，不仅能耐酸，而且能抗碱和大气的腐蚀。镍与铜复合添加还能降低Cu脆的危害。但过高的镍会硬化焊接热影响区，对焊接性不利。

硼：硼能强烈地推迟铁素体和珠光体的形成，微量硼能使钢的淬透性显著提高，保证整个环板的组织均匀性。同时加入微量硼可以弥补因降碳而造成的强度的损失。

铌、钛： 铌、钛是强碳氮化物形成元素，能形成稳定的碳氮化物，在奥氏体化时为奥氏体形核提供位置，阻碍奥氏体晶粒的长大，细化奥氏体晶粒。在钢中加少量的Ti可以形成尺寸稳定的氮化物提高钢的强度，避免热影响区晶粒的快速长大，改善钢的焊接性能。加入的Ti含量过多，钢液在凝固时会形成大尺寸TiN，成为裂纹萌生点，降低Z向性能。

本发明由于采用了以上技术方案，使之与现有技术相比，具有以下优点和积极效果：

1、本发明制造出来的大厚度钢板组织性能优异，不仅有强度高，而且韧性和抗层状撕裂性能好。

2、本发明制造大厚度钢板的生产工序流程短，避免了轧制变形，提高了生产效率。

3、本发明直接成形为环形的板坯，避免了板材的再次切割，减少了焊接次数，提高了板材的利用率，降低了生产成本。

 

·附图说明

图1是本发明实施例1的金相显微组织。

图2是本发明实施例2的金相显微组织。

各实施例的化学成分如表1所示 

表1实施例化学成分（wt%） 

实施例1 

本实例的大厚度水轮机环板的生产方法的步骤如下： 

（1）真空冶炼 

（2）浇铸工艺：采用模铸，脱模之后空冷至室温 

（3）锻造工艺：将铸锭加热到900～920℃，保温一段时间，然后锻造成圆棒 

（4）电渣熔铸工艺：电渣熔铸前清除锻件表面的氧化铁皮，将锻件作为电渣熔铸的电极，进行电渣重熔冶炼提纯，渣料为ANF-6（70%CaF₂+30%Al₂O₃）；结晶器入水温度为25℃，通过控制出水温度来控制冷却速度，保证出水温度小于50℃；采用40V交流电，引弧电流为1000A，正常重熔电流为2100A，后期补缩时电流采用800-1000A；采用异型结晶器，熔铸出1/4的弧形板坯。电渣重熔完成后，脱模直接空冷。 

（5） 热处理工艺：将环板加热到900℃，保温1.5h，水冷至室温；接着加热到840、820℃，保温1.5h，水冷至室温；最后在600℃回火保温3h。力学性能如表2所示：

表2力学性能

亚温淬火温度	屈服强度Rp0.2 /MPa	抗拉强度/MPa	断后延伸率/%	断面收缩率/%	屈强比
						820℃亚温淬火	665	770	18.5	62	0.864
840℃亚温淬火	685	775	19	60.5	0.884

实施例2

本实例的大厚度水轮机环板的生产方法的步骤如下：

步骤（1）、（2）、（3）、（4）与实施例1相同

（5）热处理工艺：将环板中加热到950℃，保温1h，水冷至室温；接着加热到800℃保温1.5h，空冷、水冷至室温；最后在500℃回火保温5h。力学性能如表3所示：

表3力学性能

冷去方式	屈服强度Rp0.2 /MPa	抗拉强度/MPa	断后延伸率/%	断面收缩率/%	屈强比
						空冷	572	744	21	65	0.7688
水冷	705	882	16	63.5	0.7993

综合分析实施例1和实施例2，本发明钢的组织细小、强度高、韧性好、抗层状撕裂性能优异，完全满足百万千瓦级大型水轮机顶盖用钢的力学性能要求，而且生产流程短、材料利用率高，因而具备良好的推广及应用前景。

需要提醒的是，以上列举的仅为本发明的几个具体实施例，但本发明不仅仅限于这些实施例。在不脱离本发明构思的情况下，对本发明的任何修改和替换均属于本发明的范围。

Claims (4)

1.一种用于百万千瓦级大型水轮机顶盖的环板钢，其化学成分重量百分比：

C 0.1~0.2 ；Si 0.2~0.5；Mn 1.0~1.5 ；P≦0.015；S≦0.01；Cr 0.6~1.0；Mo 0.3~0.6 ；Ni 0.6~1.0 ；Cu 0.2~0.5 ；Nb 0.06~0.1；Ti 0.010~0.015 ； B 0.0010~0.0015；Al＞0.025；O≦0.0030；N≦0.0035；其余为铁和不可避免的杂质；其特征在于：

Ti/B为0.8~1.20；

所述的百万千瓦级大型水轮机顶盖用钢板的厚度大于100mm。

2.一种用于百万千瓦级大型水轮机顶盖的环板钢的生产方法，其步骤如下：

1) 按权利要求1的成分进行冶炼，尽量降低钢中的O 、N等有害元素，浇铸之后，脱模空冷至室温；

2 ) 将铸锭加热到900～920℃，保温一段时间，然后锻造成圆棒锻件；

3 ) 电渣熔铸前清除锻件表面的氧化铁皮，将锻件作为电渣熔铸的电极，进行电渣重熔冶炼提纯，渣料为ANF-6：70%CaF2+30%Al2O3，采用交流电作为熔铸电源，结晶器入水温度为25℃，通过控制出水温度来控制冷却速度，保证出水温度小于50℃，采用异型结晶器，熔铸出1/4弧形板坯；电渣熔铸完成后脱模空冷至室温；

4) 将弧形板加热到900-950℃完全奥氏体保温，保温不少于1.5h，水冷至室温；将环板再次加热到800-840℃保温，保温不少于1.5h，水冷至室温；再次将环板加热500-600℃进行回火，保温不少于3~5h后，空冷至室温，达到水轮机顶盖用钢板的力学性能要求。

3.如权利要求2所述的水轮机环板的生产方法，其特征是：所述方法采用电渣熔铸的方法实现1/4弧形板坯的形状，采用QLT热处理工艺达到所需的力学性能，避免轧制变形。

4.如权利要求2所述的水轮机环板的生产方法，其特征在于，预先淬火温度为950℃，亚温淬火温度为800℃，回火温度为500℃。

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