CN118064799A - 一种变速抽水蓄能发电机组用护环锻件及其制备方法 - Google Patents

一种变速抽水蓄能发电机组用护环锻件及其制备方法 Download PDF

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傅万堂
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张国利
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吕知清
王振华
赵德利
赵达
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China First Heavy Industries Co Ltd
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Abstract

本发明公开了一种变速抽水蓄能发电机组用护环锻件及其制备方法，属于大尺寸高氮奥氏体不锈钢锻件制造领域，解决了现有技术中大尺寸变速抽水蓄能发电机组用护环锻件的制造难题。变速抽水蓄能发电机组用护环锻件的组分以质量百分比计包括：C 0.08％～0.11％，Si0.40％～0.80％，Mn 19.0％～21.0％，Cr 17.5％～19％，Ni 1.2％～3.0％，V0.05％～0.3％，N 0.65％～0.72％，Nb 0.001％～0.005％，Cu≤0.01％，Al≤0.01％，P≤0.020％，S≤0.010％，余量为Fe及不可避免的微量杂质。本发明的变速抽水蓄能发电机组用护环锻件的性能优异，制备过程中成品率高。

Description

一种变速抽水蓄能发电机组用护环锻件及其制备方法
技术领域
本发明涉及大尺寸高氮奥氏体不锈钢锻件制造领域，特别涉及一种变速抽水蓄能发电机组用护环锻件及其制备方法。
背景技术
随着新型电力系统的发展，先进的可变速抽水蓄能发电机组受到更多的重视。护环锻件是变速抽水蓄能发电机组的核心部件，其属于大型薄壁圈类锻件，由于其在发电机组的两端，需要材料具有无磁性的特点，通常采用奥氏体不锈钢锻件。变速抽水蓄能发电机组用护环锻件的外径超过5m以上，变速抽水蓄能发电机组用护环锻件相对于火电、核电发电机组的护环锻件尺寸增大明显，由最大外径2m级增加到5m级，锻件重量由2吨级增加到10吨以上。制造过程中会出现氮成分控制困难、晶粒容易粗大、锻造裂纹等问题，尤其是该类锻件在固溶处理后有变形强化要求，如何实现大尺寸奥氏体不锈钢制造生产及获得强度较高的薄壁护环锻件性能要求，是急需解决的问题。
发明内容
鉴于上述情况，本发明旨在提供一种变速抽水蓄能发电机组用护环锻件及其制备方法，用于解决现有的大尺寸变速抽水蓄能发电机组用护环锻件的制造难题。
本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：
本发明提供了一种变速抽水蓄能发电机组用护环锻件，变速抽水蓄能发电机组用护环锻件的组分以质量百分比计包括：C 0.08％～0.11％，Si 0.40％～0.80％，Mn 19.0％～21.0％，Cr 17.5％～19％，Ni 1.2％～3.0％，V0.05％～0.3％，N 0.65％～0.72％，Nb0.001％～0.005％，Cu≤0.01％，Al≤0.01％，P≤0.020％，S≤0.010％，余量为Fe及不可避免的微量杂质。
进一步的，变速抽水蓄能发电机组用护环锻件的组分以质量百分比计为：C0.08％～0.1％，Si 0.50％～0.80％，Mn 19.0％～20.5％，Cr18％～19％，Ni 1.5％～2.5％，V 0.07％～0.2％，N 0.65％～0.70％，Nb0.001％～0.004％，Cu≤0.008％，Al≤0.009％，P≤0.020％，S≤0.010％，余量为Fe及不可避免的微量杂质。
进一步的，变速抽水蓄能发电机组用护环锻件的微观组织为奥氏体组织，晶粒均匀，晶粒度达到2级以上。
本发明还提供了一种上述变速抽水蓄能发电机组用护环锻件的制备方法，包括：
步骤1、熔炼浇注电极坯，然后采用电渣重熔冶炼方式获得钢锭；
步骤2、将钢锭采用多段梯度升温加热处理；
步骤3、锻轧结合生产出热锻毛坯；
步骤4、热锻毛坯空冷后进行粗加工，然后固溶处理；
步骤5、温锻变形强化处理；
步骤6、将温锻变形强化处理后的锻件进行去应力退火得到变速抽水蓄能发电机组用护环锻件。
进一步的，步骤2中，多段梯度升温加热包括如下步骤：
S201、将钢锭在装炉温度300～350℃保温；
S202、第一次升温至600～650℃，保温；
S203、第二次升温至850～900℃，保温；
S204、第三次升温至1050～1100℃，保温；
S205、第四次升温至1180～1220℃，保温。
进一步的，S205中的第四次升温速率v4、S204中的第三次升温速率v3、S203中的第二次升温速率v2以及S202中的第一次升温速率v1符合下述关系：v4＞v3＞v2，v3＞v1。
进一步的，v1为30～60℃/h。
进一步的，步骤3中，锻造开坯在1180～1220℃温度进行。
进一步的，步骤4中，在1050～1080℃进行固溶处理。
进一步的，步骤6中，去应力退火处理工艺为：升温至350～370℃保温6～10h，水冷。
与现有技术相比，本发明至少可以实现以下有益效果之一：
a)本发明的变速抽水蓄能发电机组用护环锻件通过精确控制碳、锰、铬、钒、铌、氮、镍含量，避免有害相的析出，保证获得均匀的奥氏体组织，晶粒均匀，晶粒度达到2级以上，能够改善锻件塑性及韧性，保证变速抽水蓄能发电机组用护环锻件优异的强韧性。
b)本发明的变速抽水蓄能发电机组用护环锻件的制备方法中，通过采用多段梯度升温加热进行高温扩散，保证实现均匀化处理，减少枝晶偏析；结合精确的锻轧结合工艺、固溶处理、温锻变形、去应力退火处理工艺保证了制备过程中，出现裂纹的几率小，成品率高，保证得到性能符合要求的变速抽水蓄能发电机组用护环锻件。
c)本发明的变速抽水蓄能发电机组用护环锻件的性能优异，抗拉强度σb为870MPa以上，例如875～925MPa；屈服强度σ0.2为700MPa以上，例如704～752MPa；延伸率35％以上，例如38％～45％；面缩率60％以上，例如60％～63％。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书以及附图中所特别指出的内容来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为实施例1的护环锻件的晶粒及微观组织图；
图2为护环锻件固溶处理的现场照片；
图3为对比例1的护环锻件出现裂纹的宏观照；
图4为对比例2的护环锻件的微观图。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本发明一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。
变速抽水蓄能发电机组用护环锻件的外径超过5m以上，锻件重量为10吨以上，制造过程中会出现氮成分控制困难、晶粒容易粗大、锻造裂纹等问题，尤其是该类锻件在固溶处理后有变形强化要求，如何实现大尺寸奥氏体不锈钢制造生产及获得强度较高的薄壁护环锻件性能要求。
本发明提供了一种变速抽水蓄能发电机组用护环锻件，上述变速抽水蓄能发电机组用护环锻件的组分以质量百分比计包括：C0.08％～0.11％，Si 0.40％～0.80％，Mn19.0％～21.0％，Cr 17.5％～19％，Ni1.2％～3.0％，V 0.05％～0.3％，N 0.65％～0.72％，Nb 0.001％～0.005％，Cu≤0.01％，Al≤0.01％，P≤0.020％，S≤0.010％，余量为Fe及不可避免的微量杂质。
具体的，上述变速抽水蓄能发电机组用护环锻件的外径为5m以上。
以下对本发明中所含组分的作用及用量选择作具体说明：
N：N有着很强的固溶强化能力，随着N含量的增加，钢的强度不断提高，但其断裂韧性并不显著降低；N是奥氏体稳定元素，能抑制钢中铁素体以及应变诱导马氏体的形成；此外，N对钢的耐点蚀和应力腐蚀性能的提高十分有利。N含量的提升是高氮钢冶炼的难点，尤其是在常压下冶炼。本发明经过合金化，可以将N含量提升到0.65％～0.72％。
Cr：Cr是奥氏体不锈钢中最主要的合金元素之一，在高氮铬锰奥氏体不锈钢中加入Cr并使其固溶到铁基体中去，可有效地提高基体的电极电位，这样在氧化介质的作用下，表面形成一层富Cr的氧化膜，阻止了阳极反应，从而提高了其抗腐蚀性能；Cr能增大C的溶解度而降低Cr的贫化度，因此提高Cr含量对奥氏体不锈钢的耐晶间腐蚀是有益的；Cr能有效地改善钢的耐点蚀及缝隙腐蚀性能，当钢中同时有N存在时，Cr的这种有效性大大加强。奥氏体不锈钢中Cr含量的提高可使马氏体转变温度(Ms)下降，从而提高奥氏体基体的稳定性。因此，高铬奥氏体不锈钢即使经过冷加工和低温处理也很难获得马氏体。但Cr含量也不能过高，这是因为Cr是强烈形成/稳定铁素体的元素，即能缩小奥氏体区。随着钢中Cr含量的增加，奥氏体不锈钢中可出现铁素体(δ)组织。在奥氏体不锈钢中，随着Cr含量的增加，一些金属间相(如σ相)的形成倾向增加，如果钢中含有Mo，Cr含量的增加还会促进χ相的形成。这些金属间相的析出不仅显著降低钢的塑性和韧性，而且在一些条件下还降低钢的耐蚀性。当不锈钢保持完全奥氏体组织而没有δ铁素体形成时，如果只提高Cr含量不会对其力学性能产生显著影响。因此，本发明经过深入研究，控制Cr含量为17.5％～19％。
Mn：在高氮铬锰奥氏体不锈钢中，元素Mn的作用主要为稳定奥氏体和增大N的溶解度。在节约Ni的不锈钢中，Mn是非常重要的合金元素，且主要与形成奥氏体的元素复合加入到钢中。Mn是比较弱的奥氏体形成元素，但具有强烈的稳定奥氏体的作用，Mn本身对钢耐蚀性的提高贡献甚微。为增加N的溶解度，本发明将Mn含量控制在19.0％～21.0％。
C：C是不锈钢中强烈形成、稳定奥氏体及扩大奥氏体区的元素，并通过间隙固溶强化来显著提高奥氏体不锈钢的强度。C还可提高奥氏体不锈钢在高浓氯化物(如42％ MgCl2沸腾溶液)中的耐应力腐蚀性能。然而，C在奥氏体不锈钢中有时也被视为有害元素。例如，C可与钢中的Cr形成高铬的M23C6型碳化物，从而导致钢中局部铬的贫化，使钢的耐腐蚀特别是耐晶间腐蚀性能下降。因此，不仅在奥氏体不锈钢冶炼过程中应按要求控制尽量低的C含量，而且在随后的热、冷加工和热处理过程等过程中也要防止不锈钢表面的增C，以免Cr的碳化物析出。因此，本发明经过深入研究，控制C的含量在0.08％～0.11％，以提升奥氏体不锈钢强度为主，M23C6型碳化物通过固溶处理来消除。
V：V的原子尺寸和Fe的相当，固溶度大、添加量易于控制，且对偏析带不敏感。在高氮铬锰奥氏体不锈钢中，V可以起到固氮作用，因为V与钢中氮的亲和力较强，V(C,N)的形成大大降低了钢中“自由N”的含量，V主要是通过沉淀析出V(C,N)来影响钢的组织和性能。在热加工过程中可以起到抑制奥氏体的再结晶同时阻止晶粒长大，从而细化晶粒，提高钢的强度和韧性。另外可以有效避免钢的应变时效性。钢中的氮能够增强V的强化效果。随着钢中含氮量提高，V(C,N)沉淀强化效果越明显。在较高的温度下(1000℃以上)，V(C,N)可以溶解于γ-Fe中，因此钒主要是在γ～α转变过程中的相间析出和在铁素体中的析出强化，在热加工过程中可以起到抑制奥氏体的再结晶同时阻止晶粒长大，从而细化晶粒，提高钢的强度和热稳定性。本发明经过深入研究，控制V的含量为0.05％～0.3％。
Nb：Nb的原子尺寸比Fe原子尺寸大，且在奥氏体中的扩散系数较大，故Nb易在晶界、位错线等高能量处偏聚。这对位错攀移和晶界移动产生强烈的拖拽作用，抑制再结晶形核，从而增加材料再结晶时间。Nb是奥氏体稳定元素，在钢中能与C/N等元素形成碳/氮化物，起到钉扎位错和阻止晶界迁移的作用，细化奥氏体晶粒。Nb化物的完全固溶温度较高，一般在1100℃以上。通常加入量越大，完全固溶温度也越高。因此，在制定Nb微合金化钢的加工工艺时，应严格控制好Nb固溶量与析出量比例、以及析出相粒子的尺寸范围，从而达到细化晶粒的效果，作为微合金化元素，本发明经过深入研究，控制Nb的含量在0.001％～0.005％。
Si：Si是强烈形成铁素体的元素。随着Si含量的提高，铁素体含量将增加，同时金属间相的形成也会加速和增多。所以，高氮铬锰奥氏体不锈钢中的Si含量通常都低于1％。本发明经过深入研究，控制Si含量在0.40％～0.80％。
Mo：在一些高氮铬锰奥氏体不锈钢中通常还含有少量的Mo，其主要作用是提高钢的耐还原性介质腐蚀、耐点腐蚀及耐缝隙腐蚀等性能。但Mo是形成和稳定铁素体并扩大铁素体区的元素，且促进金属间相的形成，故会使钢的塑性和韧性下降。本发明经过深入研究，严格限制Mo元素的加入。
Ni：Ni是护环钢中较为重要的合金元素，主要作用是形成并稳定奥氏体，提高钢的热力学稳定性，同时Ni与Si合金元素也可以共同影响高温δ-Fe的析出温度；镍和铁能无限固溶，镍扩大铁的奥氏体区，是形成和稳定奥氏体的主要合金元素。镍和碳不形成碳化物，镍可以提高钢的强度，而不影响其塑性及韧性。可以提高钢的耐腐蚀性。虽然在高氮钢中通过提高N含量可以替代镍元素，但是高氮的提升到0.65％～0.72％，再提高需要加压等特殊方式才能实现，此时我们需要一定量的镍元素。本发明经过深入研究，控制Ni元素的含量为1.2％～3.0％。
P、S作为有害元素，考虑到实际制造成本及工艺，本发明控制在P≤0.020％，S≤0.010％，同时控制Cu含量≤0.010％，Al含量也严格控制，避免高氮钢中形成AlN夹杂物在热锻中容易开裂，要求Al含量必须也≤0.010％。
为了进一步改善上述变速抽水蓄能发电机组用护环锻件的综合性能，上述变速抽水蓄能发电机组用护环锻件的组分以质量百分比计为：C 0.08％～0.1％，Si 0.50％～0.80％，Mn 19.0％～20.5％，Cr 18％～19％，Ni1.5％～2.5％，V 0.07％～0.2％，N0.65％～0.70％，Nb 0.001％～0.004％，Cu≤0.008％，Al≤0.009％，P≤0.020％，S≤0.010％，余量为Fe及不可避免的微量杂质。
本发明还提供了上述变速抽水蓄能发电机组用护环锻件的制备方法，包括：
步骤1、熔炼浇注电极坯，然后采用电渣重熔冶炼方式获得钢锭；
步骤2、将钢锭采用多段梯度升温加热处理；
步骤3、锻轧结合生产出热锻毛坯；
步骤4、热锻毛坯空冷后进行粗加工，然后固溶处理；
步骤5、温锻变形强化处理；
步骤6、将温锻变形强化处理后的锻件进行去应力退火得到变速抽水蓄能发电机组用护环锻件。
具体的，上述步骤1中，采用电弧炉熔炼浇注电极坯，然后电渣重熔冶炼方式获得钢锭。
具体的，上述步骤1中，电弧炉熔炼浇注电极坯可以包括如下步骤：在电弧炉中进行配炉熔炼、造渣、粗炼钢水；然后钢水导入精炼包进行钢水精炼，调整合金成分，通过氮化金属Cr、氮化金属Mn调整N含量，精炼的真空度小于2托，出钢温度为1460℃～1490℃；氩气保护下完成电极坯浇注。
具体的，上述步骤1中，电渣重熔可以包括如下步骤：将一组电极坯在结晶器内进行电渣重熔，选取CaF2 45％～75％，Al2O3 15％～30％，CaO 0％～20％造渣，电渣重熔的熔速为0.8T/h～1.2T/h。
具体的，上述步骤1中，钢锭的表面需要进行扒皮加工。
具体的，上述步骤1中，扒皮加工包括如下步骤：沿钢锭锥度整体表面加工5mm，然后局部加工渣沟严重的部位，确保将钢锭表面质量较差的渣层、微裂纹、渣沟加工清理干净。
具体的，上述步骤2中，多段梯度升温加热包括如下步骤：
S201、将钢锭在装炉温度300～350℃保温；
S202、第一次升温至600～650℃，保温；
S203、第二次升温至850～900℃，保温；
S204、第三次升温至1050～1100℃，保温；
S205、第四次升温至1180～1220℃，保温。
具体的，上述步骤2中，S205中的第四次升温速率v4、S204中的第三次升温速率v3、S203中的第二次升温速率v2以及S202中的第一次升温速率v1符合下述关系：v4＞v3＞v2，v3＞v1。
具体的，上述步骤2中，v1为30～60℃/h，v2为30～60℃/h，v3为70～100℃/h，v4为100℃/h以上。
需要说明的是，v1、v2的值较小，是因为在前两次升温过程中，大直径钢锭处于低温区，由于本发明的护环锻件的传热系数低，钢锭从外表面传温到心部缓慢，需避免升温速率过快导致钢锭内部温度温差大，产生内部拉应力，易造成钢锭开裂现象；适当降低升温速率，可以使钢锭的第一次、第二次升温时间相对延长，从而能够保证第一次升温后钢锭的温度均匀性，避免裂纹的产生，第一次、第二次温度台阶的目的也在于缓慢升温。在850～900℃时传热系数增加斜度最大，此时稍微进行保温，保持内外温度一致性。另外最主要该温度区间属于M23C6碳化物及ε相敏感析出区域，随着在此区间停留大量有害相在铸态大晶粒晶界及向晶内析出，通常情况下在此区间不能长时间停留，避免其过多析出。但是本发明中此时我们不限制其析出，使其适当的在铸态晶粒晶界、晶内析出，促进偏析区域的元素分散。v3＞v2是因为经过前两次的升温及保温，钢锭内部温度均匀，传热系数同时相较也变大，可以提高升温速率。
具体的，上述S204中，在1050℃～1100℃温度范围进行保温一定时间的目的是将加热过程中的低温碳化物、ε相等进行固溶处理，增加高温奥氏体坯料的塑性，促进析出相在晶界及晶内的回熔，进行第一次均匀化处理。
具体的，上述S205中，v4＞v3是因为高温塑性及热传导性越来越大，可以加大升温速率。S205中，在1180～1220℃进行长时间的保温，此处为铸态组织的第二次均匀化处理。主要目的是促进Mn、Cr等合金元素的高温扩散，减少偏析的影响。该奥氏体钢在高温长时间保温容易造成晶粒异常长大，但是由于铸态晶粒已经很大，长时间保温后晶粒长大并不明显且趋于稳定，所以铸态组织高温均匀化不需要考虑对晶粒的不利影响。
具体的，上述S201中的保温时间为1h～1.2h/100mm。
具体的，上述S202中的保温时间为1h～1.2h/100mm。
具体的，上述S203中的保温时间为0.6h～0.8h/100mm。
具体的，上述S204中的保温时间为1.6h～2h/100mm。
具体的，上述S205中的保温时间为2h～2.5h/100mm。
具体的，上述步骤3中，采用大型压力机对钢锭进行锻造开坯，采用大型环轧机进行热轧成形，锻轧结合生产出热锻毛坯。
具体的，上述步骤3中，通过锭身轻拔、镦粗拔长、冲孔、大压机预扩孔完成锻造开坯。锻造开坯在1180～1220℃温度进行，终锻温度控制在950℃以上。
具体的，上述步骤3中，考虑到本发明的护环锻件的材质高温塑性差，锻造温度区间窄，开裂倾向严重；采用多火次、小变形量的方式进行镦粗拔长。考虑到变形量过大，合金晶粒组织在大变形区有混晶的风险，也会有开裂的风险；若变形量过小，则合金变形不充分，无法完成晶粒破碎与再结晶的目的。因此，控制每次镦粗的变形量为30％～50％，每次拔长的变形量为25％～40％。
具体的，上述步骤3中，采用大型环轧机进行热轧成形的工艺为：将保温在1150～1200℃的环形坯料进行轧制扩孔，每次轧制的变形量控制在25％～30％左右，终轧温度不能低于950℃。
具体的，上述步骤4中，热锻毛坯经粗加工后在1050～1080℃进行固溶处理，以对有害相进行回熔，获得均匀的奥氏体组织，同时改善锻件塑性及韧性，为强化处理提供合适的基础强度。
具体的，上述步骤4中，固溶处理工艺为：升温至1050～1080℃保温3～5h，水冷。具体的，由炉温≤500℃开始升温，加快升温速率，防止有害相在500～1000℃的析出，考虑到升温速率过快会导致合金温度内外温差大，对保温时间要求达到3h以上；同时温度过高或保温时间过长会导致晶粒长大不利于合金性能；而温度较低或保温时间过短，又无法回熔σ相及ε相，因此，控制以70℃/h以上(例如70～100℃/h)的升温速率升温到1050～1080℃，保温3～5h。
具体的，上述步骤5中，将固溶后的锻件在550～650℃进行加热，进行温锻变形。
具体的，上述步骤5中，温锻变形包括：采用大吨位碾环机采用轧扩工艺，多道次小压下量变形，每道次压下量控制在0.5～4mm，总道次变形量控制在8％～12％，完成锻件的终成形尺寸，提升锻件的屈服强度及抗拉强度，使其满足性能要求。
需要说明的是，一般的，传统的直径1000mm左右的高氮奥氏体不锈钢锻件，冷变形强化可以采用机械胀形的方式，通过大型压力机将垂直压力通过楔块转化为水平压力，将圈类锻件内径尺寸、外径尺寸逐渐增大，高度逐渐减小。也可以采用液压胀形或者外补液胀形方式，通过内部液体介质增压，缓慢变形达到锻件尺寸。而本发明的护环锻件由于其成品尺寸已达到5m级，使用楔块胀形技术需要楔块模具及配套模具重量大，模具成本投入需要几百万以上，另外胀形过程缓慢，占用压力机工时长，变形过程均匀性差，会出现内凹、两端有外凸的现象；而液压胀形法以及外补液胀形技术虽然变形均匀性好，同样需要较大的模具空间用来承载压力介质水，在大型压机下或者框架下也不方便。因此，本发明使用大型环轧机，设备径向压力需达到5000T以上，用于轧制的轧辊工作表面硬度达到60HSD以上。
具体的，上述步骤6中，去应力退火处理工艺为：升温至350～370℃保温6～10h，水冷。去应力退火能够消除加工硬化的残余应力。
具体的，上述步骤6得到的变速抽水蓄能发电机组用护环锻件的制备过程中，出现裂纹的几率小，成品率高，例如成品率达到95％以上。
具体的，上述步骤6得到的变速抽水蓄能发电机组用护环锻件的微观组织为奥氏体组织，晶粒均匀，晶粒度达到2级以上，例如晶粒度为2～4级。
具体的，上述步骤6得到的变速抽水蓄能发电机组用护环锻件的性能优异，抗拉强度σb为870MPa以上，例如875～925MPa；屈服强度σ0.2为700MPa以上，例如704～752MPa；延伸率35％以上，例如38％～45％；面缩率60％以上，例如60％～63％。
实施例1-4
本发明的实施例1-4提供了一种变速抽水蓄能发电机组用护环锻件及其制备方法。实施例的化学成分见表1。实施例1-4的护环锻件的微观组织如表2所示；图1为实施例1的护环锻件的晶粒及微观组织图；
图2为变速抽水蓄能发电机组用护环锻件固溶处理的照片。实施例的主要性能检测结果见表3。
实施例1的制备方法包括：
步骤1、采用电弧炉熔炼浇注电极坯，然后采用电渣重熔冶炼方式获得钢锭；钢锭表面进行扒皮加工；
其中，电弧炉熔炼浇注电极坯包括如下步骤：在电弧炉中进行配炉熔炼、造渣、粗炼钢水；然后钢水导入精炼包进行钢水精炼，调整合金成分，通过氮化金属Cr、氮化金属Mn调整N含量达到0.68％以上，精炼的真空度小于2托，出钢温度为1470℃；氩气保护，流量为100NL/min，完成精炼后，完成电极坯浇注；
电渣重熔包括如下步骤：将一组电极坯在结晶器内进行电渣重熔，选取CaF260％，Al2O3 30％，CaO10％造渣，电渣重熔的熔速为1T/h；
钢锭表面扒皮加工包括如下步骤：沿电渣锭锥度整体表面加工5mm，直径控制在1400～1450mm范围内，然后局部加工渣沟严重的部位，确保将钢锭表面质量较差的渣层、微裂纹、渣沟加工清理干净，同时局部加工位置要有一定倒角，避免锻造时出现折伤；
步骤2、将钢锭采用多段梯度升温加热处理，具体包括：
将钢锭从装炉温度330℃保温15h，进行第一次升温，升温速率40℃/h，然后升高至650℃保温15h；进行第二次升温，升温速率40℃/h，从650℃升温至870℃保温10h；进行第三次升温，升温速率70℃/h，从870℃升温至1050℃保温24h；进行第四次升温，升温速率100℃/h以上，从1050℃升温至1220℃保温30h；
步骤3、大型压力机对钢锭进行锻造开坯，通过大型环轧机进行热轧成形，锻轧结合生产出热锻毛坯；具体包括：热锻开坯在1200℃温度进行，终锻温度控制在960℃；通过锭身轻拔，压下量不超过30mm；每次镦粗变形量为50％，每次拔长变形量为30％；最后镦粗完成后进行冲孔，冲孔直径700mm；完成冲孔后在大型压机上进行马杠扩孔，内径扩至1400mm；
将坯料保温在1180℃的环形坯料在环轧机上轧制扩孔，每道次轧制量20mm，每火次总轧制量控制30％，轧制完成后环件外径尺寸达到4800mm，终锻温度不能低于950℃；
步骤4、固溶处理：将坯料放入炉温≤500℃开始以100℃/h快速升温，至1050℃保温3h，出炉立即水冷；
步骤5、将固溶后的锻件在650℃进行加热；利用大吨位碾环机采用轧扩工艺，每道次压下量控制在1mm，总道次变形量控制在9％，外径扩孔至5100mm，完成大外径锻件的终成形尺寸；
步骤6、将温锻终成形锻件在350℃进行去应力退火，升温至350℃保温6h，水冷。
实施例2的制备方法与实施例1大致相同，区别在于：
步骤1中选取CaF270％，Al2O3 25％，CaO5％造渣，电渣重熔的熔速为1.1T/h；
步骤2、将钢锭采用多段梯度升温加热处理，具体包括：
将钢锭从装炉温度350℃保温16h，进行第一次升温，升温速率50℃/h，然后升高至650℃保温16h；进行第二次升温，升温速率50℃/h，从650℃升温至850℃保温9h；进行第三次升温，升温速率80℃/h，从850℃升温至1060℃保温26h；进行第四次升温，升温速率110℃/h以上，从1060℃升温至1210℃保温35h；
步骤3、大型压力机对钢锭进行锻造开坯，通过大型环轧机进行热轧成形，锻轧结合生产出热锻毛坯；具体包括：热锻开坯在1190℃温度进行，终锻温度控制在950℃；通过锭身轻拔，压下量不超过30mm；每次镦粗变形量为30％，每次拔长变形量30％；最后镦粗完成后进行冲孔，冲孔直径700mm；完成冲孔后在大型压机上进行马杠扩孔，内径扩孔至1500mm；
将坯料保温在1160℃的环形坯料在环轧机上轧制扩孔，每道次轧制量15mm，每火次总轧制量27％,轧制完成后环件外径尺寸达到4800mm，终锻温度不能低于950℃；
步骤4、固溶处理：将坯料放入炉温≤500℃开始以90℃/h快速升温，至1050℃保温3h，出炉立即水冷；
步骤5、将固溶后的锻件在630℃进行加热；利用大吨位碾环机采用轧扩工艺，每道次压下量控制在2mm，总道次变形量控制在9％，外径扩孔至5100mm，完成大外径锻件的终成形尺寸；
步骤6、将温锻终成形锻件在350℃进行去应力退火，升温至350℃保温6h，水冷。
实施例3的制备方法与实施例1大致相同，区别在于：
步骤1中选取CaF260％，Al2O320％，CaO20％造渣，电渣重熔的熔速为1.2T/h；
步骤2、将钢锭采用多段梯度升温加热处理，具体包括：
将钢锭从装炉温度350℃保温16.5h，进行第一次升温，升温速率60℃/h，然后升高至600℃保温16.5h；进行第二次升温，升温速率60℃/h，从600℃升温至880℃保温9h；进行第三次升温，升温速率80℃/h，升温至1070℃保温27h；进行第四次升温，升温速率110℃/h，从升温至1220℃保温35h；
步骤3、大型压力机对钢锭进行锻造开坯，通过大型环轧机进行热轧成形，锻轧结合生产出热锻毛坯；具体包括：热锻开坯在1180℃温度进行，终锻温度控制在950℃；通过锭身轻拔，压下量不超过30mm；每次镦粗变形量为40％，每次拔长变形量40％；最后镦粗完成后进行冲孔，冲孔直径700mm；完成冲孔后在大型压机上进行马杠扩孔，内径扩至2000mm；
将坯料保温在1150℃的环形坯料在环轧机上轧制扩孔，每次轧制量10mm，每火次总轧制量25％，轧制完成后环件外径尺寸达到4790mm，终锻温度950℃；
步骤4、固溶处理：将坯料放入炉温≤500℃开始以80℃/h快速升温，至1060℃保温4h，出炉立即水冷；
步骤5、将固溶后的锻件在620℃进行加热；利用大吨位碾环机采用轧扩工艺，每道次压下量控制在1.5mm，总道次变形量控制在10％，外径扩孔至5100mm，完成大外径锻件的终成形尺寸；
步骤6、将温锻终成形锻件在350℃进行去应力退火，升温至350℃保温6h，水冷。
实施例4的制备方法与实施例1大致相同，区别在于：
步骤1中选取CaF265％，Al2O320％，CaO15％造渣，电渣重熔的熔速为0.8T/h；
步骤2、将钢锭采用多段梯度升温加热处理，具体包括：
将钢锭从装炉温度350℃保温17h，进行第一次升温，升温速率60℃/h，然后升高至600℃保温17h；进行第二次升温，升温速率60℃/h，从600℃升温至880℃保温10h；进行第三次升温，升温速率80℃/h，升温至1070℃保温27h；进行第四次升温，升温速率105℃/h，升温至1220℃保温36h；
步骤3、大型压力机对钢锭进行锻造开坯，通过大型环轧机进行热轧成形，锻轧结合生产出热锻毛坯；具体包括：热锻开坯在1210℃温度进行，终锻温度控制在970℃；通过锭身轻拔，压下量不超过30mm；每次镦粗变形量为35％，每次拔长变形量25％；最后镦粗完成后进行冲孔，冲孔直径700mm；完成冲孔后在大型压机上进行马杠扩孔，内径扩至2500mm；
将坯料保温在1180℃的环形坯料在环轧机上轧制扩孔，每道次轧制量10mm，每火次轧制量28％，完成后环件外径尺寸达到4830mm，终锻温度950℃；
步骤4、固溶处理：将坯料放入炉温≤500℃开始以80℃/h快速升温，至1070℃保温4h，出炉立即水冷；
步骤5、将固溶后的锻件在600℃进行加热；利用大吨位碾环机采用轧扩工艺，每道次压下量控制在1mm，总道次变形量控制在8％，外径扩孔至5100mm，完成大外径锻件的终成形尺寸；
步骤6、将温锻终成形锻件在370℃进行去应力退火，升温至370℃保温6h，水冷。
实施例1-4的制备过程中，出现裂纹的几率小，成品率达到95％以上。
表1化学成分，wt％
实施例 C Si Mn S P Cr Ni Nb V N Cu Al
1 0.081 0.61 20.24 0.002 0.015 18.4 2.3 0.0021 0.12 0.68 0.008 0.008
2 0.092 0.54 19.51 0.002 0.014 18.2 2.2 0.0015 0.08 0.66 0.008 0.009
3 0.1 0.8 19.27 0.002 0.013 18.2 2.1 0.0028 0.16 0.7 0.008 0.006
4 0.091 0.53 19.59 0.002 0.012 18.31 1.9 0.0035 0.08 0.65 0.008 0.007
表2微观组织
实施例 晶粒度 组织
1 4级 奥氏体
2 2级 奥氏体
3 2级 奥氏体
4 3级 奥氏体
表3性能检测结果
发明人在研究过程中进行了大量的实验研究，现将一些效果不好的方案作为对比例。
对比例1
本对比例提供了一种护环锻件，其组分见下表4，制备方法与实施例1相同，在此不再赘述。本对比例的护环锻件在热锻过程中出现开裂严重的现象，如图3所示。
从表4组分中可见Mn含量低于19％，Cr含量高于19％，V含量低于0.05％，N含量低于0.65％，P含量超过0.02％，Cu含量高于0.01％，Al含量高于0.03％；在热变形过程中有高温δ析出，也有AlN析出及其它有害相，导致开裂严重，影响成品率。
表4化学成分，wt％
对比例 C Si Mn S P Cr Ni Nb V N Cu Al
1 0.09 0.6 18.5 0.005 0.03 21 1.9 0.005 0.02 0.59 0.03 0.03
对比例2
本对比例提供了一种护环锻件，其组分与实施例1相同，制备方法中步骤3中开坯锻造温度选取1250℃，其他不变。
本对比例的护环锻件的晶粒长大严重，在粗大晶界处形成再结晶未完成，混晶明显，均匀性差，如图4所示。
对比例3
本对比例提供了一种护环锻件，其组分与实施例1相同，制备方法中步骤5中轧扩强化变形中总变形量7.5％，其它方式不变。
本对比例的护环锻件的屈服强度未达到性能要求。
对比例钢的主要性能检测结果见表5。
表5对比例3性能检测结果
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种变速抽水蓄能发电机组用护环锻件，其特征在于，所述变速抽水蓄能发电机组用护环锻件的组分以质量百分比计包括：C0.08％～0.11％，Si 0.40％～0.80％，Mn19.0％～21.0％，Cr 17.5％～19％，Ni1.2％～3.0％，V 0.05％～0.3％，N 0.65％～0.72％，Nb 0.001％～0.005％，Cu≤0.01％，Al≤0.01％，P≤0.020％，S≤0.010％，余量为Fe及不可避免的微量杂质。
2.根据权利要求1所述的变速抽水蓄能发电机组用护环锻件，其特征在于，所述变速抽水蓄能发电机组用护环锻件的组分以质量百分比计为：C 0.08％～0.1％，Si 0.50％～0.80％，Mn 19.0％～20.5％，Cr18％～19％，Ni 1.5％～2.5％，V 0.07％～0.2％，N0.65％～0.70％，Nb0.001％～0.004％，Cu≤0.008％，Al≤0.009％，P≤0.020％，S≤0.010％，余量为Fe及不可避免的微量杂质。
3.根据权利要求1所述的变速抽水蓄能发电机组用护环锻件，其特征在于，所述变速抽水蓄能发电机组用护环锻件的微观组织为奥氏体组织，晶粒均匀，晶粒度达到2级以上。
4.一种权利要求1至3任一项所述的变速抽水蓄能发电机组用护环锻件的制备方法，其特征在于，包括：
步骤1、熔炼浇注电极坯，然后采用电渣重熔冶炼方式获得钢锭；
步骤2、将钢锭采用多段梯度升温加热处理；
步骤3、锻轧结合生产出热锻毛坯；
步骤4、热锻毛坯空冷后进行粗加工，然后固溶处理；
步骤5、温锻变形强化处理；
步骤6、将温锻变形强化处理后的锻件进行去应力退火得到变速抽水蓄能发电机组用护环锻件。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤2中，多段梯度升温加热包括如下步骤：
S201、将钢锭在装炉温度300～350℃保温；
S202、第一次升温至600～650℃，保温；
S203、第二次升温至850～900℃，保温；
S204、第三次升温至1050～1100℃，保温；
S205、第四次升温至1180～1220℃，保温。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述S205中的第四次升温速率v4、S204中的第三次升温速率v3、S203中的第二次升温速率v2以及S202中的第一次升温速率v1符合下述关系：v4＞v3＞v2，v3＞v1。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述v1为30～60℃/h。
8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤3中，锻造开坯在1180～1220℃温度进行。
9.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤4中，在1050～1080℃进行固溶处理。
10.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤6中，去应力退火处理工艺为：升温至350～370℃保温6～10h，水冷。
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