DE1910411B2

DE1910411B2 - PROCESS FOR MANUFACTURING OVERSIZED TURBINE OR GENERATOR SHAFTS

Info

Publication number: DE1910411B2
Application number: DE19691910411
Authority: DE
Inventors: Paul Dipl.-Phys. 4000 Düsseldorf; Florin Clemens Dr.-Ing. 4018 Langenfeld; Olfe Eberhard Dipl.-Ing. 4006 Erkrath Opel
Original assignee: Mannesmannroehren Werke AG
Current assignee: Vodafone GmbH
Priority date: 1969-03-01
Filing date: 1969-03-01
Publication date: 1977-01-13
Also published as: DE1910411A1

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung übergroßer Turbinen- oder Generatorwellen unter Anwendung des Elektroschlackeschweißens und des Elektroschlackeumschmelzens. The invention relates to a method of manufacturing oversized turbine or generator shafts using electroslag welding and electroslag remelting.

Die Entwicklung vor allem im Kernkraftwerksbau führt allein schon aus wirtschaftlichen Gesichtspunkten zu Größenordnungen, wie sie im konventionellen Dampfkraftwerksbau bisher nicht üblich waren. Kernkraftwerke mit Leistungen von 60O-130OMW sind bereits geplant bzw. im Bau.The development, especially in nuclear power plant construction, is due to economic considerations alone to orders of magnitude that were previously not common in conventional steam power plant construction. Nuclear power plants with outputs of 60O-130OMW are already planned or under construction.

Die Erhöhung der Leistungen führt naturgemäß auf der Turbinen- bzw. auf der Generatorwellen-Seite zu Schmiedestücken, die Gewichte aufweisen, wie man sie bisher nicht verwendet hat. So werden z. B. für Kraftwerke mit 600MW installierter Leistung Generatorwellen benötigt, die ein Schmiedeablieferungsgewicht von ca. 150 bis 180t erforderlich machen. Auch auf der Turbinenseite werden vor allem im Niederdruckteil Schmiedestücke benötigt, die im Falle von Einstückläufern Gewichte von ca. 100 bis 150 t aufweisen. Das bedeutet wiederum für den Rohblockhersteller, daß Schmiedeblöcke erzeugt werden müssen, die Blockgrößen von 200 bis 3001 erforderlich machen. Die für die genannten Schmiedestücke erforderlichen Blöcke wurden bisher nach konventionellen Verfahren, d. h. durch normalen Kokillenguß hergestellt, wobei wegen der in diesen übergroßen Blöcken nur äußerst langsam ablaufenden Erstarrung die Gefahr besteht, daß ein unzulässiges Maß an nichtmetallischen Ausscheidungen in Verbindung mit Lunkerhohlräumen und starken Steigerungen auftritt. Während man den Steigerungen technisch relativ hilflos gegenübersteht, sind zur Vermeidung von sogenannten Kernfehlern verschiedene Verfahren eingeführt worden. So wirkt die Vakuumentgasung bereits der Entstehung von Einschlußnestern im Kern dieser schweren Blöcke entgegen. Es hat darüber hinaus nicht an Versuchen gefehlt, durch Beeinflussung der Erstarrung von außen, wie z. B. durch Einblasen inerter Gase durch den Blockfuß, den Abschneidemechanismus von nichtmetallischen Einschlüssen so zu beeinflussen, daß die in Blöcken dieser Größenordnung nicht zu vermeidenden Poren- und Lunkerstellen einschlußfrei sind, so daß nach der aufgebrachten Verformung durch Schmieden und Pressen die Poren mühelos geschlossen werden können.The increase in power naturally leads to the turbine or generator shaft side Forgings that have weights that have never been used before. So z. B. for Power plants with 600MW installed power require generator shafts that have a forge delivery weight from approx. 150 to 180t required. Also on the turbine side, especially in the low-pressure part Forged pieces are required which, in the case of one-piece rotors, have weights of approx. 100 to 150 t. For the ingot manufacturer, this in turn means that forged ingots are produced that require block sizes of 200 to 3001. The ones required for the aforementioned forgings Blocks were previously made by conventional methods, i.e. H. produced by normal chill casting, because of the extremely slow solidification in these oversized blocks, the danger exists that an unacceptable level of non-metallic precipitates in connection with blowholes and sharp increases occurs. While one is technically relatively helpless in the face of the increases, Various methods have been introduced to avoid so-called core errors. So the vacuum degassing already counteracts the formation of inclusion nests in the core of these heavy blocks. In addition, there has been no lack of attempts to influence the solidification from outside, such as B. by blowing inert gases through the block foot, the cutting mechanism of non-metallic To influence inclusions in such a way that those in blocks of this size cannot be avoided Pore and blowholes are free of inclusions, so that after the applied deformation by forging and squeezing the pores can be closed effortlessly.

Die beschriebenen Kernfehler befinden sich im allgemeinen im Fußteil der schweren Schmiedeblöcke. Um das Risiko der Einschlüsse auf ein Mindestmaß zu reduzieren, ist es notwendig, hohe Fußschrottanteile vorzusehen. Der Fußschrottanteil nimmt aber mit größer werdenden Blöcken stark zu und kann bis 25% des gesamten Blockgewichtes betragen. Diese Tatsache vermindert naturgemäß die Wirtschaftlichkeit dieses Verfahrens und stellt allein schon wegen der nach dieser Methode notwendigen zusätzlichen Verlustgewichte und der dadurch notwendigen Vergrößerung der Stahlwerkskapazität bzw. der Erhöhung der Tragfähigkeit von Krananlagen eine technische Grenze dar. Das gilt umsomehr, wenn man berücksichtigt, daß die in den Kernkraftwerken genannten Leistungen in Zukunft sicherlich noch steigen werden und dann noch größere Schmiedestücke erforderlich machen.The core defects described are generally located in the base of the heavy forging billets. In order to reduce the risk of inclusions to a minimum, it is necessary to have a high proportion of foot scrap to be provided. However, the scrap portion of the feet increases sharply with larger blocks and can be up to 25% of the total block weight. This fact naturally reduces the profitability of this Procedure and represents simply because of the additional loss weights required according to this method and the resulting increase in steelworks capacity and the increase in load-bearing capacity of crane systems represent a technical limit. This is all the more true if you take into account that the in the The services referred to as nuclear power plants will certainly increase in the future and then even greater Make forgings necessary.

Es hat nicht an Versuchen gefehlt, die genannten übergroßen Schmiedestücke im Falle von Niederdruckwellen durch Aufschrumpfen von Turbinenscheiben auf eine geschmiedete Achse herzustellen. Ebenfalls werden auch bei Generatorwellen wegen der oben beschriebenen Schwierigkeiten und Risiken mehrteilige Ausführungen, die durch Schrumpfen miteinander verbunden werden, hergestellt. Abgesehen davon, daß auch hier wiederum die Aufwendigkeit der Verfahrensweise die Wirtschaftlichkeit stark in Frage stellt, ergeben sich durch die Schrumpfsitze bei den hier vorliegenden Abmessungen schwer überschaubare Spannungszustände, die von der Konstruktion unerwünscht sind.There has been no lack of attempts to find the aforementioned oversized forgings in the case of low-pressure shafts by shrinking turbine disks onto a forged axle. Likewise are multi-part even with generator shafts because of the difficulties and risks described above Designs that are connected to one another by shrinking are produced. Besides that here again the complexity of the procedure puts the economic viability into question Due to the shrink fit with the dimensions available here, stress states are difficult to understand, which are undesirable by the design.

Es ist bereits vorgeschlagen worden, Schmiedestücke durch konventionelle Dickwandschweißverfahren, wie z. B. durch das Elektroschlackeschweißen miteinander zu verbinden. Abgesehen davon, daß die Verschweißung der für diese Schmiedeteile üblicherweise verwendeten Werkstoffe mit Streckgrenzen bis zu 90 kg/mm² bis heute noch nicht gelöst ist, ist dieses Verfahren nur dann geeignet, wenn es gelingt, artgleiche Zusatzwerkstoffe zu verwenden und die Schweißzone nachträglich zu verschmieden und gemeinsam mit den verbundenen Schmiedestücken einer Wärmebehandlung zu unterziehen, um eine ausreichende Gleichmäßigkeit der Eigenschaften zu erreichen (Werkstatt und Betrieb, Heft 6, Juni 1968, Seiten 301-305).It has already been proposed to weld forgings by conventional thick wall welding processes such as e.g. B. to be connected to one another by electroslag welding. Apart from the fact that the welding of the materials usually used for these forgings with yield strengths of up to 90 kg / mm ² has not yet been solved, this method is only suitable if it is possible to use similar filler materials and to forge the welding zone afterwards and to subject them to a heat treatment together with the connected forgings in order to achieve sufficient uniformity of properties (Werkstatt und Betrieb, No. 6, June 1968, pages 301-305).

Aufgabe des Verfahrens ist es, unter Vermeidung der vorstehend genannten Nachteile überschwere Turbinen- bzw. Generatorwellen herzustellen, die aus Teilstücken so zusammengefügt sind, daß sie als einteilig gelten können.The task of the process is to avoid the above-mentioned disadvantages, excessively heavy turbine or to produce generator shafts that are assembled from sections so that they are in one piece can apply.

Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen 1 und 2 angegebene Erfindung gelöst.This object is achieved by the invention specified in claims 1 and 2.

Die nach dem erfindungsgemäß vorgeschlagenenThe proposed according to the invention

Verfahren hergestellten Schmiedestücke haben den Vorzug, daß sie aus bis zu 50% leichteren Ausgangsblöcken hergestellt werden. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, daß es mittleren Betrieben die Erzeugung großer Schmiedestücke ermöglicht; ferner sind mit der Verarbeitung kleinerer Blöcke ein vermindertes Ausschußrisiko und ein erhöhtes Ausbringen bei sinkenden Verarbeitungskosten verbunden. In der Regel kann sogar eine Einsparung am Blockgewicht kalkuliert werden.Forgings produced by this method have the advantage that they are made from starting blocks that are up to 50% lighter getting produced. Another advantage of the method according to the invention is that it is medium-sized farms enables large forgings to be produced; also are with the processing of smaller blocks a reduced risk of rejects and an increased output associated with falling processing costs. As a rule, savings in block weight can even be calculated.

Das ESS-Verfahren erzeugt senkrecht stehende Schweißnähte, bei denen die Badoberfläche zum Volumen des gesamten Schweißgutes verhältnismäßig klein ist Die dabei verwendeten Elektroden (Draht) haben daher ein kleines Verhältnis Elektrodenquerschnitt zu Badquerschnitt. Dieses Verfahren ist nicht nur kostspielig, sondern es eignet sich auch zum Verschweißen großer Schmiedeteile aus den erwähnten Gründen (Werkstoff) nur bedingt.The ESS process creates vertically standing weld seams in which the bath surface becomes volume of the entire weld metal is relatively small The electrodes (wire) used have hence a small ratio of electrode cross-section to bath cross-section. This process is not only costly, but it is also suitable for welding large forgings for the reasons mentioned (Material) only to a limited extent.

Das ESU-Verfahren arbeitet dagegen mit dickeren Elektroden und erzeugt wesentlich größere Schmelzbäder, die dann zu einem Block erstarren. Bezogen auf das abgeschmolzene Elektrodengewicht ist das ESU-Verfahren leistungsstärker und wirtschaftlicher als das ESS-Verfahren. Mit diesem Verfahren lassen sich zwar kleinere, sehr hochwertige Rohblöcke mit Gußgefüge herstellen, aber keine Rohlinge für überschwere Turbinen- bzw. Generatorwellen.The ESR process, on the other hand, works with thicker electrodes and creates significantly larger melt pools, which then solidify into a block. The ESR process is based on the melted electrode weight more powerful and economical than the ESS process. With this procedure you can Manufacture smaller, very high-quality ingots with a cast structure, but no blanks for extremely heavy turbine or generator shafts.

Eine schwere Generatorwelle kann folgendermaßen hergestellt werden (Beispiel 1):A heavy generator shaft can be manufactured as follows (example 1):

Der Zwischenraum zwischen den senkrechten und parallelen Flächen zweier zu verbindenden Teilstücke der Welle wird mittels einer Abschmelzelektrode gefüllt und verschweißt. Das Verhältnis Elektrodenquerschnitt zu Badquerschnitt von 0,16 entspricht etwa demjenigen des ESU-Verfahrens. Die Verfahrensanordnung entspricht jedoch der des ESS-Verfahrens, wobei die Nahtstelle nach außen mit Kokillenteilen abgedeckt ist Um die Gußstruktur in der Nahtstelle zu beseitigen, wird der zu verbindende Querschnitt größer als der Endquerschnitt gehalten. Durch Nachschmieden wird dann der gewünschte Gefügezustand erreicht. Die Abschmelzelektrode wird aus dem gleichen Material hergestellt wie das Schmiedestück.The space between the vertical and parallel surfaces of two sections to be connected the shaft is filled and welded by means of a consumable electrode. The ratio of the electrode cross-section a bath cross-section of 0.16 corresponds roughly to that of the ESR process. The procedural order however, corresponds to that of the ESS process, whereby the seam is covered on the outside with mold parts In order to eliminate the cast structure in the seam, the cross-section to be connected is larger kept as the final cross-section. The desired structural condition is then achieved by re-forging. The consumable electrode is made from the same material as the forging.

Je nach der Art des Schmiedestückes (z. B. bei Turbinenwellen) kann, wie nachstehend dargelegt, eine andere Variante dieses Kombinationsvorschlages vorteilhafter sein:Depending on the type of forging (e.g. in the case of turbine shafts), a other variant of this combination proposal may be more advantageous:

Die Fläche eines gegossenen, abgeschmolzenen oder vorgeschmiedeten Teilstückes, welche die Nahtstelle für ein neues Teilstück werden soll, wird in waagerechter Lage angeordnet. Auf diese Fläche als Basis wird nach dem ESU-Verfahren das neue Teilstück durch Umschmelzen einer Elektrode aufgebracht. Dabei wird die Basis bei Beginn des Prozesses so weit aufgeschmolzen, daß eine vollkommene Schweißverbindung entsteht.The area of a cast, melted or forged section that forms the seam for a new section is to be arranged in a horizontal position. On this surface as a basis the new section is applied by remelting an electrode using the ESR process. Included the base is melted so far at the beginning of the process that a perfect weld joint arises.

Die Abwandlung des erfindungsgemäßen Verfahrens, z. B. für die Herstellung eines 150 t schweren Rotorkörpers, ist in nachstehendem Beispiel 2 näher beschrieben.The modification of the method according to the invention, for. B. for the production of a 150 t heavy Rotor body is described in more detail in Example 2 below.

Zunächst wird ein ca. 751 schweres Schmiedestück hergestellt, das noch mit den bisher üblichen Rohblockgrößen bis zu 150 t ohne Schwierigkeiten herstellbar ist. Dieses Schmiedestück wird im vorgeschmiedeten Zustand nach bestandener Ultraschallprüfung in die senkrechte Position gebracht und die nach oben ragende Stirnfläche für einen Elektroschlackeumschmelzprozeß vorbereitet. Zu diesen Vorbereitungen gehört u. a. das Entzundern und das Vorwärmen von Stirnfläche und Elektrode. Auf diese so vorbereitete Stirnfläche wird eine an sich bekannte verfahrbare Kupferkokille, die mit Wasser gekühlt ist, aufgesetzt. In dieser Kokille werden vorgeschmiedete Elektroden aus dem Werkstoff, der dem unteren Blockteil entspricht, unter Schlacke abgeschmolzen, so daß man schließlich einen Block erhält, der in der unteren Hälfte aus einem geschmiedeten und in der oberen Hälfte aus einem abgeschmolzenen Blockteil besteht.First of all, a forging of approx. 751 in weight is made produced, which can still be produced without difficulty with the previously customary ingot sizes of up to 150 t. This forging is in the pre-forged state after passing the ultrasonic test in the vertical Positioned and the upwardly projecting face for an electroslag remelting process prepared. These preparations include: descaling and preheating of the face and electrode. A known movable copper mold is placed on this end face prepared in this way, which is cooled with water, put on. In this mold, pre-forged electrodes are made from the Material that corresponds to the lower part of the block is melted under slag, so that finally one Block received, the lower half from a forged one and the upper half from a melted one Block part consists.

Zur Erzeugung der gleichen technologischen Eigenschaften in dem abgeschmolzenen Blockteil ist naturgemäß eine Nachverformung durch Schmieden erforderlich. Es empfiehlt sich daher aus verfahrenstechnischen Gründen, den Durchmesser des nach dem bekannten Elektroschlackeumschmelzprozeß abgeschmolzenen Blockteils im Durchmesser um den Betrag größer zu halten, um den anschließend verformt werden muß.It is natural to produce the same technological properties in the melted block part post-deformation by forging is required. It is therefore recommended for procedural reasons Reasons, the diameter of the melted by the known electroslag remelting process To keep the block part larger in diameter by the amount by which it is subsequently deformed must become.

Um die beim Abschmelzen derartig großer Querschnitte notwendigen Energiemengen auf ein erträgliches Maß zu reduzieren, kann z. B. bei Turbinen- oder Generatorwellen, die im allgemeinen aus einem Ballenteil mit dem größten Durchmesser und jeweils zwei Zapfenteilen mit weit geringeren Durchmessern bestehen, so verfahren werden, daß der Ballenteil auf konventionelle Weise, d. h. in konventionellen Blockgrößen vergossen und geschmiedet wird und daß an- schließend jeweils beide Zapfen an beiden Stirnseiten des Ballenteiles durch das Elektroschlackeumschmelzverfahren abgeschmolzen werden, mit wiederum verfahrbaren, wassergekühlten Kupferkokillen (Beispiel 3).In order to reduce the amount of energy required when melting such large cross-sections to a bearable one To reduce the amount, z. B. in turbine or generator shafts, which generally consist of a ball part with the largest diameter and two journal parts each with much smaller diameters, be proceeded so that the bale portion in a conventional manner, i. H. is cast and forged in conventional block sizes and that an- closing both pegs on both end faces of the ball part by means of the electroslag remelting process are melted off, again with movable, water-cooled copper molds (example 3).

Bei dieser Verfahrensweise ist es, um Startschwierigkeiten beim Abschmelzen zu vermeiden und um die notwendige Nachschmiedung zu erleichtern, notwendig, an den Stirnflächen des Ballenteils kurze Absätze, deren Durchmesser mit den abzuschmelzenden Zapfen identisch sind, anzuschmieden.With this procedure it is to avoid starting difficulties during melting and to avoid the to facilitate necessary re-forging, necessary to have short heels on the end faces of the barrel part, whose diameter is identical to the pin to be melted.

Da vom Gesamtgewicht der übergroßen Schmiedestücke die Turbinenwellen- und Generatorwellenzapfen bis zu 35% des Gewichtes ausmachen können, ergibt sich bei diesem Verfahren der Vorteil, mit geringeren Blockgrößen und den damit verbundenen geringeren Risiken übergroße Schmiedestücke herstellen zu können. Dabei kann der Rohblock für das größte Teilstück um 50 % leichter sein als der Rohblock für die konventionelle einteilige Herstellung. Für einen 150 t-Rotorkörper müßte bei 65% Blockausbringen ein 150t-Block für den Ballen und ein 80t-Block für beide Zapfen abgegossen werden. Für die konventionelle Herstellung wäre mindestens ein 230t-Block notwendig. Wegen des erhöhten Fehlerrisikos bei so großen Blöcken wird man aber sicherheitshalber einen 300t-Block vorsehen. Diese Gegenüberstellung zeigt die wirtschaftliche Überlegenheit des erfindungsgemäßen Verfahrens.
In den Zeichnungen sind mögliche Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens schematisch dargestellt. Es zeigen:Since the turbine shaft and generator shaft journals can account for up to 35% of the total weight of the oversized forgings, this process has the advantage of being able to manufacture oversized forgings with smaller block sizes and the associated lower risks. The raw block for the largest section can be 50% lighter than the raw block for conventional one-piece production. For a 150 t rotor body with 65% block yield, a 150 t block for the bale and an 80 t block for both pins would have to be cast. At least a 230t block would be required for conventional production. Because of the increased risk of errors with such large blocks, a 300t block will be used to be on the safe side. This comparison shows the economic superiority of the process according to the invention.
Possible embodiments of the method according to the invention are shown schematically in the drawings. Show it:

Fig. 1 das Verbinden einer Welle nach Beispiel 1, Fig. 2 das Abschmelzen eines Rotorkörperteiles nach Beispiel 2,Fig. 1 the connection of a shaft according to example 1, Fig. 2 the melting of a rotor body part according to example 2,

Fig. 3 das beidseitige Abschmelzen von Zapfen an Turbinen- oder Generatorwellen nach Beispiel 3.3 shows the melting of pins on both sides of turbine or generator shafts according to example 3.

Die in Fig. 1 dargestellten Wellenenden (1 und 2) sind an den Verbindungsteilen (3 und 4) verstärkt. InThe shaft ends (1 and 2) shown in Fig. 1 are reinforced at the connecting parts (3 and 4). In

den Zwischenraum (5) ragt eine oder mehrere Abschmelzelektroden (6).one or more consumable electrodes (6) protrude into the space (5).

Fig. 2 zeigt ein vorgeschmiedetes Teilstück (7), auf dessen Fläche (8) nach dem ESU-Verfahren das Teilstück (9) durch Umschmelzen der Elektrode (10) aufFig. 2 shows a pre-forged section (7), on the surface (8) of which the section is made according to the ESR process (9) by remelting the electrode (10)

gebracht wird.is brought.

An das Schmiedestück (11) in Fig. 3 werden durch Abschmelzen der Elektrode (12) nach dem ESU-Verfahren beidseitig Zapfen an die Ansätze (13 und 14) an- und umgeschmolzen.The forging (11) in FIG. 3 is attached by melting the electrode (12) using the ESR process on both sides pegs fused to the lugs (13 and 14) and remelted.

Hierzu 3 Blatt ZeichnungenFor this purpose 3 sheets of drawings

Claims

Patent claims:

1. A method of manufacturing oversized turbine or generator shafts using the Electro-slag welding and electro-slag remelting, characterized in that that in the space between the vertical and parallel surfaces of two forged sections a third section is produced in that the gap is made by means of a consumable electrode is filled and welded, whereby the ratio of electrode to bath cross-section is greater than 0.16.

2. Process for the production of oversized door hinge or generator shafts using the Electroslag welding and electroslag remelting, characterized in that that on the horizontal surface of a forging section by means of a consumable electrode second section is melted and remelted, the dimensions of the second section by the Dimensions of the mold are determined.

3. The method according to claim 1, characterized in that the connecting zone of the two sections is deformed to achieve a homogeneous structure.

4. The method according to claim 2, characterized in that the on and on the forged part Remelted second part afterwards to achieve the same properties as the forged one Part is thoroughly deformed.