大型混流式水輪機轉輪馬氏體不銹鋼鑄件的制作方法
本發明涉及一種大型混流式水輪機轉輪馬氏體不銹鋼鑄件。
背景技術：
大型混流式水輪機轉輪是由上冠、下環、葉片三部分焊接而成，大型混流式水輪機轉輪上冠、下環、葉片鑄件重量大、尺寸大，葉片還存在三維空間變截面變曲面，壁厚嚴重不均的特點。由于要進行大量焊接加工，故要求鑄件具有較好的可焊性能。實際生產中，上冠、下環、葉片馬氏體不銹鋼鑄件上述特點，其鑄造成形工藝難度極大，易產生變形、偏析、裂紋、夾渣等缺陷，質量風險很高。
技術實現要素：
本發明的目的是提供一種性能優異及性能穩定的大型混流式水輪機轉輪馬氏體不銹鋼鑄件。
為了達到上述的技術效果，本發明采取以下技術方案：
一種大型混流式水輪機轉輪馬氏體不銹鋼鑄件，澆注鑄件的鋼水熔煉成分和鑄件成品成分由下述質量分數的組分組成：
碳≤0.04％，但≠0；
硅≤0.60％，但≠0；
錳≤1.0％，但≠0；
磷≤0.028％，但≠0；
硫≤0.008％，但≠0；
鉻：12.5％～13.5％；
鎳：3.8％～5.5％；
鉬：0.4％～1.0％；
雜質元素總含量≤0.5％，其中：銅≤0.5％，鎢≤0.10％，釩≤0.05％；
氣體含量：氧≤0.008％，氮≤0.015％，氫≤0.0003％；
鎳當量與鉻當量的比值≥0.42，
其中：鎳當量Nieq＝Ni+30(C+N)+0.5Mn，鉻當量Creq＝Cr+Mo+1.5Si；
余量為鐵和不可避免的雜質。
進一步的技術方案是，澆注鑄件的鋼水熔煉成分和鑄件成品成分由下述質量分數的組分組成：
碳≤0.04％，但≠0；
硅≤0.60％，但≠0；
錳≤1.0％，但≠0；
磷≤0.028％，但≠0；
硫≤0.008％，但≠0；
鉻：12.5％～13.5％；
鎳：4.5％～5.5％；
鉬：0.4％～1.0％；
雜質元素總含量≤0.5％，其中：銅≤0.5％，鎢≤0.10％，釩≤0.05％；
氣體含量：氧≤0.008％，氮≤0.015％，氫≤0.0003％；
鎳當量與鉻當量的比值≥0.42，
其中：鎳當量Nieq＝Ni+30(C+N)+0.5Mn，鉻當量Creq＝Cr+Mo+1.5Si；
余量為鐵和不可避免的雜質。
進一步的技術方案是，澆注鑄件的鋼水熔煉成分和鑄件成品成分由下述質量分數的組分組成：
碳≤0.04％，但≠0；
硅≤0.60％，但≠0；
錳≤1.0％，但≠0；
磷≤0.028％，但≠0；
硫≤0.008％，但≠0；
鉻：12.5％～13.5％；
鎳：3.8％～5.0％；
鉬：0.4％～1.0％；
雜質元素總含量≤0.5％，其中：銅≤0.5％，鎢≤0.10％，釩≤0.05％；
氣體含量：氧≤0.008％，氮≤0.015％，氫≤0.0003％；
鎳當量與鉻當量的比值≥0.42，
其中：鎳當量Nieq＝Ni+30(C+N)+0.5Mn，鉻當量Creq＝Cr+Mo+1.5Si；
余量為鐵和不可避免的雜質。
進一步的技術方案是，所述的大型混流式水輪機轉輪馬氏體不銹鋼鑄件為單機容量500MW以上大型混流式水輪機轉輪馬氏體不銹鋼鑄件，其中，轉輪上冠鑄件≥6000mm，毛重≥100t，轉輪下環鑄件外徑≥6000mm，毛重≥60t，轉輪葉片鑄件表面積≥12m2，厚度30～180mm，毛重≥15t。如某電站混流式水輪機轉輪馬氏體不銹鋼鑄件外徑Φ9400mm，高度4255mm，凈重359t，其中，轉輪上冠鑄件尺寸(最大外徑×高度)8680mm×2785mm，凈量100t(毛重大于150t)，轉輪下環鑄件尺寸(最大外徑×高度)9400mm×1911mm，凈重55t(毛重大于100t)，轉輪葉片鑄件表面積超過20m2，厚度30～180mm，凈重13.5t(毛重大于18t)。
進一步的技術方案是，所述鑄件的屈服強度≥580MPa，抗拉強度≥780MPa，斷后伸長率≥20％，斷面收縮率≥55％，沖擊吸收能量≥100J，硬度220～285HBW，冷彎(α＝90°，d＝25mm)：無裂紋。
本發明與現有技術相比，具有以下的有益效果：
大型混流式水輪機轉輪馬氏體不銹鋼鑄件的屈服強度≥580MPa，抗拉強度≥780MPa，斷后伸長率≥20％，斷面收縮率≥55％，沖擊吸收能量≥100J，硬度220～285HBW，冷彎(α＝90°，d＝25mm)：無裂紋。
附圖說明
圖1為上冠無損檢測分區示意圖，其中a為上冠(止漏環位置1)b為上冠(止漏環位置2)；
圖2為下環無損檢測分區示意圖；其中a為下環(止漏環位置1)，b為下環(止漏環位置2)；
圖3為葉片無損檢測分區(正背面檢測分區相同)示意圖。
具體實施方式
下面結合本發明的實施例對本發明作進一步的闡述和說明。
1、大型混流式水輪機轉輪馬氏體不銹鋼鑄件的制造步驟如下
1.1冶煉：鋼水經過電爐冶煉后，應采用VOD或AOD等方法進行精煉。冶煉工藝滿足以下三點：
a)冶煉時控制鋼中的Nieq/Creq值，以有效減少鑄件中的δ鐵素體含量；
b)推薦盡可能將Al含量控制到最低；
c)當多爐鋼水合澆時，每爐鋼水都應進行熔煉化學成分分析。
1.2鑄造
1.2.1工藝設計：根據訂貨圖樣結合實際生產條件設計鑄造工藝，推薦采用平穩充型澆注系統；采用鑄造模擬軟件進行工藝優化設計。為減少葉片加工余量，推薦對葉片鑄件進行應力變形模擬分析，應力變形模擬分析應包含鑄造、熱處理等主要工序。
1.2.2造型：推薦造型面砂使用鉻鐵礦砂，厚度為20mm～50mm，表面刷鋯英粉涂料，或采用性能更優的造型材料和涂料。
1.2.3澆注：澆注前應向型腔內通氬氣，并在氬氣保護下澆注。
1.2.4落砂：工藝規定的落砂溫度應考慮相變應力。
1.3熱處理
1.3.1熱處理爐：熱處理爐應按GB/T 9452定期進行檢測并合格，滿足工藝要求。
1.3.2清除鑄造應力熱處理：鑄件清理后應立即進行消除鑄造應力熱處理；在鑄件溫度降低至250℃之前，完成冒口切割作業。
1.3.3性能熱處理：鑄件性能熱處理由一次正火和兩次回火組成；推薦正火加熱過程中在800℃均溫，使鑄件各部分溫度均勻，然后加熱至1040℃進行正火處理。回火的溫度不低于590℃，以便獲得適量的逆變奧氏體和最佳的綜合力學性能。
1.4缺陷焊補
1.4.1焊補前準備：焊補材料為與鑄件同材質或相近的馬氏體不銹鋼材料，首批生產時，焊前應提交焊接工藝評定報告。
1.4.2焊補過程控制：焊補前應清除缺陷，然后進行液體滲透探傷(PT)或磁粉探傷(MT)，以保證缺陷完全清除。焊前對鑄件進行預熱，預熱溫度不低于100℃，預熱區域的面積應不小于缺陷面積的3倍。
1.4.3焊補后消除應力熱處理：要缺陷和特殊缺陷焊補后都應進行消除應力熱處理，熱處理溫度不得高于二次回火溫度。
1.4.4焊補后檢查：焊補后進行無損檢測。
1.5機械加工和粗磨
2、檢測規格試驗方法
2.1鑄件的檢測試樣
鑄件的檢測試樣最小尺寸為60mm×100mm×220mm。
鑄件的成品化學分析、氣體含量分析和力學性能試驗采用同一鑄件的檢測試樣。
2.2化學成分分析
2.2.1按GB/T 20066規定，化學成分分析樣品應取自附鑄試樣表層以下至少6mm處。
2.2.2化學成分分析按GB/T 223或GB/T 11170規定進行。
2.2.3化學成分仲裁按照GB/T 222和GB/T 223規定。
2.2.4氣體含量分析按GB/T 11261、GB/T 20124、GB/T 223.82規定進行。
澆注鑄件的鋼水熔煉分析和鑄件成品分析，其化學成分、氣體含量見表1、表2。
表1化學成分
表2氣體含量(質量百分比)
2.3力學性能試驗
2.3.1拉伸和沖擊
取一個拉伸試樣和一組沖擊試樣(三個試樣)進行試驗，拉伸試驗按GB/T228.1規定進行，沖擊試驗按GB/T 229規定進行。
2.3.2硬度
硬度檢測按GB/T 231.1規定進行。
2.3.3彎曲試驗
試樣截面尺寸為13mm×25mm，長度≥180mm，倒角半徑≤2mm，表面粗糙度Ra值達到0.8μm。彎曲試驗按GB/T 232規定進行。
大型混流式水輪機轉輪馬氏體不銹鋼鑄件的力學性能見表3.
表3力學性能
2.4無損檢測
按CCH70-3標準規定對鑄件進行超聲波探傷(UT)、磁粉探傷(MT)或液體滲透探傷(PT)及目視(VT)等無損檢測，檢驗符合按圖1、表4和圖2、表5及圖3、表6規定。
表4上冠無損檢測
表5下環無損檢測
表6葉片無損檢測
下述實施例制作的混流式水輪機轉輪馬氏體不銹鋼鑄件的尺寸如下：外徑Φ9400mm，高度4255mm，凈重359t，其中，轉輪上冠鑄件尺寸(最大外徑×高度)8680mm×2785mm，凈量100t(毛重大于150t)，轉輪下環鑄件尺寸(最大外徑×高度)9400mm×1911mm，凈重55t(毛重大于100t)，轉輪葉片鑄件表面積超過20m2，厚度30～180mm，凈重13.5t(毛重大于18t)。
實施例1：
澆注上冠鑄件的鋼水熔煉成分和鑄件成品成分由下述質量分數的組分組成：碳：0.04％；硅：0.52％；錳：0.64％；磷：0.018％；硫：0.002％；鉻：12.5％；鎳：4.41％；鉬：0.52％；余量為鐵和不可避免的雜質。對應的屈服強度611MPa，抗拉強度818MPa，斷后伸長率23％，斷面收縮率73％，沖擊吸收能量180J，彎曲90°無裂紋。
實施例2：
澆注下環鑄件的鋼水熔煉成分和鑄件成品成分由下述質量分數的組分組成：碳：0.021％；硅：0.35％；錳：0.62％；磷：0.011％；硫：0.003％；鉻：12.58％；鎳：4.36％；鉬：0.52％；余量為鐵和不可避免的雜質。對應的屈服強度590MPa，抗拉強度812MPa，斷后伸長率24％，斷面收縮率74％，沖擊吸收能量186J，彎曲90°無裂紋。
實施例3：
澆注葉片鑄件的鋼水熔煉成分和鑄件成品成分由下述質量分數的組分組成：碳：0.025％；硅：0.37％；錳：0.82％；磷：0.016％；硫：0.004％；鉻：12.88％；鎳：4.66％；鉬：0.58％；余量為鐵和不可避免的雜質。對應的屈服強度725MPa，抗拉強度833MPa，斷后伸長率23％，斷面收縮率75％，沖擊吸收能量176J，彎曲90°無裂紋。
實施例4：
澆注葉片鑄件的鋼水熔煉成分和鑄件成品成分由下述質量分數的組分組成：碳：0.024％；硅：0.35％；錳：0.82％；磷：0.017％；硫：0.008％；鉻：12.62％；鎳：4.55％；鉬：0.51％；余量為鐵和不可避免的雜質。對應的屈服強度703MPa，抗拉強度818MPa，斷后伸長率23％，斷面收縮率68％，沖擊吸收能量139J，彎曲90°無裂紋。
盡管這里參照本發明的解釋性實施例對本發明進行了描述，上述實施例僅為本發明較佳的實施方式，本發明的實施方式并不受上述實施例的限制，應該理解，本領域技術人員可以設計出很多其他的修改和實施方式，這些修改和實施方式將落在本申請公開的原則范圍和精神之內。
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