11.3.6. Термическая обработка крупных деталей энергоагрегатов

Крупные поковки и отливки. Современный уровень развития техники требует от энергетического и тяжелого машиностроения изготовления агрегатов большой единичной мощности. Это приводит к существенному увеличению массы и соответственно размеров наиболее ответственных деталей подобных агрегатов: роторов турбин и генераторов, корпусов турбин, рабочих колес гидротур­бин (табл. 11.60).

Таблица 11.60

Размеры и масса роторов генераторов различной мощности

Мощ­ность, МВт	Частота враще­ния, об/мин	Длина, м		Диаметр, м		Масса, т
		бочки	общая	осевого канала	бочки	готового изделия	слитка
500 1000 1600 2000 1200	1500 1500 1500 1500 3000	6,0 6,71 10,02 11.02 8,12	11,5 13,6 17,4 18,65 16,0	0,4 0,4 0,6 0,6 0,16	1.8 1,85 1,855 2,1 1,26	160 157 237 250 90	370 380 550 570 235

При изготовлении поковок сечением 3000 мм и массой ≥ 240 т возникают условия, способствующие образованию в стали крупного зерна аустенита. К этим условиям относятся особенности кристаллизации крупных слитков, трудности проведения горячей пластической деформации — длительные, многократные (до 14 раз) нагревы под ковку, достигающие 1250 °С, неравномерная деформация по сечению поковки, вынужденный отказ (из-за технических трудностей) от опера­ции осадки на слитках массой > 300 т, а также малые скорости нагрева и охлаж­дения при перекристаллизации и продолжительные выдержки в процессе аустенитизации во время термической обработки (табл. 11.61).

Таблица 11.61

Характеристики нагрева поковок различного сечения до температуры 900 °С

Сечение поковки, мм	Расстояние термопары от поверхности поковки, мм	Скорость нагрева, °С/ч, в интервале температур, °С		Продолжительность нагрева, ч
		700-800	800-900	Выравнивание	Выдержка
900	50 450	25 17	14 11	12	6
1500	50 750	18 11	6 5,5	30	10
2100	50 1050	17 8	5 5	40	14

На одном из заводов энергетического машиностроения разработан и внедрен новый сокращенный антифлокенный режим предварительной термической обра­ботки крупных поковок сечением от 800 до 2200 мм (рис. 11.45). Фактические температурно-временные поля в процессе термической обработки по этому режиму и время охлаждения поковок после нормализации приведены на рис. 11.46. Общая продолжительность этого режима термической обработки поковок сечением 800…1200 мм ~350 ч, сечением 1250..1800 мм ~550 ч, сечением 1850…2200 мм ~670 ч, что на 30 % меньше по сравнению с существовавшими до настоящего времени ре­жимами.

Рис. 11.45. режимы предварительной термической обработки хрупких

поковок сечением 800…2200 мм из вакуумированной стали

С целью исправления крупно­зернистой структуры в процессе изготовления крупных сварнокованых и кованосварных изделий раз­работана и внедрена новая техноло­гия термической обработки. Она включает предварительную обра­ботку, состоящую из нагрева до температуры исправления крупно­зернистости, промежуточного нагре­ва до температуры Ас₃ + 10 °С стали с последующим медленным охлаж­дением для получения структуры перлита или перлита и бейнита, и окончательную — на требуемый уровень механических свойств. Эта технология благодаря устранению крупнозернистости позволяет про­водить ультразвуковой контроль качества поковок. На рис. 11.47, представлен режим термической обработки сварного блока перед ковкой ротора генератора мощностью 1000 МВт (масса сварной поковки ≈250 т).

Рис. 11.47. режимы термической обработки сварного блока перед поковкой ротора генератора мощностью 1000 МВт (охлаждение поковки до 300 °С проводится до температуры металла шва)

Для правильного выбора времени охлаждения в процессе окончательной термической обработки целесообразно пользоваться специальными обобщенными графиками (рис. 11.48). На оси ординат этих графиков отложена температура поковки, а по оси абсцисс указано приведенное время (час):, гдеR_K — радиус поковки, мм. На графиках представлены обобщенные кривые охлаждения различных зон поковок от поверхности до центра. Пользуясь обобщенными графиками, можно рассчитать время охлаждения поковок в процессе закалки. При совмещении этих графиков с термокинетической диаграммой превращения аустенита можно определить структуру стали, а отсюда и зависимость механиче­ских свойств по сечению поковок.

Ориентировочно время охлаждения поковок можно также выбирать по экс­периментальным данным, представленным в табл. 11.62.

Сварные роторы турбин. В Советском Союзе широко применяются сварные роторы турбин, которые по сравнению с цельноковаными обладают рядом преимуществ. Сварной ротор состоит из элементов относительно малых раз­меров, что дает возможность использовать для их изготовления более каче­ственные слитки меньшей массы, а также новые методы выплавки. Отсутствие центрального отверстия в сварных роторах позволяет снизить требования к проч­ности стали.

Технологический процесс изготовления сварных роторов проводится по схеме: выплавка и ковка слитков, термическая обработка, ультразвуковой контроль заготовок элементов сварных роторов, автоматическая сварка, ультразвуковой контроль, отпуск сварного ротора.

Для изготовления сварных роторов применяют стали, химический состав которых приведен в табл. 11.63, а требуемый уровень механических свойств — в табл. 11.64. Режимы окончательной термической обработки элементов сварного ротора представлены на рис. 11.49.

Таблица 11.62

Продолжительность охлаждения центра цилиндрических

поковок в различных средах

Температура аустенитизации, °С	Диаметр поковки, мм	Продолжительность охлаждения от температуры аустенитизации до температуры. "С, мин
		700	600	500	400	300	200
Охлаждение в воде
870 850 850 880	200 250 400 580	4 5 14 30	8 8 20 38	8 9 27 45	10 11 34 52	12 14 44 60	16 18 55 -
Охлаждение в масле
870 850 800 850 850 860 920 820 850	200 250 400 500 600 700 945 1050 1200	6 8 20 40 40 45 80 90 100	8 10 30 55 60 80 110 130 150	12 14 40 63 90 100 140 170 200	10 17 65 80 130 180 220 240 250	20 33 75 120 160 220 260 290 310	26 — — 160 — — — — 360
Охлаждение на воздухе
860 870 880 870 850 920 870	250 300 520 600 800 920 1030	20 30 60 120 160 140 170	40 60 90 210 240 250 210	65 90 210 270 300 360 360	100 150 260 360 360 480 600	160 200 420 480 510 — 960	— 300 — 720 — — —

Таблица 11.63

Химический состав сталей, рекомендуемых для изготовления

заготовок элементов сварных роторов, %

Марка стали	С	Si	Сг	Ni	V
32 ХМ1А 25Х2НМФА 20ХН2МФА	0,29-0,36 0,23-0,28 0,21-0,27	0,17-0,37 0,17-0,37 0,20-0,45	0,9-1,20 1,80-2,20 1,20-1,60	≤ 0,40 1.20-1,70 2,00-2,50	- ≤ 0,05 0,05-0,10
Содержание, %: Мn 0,40…0,70; S ≤ 0,018; Р ≤ 0,018; Мо 0,40…0,60; Сu ≤ 0,25.

Рис. 11.49. Режимы окончательной термической обработки элементов сварного ротора К1000-60/1500 из стали 25Х2НМФА. Сталь, выплавленная ЭШП, подвергается отпуску 630…640 °С, мартеновская сталь с 0,24…0,26 % С – при 630…640 °С, а с содержанием С > 0,26 % - при 640…650 °С. Температура печи при посадке ≤ 350 °С: I – 1-я закалка; II – 2-я закалка (охлаждение до 120…150 °С на металле); III – отпуск

Таблица 11.64

Механические свойства элементов сварных роторов в

зависимости от категории прочности

Категория прочности	Направление вырезки образцов	σ0,2′	σв	δ	ψ	KCU, Дж/см^2	Угол загиба, град.	НВ	Рекоменду­емые марки стали
		кгс/мм^2		%
		Не менее
IIа	Продольное Тангенциальное	48-65	68 65	18 14	45 35	59 49	180 150	≤250	32ХМ1А
IIб	Продольное Тангенциальное	53-70	67	16 14	45 40	59 49	150 120	≤270	25X2НМФA
III	Продольное Тангенциальное Продольное из керна	65-75 65-75 ≥ 55	75 75 63	16 15 15	45 45 40	88	150	228-278	20ХН2МФА

На дисках из стали 20ХН2МФШ показано преимущество прерывистого (вода — масло) охлаждения в процессе закалки по сравнению с непрерывным Охлаждением в масле (табл. 11.65).

Таблица 11.65

Критическая температура хрупкости дисков из стали 20ХН2МФШ

в зависимости от охлаждения в процессе закалки

Охлаждение в процессе закалки	Место отбора образцов	Критическая температура хрупкости Т50, определенная на образцах^*, °С
		I типа	IV типа
Масло	Поверхность Центр	- 7 + 5	+ 30 + 30
Вода, затем масло	Поверхность Центр	- 80 - 30	- 40 + 10
^*ГОСТ 9454-78

Отпуск после сварки роторов турбин проводится при температуре 630… 640 °С с промежуточной выдержкой при 400…550 °С (с целью получения минималь­ного перепада температур между поверхностью и центром ротора). Охлаждение от температуры отпуска — медленное для обеспечения низкого уровня остаточных напряжений (рис. 11.50).

Рис. 11.50. Режим окончательной термической обработки сварных роторов

При выборе продолжительности и температуры отпуска можно пользоваться зависимостью между пределом текучести (σ_0,2, кгс/мм²) стали и параметрами отпуска:

где Т₁ — температура первого отпуска (элементов сварного ротора), К; Т — температура второго отпуска (сварного ротора), К; τ₁ — продолжительность первого отпуска (элементов сварного ротора), ч; τ — продолжительность второго отпуска (сварного ротора), ч; а₀, а₁, а₂ — коэффициенты, зависящие от химиче­ского состава стали и условии ее термической обработки.

Кроме указанных параметров при выборе продолжительности и температуры отпуска необходимо учитывать развитие процессов релаксации напряжений, а также полигонизации (при рекристаллизации) α-фазы, увеличивающих сопротивление хрупкому разрушению металла сварного соединения.

В процессе эксплуатации роторов среднего давления их рабочая температура может достигать 300…400 °С. Механические свойства стали 25Х2НМФА при крат­ковременных испытаниях в интервале температур 20…400 °С представлены в табл. 11.66.

Таблица 11.66

Механические свойства стали 25Х2НМФА при

кратковременных испытаниях

Температура испытаний, °С	σ0,2	σв	δ	ψ	KCU, Дж/см^2
	кгс/мм^2		%
20 50 100 200 300 400	53 52 52 50 52 50	70 67 64 62 64 61	22 20 20 19 17 14	76 76 76 72 68 64	265 265 265 265 274 255

Применение стали 25Х2НМФА позволяет обеспечить гарантированный уро­вень свойств элементов сварных роторов (табл. 11.67).

Таблица 11.67

Гарантируемый уровень механических свойств заготовок

сварных роторов из стали 25Х2НМФА

Марка стали	Температура испытания, °С	Механические свойства										Температурный интервал падения пластичности, °С	Критическая температура хрупкости после термического цикла сварки (ТЦС), °С	Критическая температура хрупкости Т50, °С
		σ0,2	σ в	δ	ψ	KCU^*	KCU^**	KCT	Предел выносливости, кгс/мм^2		К1с
		кгс/мм^2		%		Дж/см^2			С надрезом	Без надреза	кгс/мм^2^/3
25Х2НМФА	20	53	65	14	50	196	147	67	8,5	33	400	1460-1410	- 30	+ 20
	400	50	60	13	50	-	-	-	-	-	-	-	-	-
20ХН2МФШ	20	60	72	14	50	157	157	56	9,0	34	500	1450-1410	- 10	+ 20
^*На образцахIтипа;^**На образцахIVтипа

Цельнокованые и сварнокованые роторы турбин и генераторов. Рост мощности указанных энергоагрегатов и связанное с ним увеличение размеров роторов, повышение требований к качеству металла и уровню механических свойств потребовали изыскания новых сталей и разработки принципиально но­вых конструкций этих изделий.

Для изготовления роторов турбин и генераторов широкое применение нашли хромомолибденовые, хромоникельмолибденовые и хромоникельмолибденованадиевые стали, химический состав которых и требуемый уровень механиче­ских свойств приведены в табл. 11.68…11.70.

Таблица 11.68

Химические свойства сталей, применяемых для изготовления

дисков, валов и цельнокованых роторов паровых турбин, %

Марка стали	С	Мn	S	Р	Сr	Ni	Мо	V
40ХА 34XMA 34ХН1МА 34ХНЗМА 25Х2Н4МФА 35ХН1М2ФА 30ХНЗМ2ФА 36ХНЗМФА ЗЯХНЗМФА 27ХНЗМФА 25Х1М1ФА (Р2МА) 20ХЗМБФА (ЭИ415А)	0,36-0,44 0,30-0,40 0,30-0,40 0,30-0,40 0,2-0,29 0,32-0,40 0,26-0,32 0,30-0,40 0,34-0,42 0,24-0,30 0,21-0,29 0,16-0,24	0,50-0,80 0,40-0,70 0,50-0,80 0,50-0,80 0,25-0,55 0,50-0,80 0,20-0,50 0,25-0,50 0,25-0,55 0,30-0,60 0,30-0,60 0,25-0,60	≤ 0,022 ≤ 0,022 ≤ 0,022 ≤ 0,022 ≤ 0,020 ≤ 0,022 ≤ 0,022 ≤ 0,020 ≤ 0,022 ≤ 0,020 ≤ 0,022 ≤ 0,022	≤ 0,025 ≤ 0,025 ≤ 0,025 ≤ 0,025 ≤ 0,025 ≤ 0,025 ≤ 0,025 ≤ 0,025 ≤ 0,025 ≤ 0,020 ≤ 0,025 ≤ 0,025	0,8-1,1 0,9-1,3 1,3-1,7 0,7-1,1 1,6-1,9 1,3-1,7 1,2-1,7 1,2-1,5 1,2-1,5 1,4-1,8 1,5-1,8 2,4-3,3	≤ 0,25 ≤ 0,50 1,30-1,70 2,75-3,25 3,30-3,70 1,30-1,70 3,00-3,50 3,00-3,50 3,00-3,40 3,20-3,75 ≤ 0,40 ≤ 0,50	- 0,20-0,30 0,20-0,30 0,25-0,40 0,35-0,60 0,40-0,60 0,40-0,61 0,35-0,50 0,35-0,15 0,40-0,60 0,90-1,05 0,35- 0,65	- - - - 0,08-0,15 0,10-0,20 0,10-0,20 0,10-0,20 0,10-0,20 0,05-0,15 0,22-0,32 0,60-0,85 0,30-0,50Wo
Примечания: 1. Содержание Si 0,17…0,37 %; Сu ≤ 0,25 %. Стали 35ХН1М2ФА и 30ХНЗМ2ФА применяют для изготовления заготовок дисков паровых турбин. Стали 36ХНЗМФА, 38ХИЗМФЛ, 27ХНЗМФА, 25Х1M1ФА (Р2МА) и 20Х3МВФА (ЭИ415А) применяют для изготовления за­готовок валов и цельнокованых роторов паровых турбин. Для изготовления заготовок валов и цельнокованых роторов паровых турбин допускается в сталях: 34ХМА содержание 0,30…0,38 % С, 0,90…1,20 % Сг, ≤ 0,40 % Ni и 25Х2Н4МФЛ содержание 0,1…0,2 % V.

Для изготовления крупных роторов с диаметром бочки до 2000 мм разработана сталь 25ХНЗМФА, обладающая глубокой прокаливаемостью и низкой критиче­ской температурой хрупкости. Влияние температуры аустенитизации в интервале 780…1100 °С (выдержка при температуре аустенитизации 1 ч, охлаждение в масле и отпуск при 640 °С, 6 ч) на балл зерна аустеннта и механические свойства этой стали иллюстрирует табл. 11.71.

Аустенитизацию рекомендуется проводить в интервале температур 840…860 °С. Повышение температуры закалки до 900 °С увеличивает прочностные свой­ства (σ_в на 30 кгс/мм²) при одновременном снижении пластических характеристик (относительное удлинение на 9 %, а ударную вязкость на 7 кгс·м/см).

Если для заготовок роторов небольших сечений требуется повышенная вяз­кость и нет необходимости в достижении высокой прочности, то закалку рекомен­дуется проводить от 820…840 °С. При этом вследствие относительно низкого содержания углерода в стали, изделия можно охлаждать в воде или последова­тельно — в воде и масле.

Таблица 11.69

Механические свойства заготовок дисков в зависимости

от категории прочности (тангенциальные образцы)

Категория прочности	Применяемые марки стали	Высота ступицы, не более, мм	σ0,2, кгс/мм^2	σв, кгс/мм^2	δ, %	Ψ, %	KCU ^*, Дж/см^2	Угол загиба, град.
				Не менее
I II III IV	40XА 34ХМА, 40ХА 34ХМА, 34ХН1МА 34ХИ1МА	- - - 300	≥ 32 ≥ 4 0 50-70 60-80	57 60 67 78	17 17 15 14	40 40 40 40	39 39 49 49	150 150 150 120
V	34XHIMA 34ХНЗМА 35ХН1М2ФА 30ХНЗМ2ФА 25Х2Н4МФЛ	200 450 450 550 650	68-85	83	12	40	49	120
^* На образцах I типа.

Для получения высоких прочностных свойств рекомендуется нагрев под закалку крупных поковок проводить до 850…900 °С с последующим охлажде­нием на воздухе или в масле.

Влияние скорости охлаждения от 850 °С (выдержка 1 ч) на механические свой­ства стали 25ХНЗМФА приведены в табл. 11.72.

Влияние температуры отпуска на механические свойства образцов из стали 25ХНЗМФА после закалки от 850 °С показано в табл. 11.73.

Окончательная термическая обработка дисков из этой стали включает двойную закалку: первую от 900 °С с охлаждением в масле, вторую — от 840 °С с охлаждением сначала в воде (40 мин), затем в масле (50 мин) и далее отпуск при 610 °С 30 ч. Такая термическая обработка позволяет получить по сечению диска следующие механические свойства (тангенциальные образцы): σ_0,2 ≥ 77 кгс/мм². σ_в ≥ 87 кгс/мм², δ ≥ 15 %, ψ ≥ 62,5 %, KCU ≥ 118 Дж/см², Т₅₀ ≤ -18 °С (на образцах I типа).

Механические свойства стали 25Х2Н4МФА после термической обработки по тому же режиму, что и стали 25ХНЗМФА при температурах испытания 20…650 °С приведены в табл. 11.74.

Для изготовления роторов генераторов мощностью 500…1200 МВт для атомных электростанций применяют стали 25ХНЗМФА и 35ХНЗМФА, механические свойства которых должны удовлетворять следующим требованиям: σ_0,2 ≥ 55 кгс/мм². σ_в ≥ 65 кгс/мм², δ ≥ 15 %, ψ ≥ 35 %, KCU ≥ 49 Дж/см².

Окончательная термическая обработка роторов турбогенераторов, как пра­вило, состоит из однократной закалки с охлаждением в масле пли в воде и от­пуска, во время которого производится правка. Режим окончательной термиче­ской обработки валов роторов массой 50…100 т приведен на рис. 11.51.

Таблица 11.70

Механические свойства заготовок валов и роторов

в зависимости от категории прочности

Категория прочности	Применяе­мые марки стали	Направление и место вырезки образцов^*	σ0,2 , кгс/мм^2	σв, кгс/мм^2	δ		ψ		KCU^**, Дж/см^2	Угол загиба, град.
					%
				Не менее
I	40ХА, 34ХМА	Продольное Тангенциальное	35 33	58 55		17 13		40 32	39 39	180 150
IIа	34 ХМ Л	Продольное Тангенциальное	≤ 50 ≤ 47	62 47		15 11		40 32	59 44	150 120
IIб	25Х1М1ФА (Р2МА)	Продольное Тангенциальное	50-68	63 63		16 13		40 35	39 39	180 150
III	20Х3МВФЛ (ЭИ415А)	Продольное Тангенциальное	60-75	75 73		13 11		40 32	49 39	150 120
IV	34ХН1МА 38ХН3МФА 34ХН3МА	Продольное Тангенциальное	65-85	82 78		14 11		40 32	59 44	150 120
Va	27ХН3МФА 36ХН3МФА 38ХН3МФА	Продольное Тангенциальное	68-88	85 85		14 10		40 30	59 39	150 120
Vб	25Х2Н4МФА	Тангенциальное	68-85	83		12		40	49	120
^*Продольные образцы вырезаны из конца вала, тангенциальные - из бочки. ^**На образцах I типа.

Разработан новый режим окончательной термической обработки роторов из стали 35ХНЗМФА, состоящий из двойной закалки с охлаждением в масле и отпуска, обеспечивающий высокий уровень механических свойств по сечению ротора (табл. 11.75).

Таблица 11.71

Влияние температуры аустенизации на механические

свойства стали 25ХН3МФА

Температура аустеннизацин, °С	Механические свойства						Балл зерна аустенита
	σ0,2	σв	δ	ψ	KCU, Дж/см^2	НВ
	кгс/мм^2		%
780 820 860 900 950 1000 1100	64 71 90 93 94 06 95	76 81 99 103 103 105 105	24 23 17 17 16 16 15	76 75 69 68 67 65 63	265 255 196 186 176 157 127	240 250 300 310 310 320 320	9-10 9 8-9 7-8 6-7 5-6 4-5

Таблица 11.72

Влияние скорости охлаждения от температуры аустенизации на

механические свойства стали 25ХН3МФА (отпуск при 640 °С, 6 ч)

Скорость охлаждения, °С/ч	охлаждающая среда	σ0,2	σв	δ	ψ	KCU, Дж/см^2
		кгс/мм^2		%
70000 40000 3200 100 30	Вода Масло Воздух Печь Печь	86 89 88 86 84	95 98 98 97 96	17 17 15 15 15	64 63 62 56 54	157 137 137 118 98

Таблица 11.73

Влияние температуры отпуска (выдержка 6 ч) на механические

свойства стали 25ХН3МФА

Температура отпуска, °С	σ0,2	σв	δ	ψ	KCU, Дж/см^2
	кгс/мм^2		%
550 580 600 620 640 660 680	112,5 110,0 105,0 100,0 89,0 78,0 75,0	127 124 120 110 98 90 93	14,0 14,5 15,0 16,0 17,0 18,0 17,0	52 54 57 60 63 64 63	69 88 98 118 137 176 167

Таблица 11.74

Механические свойства стали 25Х2Н4МФА в зависимости

от температуры испытания

Температура ис­пытания, °С	σ0,2	σв	δ	ψ	KCU, Дж/см^2
	кгс/мм^2		%
20 60 100 150 200 250 300 360 400 450 500 550 600 650	77,0 77,0 74,5 71,5 71,0 70,0 70.5 66,5 69,5 63,5 61,5 55,5 46,5 34,0	92,5 89,5 87,0 85,0 83,5 84,0 84,0 81,6 80,5 74,5 67,5 58.5 47,5 36,0	18,0 17,5 16,0 15,5 15,0 14,5 13,5 14,5 15,0 15,5 15,0 18,5 25,0 26,0	63,0 65,0 64,0 65,0 63,0 63,0 63,0 61,5 65,0 68,0 74,0 81,5 89,0 91,5	122 137 172 167 176 167 167 157 157 147 142 147 221 245

Таблица 11.75

Механические свойства (тангенциальные образцы) по сечению

прибыльной части бочки (Ø 1800 мм) ротора турбогенератора

мощностью 1200 МВт из стали 35ХН3МФА

Расстоя­ние от центра, мм	σ0,2	σв	δ	ψ	KCU	KCT	Т50, °С
	кгс/мм^2		%		Дж/см^2
250 400 650 700 850	70 72 70 70 73	85 86 86 87 87	19 17 18 17 20	56 58 50 55 56	74 78 67 57 118	44 44 39 39 63	+10 +10 +10 +5 0