真空电渣重熔制备双合金汽轮机转子钢锭的装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于电渣重熔技术领域，具体是一种真空电渣重熔制备双合金汽轮机转子钢锭的装置及方法。
【背景技术】
[0002]在汽轮机运行过程中，高温高压的水蒸气依次进入高压缸、中压缸和低压缸，推动叶片旋转做功。在高中压缸中，水蒸气的温度压力都较高，因此要求汽轮机转子具有较高的高温抗蠕变性。另外，高中压缸中的叶片较短，水蒸气推动汽轮机旋转时产生的扭矩小，因此对汽轮机转子的韧性要求不高。在低压缸中，水蒸气的温度和压力都降低了，所以对转子的高温抗蠕变性能要求下降。由于低压缸中叶片变长，水蒸气推动汽轮机旋转时产生的扭矩增大，要求汽轮机转子具有很高的韧性。对于高温合金材料，高温抗蠕变性和韧性是矛盾的，提高材料的高温抗蠕变性就会降低其韧性，反之亦然。
[0003]为了使汽轮机转子达到不同的性能要求，目前都是采用分段制备的方法。首先分别制备高中压缸转子钢锭和低压缸转子钢锭，对这两个钢锭进行锻造和热处理，然后机加工成高中压缸转子和低压缸转子，最后使用联轴器或者通过焊接方法将这两段汽轮机转子连接在一起。但是这种方法不仅生产周期长、制备成本高，而且需要对两段汽轮机转子进行精密的平衡控制。两段联轴汽轮机转子的力学性能有一定程度的降低，此外，汽轮机转子的最高转速也会下降。这些都制约着汽轮机发电效率的提高。
【发明内容】
[0004]针对现有技术存在的问题，本发明提供一种真空电渣重熔制备双合金汽轮机转子钢锭的装置及方法。
[0005]本发明的技术方案是:
一种真空电渣重熔制备双合金汽轮机转子钢锭的装置，用于制备直径处于1.0m-L Sm范围内的汽轮机转子钢锭，该装置包括结晶器、导电杆、立柱、底水箱、导电横臂、真空罩、真空泵；所述导电横臂套在立柱上，导电杆固定在导电横臂上，结晶器放在底水箱上，结晶器上方安装有真空罩，真空罩与结晶器之间有耐高温的密封垫，真空泵通过管道连接至真空罩；
该装置还包括由两根直径相同而成分不同的子电极焊接而成的双合金串接式自耗电极，双合金串接式自耗电极与导电杆焊接固定，且双合金串接式自耗电极插入结晶器中。
[0006]所述两根直径相同而成分不同的子电极的一端均具有沿45°角切削的倒角。
[0007]所述两根直径相同而成分不同的子电极同轴对齐，且在两根子电极的倒角处焊接。
[0008]所述两根子电极的成分分别与高中压缸中汽轮机转子材料和低压缸中汽轮机转子材料相同。
[0009]本发明还提供一种利用所述的真空电渣重熔制备双合金汽轮机转子钢锭的装置制备双合金汽轮机转子钢锭的方法，包括以下步骤:
步骤1:根据汽轮机转子运行环境，确定高中压缸中汽轮机转子材料和低压缸中汽轮机转子材料；
步骤2:准备两根直径相同而成分不同的子电极，两根子电极的成分分别与高中压缸中汽轮机转子材料和低压缸中汽轮机转子材料相同，两根子电极的一端均沿45°角切削倒角；
步骤3:将两根子电极同轴对齐，在倒角处把两电极焊接形成双合金串接式自耗电极；步骤4:把导电杆固定在导电横臂上，将制备好的双合金串接式自耗电极焊接在导电杆上；
步骤5:将配比好的渣料加入到化渣炉内，通电将固态渣料熔化成液态熔渣；
步骤6:降低导电横臂，将双合金串接式自耗电极插入至结晶器中，接通结晶器和底水箱冷却水循环系统；
步骤7:当液态熔渣被加热至1700°C ~1800°C时，注入到结晶器中；
步骤8:随着液态熔渣液面上升，当双合金串接式自耗电极接触到液态熔渣时接通交流电源，导电杆、双合金串接式自耗电极、液态熔渣和底水箱组成通电回路，当电流达到4kA~6kA时停止注入液态熔渣；
步骤9:在结晶器上方安装真空罩，启动真空泵，排除真空罩和结晶器内的气体，使绝对真空度处于0.026kPa~60.75kPa范围内；
步骤10:双合金串接式自耗电极在液态熔渣内逐渐熔化并滴落，金属液滴穿过液态熔渣在结晶器内形成金属熔池，在冷却水作用下开始凝固；
步骤11:当双合金串接式自耗电极的第一根子电极熔化了 60%~80%的长度后，电流线性减小到停止注入液态熔渣时的电流的50%~70%，直至当前子电极全部熔化；此过程中，熔速减小，金属熔池逐渐变浅，此时金属熔池中液态金属的成分均为第一根子电极成分；
步骤12:当双合金串接式自耗电极的另一根子电极开始熔化时，在其前20%~40%的长度内，电流线性增加到停止注入液态熔渣时的电流，而后电流保持不变直至当前子电极全部熔化，此过程中，熔速增大，金属熔池中液态金属的成分逐渐转变为另一根子电极的成分;
步骤13:待双合金串接式自耗电极全部熔化后，关闭交流电源，保持真空泵继续运行，结晶器和底水箱内的冷却水继续循环直至双合金汽轮机转子钢锭完全冷却。
[0010]有益效果:
采用本发明的装置及方法制备的双合金汽轮机转子钢锭用来加工成汽轮机转子，可省去制备联轴器和焊接等工序，且一体化制备可减小汽轮机转子长度，节约材料，因而降低了生产成本，缩短了生产周期。制备相同规格的汽轮机转子，一体化制备比分段制备可减少材料费至少10%，减少机加费至少20%。一体化双合金汽轮机转子解决了因为使用联轴器或者焊接工艺而带来的轴不对称问题，能够在更高的转速下，稳定运行，可以提高汽轮机发电效率。
[0011]真空电渣重熔能够显著提高金属洁净度，获得组织致密、表面光洁度高的钢锭。在真空环境中的压力差作用下，水蒸气和其他有害气体易于排除，有利于熔渣的干燥，防止金属氧化和气体的进入，同时促进反应向低氧方向移动，降低了汽轮机转子钢锭中氢氧含量。真空环境中元素烧损少，金属收得率高，同时消除了白点及年轮状偏析，显著提高了汽轮机转子钢锭质量。
[0012]在子电极端头加工出一个倒角，一方面可以降低焊接难度。另一方面，在熔炼过程中减小电流时，避免横截面电流密度过低，影响电渣重熔过程的稳定性。
[0013]当双合金串接式自耗电极熔化到两根子电极焊接处时，先减小电流能够使金属熔池变浅，而后增大电流，使熔速变大，可以在短时间内完成两种合金成分的转变，过渡区长度变短。不仅缩短了汽轮机转子长度，而且提高了转子机械性能的稳定性。
【附图说明】
[0014]图1为本发明【具体实施方式】的一种真空电渣重熔制备双合金汽轮机转子钢锭的装置整体结构示意图；
图2为本发明【具体实施方式】的双合金串接式自耗电极结构示意图；
图3为本发明【具体实施方式】的真空电渣重熔过程中电流变化图；
图中，1-立柱，2-导电横臂，3-导电杆，4-真空罩，5-双合金串接式自耗电极，6-密封垫，7-结晶器，8-金属熔池，9-重熔后钢锭，10-底水箱，11-管道，12-真空泵，13-NiCrMoV电极，14-CrMoV电极。
【具体实施方式】
[0015]下面结合附图和实施例对本发明的【具体实施方式】做详细说明。
[0016]实施例1
一种真空电渣重熔制备双合金汽轮机转子钢锭的装置，如图1所示，用于制备直径1.0m的汽轮机转子钢锭，该装置包括结晶器7、导电杆3、立柱1、底水箱10、导电横臂2、真空罩4、真空泵12 ;导电横臂2套在立柱I上，导电杆3固定在导电横臂2上，结晶器7放在底水箱10上，结晶器7上方安装有真空罩4，真空罩4与结晶器7之间有耐高温的密封垫6，真空泵12通过管道11连接至真空罩4 ;熔化的金属液滴从双合金串接式自耗电极5的端头滴落，穿过熔渣在结晶器7内形成金属熔池8，而后在冷却水的强制冷却下逐渐凝固形成重熔后钢锭9，重熔过程结束后，分离真空罩4，抬起结晶器7，使其与底水箱10分离，重熔后的钢锭便从结晶器7中脱落。
[0017]该装置还包括由两根直径相同而成分不同的子电极焊接而成的双合金串