大型混流式水轮机转轮马氏体不锈钢铸件的制作方法

本发明涉及一种大型混流式水轮机转轮马氏体不锈钢铸件。

背景技术：

大型混流式水轮机转轮是由上冠、下环、叶片三部分焊接而成，大型混流式水轮机转轮上冠、下环、叶片铸件重量大、尺寸大，叶片还存在三维空间变截面变曲面，壁厚严重不均的特点。由于要进行大量焊接加工，故要求铸件具有较好的可焊性能。实际生产中，上冠、下环、叶片马氏体不锈钢铸件上述特点，其铸造成形工艺难度极大，易产生变形、偏析、裂纹、夹渣等缺陷，质量风险很高。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种性能优异及性能稳定的大型混流式水轮机转轮马氏体不锈钢铸件。

为了达到上述的技术效果，本发明采取以下技术方案：

一种大型混流式水轮机转轮马氏体不锈钢铸件，浇注铸件的钢水熔炼成分和铸件成品成分由下述质量分数的组分组成：

碳≤0.04％，但≠0；

硅≤0.60％，但≠0；

锰≤1.0％，但≠0；

磷≤0.028％，但≠0；

硫≤0.008％，但≠0；

铬：12.5％～13.5％；

镍：3.8％～5.5％；

钼：0.4％～1.0％；

杂质元素总含量≤0.5％，其中：铜≤0.5％，钨≤0.10％，钒≤0.05％；

气体含量：氧≤0.008％，氮≤0.015％，氢≤0.0003％；

镍当量与铬当量的比值≥0.42，

其中：镍当量Nieq＝Ni+30(C+N)+0.5Mn，铬当量Creq＝Cr+Mo+1.5Si；

余量为铁和不可避免的杂质。

进一步的技术方案是，浇注铸件的钢水熔炼成分和铸件成品成分由下述质量分数的组分组成：

碳≤0.04％，但≠0；

硅≤0.60％，但≠0；

锰≤1.0％，但≠0；

磷≤0.028％，但≠0；

硫≤0.008％，但≠0；

铬：12.5％～13.5％；

镍：4.5％～5.5％；

钼：0.4％～1.0％；

杂质元素总含量≤0.5％，其中：铜≤0.5％，钨≤0.10％，钒≤0.05％；

气体含量：氧≤0.008％，氮≤0.015％，氢≤0.0003％；

镍当量与铬当量的比值≥0.42，

其中：镍当量Nieq＝Ni+30(C+N)+0.5Mn，铬当量Creq＝Cr+Mo+1.5Si；

余量为铁和不可避免的杂质。

进一步的技术方案是，浇注铸件的钢水熔炼成分和铸件成品成分由下述质量分数的组分组成：

碳≤0.04％，但≠0；

硅≤0.60％，但≠0；

锰≤1.0％，但≠0；

磷≤0.028％，但≠0；

硫≤0.008％，但≠0；

铬：12.5％～13.5％；

镍：3.8％～5.0％；

钼：0.4％～1.0％；

杂质元素总含量≤0.5％，其中：铜≤0.5％，钨≤0.10％，钒≤0.05％；

气体含量：氧≤0.008％，氮≤0.015％，氢≤0.0003％；

镍当量与铬当量的比值≥0.42，

其中：镍当量Nieq＝Ni+30(C+N)+0.5Mn，铬当量Creq＝Cr+Mo+1.5Si；

余量为铁和不可避免的杂质。

进一步的技术方案是，所述的大型混流式水轮机转轮马氏体不锈钢铸件为单机容量500MW以上大型混流式水轮机转轮马氏体不锈钢铸件，其中，转轮上冠铸件≥6000mm，毛重≥100t，转轮下环铸件外径≥6000mm，毛重≥60t，转轮叶片铸件表面积≥12m²，厚度30～180mm，毛重≥15t。如某电站混流式水轮机转轮马氏体不锈钢铸件外径Φ9400mm，高度4255mm，净重359t，其中，转轮上冠铸件尺寸(最大外径×高度)8680mm×2785mm，净量100t(毛重大于150t)，转轮下环铸件尺寸(最大外径×高度)9400mm×1911mm，净重55t(毛重大于100t)，转轮叶片铸件表面积超过20m²，厚度30～180mm，净重13.5t(毛重大于18t)。

进一步的技术方案是，所述铸件的屈服强度≥580MPa，抗拉强度≥780MPa，断后伸长率≥20％，断面收缩率≥55％，冲击吸收能量≥100J，硬度220～285HBW，冷弯(α＝90°，d＝25mm)：无裂纹。

本发明与现有技术相比，具有以下的有益效果：

大型混流式水轮机转轮马氏体不锈钢铸件的屈服强度≥580MPa，抗拉强度≥780MPa，断后伸长率≥20％，断面收缩率≥55％，冲击吸收能量≥100J，硬度220～285HBW，冷弯(α＝90°，d＝25mm)：无裂纹。

附图说明

图1为上冠无损检测分区示意图，其中a为上冠(止漏环位置1)b为上冠(止漏环位置2)；

图2为下环无损检测分区示意图；其中a为下环(止漏环位置1)，b为下环(止漏环位置2)；

图3为叶片无损检测分区(正背面检测分区相同)示意图。

具体实施方式

下面结合本发明的实施例对本发明作进一步的阐述和说明。

1、大型混流式水轮机转轮马氏体不锈钢铸件的制造步骤如下

1.1冶炼：钢水经过电炉冶炼后，应采用VOD或AOD等方法进行精炼。冶炼工艺满足以下三点：

a)冶炼时控制钢中的Ni_eq/Cr_eq值，以有效减少铸件中的δ铁素体含量；

b)推荐尽可能将Al含量控制到最低；

c)当多炉钢水合浇时，每炉钢水都应进行熔炼化学成分分析。

1.2铸造

1.2.1工艺设计：根据订货图样结合实际生产条件设计铸造工艺，推荐采用平稳充型浇注系统；采用铸造模拟软件进行工艺优化设计。为减少叶片加工余量，推荐对叶片铸件进行应力变形模拟分析，应力变形模拟分析应包含铸造、热处理等主要工序。

1.2.2造型：推荐造型面砂使用铬铁矿砂，厚度为20mm～50mm，表面刷锆英粉涂料，或采用性能更优的造型材料和涂料。

1.2.3浇注：浇注前应向型腔内通氩气，并在氩气保护下浇注。

1.2.4落砂：工艺规定的落砂温度应考虑相变应力。

1.3热处理

1.3.1热处理炉：热处理炉应按GB/T 9452定期进行检测并合格，满足工艺要求。

1.3.2清除铸造应力热处理：铸件清理后应立即进行消除铸造应力热处理；在铸件温度降低至250℃之前，完成冒口切割作业。

1.3.3性能热处理：铸件性能热处理由一次正火和两次回火组成；推荐正火加热过程中在800℃均温，使铸件各部分温度均匀，然后加热至1040℃进行正火处理。回火的温度不低于590℃，以便获得适量的逆变奥氏体和最佳的综合力学性能。

1.4缺陷焊补

1.4.1焊补前准备：焊补材料为与铸件同材质或相近的马氏体不锈钢材料，首批生产时，焊前应提交焊接工艺评定报告。

1.4.2焊补过程控制：焊补前应清除缺陷，然后进行液体渗透探伤(PT)或磁粉探伤(MT)，以保证缺陷完全清除。焊前对铸件进行预热，预热温度不低于100℃，预热区域的面积应不小于缺陷面积的3倍。

1.4.3焊补后消除应力热处理：要缺陷和特殊缺陷焊补后都应进行消除应力热处理，热处理温度不得高于二次回火温度。

1.4.4焊补后检查：焊补后进行无损检测。

1.5机械加工和粗磨

2、检测规格试验方法

2.1铸件的检测试样

铸件的检测试样最小尺寸为60mm×100mm×220mm。

铸件的成品化学分析、气体含量分析和力学性能试验采用同一铸件的检测试样。

2.2化学成分分析

2.2.1按GB/T 20066规定，化学成分分析样品应取自附铸试样表层以下至少6mm处。

2.2.2化学成分分析按GB/T 223或GB/T 11170规定进行。

2.2.3化学成分仲裁按照GB/T 222和GB/T 223规定。

2.2.4气体含量分析按GB/T 11261、GB/T 20124、GB/T 223.82规定进行。

浇注铸件的钢水熔炼分析和铸件成品分析，其化学成分、气体含量见表1、表2。

表1化学成分

表2气体含量(质量百分比)

2.3力学性能试验

2.3.1拉伸和冲击

取一个拉伸试样和一组冲击试样(三个试样)进行试验，拉伸试验按GB/T228.1规定进行，冲击试验按GB/T 229规定进行。

2.3.2硬度

硬度检测按GB/T 231.1规定进行。

2.3.3弯曲试验

试样截面尺寸为13mm×25mm，长度≥180mm，倒角半径≤2mm，表面粗糙度Ra值达到0.8μm。弯曲试验按GB/T 232规定进行。

大型混流式水轮机转轮马氏体不锈钢铸件的力学性能见表3.

表3力学性能

2.4无损检测

按CCH70-3标准规定对铸件进行超声波探伤(UT)、磁粉探伤(MT)或液体渗透探伤(PT)及目视(VT)等无损检测，检验符合按图1、表4和图2、表5及图3、表6规定。

表4上冠无损检测

表5下环无损检测

表6叶片无损检测

下述实施例制作的混流式水轮机转轮马氏体不锈钢铸件的尺寸如下：外径Φ9400mm，高度4255mm，净重359t，其中，转轮上冠铸件尺寸(最大外径×高度)8680mm×2785mm，净量100t(毛重大于150t)，转轮下环铸件尺寸(最大外径×高度)9400mm×1911mm，净重55t(毛重大于100t)，转轮叶片铸件表面积超过20m²，厚度30～180mm，净重13.5t(毛重大于18t)。

实施例1：

浇注上冠铸件的钢水熔炼成分和铸件成品成分由下述质量分数的组分组成：碳：0.04％；硅：0.52％；锰：0.64％；磷：0.018％；硫：0.002％；铬：12.5％；镍：4.41％；钼：0.52％；余量为铁和不可避免的杂质。对应的屈服强度611MPa，抗拉强度818MPa，断后伸长率23％，断面收缩率73％，冲击吸收能量180J，弯曲90°无裂纹。

实施例2：

浇注下环铸件的钢水熔炼成分和铸件成品成分由下述质量分数的组分组成：碳：0.021％；硅：0.35％；锰：0.62％；磷：0.011％；硫：0.003％；铬：12.58％；镍：4.36％；钼：0.52％；余量为铁和不可避免的杂质。对应的屈服强度590MPa，抗拉强度812MPa，断后伸长率24％，断面收缩率74％，冲击吸收能量186J，弯曲90°无裂纹。

实施例3：

浇注叶片铸件的钢水熔炼成分和铸件成品成分由下述质量分数的组分组成：碳：0.025％；硅：0.37％；锰：0.82％；磷：0.016％；硫：0.004％；铬：12.88％；镍：4.66％；钼：0.58％；余量为铁和不可避免的杂质。对应的屈服强度725MPa，抗拉强度833MPa，断后伸长率23％，断面收缩率75％，冲击吸收能量176J，弯曲90°无裂纹。

实施例4：

浇注叶片铸件的钢水熔炼成分和铸件成品成分由下述质量分数的组分组成：碳：0.024％；硅：0.35％；锰：0.82％；磷：0.017％；硫：0.008％；铬：12.62％；镍：4.55％；钼：0.51％；余量为铁和不可避免的杂质。对应的屈服强度703MPa，抗拉强度818MPa，断后伸长率23％，断面收缩率68％，冲击吸收能量139J，弯曲90°无裂纹。

尽管这里参照本发明的解释性实施例对本发明进行了描述，上述实施例仅为本发明较佳的实施方式，本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。