蒸气涡轮转子
阅读：752发布：2022-01-16
专利汇可以提供蒸气涡轮转子专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 涉及蒸气 涡轮 转子 ,目的是提供仅低压最末段进行高强度化,与高强度 钢 叶片 的长叶片化对应的可靠性高的蒸气涡轮转子。本发明的蒸气涡轮转子具备沉淀硬化型 马 氏体 不锈钢 制的蒸气涡轮低压最终段长叶片,在低 合金 钢构成的涡轮转子的最终段部接合具有特定合金组成的转盘,所述沉淀硬化型马氏体不锈钢以 质量 计含有0.1%以下的C、0.1%以下的N、9.0%以上14.0%以下的Cr、9.0%以上14.0%以下的Ni、0.5%以上2.5%以下的Mo、0.5%以下的Si、1.0%以下的Mn、0.25%以上1.75%以下的Ti、0.25%以上1.75%以下的Al,余量包含Fe以及不可避免的杂质。，下面是蒸气涡轮转子专利的具体信息内容。
1.蒸气涡轮转子,其特征在于,具备沉淀硬化型马氏体不锈钢制的蒸气涡轮低压最终段长叶片,在低合金钢构成的涡轮转子的最终段部接合转盘,
所述沉淀硬化型马氏体不锈钢以质量计含有0.1％以下的C、0.1％以下的N、9.0％以上
14.0％以下的Cr、11.0％以上12.0％以下的Ni、0.5％以上2.5％以下的Mo或者合计量为
0.5％以上2.5％以下的Mo及W、0.5％以下的Si、0.3％以上0.8％以下的Mn、0.25％以上
1.75％以下的Ti、0.25％以上1.75％以下的Al,合计量为0.05％以上0.45％以下的Nb、V及/或Ta，余量包含Fe以及不可避免的杂质,马氏体组织中的δ铁素体、残留奥氏体以及新马氏体分别不足10％，
所述转盘以质量计含有0.10～0.35％的C、0.50％以下的Si、0.33％以下的Mn、8.0～
13.0％的Cr、0.5～3.5％的Ni、1.5～4.0％的Mo、0.05～0.35％的V、Nb以及Ta的1种或2种的合计量为0.02～0.30％、以及0.02～0.15％的N,余量包含Fe以及不可避免的杂质。
2.权利要求1的蒸气涡轮转子,其特征在于,所述长叶片的不可避免的杂质为选自S、P、Sb、Sn以及As的至少1种,以质量计S:0.5％以下、P:0.5％以下、Sb:0.1％以下、Sn:0.1％以下、以及As:0.1％以下。
3.权利要求1或2的蒸气涡轮转子,其特征在于,通过TIG焊接、埋弧焊接、保护电弧焊接的任一种溶融焊接方法,对低压最终段的转盘进行焊接。
4.蒸气涡轮,其特征在于,具备权利要求1～3中任一项记载的蒸气涡轮转子。
5.蒸气涡轮发电设备,其特征在于,具备权利要求4记载的蒸气涡轮。
蒸气涡轮转子
技术领域
背景技术
[0002] 近年,从省能量(例如,化石燃料的节约)以及防止地球温暖化(例如,抑制CO2气体的产生量)的观点,希望火力发电设备的效率提高。作为提高蒸气涡轮效率的有效手段之一,就是蒸气涡轮长叶片的加长化。还有,蒸气涡轮长叶片的加长化,也能够期待通过轮机室数的减少而缩短设备建设期限或由此所致的成本削减这样的次要效果。
[0003] 长叶片由于在高的离心应力和湿润环境下使用,因此要求长叶片材料在强度和耐腐蚀性两方面具有优异的特性。还有,对于设置叶片的转子,随着叶片的大型化也要求高的强度,但现在使用的低压转子(非专利文献1;ASTM A470 Class7)的强度并不充分,还有通过热处理而使转子整体高强度化时,由于除最末段以外成为超出需要的强度而韧性降低,进一步增高耐应力腐蚀破裂的敏感性,因此作为转子的特性平衡恶化。
[0004] 现有技术文献
[0005] 非专利文献
[0006] 【非专利文献1】ASTM designation A470
发明内容
[0007] 发明要解决的课题
[0009] 用于解决课题的手段
[0011] 所述沉淀硬化型马氏体不锈钢以质量计含有0.1%以下的C、0.1%以下的N、9.0%以上14.0%以下的Cr、9.0%以上14.0%以下的Ni、0.5%以上2.5%以下的Mo、0.5%以下的Si、1.0%以下的Mn、0.25%以上1.75%以下的Ti、0.25%以上1.75%以下的Al,余量包含Fe以及不可避免的杂质,
[0012] 所述转盘以质量计含有C0.10～0.35%、Si0.50%以下、Mn0.33%以下、Cr8.0～13.0%、Ni0.5～3.5%、Mo1.5～4.0%、V0.05～0.35%、Nb以及Ta的1种或2种的合计量为0.02～
0.30%、以及N0.02～0.15%,余量包含Fe以及不可避免的杂质。
0.30%、以及N0.02～0.15%,余量包含Fe以及不可避免的杂质。
[0013] 发明的效果
[0015] 【图1】分割结构型低压涡轮转子轴的示意图。
[0016] 【图2】分割结构型高低压一体型涡轮转子轴的示意图。
[0017] 【图3】低压蒸气涡轮的截面图。
[0018] 符号说明
[0019] 11、21低压最终段部
[0020] 12、22低压部上游侧涡轮转子轴
[0021] 13、23焊接部
[0022] 14、24空隙
[0023] 15、25轴部
[0024] 26高压部涡轮转子轴
[0025] 41最终段长叶片
[0026] 42静叶片
[0027] 43轴承
[0028] 44分割结构型涡轮转子轴
具体实施方式
[0029] 以下,对本发明涉及的沉淀硬化型马氏体不锈钢长叶片材料所含的成分元素的作用和添加量的规定进行说明。
[0030] 碳(C)形成铬碳化物,碳化物的过剩析出引起韧性的降低,晶粒边界附近的Cr浓度降低引起耐腐蚀性的恶化等成为问题。还有,C使马氏体相变结束温度点显著降低。为此,C的量有减少的必要,优选0.1%以下,更优选0.05%以下。
[0031] 氮(N)形成TiN以及AlN,使疲劳强度降低,对韧性也有不良影响。还有,N使马氏体相变结束温度点显著降低。为此,N的量有减少的必要,优选0.1%以下,更优选0.05%以下。
[0032] 铬(Cr)由于在表面形成惰性被膜,因此是有助于耐腐蚀性提高的元素。通过将添加的下限设为9.0%,能充分确保耐腐蚀性。另一方面,当Cr过剩添加时,则形成δ铁素体,使机械性质以及耐腐蚀性显著恶化,所以上限设为14.0%。由以上可知,Cr的添加量设为9.0～14.0%是必要的。优选11.0～13.0%,特别优选11.5～12.5%。
[0033] 镍(Ni)抑制δ铁素体的形成,还有通过Ni-Ti以及Ni-Al化合物的沉淀硬化,是有助于强度提高的元素。还有,淬透性、韧性也改善。为了充分展现上述的效果,添加的下限设为9.0%是必要的。另一方面,添加量超过14.0%时,则残留奥氏体析出,得不到目标的拉伸特性。从以上方面考虑,Ni的添加量设为9.0～14.0%是必要的。更优选11.0～12.0%,特别更优选11.25～11.75%。
[0034] 钼(Mo)是提高耐腐蚀性的元素。为了得到目标的耐腐蚀性,至少0.5%的添加是必要的,另一方面,添加量超过2.5%时,则助长δ铁素体的形成,相反使特性恶化。从以上方面考虑,Mo的添加量设为0.5～2.5%是必要的。更优选1.0～2.0%,特别优选1.25～1.75%。
[0035] 硅(Si)为脱氧材料,优选0.5%以下。超过0.5%时,因为δ铁素体的析出而成为问题。更优选0.25%以下,特别优选0.1%以下。如果使用碳真空脱氧法,以及电渣熔化法的话,省略Si的添加是可能的。此时,优选不添加Si。
[0036] 锰(Mn)为脱氧剂以及脱硫剂,还有为了抑制δ铁素体的形成,至少0.1%以上的添加是必要的。另一方面,超过1.0%时,则由于韧性降低,因此Mn添加0.1～1.0%是必要的。更优选0.3～0.8%,特别更优选0.4～0.7%。
[0037] 铝(Al)形成Ni-Al化合物,是有助于沉淀硬化的元素。为了充分展现沉淀硬化,至少0.25%以上的添加是必要的。添加量超过1.75%时,Ni-Al化合物的过剩析出以及δ铁素体的形成引起机械性质的降低。从以上方面考虑,Al的添加量设为0.25～1.75%是必要的。更优选0.5～1.5%,特别优选0.75～1.25%。
[0038] 钛(Ti)形成Ni-Ti化合物,有助于沉淀硬化。为了充分展现上述的效果,添加的下限设为0.25%以上是必要的。过剩添加Ti时,由于形成δ铁素体,所以上限设为1.75%。为此,Ti的添加量设为0.25～1.75%是必要的。更优选0.5～1.5%,特别优选0.75～1.25%。
[0039] Al和Ti的添加量以合计计为0.75以上、2.25以下是必要的。小于0.75时,则沉淀硬化不充分,得不到目标的拉伸强度。另一方面,大于2.25时,则沉淀硬化变得过剩,韧性降低。
[0040] 铌(Nb)形成碳化物,是有助于强度、耐腐蚀性提高的元素。小于0.05%时,则其效果不充分,添加0.5%以上时,则助长δ铁素体的形成。从以上方面考虑,Nb的添加量设为0.05～0.5%是必要的。更优选0.1～0.45%,特别优选0.2～0.3%。
[0041] 还有,钒(V)、钽(Ta)也能够置换Nb。复合添加Nb、V、以及Ta的2种,或者3种时,添加量的合计设为与单独添加Nb为相同量是必要的。这些的元素的添加并非必须,但使沉淀硬化更显著。
[0042] 钨(W)和Mo同样具有提高耐腐蚀性的效果。W的添加并非必须,但通过与Mo的复合添加能够进一步提高该效果。此时,为了防止δ铁素体的析出,Mo和W的添加量的合计与单独添加Mo为相同量是必要的。
[0043] 本发明中所谓的不可避的杂质是指起因于原料中原来含有的杂质,或者在制造的过程中混入的杂质等而在本发明中所含的成分,并非指有意识地加入的成分。作为不可避免杂质,有P、S、Sb、Sn、以及As,其中的至少1种是本发明中所含的。
[0044] 还有,P以及S的减少,由于能够无损拉伸特性地提高韧性,所以优选尽可能减少。从提高韧性方面考虑,优选P:0.5%以下、S:0.5%以下。特别优选P:0.1%以下、S:0.1%以下。
[0045] 通过减少As、Sb、以及Sn,能够改善韧性。为此,优选上述的元素尽可能少,优选As:0.1%以下、Sb:0.1%以下、Sn:0.1%以下。特别优选As:0.05%以下、Sb:0.05%以下、Sn:0.05%以下。
[0046] 即使是满足上述成分范围的组成,为了在时效热处理后形成均匀回火马氏体组织,使下述的参数A、B同时在规定范围内是必要的。另外,在此所谓均匀回火马氏体组织是指组织中的δ铁素体、残留奥氏体以及新马氏体分别不足10%。
[0047] A:(Cr+2.2Si+1.1Mo+0.6W+4.3Al+2.1Ti)-(Ni+31.2C+0.5Mn+27N+1.1Co)[0048] B:(12.5-4.0Cr-6.0Ni-3.0Mo+2.5Al-1.5W-3.5Mn-3.5Si-5.5Co-2.0Ti-221.5C-321.4N)
[0049] 规定范围:4.0≤A≤10.0且2.0≤B≤7.0
[0050] A为涉及马氏体组织的稳定性的参数。为了得到均匀回火马氏体组织,在本发明钢的成分范围内,参数A优选4.0以上、10以下。由于伴随着δ铁素体、残留奥氏体的析出,拉伸强度等特性降低,因此从安全方面考虑,这些的析出容许量分别设为1.0%、10%以下。参数A不足4.0时,残留奥氏体析出10%以上,还有,奥氏体稳定化倾向强,下述参数B即使在既定的范围内,在没有深冷的情况下马氏体相变不会结束,即使Ac1温度以下的时效处理,也不能将奥氏体分解至10%以下。还有,参数A比10大时,δ铁素体析出10%以上。
[0051] B为涉及发明材料的相变温度的参数,为了实现得到均匀回火马氏体组织的目标的马氏体相变结束温度为20℃以上,在本发明钢的成分范围内,参数B优选2.0以上。另一方面,参数B比7.0大时,Ac1温度变低,在本发明钢的时效热处理温度的500～600℃的时效处理时硬且脆的新马氏体组织生成10%以上,韧性低于目标。
[0052] 由以上可知,通过选择满足参数A为4.0以上、10.0以下,参数B为2.0以上、7.0以下的成分范围,能够得到具有高强度、高韧性以及高耐腐蚀性、成为均匀回火马氏体组织的合金。
[0053] 本发明的涡轮转子,其特征在于,转子转盘部材料以质量计含有C0.10～0.35%、Si0.50%以下、Mn0.33%以下、Cr8.0～13.0%、Ni0.5～3.5%、Mo1.5～4.0%、V0.05～0.35%、Nb以及Ta的1种或2种的合计量为0.02～0.30%、以及N0.02～0.15%,余量包含Fe以及不可避免的杂质,在由低合金钢构成的涡轮转子的最终段部进行接合。
[0055] 本发明还涉及其特征在于包含上述涡轮转子的蒸气涡轮、以及蒸气涡轮发电设备。
[0056] 转子的叶片植入部由于要耐高速旋转引起的高的离心应力和在湿润环境下的使用,因此在拉伸强度高的同时,耐腐蚀性必须高。为此,涡轮转子材料的金属组织由于当有害的δ铁素体存在时，则机械特性显著降低,因此必须是全回火马氏体组织。
[0057] 本发明中所用的转盘用高Cr钢以用下式计算的Cr当量成为10以下的方式调整成分,有必要使得实质上不含δ铁素体相。
[0058] Cr当量=Cr+6Si+4Mo+1.5W+11V+5Nb
[0059] -40C-30N-30B-2Mn-4Ni-2Co
[0060] +2.5Ta
[0061] 涡轮转子最终段的转盘材料的拉伸强度为1000MPa以上,优选1100MPa以上。
[0062] 对于本发明的涡轮转子转盘材料的成分范围限定理由进行说明。为了得到高的拉伸强度,C有必要在0.15%以上。太多C时,由于韧性、以及焊接性降低,因此设为0.35%以下。特别优选0.16～0.33%,更优选0.17～0.30%。还有,进行进一步研究的结果,可知C即使在
0.10%也能够得到充分高的拉伸强度。因此,C的成分范围特别优选0.11～0.33%,更优选
0.12～0.30%。
0.10%也能够得到充分高的拉伸强度。因此,C的成分范围特别优选0.11～0.33%,更优选
0.12～0.30%。
[0063] Si为脱氧剂,Mn为脱硫-脱氧剂,是在钢的熔化时添加的,即使少量也有效果。Si为δ铁素体生成元素,由于多量的添加成为使疲劳以及韧性降低的有害δ铁素体生成的原因,因此优选0.50%以下。另外,根据碳真空脱氧法以及电渣重熔法等,Si添加并非必要,不添加Si为宜。特别是优选0.10%以下,更优选0.05%以下。
[0064] 由于少量的Mn的添加使韧性提高,多量的添加使韧性降低,优选0.33%以下。特别是Mn作为脱硫剂是有效的,所以从提高韧性方面考虑为0.30%以下,特别是0.25%以下,更优选0.20%以下。
[0065] Cr提高耐腐蚀性和拉伸强度,但添加13%以上时,则成为δ铁素体组织生成的原因。小于8%时,由于耐腐蚀性不充分,因此Cr优选8～13%。特别是从强度方面考虑为10.5～
12.8%,更优选11～12.5%。
12.8%,更优选11～12.5%。
[0066] Mo通过固熔强化以及碳化物-窒化物析出强化作用而具有提高强度的效果。Mo为1.5%以下时,则强度提高效果不充分,变成4%以上时,由于成为δ铁素体生成原因,因此优选
1.5～4.0%。特别是1.7～3.5%,更优选1.9～3.0%。另外,W以及Co也具有与Mo同样的效果,为了使强度更高,能够含有与上限同等的含量。
1.5～4.0%。特别是1.7～3.5%,更优选1.9～3.0%。另外,W以及Co也具有与Mo同样的效果,为了使强度更高,能够含有与上限同等的含量。
[0067] V以及Nb析出碳化物,在提高拉伸强度的同时,具有提高韧性的效果。在V0.05%、Nb0.02%以下时该效果不充分,V0.35%、Nb0.3%以下由于抑制δ铁素体的生成,因此优选。特别是V为0.15～0.30%,更优选0.20～0.30%,Nb为0.10～0.30%,更优选0.12～0.22%。作为Nb的代替,能够完全同样地添加Ta,在复合添加中也能够以合计量设为同样的含量。
[0068] Ni在提高低温韧性的同时,具有防止δ铁素体生成的效果。该效果在Ni0.5%以下时不充分、当超过3.5%添加时效果饱和。特别优选0.8～3.2%,更优选1.0～3.0%。
[0069] N具有强度的提高以及防止δ铁素体的生成的效果,不足0.02%时，该效果不充分,超过0.15%时，使韧性、焊接性降低。特别是在0.04～0.10%的范围能够得到优异的特性。
[0070] Si、P以及S的减少具有提高低温韧性的效果,优选尽可能减少。从提高低温韧性方面考虑,Si0.50%以下,优选0.1%以下,优选P0.015%以下、S0.015%以下。特别优选Si0.05%以下、P0.010%以下、S0.010%以下。
[0071] Sb、Sn以及As的减少也具有提高低温韧性的效果,优选尽可能减少,从现状制钢技术水平方面考虑,限定Sb0.0015%以下、Sn0.01%以下、以及As0.02%以下。特别优选Sb0.001%以下、Sn0.005%以及As0.01%以下。
[0072] 本发明涡轮转子的焊接是以TIG焊接、埋弧焊接、保护电弧焊接的任一种进行焊接,焊接后的热处理是在560℃～580℃进行,充分除去残留应力的同时,抑制逆相变奥氏体的生成,转盘优选形成完全的回火马氏体,低合金转子优选形成回火贝氏体。
[0073] 以下,说明实施例。
[0074] 〔实施例〕
[0075] 【实施例1】
[0076] 表1表示在长叶片部件中所用的沉淀硬化型马氏体不锈钢的化学组成(质量%)。余量为Fe。各试样以150kg进行真空电弧熔化,加热至1150℃,进行锻造,作为实验材料。作为固溶热处理,在950℃保持1小时后浸渍于室温的水中,进行水冷。接着,作为时效热处理,在500℃保持2小时后取出至室温的大气中,进行空冷。
[0077] 表2表示室温的拉伸试验、V缺口夏比冲击试验的结果。
[0078] 表1
[0079] （质量%）
[0080]材料 C Cr Ni Si Mn Al P S Mo Ti N A B (Al+Ti)
合金1 0．01 12.1 11.1 0.002 0．05 1.3 0.002 0.002 1．4 0.65 0．002 9.0 5.1 1．9[0081] 表2
合金1 0．01 12.1 11.1 0.002 0．05 1.3 0.002 0.002 1．4 0.65 0．002 9.0 5.1 1．9[0081] 表2
[0082]
[0083] 表3表示涡轮转子转盘部件涉及的高Cr钢的化学组成(质量%),余量为Fe。各试样分别以150kg进行真空电弧熔化,加热至1150℃进行锻造,作为实验材料。该材料在1050℃加热2小时后进行吹风冷却,在冷却温度150℃停止,由该温度,在560℃加热2小时后进行空冷的一次回火,然后在600℃加热5小时后进行炉冷的二次回火。
[0084] 表3
[0085] （质量%）
[0086]材料 C Cr Ni Si Mn P S Mo N
转子 0.12 11.5 1.5 0．01 0．25 0．002 0．002 1．8 0．03
转子 0.12 11.5 1.5 0．01 0．25 0．002 0．002 1．8 0．03
[0087] 从热处理后的材料采取拉伸试验片以及V缺口夏比冲击试验片,供实验用。
[0088] 表4表示在室温的拉伸试验、V缺口夏比冲击试验的结果。
[0089] 表4
[0090]
[0091] 叶片材料、转子材料也充分满足大型长叶片要求的机械特性。
[0092] 【实施例2】
[0093] 图1表示双流式的低压涡轮转子的概要。将实施例1所示的高Cr钢转子转盘成分通过真空熔化制成电极,通过ESR法进行再熔化,制成实体机大小的大型转盘。以ASTM A470 Class7中规定的低合金钢制成转轴,以仅在最终段的转盘部成为高Cr钢的方式,通过TIG焊接、埋弧焊接进行接合,制成分割结构型的涡轮转子。最终段部11为高Cr钢转盘,上游侧12为低合金钢,轴部15以减少轴承部的损伤为目的设为低合金钢,能够使用包含1～2.5%的Cr的材料。焊接部13从内周侧开始焊接,初层～第3层通过TIG焊接,然后埋弧焊接进行接合。14是用于减少重量的空隙。
[0094] 图2表示单流式的高低压一体型涡轮转子的概要。将实施例1所示的高Cr钢转子转盘成分通过真空熔化制成电极,通过ESR法进行再熔化,制成实体机大小的大型转盘。以ASTM A470 Class7中规定的低压转子材料、ASTM A470 Class8中规定的高压转子材料制成转子轴,以最终段的转盘部成为高Cr钢的方式,通过TIG焊接、埋弧焊接进行接合,制成分割结构型的涡轮转子。最终段部21为高Cr钢转盘,高压部26为ASTM A470 Class8,低压部22为ASTM A470 Class7,轴部25以减少轴承部的损伤为目的设为低合金钢,能够使用包含1～2.5%的Cr的材料。焊接部23从内周侧开始焊接,初层～第3层通过TIG焊接,然后埋弧焊接进行接合。24为由于重量减少的空隙。
[0095] 【实施例3】
[0096] 图3表示低压蒸气涡轮的截面图。转子44包含实施例2所示的低压涡轮转子,最终段长叶片41是通过实施例1所示的材料组成,由模锻锻造进行制造。
[0097] 产业上的可利用性
[0098] 本发明的蒸气涡轮转子除了通过在高强度、高韧性、高耐腐蚀方面性优异的长叶片、转子能够适用于大型的蒸气涡轮转子之外,还能够适用于气体涡轮压缩机等。
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