Термическая обработка крупных поковок: как печи с подом на тележках справляются с воздействием ветра, энергии и давления.
Ковка ротора генератора весом 200 тонн не помещается в печь. Она устанавливается в печь с подом на тележке, длиной 30 метров и шириной 6 метров, с излучающими трубами, рассчитанными на 1050 градусов Цельсия, вентиляторами рециркуляции, перемещающими 200 000 кубических метров атмосферного воздуха в час, и равномерностью температуры плюс-минус 5 градусов Цельсия от угла до угла. Ковка находится на тележке от 5 до 10 дней, медленно проходя стадию аустенитизации, выдерживаясь в течение нескольких часов и охлаждаясь с контролируемой скоростью. Пропуск одного этапа — и ковка выйдет из строя в процессе эксплуатации. Соблюдение всех этапов — и ковка прослужит 30 лет на электростанции.
Вот как на самом деле происходит термообработка крупных поковок.
Отправной точкой является спецификация на ковку.
Главные валы ветротурбин, роторы генераторов, роторы турбин, корпуса сосудов высокого давления, компоненты ядерных реакторов — для каждого из них в проектном кодексе прописаны требования к термообработке. Разделы I и VIII стандарта ASME, EN 10028, EN 10222, а также различные спецификации заказчиков (Siemens, GE, MAN, Mitsubishi) определяют требуемые механические свойства, температурный диапазон, время выдержки, скорость охлаждения и требования к испытаниям.
Технические условия определяют цикл термообработки. Типичный цикл термообработки крупногабаритной поковки выглядит следующим образом:
Предварительный нагрев (медленное повышение температуры от комнатной до 400–600 градусов Цельсия со скоростью 50–100 градусов Цельсия в час). Медленное повышение температуры позволяет избежать термического шока при холодной ковке.
2. Нагрев до температуры аустенитизации (обычно от 850 до 950 °C для нормализации, от 950 до 1050 °C для отжига или закалки). Скорость нагрева на этом этапе составляет от 100 до 150 °C в час.
3. Выдержка при заданной температуре (от 1 до 4 часов на каждые 100 мм толщины сечения, иногда дольше). Выдержка обеспечивает равномерное распределение температуры по всей ковке.
4. Контролируемое охлаждение. Для нормализации поковка охлаждается на воздухе. Для отжига она охлаждается в печи до температуры ниже 400 градусов Цельсия с контролируемой скоростью. Для закалки она переносится в водяную или масляную ванну.
5. Отпуск (повторный нагрев до 550–700 градусов Цельсия, выдержка, охлаждение). Этап отпуска повторяется для некоторых спецификаций.
На этом цикле поковка толщиной 500 мм занимает от 3 до 5 дней от загрузки до выгрузки. Печь задействована на протяжении всего цикла — нет возможности провести плавку меньшего размера.
Равномерность распределения температуры — это определяющий критерий.
Для печи длиной 30 метров с 200-тонной ковкой разница температур между самой горячей и самой холодной точкой камеры во время выдержки должна составлять плюс-минус 5-10 градусов Цельсия. При большей разнице температур микроструктура ковки становится неравномерной. Холодные точки нормализуются или отжигаются не полностью, горячие точки увеличиваются в размерах, а механические свойства изменяются по всей ковке.
Для достижения такой однородности необходима серьезная система рециркуляции. В печи установлены высокоскоростные вентиляторы или форсунки, которые забирают горячий газ сверху и проталкивают его вниз через заготовку. Мощность каждого вентилятора составляет от 30 до 75 кВт, и их от 4 до 8 распределены по камере. Диаметр рециркуляционных каналов рассчитан на перемещение от 150 000 до 300 000 кубических метров атмосферы в час.
Конструкция излучающих труб также разработана для обеспечения равномерности. Трубы расположены зонами — обычно от 4 до 6 зон вдоль длины печи и от 2 до 3 зон сверху вниз. Каждая зона имеет свой собственный комплект горелок и свой контур регулирования температуры. Система управления считывает показания нескольких термопар в каждой зоне и регулирует скорость горения горелок для поддержания заданной температуры.
Размещение термопар имеет решающее значение. Контрольные термопары обычно располагаются на расстоянии от 1,5 до 2 метров от поверхности заготовки, в газовом пространстве. Контрольные термопары (или термопары нагрузки) вставляются в просверленные отверстия в образцах или в зоны низкого напряжения на готовой ковке. Контрольные термопары являются официальным подтверждением термической обработки — они подтверждают, что ковка действительно достигла требуемой температуры в течение требуемого времени.
Для ответственных компонентов (ядерные роторы высокого давления) спецификация может предусматривать установку нескольких термопар в ковке, в том числе в самой толстой и самой тонкой секциях. Регистратор данных записывает показания всех термопар на протяжении всего цикла, и эти данные становятся частью пакета документов по контролю качества ковки.
Время выдержки зависит от толщины участка.
Общее правило — 1 час на каждые 25 мм толщины сечения для аустенитизации, иногда 1 час на каждые 20 мм для высоколегированных сталей. Для поковки толщиной 500 мм требуется от 20 до 25 часов выдержки после достижения печью заданной температуры. Это помимо времени нагрева. Сам нагрев занимает от 8 до 12 часов при температуре 100 градусов Цельсия в час.
Весь цикл в основном определяется нагревом и выдержкой. Охлаждение обычно происходит быстрее, особенно при нормализации (охлаждение на воздухе) или закалке в масле (сама закалка занимает от 4 до 8 часов для 200-тонной поковки). Охлаждение в печи до 400 градусов Цельсия занимает от 6 до 10 часов, в зависимости от требуемой скорости охлаждения.
Контроль атмосферы — это переменная, определяющая состояние поверхности.
Для снятия напряжений и нормализации допустима слегка окислительная атмосфера — на ковке образуется тонкий слой оксида, который удаляется дробеструйной обработкой после термообработки. Для отжига или для деталей, требующих механической обработки поверхности, необходима контролируемая атмосфера для минимизации образования окалины и обезуглероживания.
Атмосфера регулируется путем поддержания небольшого избыточного давления в печи (обычно от 1 до 5 мбар выше атмосферного) и подачи небольшого количества воздуха или инертного газа. Некоторые большие топочные камеры имеют конструкцию с полным муфельным уплотнением — внутренней газонепроницаемой камерой, которая изолирует заготовку от продуктов сгорания. Муфельное уплотнение дорогое, но обеспечивает точный контроль атмосферы.
Для компонентов, требующих поверхности без обезуглероживания (например, посадочных мест подшипников на больших роторах), спецификация предусматривает защитную атмосферу — обычно азот с добавлением нескольких процентов восстанавливающего газа (водорода или диссоциированного аммиака). Печь герметизируется, воздух удаляется, и защитная атмосфера поддерживается на протяжении всего цикла. Глубина обезуглероживания в этом режиме обычно ограничивается 0,5 мм или менее.
Погрузка и разгрузка крупных поковок — это масштабная операция.
Для погрузки 200-тонной заготовки на тележку требуется тяжелый подъемный кран — обычно грузоподъемностью от 300 до 500 тонн с подъемной балкой. Операция погрузки занимает от 30 до 60 минут с полным штатом бригады. Заготовка прибывает в цех, кран поднимает ее, тележка устанавливается на место, заготовка опускается в топку, и подъемное оборудование снимается. Затем тележка перемещается в печь, дверь закрывается, и начинается цикл нагрева.
Для крупногабаритной поковки обычно используется тяжелая стальная или литая основа с фиксирующими элементами. Для вала ротора приспособление может представлять собой длинную станину из V-образных блоков, расположенных на некотором расстоянии друг от друга по длине и поддерживающих вал в нескольких точках. Для кольца или оболочки приспособление представляет собой плоское основание, на котором деталь стоит на ребре.
Процесс разгрузки обратный: тележка выдвигается, кран захватывает поковку, и поковка перемещается на следующий этап (механическая обработка, испытания или дальнейшая термообработка). Оператор крана работает из кондиционированной кабины, поскольку тепловое излучение от поковки очень интенсивное — от 200 до 500 градусов Цельсия на поверхности даже после цикла разгрузки.
В итоге, термообработка крупногабаритных кованых изделий — это специализированная операция, требующая:
- Большая, хорошо оснащенная приборами топочная печь на тележке.
- Точный контроль атмосферы
- Квалифицированные операторы, понимающие технические требования.
- Тяжеловесные краны и крепежные изделия
- Подробная документация по каждому циклу нагрева
Автор: Команда специалистов MONTE INTELLIGENCE по термообработке крупных ковочных изделий. Для проведения исследований по термообработке ковочных изделий и аудита печей обращайтесь по адресу helenxu@cnlymonte.com.
