17. Поковки роторов из сталей р2 и р2м

Цельнокованые роторы паровых турбин относятся к числу :наиболее ответственных поковок энергетического машиностроения, к которым предъявляются высокие требования по химической и физической однородности металла, комплексу механических свойств, величине остаточных напряжений и другим элементам качества поковок, определяющих их надежность в эксплуатации. В соответствии с этими требованиями обусловлена и технология производства роторных поковок, основой которой являются выплавка и разливка стали максимально возможной чистоты, ковка в условиях, способствующих эффективной заварке усадочных по­роков слитка и механической проработке металла в нужном на­правлении, термообработка по режиму, гарантирующему отсут­ствие флокенов, высокий уровень механических свойств и минимум остаточных напряжений. Технологическая задача обеспечения этих требований осложняется тем, что большинство роторов изготов­ляется из крупных слитков, а размеры поперечного сечения заго­товок нередко требуют применения особых приемов деформирова­ния и термообработки.

Отсутствие наружных дефектов и внутренних пороков металла контролируется макроисследованием и ультразвуковой дефекто­скопией; уровень механических свойств и степень однородности их в объеме поковки выявляются индивидуальными механическими испытаниями металла от разных участков ротора; отсутствие зна­чительных внутренних напряжений и относительная соосность поковки и слитка контролируются замером остаточных напряжений и тепловой пробой.

На рис. 25 показаны типичные поковки роторов из сталей Р2 и Р2М. Производство поковок такого типа организовано на Уралмашзаводе, которым накоплен в этой области богатый опыт. В по­следнее время ковка роторов освоена и на Ижорском заводе.

Отметим основные условия изготовления поковок и нормы ка­чества металла роторов, обусловленные техническими условиями.

Поковки роторов изготовляют из кислой мартеновской стали, 51 только в особых случаях при соответствующей подготовке про­изводства разрешается применение стали, выплавленной в электро­печах с основным подом. Раскисление стали производится без при­менения алюминия.

Ось поковки должна примерно совпадать с осью слитка. Терми­ческая обработка состоит из двойной нормализации (вторая нор­мализация с температуры не ниже 940° С после обдирки заготовки) и отпуска при 670° С с последующим медленным охлаждением. Сверление осевого канала ротора производится, как правило, до термообработки, но принципиально термообработка разрешается и без предварительного сверления канала, особенно при относи­тельно небольших размерах.

Механическим испытаниям подвергаются концы ротора. На продольных образцах и бочка с одного или обоих торцов (в зависи­мости от ее длины) на тангенциальных образцах. Нормы механиче­ских свойств роторов из стали Р2М приведены в табл. 14. Колебания твердости на образцах, взятых от разных зон загото­вки, должны быть в пределах НВ 40.

Основным требованием к макроструктуре заготовки является отсутствие трещин и флокенов. В окончательно обработанной де­тали не допускаются также крупные неметаллические включения и скопления мелких неметаллических включений. Контроль на отсутствие дефектов в металле ротора осуществляется осмотром изломов образцов для механических испытаний, травлением по­верхностей шеек, торцов бочки и темплета, отрезанного от поковки со стороны верха слитка, снятием отпечатков по Бауману, пери­скопическим осмотром и ультразвуковой дефектоскопией.

Отпечатки по Бауману, снятые с поверхностей шеек и торцов бочки, должны соответствовать первым трем баллам четырехбалль­ной шкалы УЗТМ. Излом образцов для механических испытаний считается удовлетворительным при условии волокнистого или мел­кокристаллического строения и отсутствия в нем несплошцостей металла, рыхлости и неметаллических включений.

При перископическом осмотре с увеличением до 1,5 на поверх­ности осевого канала не должно быть трещин, флокенов, раковин, остатков усадочной рыхлости, крупных неметаллических включе­ний размером более 3 мм и скоплений мелких неметаллических включений размером до 1,5 мм в количестве более 10 шт. на пло­щади до 60 см². Допускаются разрозненные неметаллические вклю­чения размером от 1,5 до 3 мм в количестве до 10 шт. (на такой же площади) и точечные неметаллические включения размером от 1 до 1,5 мм в количестве до 25 шт. по всей поверхности канала ро­тора. При этом общее количество включений всех размеров не должно превышать 75 шт. При наличии на поверхности осевого канала включений больших размеров или в большом количестве производится местная зачистка или расточка канала до диаметра, определяемого конструкцией ротора.

Отсутствие в поковке ротора трещин, флокенов, усадочной рых­лости и других грубых дефектов контролируется и ультразвуковым методом по всем цилиндрическим поверхностям. Допускаются лишь отдельные дефекты типа неметаллических включений, количество и условные размеры которых по сопоставлению с эталонами не превышают следующие нормы: общее количество дефектов разме­ром 2—4 мм до 30 шт., в том числе расположенных в бочке ротора на расстоянии не менее 50 мм друг от друга не более 10 шт., и от­дельные дефекты в обоих концах ротора на расстоянии друг от дру­га не менее 50, 30 и 15 мм в зависимости от расположения. Не учи­тываются дефекты размером менее 2 мм.

Остаточные напряжения, величина которых определяется ме­тодом отрезки колец с одного из торцов бочки, не должны превы­шать 5 кГ/мм².

Заготовки роторов подвергаются тепловому испытанию для установления величины деформации в температурных условиях, аналогичных рабочим условиям турбины. При наличии прогиба заготовка подвергается дополнительному отпуску и повторному тепловому испытанию.

Перечисленные жесткие нормы допускаемых дефектов в заго­товках роторов требуют особого внимания к металлургическому фактору производства поковок. Опыт Уралмашзавода показал, что даже выплавка стали в кислой мартеновской печи дуплекс-про­цессом с применением отборной шихты, прокалкой руды и фер­росплавов и использованием других мер аналогичного характера не обеспечивала надежного качества металла. Резкое повышение качества роторов с практически полной ликвидацией брака по дефектам металлургического характера получено после освоения вакуумной разливки, которая в настоящее время считается обя­зательной предпосылкой высокого качества роторов, удовлетворя­ющих нормам технических условий. Из недостатков вакуумирования стали применительно к поковкам роторов следует лишь отметить усиление ликвации углерода, что, впрочем, при соот­ветствующем расположении поковки по отношению к длине слитка не очень заметно сказывается на показателях прочности образцов, взятых из верхнего и нижнего концов заготовки.

Слиток для ковки роторов применяется, как правило, 12-гран- Η

ный с отношением ~ = 1,5 и конусностью на обе стороны до 11,4%.

Установлено, что такой профиль слитка дает благоприятные ре­зультаты в отношении минимального развития усадочных явлений в слитке и более плотного строения центральной зоны откованного ротора. В прессовый цех слитки подаются горячими с темпе­ратурой на поверхности 600—700° С. Обращается особое внима­ние на равномерный прогрев слитка под ковку.

В качестве примера приводим технологию процесса ковки ротора с диаметром бочки 1140 мм из слитка весом 51 т (рис. 25).

Схемой ковки предусматривается выполнение более тонкого конца ротора из нижней части слитка, что связано с особенностями распределения углерода по его высоте. Обычный перепад в содер­жании углерода в верхней и нижней частях слитка заметно усили­вается при вакуумировании стали и в отдельных случаях дости­гает 0,04—0,05%. Поэтому правильное использование слитка с учетом размеров сечений концевых участков ротора способствует более высоким показателям и большей однородности прочностных свойств поковки, так как меньшее содержание углерода в тонком конце ротора компенсируется лучшей термической проработкой ме­талла. Цапфа под патрон выполняется с захватом годного металла из тела слитка на длине 50 мм. Обжим ребер и граней на диаметр 1400 мм производится полной шириной бойка с обжатиями до 120 мм за проход. Вытяжка после промежуточной осадки слитка выполняется с переходом на диаметр 1450 мм через квадрат 1400 мм. Для операций вытяжки на круг используются комби­нированные бойки: верхний — плоский, нижний — вырезной, для промежуточной осадки — сферическая осадочная плита. Общее количество выносов шесть. Температурные интервалы ковки 1220—800° С, за исключением последних двух выносов, для ко­торых из-за наличия в заготовках окончательно деформирован­ных зон максимальная температура нагрева должна быть до 1050° С. Все операции ковки производятся на прессах усилием 10 000 или 12 000 Т.

Следует подчеркнуть большое влияние применяемых схем де­формации, профиля бойков и температурных условий ковки на качество роторов. Опытом установлено, что при интенсивной ковке в условиях благоприятного напряженного состояния происходит эффективная заварка дефектов слитка даже при условии наличия в нем весьма развитой усадочной рыхлости и несплошностей ме­талла типа трещин. В этом отношении весьма показательны экс­периментальные работы по заварке дефектов, обнаруженных в крупных поковках роторов 141 ]: повторная протяжка дефектных роторов в благоприятных температурно-деформационных усло­виях привела к полной заварке дефектов при степени укова 2,0— 3,0, а в случае применения промежуточной осадки — при степени укова 4,0.

Требуемые степени укова и эффективность заварки дефектов слитка во многом зависят от применяемой схемы деформации. В частности, обязательными надо считать протяжку осаженного блока на круг через квадрат, при котором повышается степень деформации в центральной зоне поковки и уменьшается величина ликвационных выделений [5], и применение относительных подач не менее 0,5 с возможно большей величиной обжатия. Жела­тельно также использование вырезных бойков вместо комбиниро­ванных при вытяжке заготовки на круг, при которых во всем объ­еме деформируемого металла действует всестороннее неравномер­ное сжатие.

Перечисленные элементы механического режима ковки создают наиболее благоприятные условия деформирования внутренних 'зон слитка, способствующего заварке рыхлости и других осевых дефектов в связи с действием в центре заготовки не растягивающих,, а сжимающих напряжений. Чем больше металлургических дефек­тов в слитке, тем важнее фактор оптимального механического ре­жима деформации, влияние которого проверено сопоставлением разных вариантов ковки роторов из легированных конструкци­онных и специальных сталей. В частности, значение этого фактора отмечается при оценке качества роторов, откованных из слитка весом 71,5 т [35].

Из других особенностей технологии ковки роторов отметим недопустимость значительного смещения оси шеек относительно оси бочки, которое не должно превышать 15—20 мм. Это требо­вание обусловлено условиями эксплуатации роторов при повы­шенных температурах и тепловой пробой, результаты которой зависят от степени несимметричности металлургического строения поковки. Минимальному смещению оси шеек способствуют равно­мерный нагрев слитка и промежуточной заготовки и одинаковые обжатия за каждый поворот при вытяжке.

Поковки подвергаются первичной термообработке и охлажде­нию по специальной схеме (рис. 26). Нормализация при 970— 990° С введена в режим термической обработки как часть общего цикла, состоящего из двойной нормализации с отпуском, и не яв­ляется обязательным элементом первичной термообработки. Прак­тически она может производиться и после обдирки, предшествуя второй (окончательной) нормализации. Совмещение ее с первич­ной термообработкой признано, однако, целесообразным в произ­водственном отношении. Остальные элементы режима — пере­охлаждение до 280—320° С, изотермическая выдержка при 720— 730° С и медленное охлаждение в печи до 300° С—составляют ком­плекс операций, обеспечивающих отсутствие флокенов в поковках и минимум остаточных напряжений.

Температура поковок при посадке в термическую печь обуслов­лена технологической инструкцией и должна быть не ниже 400° С. Температура рабочего пространства печи поддерживается при этом на уровне 500—650° С. Схемой расположения роторов на подине печи предусматриваются условия для всестороннего рав­номерного прогрева металла: поковки укладываются на лежки высотой не менее 250 мм на расстоянии не менее 500 мм от перед­ней и задней стенок и 300 мм от боковых стенок печи.

После первичной термообработки, замера твердости и разметки от поковок отрезают два поперечных темплета, соответствующих верху и низу слитка, для макроконтроля, которым выявляется наличие флокенов, неметаллических включений, ликватов, пор и других металлургических дефектов. Кроме того, от темплетов отбираются пробы для химического анализа, которым определяется содержание углерода и молибдена в обоих концах ротора. При по­ложительных результатах макроконтроля поковки направляются для механической обработки—обдирки. Оставляемый при этом припуск по отношению к чистовым размерам составляет обычно 30 мм на диаметр бочки и 40 мм на диаметр шеек.

Обдирка производится в две стадии. Предварительно заго­товка обрабатывается с припуском 7 мм на сторону по отношению к обдирочным размерам, указанным на чертеже заготовки. На этой стадии обработки ротора выявляются поверхностные дефекты, при наличии которых производится повторная разметка заготовки с целью их удаления при последующей обдирке за счет некоторого смещения оси.

До нарезки ребер (дисков) цилиндрические поверхности за­готовки шлифуются для ультразвуковой дефектоскопии. Прозвучивание ротора перед окончательной термообработкой произво­дится главным образом в связи с невозможностью всестороннего контроля бочки с нарезанными ребрами и необходимостью про­филактического исследования качества металла с целью преду­преждения дальнейшей обработки заведомо негодных заготовок. В данном случае ультразвуковой контроль ротора, на промежу­точной стадии термообработки не дает заметного искажения ре­зультатов из-за ложных импульсов, ибо наличие первой нормали­зации значительно снижает степень структурной неоднородности по сравнению с металлом, термически обработанным без пере­кристаллизации. В случае сомнительных результатов прозвучивания после окончательной термообработки производится повтор­ный контроль ротора с доступных поверхностей.

Анализ результатов производственного контроля большого ко­личества роторов показывает, что с переходом на вакуумную разливку стали брак по дефектам, обнаруживаемым ультра­звуковой дефектоскопией, практически ликвидирован: в большин­стве поковок неметаллические включения и другие металлурги­ческие дефекты не фиксируются, и лишь в отдельных поковках выявляются единичные или мелкие групповые включения, которые по своей характеристике находятся в пределах, допускаемых тех­ническими условиями.

Для характеристики количества и размеров дефектов, иногда обнаруживаемых в поковках роторов, приводим конкретный случай из практики Ижорского завода. В поковке ротора весом 31,5 т с диаметром бочки 1140 мм (рис. 25) выявлены следующие дефекты типа неметаллических включений: скопления дефектов размером 2 мм (в эталонном сравнении) в количестве 8 шт., два дефекта диаметром 4 мм и скопление дефектов диаме­тром до 2 мм в области бочки, дефекты размером 2—3 мм в коли­честве 5 шт. на шейке со стороны низа слитка. Расположение де­фектов в поковке и расстояния между ними соответствуют нор­мам технических условий. По результатам ультразвуковой де­фектоскопии поковка признана годной. Характеристика дефектов, обнаруживаемых ультразвуком в других роторах, разумеется, имеет свою специфику, но, как показывает практика, установлен­ная технология производства роторных поковок обеспечивает либо полное отсутствие дефектов протяженностью более 2 мм (в эта­лонном сравнении), либо наличие их в количестве, сопоставимом с приведенным выше случаем.

Заготовки, годные по результатам ультразвуковой дефекто­скопии, механически обрабатываются под окончательную термо­обработку: прорезаются кольцевые канавки (пазы) на бочке ро­тора, снимается излишний припуск на шейках, отрезаются концы в соответствии с чертежом обдирки, высверливается и растачи­вается отверстие под валик для подвески. В заготовках крупных роторов перед термообработкой рассверливается также осевой ка­нал, наличие которого способствует более эффективному охлаж­дению ротора в процессе нормализации и в некоторой степени уменьшает опасность образования закалочных трещин.

Окончательная термообработка роторов состоит из нормали­зации и отпуска. Применительно к роторным поковкам этот вид термообработки имеет, по данным А. И. Чижика [48], некоторые преимущества по сравнению с улучшением. Закалка с отпуском обеспечивает более высокий уровень ударной вязкости в цен­тральной зоне поковки и более высокую деформационную способ­ность при повышенных температурах, но эти положительные осо­бенности проявляются только при термообработке заготовок на высокие прочностные свойства. При уровне значений σ₀,₂ и а_в, принятых для роторов рассматриваемого класса (табл. 14), эти преимущества улучшения практически не проявляются. В то же время существует большая опасность образования микротрещин и развития мелких металлургических дефектов в результате вы-

соких термических и структурных напряжений при закалке. За­метное увеличение количества и размеров дефектов в закаленно- отпущенных роторах отмечено, в частности, ультразвуковым кон­тролем.

Таким образом, в отношении возможного развития металлурги­ческих дефектов более благоприятной операцией термообработки является нормализация. При этом обусловленный уровень ударной вязкости достигается ускоренным охлаждением заготовок за счет принудительной циркуляции воздуха.

На рис. 27 показана схема окончательной термообработки заготовок роторов (при условии, что первая нормализация прово­дится в цикле первичной термообработки).

Нагрев заготовок осуществляется в вертикальной термической печи. Необходимо отметить большое значение правильной уста­новки ротора на универсальные подвески и точности его подвеши­вания. Строгая вертикальность расположения ротора в печи важна не только с точки зрения оптимальных условий нагрева, но и глав­ным образом для предохранения его от прогиба, величина кото­рого должна быть минимальной. Чем меньше деформация заго­товки, тем при прочих одинаковых условиях меньше степень не­соосности окончательно обработанного ротора и исходного слитка, что оказывает влияние на конечные результаты тепловых испы­таний. Но особо нежелательна деформация, требующая безуслов­ной правки ротора, т. е. выходящая за пределы фактических при­пусков на механическую обработку. Дело не только в дополни­тельной трудоемкости работ и в осложнении технологического цикла, но и во влиянии этого фактора на проявление прогиба при повышенных рабочих температурах. Замечено, что после правки термически обработанных роторов последние, несмотря на на­личие операции отпуска для снятия напряжений, во многих слу­чаях показывают недопустимую величину прогиба при тепловых испытаниях.

На коробление ротора при термообработке влияет и ряд дру­гих факторов, связанных главным образом с неравномерностью нагрева и охлаждения заготовок при нормализации. Для более равномерного нагрева в процессе ведения режима производится периодический разворот заготовок на 180°, что повышает степень однородности теплового воздействия на металл ротора.

Как уже было указано, нормализация роторов осуществляется в условиях принудительной циркуляции воздуха. Для этой цели установлена специальная камера в виде цилиндрической шахты, в которую вентиляторами через сопла нагнетается воздух при на­поре около 150—200 мм вод. ст. Сопла расположены таким об­разом, что струя воздуха направлена касательно к подвешенному ротору.

Равномерность охлаждения в камере имеет такое же существен­ное значение для однородности механических свойств и минималь­ной деформации ротора, как и равномерность нагрева под нор­мализацию. Поэтому и в данном случае ротор, подвешенный (строго вертикально) в камере охлаждения, периодически разворачи­вается на 180°, а подача воздуха по высоте камеры регули­руется в зависимости от сечения ротора на данном участке ка­меры.

После охлаждения до 100—150° С ротор направляется в верти­кальную печь на отпуск, в процессе которого (через 10 ч после начала выдержки) также производится его разворот на 180°. От­носительно низкая конечная температура медленного охлаждения заготовки в печи установлена с целью максимального снятия вну­тренних напряжений. Практически при охлаждении заготовки в печи и до более высоких температур (250—300° С) величина остаточных напряжений относительно невелика и не отражается на стабильных свойствах ротора, но она оказывает заметное влия­ние на деформацию его при нарушении равновесия системы оста­точных напряжений, т. е. при их перераспределении, например в результате чистовой механической обработки.

В качестве примера приводим фактический режим окон­чательной термообработки — нормализации и отпуска — одной из заготовок роторов с диаметром бочки 1140 мм (рис. 25). После установки на универсальную подвеску, тщательного контроля в нескольких плоскостях вертикальности расположения и посадки в вертикальную термическую печь при 250° С ротор подвергается нагреву под нормализацию по следующему режиму: выдержка при температуре посадки 4 ч, нагрев до 520° С со скоростью 30 град/ч, разворот ротора на 180° С, выдержка при 520° С 4 ч, нагрев до 700° С со скоростью 35 град/ч, выдержка при 700—720° С до полного выравнивания температуры по сече­нию ротора 11 ч 35 мин, разворот ротора на 180°, нагрев до 950° С со скоростью 45 град/ч, выравнивание температуры по се­чению ротора (14 ч) с промежуточным (после 10 ч) разворотом на 180°, выдержка при 950° С 9 ч 40 мин.

Нормализация ротора проводилась в камере с принудительным охлаждением при развороте его на 180° через 1, 2 и 5 ч после начала охлаждения. Конечная температура охлаждения ротора 100—140° С. Общая продолжительность охлаждения 10 ч 30 мин. Замеры контактной термопарой показали следующее распреде­ление температур в пяти точках по высоте ротора в конце периода охлаждения (сверху вниз): 140, 130, 140, 100 и 125°.

Ротор был посажен на отпуск в вертикальную печь немедленно после охлаждения в камере при температуре печи 230—240° С. Температурный режим отпуска следующий: выдержка при 230— 250° С 5 ч, нагрев до 705—710° С со скоростью 25—30 град/ч, выравнивание температуры ротора при 705—710° С 12 ч, вы­держка при 705—710° С 28 ч с промежуточным разворотом ро­тора на 180° после 10-часовой выдержки, охлаждение до 200° С со скоростью 10—20 град/ч. После охлаждения в печи ротор в вер­тикальном положении дополнительно охлаждался на воздухе до температуры около 150° С.

Общая продолжительность окончательной термообработки фак­тически составила 176 ч 30 мин, в том числе: нормализация — 65 ч 40 мин, охлаждение в камере — 10 ч 30 мин, отпуск — 100 ч 20 мин.

Термически обработанные заготовки подвергаются замеру твер­дости, проверке коробления и испытанию механических свойств.

Твердость замеряется в двух точках на обоих концах ротора. Абсолютные значения ее не регламентируются техническими ус­ловиями и служат только для проверки степени однородности металла: колебания твердости для различных точек не должны превышать НВ 40.

Контроль величины прогиба коробления ротора производится на разметочной плите с установкой его на роликовые люнеты. За базу при разметке принимается наружный диаметр бочки. Путем вращения ротора на роликовых люнетах определяются мак­симальные величины прогиба и фиксируется их месторасположе­ние. При помощи рейсмуса определяется фактический припуск от установленной базы по всем диаметрам заготовки. Максималь­ный прогиб ротора допускается в пределах не более 75% от вели­чины припуска к чистовому размеру. В случае большей деформа­ции заготовка подвергается правке.

Из длительного опыта Уралмашзавода следует, что величина прогиба подавляющего количества роторных заготовок уклады­вается в пределах максимально допускаемой деформации. Так, по результатам статистического анализа за 5 лет установлено, что правке после окончательной термообработки подвергалось 4,5% за­готовок. К факторам, влияющим на повышенную деформацию роторов, кроме основных условий, связанных с неравномерностью нагрева и охлаждения заготовок при термообработке, относятся также отсутствие в заготовке осевого канала и совместная тер­мообработка в одной садке роторов различного веса.

Правка роторов в случае ее необходимости производится в го­рячем состоянии на ковочном прессе. Режим нагрева под правку следующий: посадка в печь при температуре печи не более 300° С, нагрев до 650—660° С со скоростью не более 60 град/ч, выдержка при 650—660° С не менее 20 ч. Ротор устанавливается в спе­циальных вырезных бойках и легкими нажатиями пресса выправ­ляется в местах, зафиксированных разметчиком. После оконча­ния правки и удовлетворительных результатов контроля величины прогиба ротор подвергается отпуску для снятия напряжений в вер­тикальной печи с сохранением непрерывности теплового цикла обработки. Посадка ротора на отпуск производится при темпера­туре печи 500—600° С. До 670—680° С ротор нагревается со ско­ростью не более 40—50 град/ч, выдержка при 670—680° С после выравнивания температуры 15 ч, охлаждение до 200° С со скоростью 20—30 град/ч, дальнейшее охлаждение на воздухе в подвешенном состоянии.

Однако опытом установлено, что отпуск после правки не всегда приводит к стабильным положительным результатам тепловой пробы. Более надежные результаты получаются при повторении после правки цикла окончательной термообработки — нормали­зации и отпуска.

Заготовки роторов, в которых прогиб после термообработки не превышает допускаемых норм, подвергаются испытаниям на ме­ханические свойства. В табл. 15 приведены фактические резуль­таты испытаний четырех роторов, откованных на Ижорском заводе, которые являются типичными для крупных роторных поковок из стали Р2М, а также фактическое содержание углерода в участках ротора, соответствующих верху и низу слитка.

Требуемый уровень механических свойств заготовок обеспе­чивается с большим запасом по показателям пластичности и ударной вязкости. Механические свойства отличаются большой однородностью, не наблюдается значительного разброса характе­ристик в пределах каждого ротора.

Из сопоставления фактического содержания углерода в разных зонах роторов с соответствующими им механическими свойствами металла следует, что ликвидация углерода по высоте слитка не оказывает заметного влияния на уровень прочностных характе­ристик: колебания σ₀,₂ не превышают 4—5 кГ/мм² на продольных и тангенциальных образцах.

В практике производства поковок роторов из сталей Р2 и Р2М имеются иногда выпады по максимально допускаемому значению предела текучести на тангенциальных образцах. Явление это не­желательное, а при значительном превышении установленной нормы σ₀,₂ даже недопустимое, так как оно снижает уровень пластичности при длительном разрыве и повышает чувствитель­ность к концентрации напряжений. В таких случаях заготовки роторов подвергаются дополнительному отпуску. Именно в связи с этим в технических условиях и установлена верхняя граница предела текучести.

До внедрения в производство ускоренного охлаждения при нор­мализации около 80% заготовок роторов имели выпады до ударной вязкости [50]. С переходом на нормализацию с принудительным охлаждением количество выпадов резко сократилось, имея по существу случайный характер. При этом заметно повыси­лись абсолютные значения ударной вязкости, что свидетель­ствует о доминирующем влиянии на уровень ударной вяз­кости характера структурных превращений в процессе норма­лизации, непосредственно связанных со скоростью охлаждения роторов.

Высокий уровень показателей пластичности δ и ψ стабилен для всех роторов. По результатам статистического анализа 96 роторов из стали Р2 установлено, что как на продольных, так и на танген­циальных образцах относительное удлинение находится, как пра­вило, в пределах 16—20%, а сужение поперечного сечения — 55—65% [501.

Разрезка и испытания на Уралмашзаводе одного из роторов, откованных из слитка весом 47,5 т, показали, что и механические свойства центральной зоны ротора, исключая отдельные выпады (главным образом по ударной вязкости), имеют достаточно высо­кие значения: σ_0,2 = 49—54 кГ/мм², _в = 72—75 кГ/мм², δ = 17—20%, ψ = 45—52%; а_н = 2,2—7,2 кГ-м/см² [48].

Надежность испытаний механических свойств ротора опреде­ляется, в частности, контролем степени их однородности в разных местах заготовки. Поэтому важными элементами испытаний яв­ляются всесторонний замер твердости и правильность отбора об­разцов из колец, вырезанных от бочки ротора: они должны распо­лагаться в диаметрально противоположных местах, что в изве­стной мере гарантирует выявление недопустимого перепада свойств.

Одновременно с вырезкой колец от бочки ротора для механи­ческих испытаний определяется и величина остаточных напряже­ний (методом замера диаметров кольца до и после вырезки). При величине остаточных напряжений больше обусловленной нормы ротор подвергается дополнительному отпуску. Практически, од­нако, такие случаи весьма редки.

Результаты производственного контроля макроструктуры рото­ров, выявляемых снятием серных отпечатков и травлением поверх­ностей (персульфатом аммония и 10-процентной азотной кисло­той), как правило, удовлетворительные, и выполнение требований технических условий в этом отношении не вызывает каких-либо трудностей. Более сложным является вопрос о перископическом осмотре осевого канала, результаты которого иногда требуют по­вторных расточек и тщательного анализа наблюдаемых дефектов.

Несмотря на резкое улучшение качества стали в связи с пере­ходом на вакуумную разливку, перископическим осмотром все же нередко на поверхности осевого канала ротора (в пределах перво­начально установленного диаметра) фиксируются несплошности металла и видимые неметаллические включения, по совокупности характеристик превышающие нормы, обусловленные техническими условиями. В этих случаях допускаются местная зачистка для уда­ления локализованных дефектов, а также местная или общая ра­сточка канала. Техническими условиями увеличение номинального диаметра канала ограничено 10%, но в отдельных заготовках диаметр отверстия растачивается на большую величину с учетом особенностей конструкции ротора и по согласованию с потреби­телем. Практически таким путем, как правило, удаляются недо­пустимые осевые дефекты и совокупность оставшихся неметалли­ческих включений доводится до регламентированных норм. В ка­честве иллюстрации приводим характеристику контроля осевого канала двух роторов, откованных на Ижорском заводе.

Первый ротор. Первоначальный диаметр осевого канала, пре­дусмотренный чертежом, равен 90 мм. При этом диаметре пери­скопическим осмотром поверхности канала обнаружены крупные скопления точечных и вытянутых ликватов протяженностью до 4 мм. После дополнительной расточки канала до диаметра 100 мм в части ротора, соответствующей верху слитка на длине 3—3,5 м, выявлены цепочки включений длиной до 5—6 мм. После­дующая расточка до 106 мм не привела к уменьшению дефектов. Только после расточки до диаметра 117 мм на поверхности ка­нала остались отдельные включения протяженностью 0,5— 1,0 мм. Ротор по результатам перископического осмотра признан годным.

Второй ротор. При контроле осевого канала диаметром 90 мм на его поверхности обнаружены мелкие трещины длиной 12 40 мм в количестве 8 шт. и групповые скопления мелких раковин. Канал последовательно растачивался до диаметров 97, 105 и 112 мм.

При диаметре 112 мм на поверхности канала никаких дефектов не было обнаружено.

Приведенные примеры подчеркивают важность минимального отклонения оси поковки ротора от оси исходного слитка и в от­ношении результатов перископического осмотра, фиксирующего главным образом дефекты усадочного и ликвационного происхож­дения, непосредственно связанные с центральной зоной слитка.

Конечной операцией контроля качества заготовок роторов яв­ляется тепловая проба. Этим методом контроля устанавливается величина деформации (прогиба) ротора в условиях, аналогичных температурным условиям его эксплуатации. Сущность тепловой пробы заключается в том, что вращающийся на станке ротор мед­ленно подогревается до температуры около 400—500° С (в зави­симости от характеристики ротора), выдерживается при этой тем­пературе и затем медленно охлаждается. При наличии прогиба (фиксируемого индикаторами на всех стадиях тепловой пробы), превышающего допустимые значения, ротор подлежит дополни­тельному отпуску и повторному тепловому испытанию. Последние операции являются необходимыми и действенными только в том случае, если прогиб, выявляемый при тепловой пробе, связан с ча­стичным снятием или перераспределением остаточных напряжений, признаком чего служит сохранение прогиба ротора и после его ох­лаждения. В случае, если прогиб, зафиксированный при повышен­ных температурах, исчезает при охлаждении ротора, то это яв­ляется признаком несимметричности его макростроения, вызы­вающим неравномерное тепловое расширение по окружности. Этот дефект не может быть исправлен никакой термообработкой. Не­удовлетворительные результаты окончательных тепловых испы­таний роторов, наблюдаемые весьма редко, связаны с нарушением основных технологических правил, способствующих максималь­ной соосности ротора и исходного слитка.