[01118800]超大型难变形GH4738高温合金涡轮盘制备关键技术

①课题来源与背景; 本课题为高校与企业合作课题。其背景为：烟气轮机是高温、高速大型旋转机械,使用条件十分苛刻,在设计制造和使用方面难度很大。20世纪70年代我国自主研制成功YL3000 型烟气轮机以来,已经生产了150余台,总台数为世界第一,单机功率与世界最大机型相当。我国研制的33000kw烟机是国内最大功率的烟气轮机,于2003年应用于3000kt/a 重油催化裂化装置。涡轮盘直径1380mm,材质为镍基高温合金GH4738,用大直径（Φ600mm）坯料来锻制。由于当时我国的锻造设备能力不足,大于Φ1120mm涡轮盘毛坯只能从美国进口。根据对几批进口Waspaloy（即我国GH4738）合金涡轮盘毛坯进行技术跟踪研究认为,虽然美国可以提供直径达1400mm的特大涡轮盘,但其性能指标并不稳定。世界十大炼化公司（如美国埃克森美孚公司）有多套催化裂化装置加工能力超过3000kt/a,烟气轮机输出功率需要达到25.37MW,30MW级特大功率烟气轮机的研制及工业化应用逐渐发展起来。国内自主研制YL 型烟气轮机已近30年,但截至2002年,设计制造的烟气轮机最大功率仅为19MW, 最大的轮盘直径为Φ1120mm。2003年我国自行设计制造的YL33000A 型单级烟气轮机,功率为33MW,己在兰州石化300万t/年重催装置成功投入运行,这台烟气轮机是世界上最大的烟气轮机之一。30MW级烟气轮机可以极大地降低加工成本,提高装置整体效益,满足我国炼油工业在“十一五”、“十二五”期间规模化、大型化建设和改造的需要。 近年来,国外烟气轮机制造厂着力于对产品的改进和完善,着眼于提高产品的可靠性和使用寿命, 虽然我国YL型烟气轮机在总结过去经验的基础上,也在不断的改进及完善,并已取得了丰硕的成果,在新设计和制造的烟气轮机上采用了多项新技术,装备上也已经取得了明显的提升,但是,与美国相比在某些方面还存在较大的差距。虽然经过30多年的努力,我国已经能设计制造世界上最大型的烟气轮机,说明我们具有这方面的设计和制造能力。但是,在烟气轮机关键部件—大型涡轮盘的制备技术上还有明显差距,以至于需要进口。这是制约我国特大型烟气轮机发展的“瓶颈”。 从最近几年我国20000kw以上特大型烟机的应用情况看,已经有兰州、海南、青岛和钦州几家,其涡轮盘直径大都为Φ1380mm,而大连35000kw烟机的涡轮盘达到Φ1400mm。所有这些涡轮盘毛坯均依靠进口,具有价格、交货周期和限制出口等风险。从设计部门反馈的信息看,今后涡轮盘的直径将从现在的Φ1120mm、Φ1250mm、Φ1380mm向Φ1500mm趋势增加。随着我国成品油缺口的增加,中石油将在未来几年内分别在成都、珠海、昆明、锦西、抚顺、大港等地新建十多个千万吨级炼厂,加上中石化、中海油以及对海外承接的炼油厂项目,数目更大。千万吨级炼油厂一般匹配30000kw级烟机,所以,市场需求相当可观。针对我国炼化工业高速发展的背景,对特大型烟气轮机的需求会越来越凸现,也就是说,对超大型烟气轮机涡轮盘的需求将更加迫切。 ②研究目的与意义; 随着烟机功率的增大,涡轮盘直径尺寸需要扩大至1-1.5m（重量5吨左右）,带之而来对涡轮盘的合金质量控制及制备过程工艺要求越来越高。烟机的大型化导致涡轮盘的使用条件更加苛刻,从理论上讲,要求涡轮盘应该有更加优越的力学性能,但由于大型化带来的技术难题不容易克服,目前国内外常规GH4738合金涡轮盘的综合性能无法同时达到高强度和高持久性能的考核指标,带来了设计和制造上的矛盾。超大型烟机涡轮盘国产化研制主要涉及到的两个关键问题,即装备和技术。实现国产化,迅速摆脱严重受制于国外的被动局面,保证国内能源生产的安全。 ③主要论点与论据及创新之处; 首次成功研制了迄今世界上最大的烟气轮机GH4738涡轮盘（直径达1450mm）,为国产化超大功率烟气轮机奠定了基础。为保证获得首次超大型GH4738高温合金涡轮盘制备成功,主要攻克关键技术如下：超级合金设计,三联冶炼工艺,两镦两拔工艺,低温锻造,特种包套,组织演变模型构建及集成式模拟计算。最终,获得的Φ1250mm涡轮盘及模锻工艺成型的Φ1450mm涡轮盘,综合性能达到美国《5704G技术标准》要求,质量控制达到或超过美国实物水平。 ④社会经济效益,存在的问题; 与美国现有水平相比,我国在合金纯净度方面有较大的差距;扩大锭型至Φ710mm以上是一个非常有挑战性的技术难题,需要解决合金偏析、均匀性及后续热处理等问题;大锭型钢锭完成后需要进行多次复杂的锻造变形,如此大锭型的墩拔工艺需要进行系统的研究;同时,锻造、包套及热处理工艺也需要解决。