литая легированная сталь

Когда говорят про литую легированную сталь для энергетики, многие сразу представляют себе готовые поковки дисков или корпусов. Но это как раз тот случай, где кроется распространённое упрощение. На деле, для крупногабаритных и сложнопрофильных деталей роторов, особенно тихоходных секций или цельнолитых роторов для турбин специального назначения, литьё — не просто альтернатива, а часто единственно возможный путь. И здесь вся сложность не в самом факте литья, а в том, чтобы полученная структура по механическим свойствам и, что критично, по однородности, не уступала кованой. С этим мы намучились, пока не наладили сотрудничество с литейными цехами, которые понимают специфику циклических нагрузок.

Почему именно литьё, а не поковка? Конкретные кейсы

Возьмём, к примеру, ротор ЦНД для промышленной турбины малой мощности, где требуется сложная конфигурация дисков с интегрированными каналами для отбора пара. Изготовить такую поковку, а потом проточить эти внутренние полости — задача дорогая и почти неподъёмная по отходам металла. Литая легированная сталь марки 25Х1М1Ф-Ш (аналог для литья) здесь выходит экономичнее. Но сразу скажу: первая же отливка, которую мы получили лет семь назад, показала усадочные раковины в теле диска под третьей ступенью. Дефект выявился только на финальной УЗК перед динамической балансировкой. Пришлось ремонтировать наплавкой с последующей сложнейшей термообработкой — целая история.

Или другой пример из практики ООО Сычуань Чуанли Электромеханическое Оборудование. При капремонте турбины зарубежного производства часто сталкиваешься с тем, что производитель оригинального ротора использовал именно цельнолитую заготовку. Искать ей замену в виде поковки — значит полностью пересчитывать прочностные характеристики и режимы. Гораздо надёжнее воспроизвести технологию, что мы и делаем, заказывая отливку по собственным техусловиям, которые ужесточают требования по макроструктуре.

Ключевой момент, который часто упускают в спецификациях — это не только химический состав, но и режим кристаллизации. Скорость охлаждения в форме должна быть рассчитана так, чтобы избежать крупнозернистой структуры в центре отливки. Иначе при последующей термичке могут пойти трещины. Мы это проходили на роторе для турбины приводного типа — при закалке пошла внутренняя трещина, которую, к счастью, поймали магнитопорошковым контролем. Пришлось отправить заготовку обратно на переплавку. Убытки, конечно, но опыт дороже.

Термичка: где теория расходится с практикой печи

В учебниках пишут про нормализацию, закалку и высокий отпуск для получения сорбита. Всё верно. Но когда у тебя в печи лежит пятитонная литая болванка сложной формы, эти процессы идут совсем не так равномерно, как на образце в лаборатории. Температурные поля в печи, точки установки термопар на саму отливку, скорость нагрева — всё это влияет на конечный результат. Мы, например, для критичных роторов всегда используем ступенчатый нагрев с выдержкой при 650°C, чтобы выровнять температурные напряжения в массивных сечениях.

А ещё есть нюанс с отпуском. Для литой легированной стали с её наследственной ликвацией (неоднородностью состава) время отпуска нужно увеличивать минимум на 20-25% по сравнению с кованым аналогом. Иначе есть риск получить нестабильную твёрдость по сечению. Один раз недосмотрели — и при механической обработке резец на разных участках шейки вала вёл себя по-разному, ?прыгал?. Оказалось, локальные твёрдости плавали в пределах 30 единиц HB.

После термообработки идёт обязательная проверка на травильной плите — макрошлиф. Ищешь полосчатость, неметаллические включения, зоны с разной скоростью затвердевания. Это та самая ?карта?, которая расскажет, как поведёт себя сталь в работе. Бывало, отбраковывали вроде бы прошедшую УЗК заготовку именно по макрошлифу — видели неблагоприятное направление дендритов, которое могло привести к усталостной трещине в зоне перехода диска в вал.

Механообработка: тонкости, о которых не прочтёшь в паспорте станка

Токарная обработка литой стали — это отдельная песня. Из-за литой структуры стружка отходит иначе, вибрация резца может быть выше. Особенно чувствительна чистовая обработка шеек вала под подшипники. Здесь нельзя гнаться за скоростью резания, как с поковкой. Нужно подбирать геометрию резца и охлаждение эмульсией, чтобы не было наклёпа на поверхность. Иначе при последующей шлифовке можно ?замазать? микродефекты, которые потом вылезут при эксплуатации.

Фрезеровка лопаточных пазов на цельнолитом роторе — ещё более ответственная операция. Неоднородность структуры может привести к тому, что стойкость фрезы на разных пазах будет отличаться. Контрольёр должен постоянно замерять профиль паза. Мы на своём опыте пришли к тому, что для таких работ используем фрезы только определённых марок твёрдого сплава и ведём журнал стойкости инструмента для каждой конкретной марки стали. Это помогает прогнозировать износ и не допустить брака на последних пазах.

И конечно, балансировка. Литой ротор, даже идеально обработанный, часто имеет больший дисбаланс, чем кованый, из-за неоднородности плотности материала. Балансировку на станке иногда приходится проводить в два этапа: предварительную после черновой обработки и окончательную — после всех чистовых операций. Иногда дисбаланс ?уходит? в неожиданное место после снятия даже небольшого припуска. Это нужно понимать и закладывать время на дополнительные корректировки.

Контроль качества: от рентгена до ультразвука

Всё начинается с входного контроля слитка или готовой отливки. Спектральный анализ на лазерном анализаторе — обязательно в нескольких точках: у прибыльной части, в центре и у кромки. Потом рентген или гамма-дефектоскопия для выявления внутренних раковин и грубых включений. Но самый главный наш инструмент — это ультразвуковой контроль (УЗК) на многочастотном дефектоскопе с фазированной решёткой.

Проблема с литой легированной сталью для УЗК в её крупнозернистой структуре, которая сильно рассеивает ультразвук. Стандартные настройки для поковок тут не работают. Приходится использовать низкочастотные преобразователи и строить так называемую ?диаграмму затухания? для каждой партии. Это долго, но необходимо. Как-то раз пропустили мелкую несплошность в зоне перехода из-за неправильно выбранной частоты. Дефект вскрылся при повторном УЗК уже после механической обработки. Хорошо, что до балансировки.

Обязательный этап — это контроль на травильной плите (макрошлиф), о котором я уже упоминал. А ещё — испытания на твёрдость по Бринеллю или Роквеллу в сетке по всему телу ротора, особенно в местах изменения сечения. Это даёт картину равномерности термообработки. Все данные, включая термограммы печей и протоколы УЗК, мы архивируем. Для таких проектов, как модернизация или капремонт турбин, это потом бесценная информация, которая есть в открытом доступе на https://www.chinaturbine.ru в разделе по технологиям ремонта.

Практический вывод и сфера применения

Так стоит ли игра свеч? Для серийных турбин средней и большой мощности, где важна максимальная надёжность и есть возможность использовать поковку, — пожалуй, нет. Но есть ниша, где литая легированная сталь незаменима. Это, как я уже говорил, специальные турбины с уникальными роторами, ремонт устаревшего парка, где нужно повторить оригинальную технологию, и изготовление крупных стационарных элементов, таких как корпуса регуляторов или опорные рамы, где сложность формы делает ковку нецелесообразной.

Наше предприятие, ООО Сычуань Чуанли Электромеханическое Оборудование, как интегрированная компания, занимающаяся полным циклом от проектирования до обслуживания, часто сталкивается с такими задачами. Специализируясь на производстве и ремонте паровых турбин для электростанций и промышленных приводов, мы понимаем, что дьявол кроется в деталях. И правильный выбор метода изготовления заготовки — это первая и одна из самых важных таких деталей.

Поэтому, если в спецификации стоит ?литьё?, не нужно этого пугаться. Нужно тщательнее прописывать техусловия, находить проверенного поставщика и выстраивать многоступенчатый контроль. Да, это требует больше времени и знаний на этапе подготовки. Но в итоге ты получаешь деталь, которая идеально соответствует своей функции, а не компромиссное решение. И опыт, который в следующий раз позволит избежать тех самых усадочных раковин под третьей ступенью.