淺談影響大鍛件質量的因素

文/付前進，付強，劉興龍，逯偉·大連華銳重工鑄鋼有限公司

淺談影響大鍛件質量的因素

文/付前進，付強，劉興龍，逯偉·大連華銳重工鑄鋼有限公司

付前進，原中國一重水壓機鍛造廠副廠長、大連華銳重工鑄鋼有限公司副總經理，技術專家，負責的5%CrNiMoV整鍛支承輥研制，獲機械工業聯合會科技進步二等獎。

我國現有生產大鍛件的大型自由鍛造壓力機主要有水壓力機與油壓力機兩種，其額定壓力噸位主要有12.5MN、16MN、20MN、 25MN、31.5MN、45MN、60MN、80MN、100MN、125MN、145MN、150MN、165MN、185MN等不同規格等級。近年來我國大鍛件最高產量達380萬噸，占世界大型鍛件生產總量的50%以上。一些新建的生產線由于壓力機生產工序沒有完全配套（上道工序無法生產作為鍛件原料的鋼錠，下道工序沒有熱處理能力），致使這些壓力機的產能發揮不足。如果這些潛在產能釋放出來，全國大鍛件的生產能力可以達到700萬噸，相當于現在全世界大鍛件全年的總產量。

雖然我國大鍛件的總產量已經很高，但是我們的大鍛件在新產品研發和質量等級上還落后于發達國家。例如12%Cr馬氏體型轉子、核電低壓轉子、大型護環、大型化工設備等都還處于研制階段，即使有一些鍛件已經生產出樣品或產品，但質量穩定性不能讓用戶信服，市場競爭力較弱。因此，要成為世界級大鍛件生產基地，還應該加強在新產品開發能力和提高大鍛件質量穩定性方面的工作。同時，為減少市場的無序競爭與白熱化的價格戰，各公司應根據自己的設備、資源等特點，研發適合市場的專業化產品。

鋼錠質量報告

20世紀90年代，以清華大學劉莊教授為首的研究小組，通過計算機模擬，解決了鋼錠的順序凝固問題，預測了凝固后的冒口縮孔位置，避免了二次縮孔，雙錐度冒口改為單錐度冒口。同時，鋼錠冒口重量比例由28%降低到16%～22%，提高了鋼錠利用率。為鋼錠模的設計由高徑比H/D=1.7降低到H/ D=0.95～1.2提供了理論基礎，產生了巨大的社會效益。

鋼錠內部化學成分偏析、鋼錠內部的空洞型缺陷問題一直困擾著我國大型鍛件的生產，世界各國開始解剖大型鋼錠，尋找鋼錠生產的最佳方案，減少鋼錠內部化學成分的偏析，提高鋼錠利用率。鍛造生產之前，鋼錠的質量報告應該包含以下信息。⑴鋼錠的冒口縮孔位置；⑵鋼錠的水口沉積堆位置、形狀、尺寸，以便于在鍛造過程中去除這些缺陷；⑶化學成分偏析情況，以便于鍛造時采用合理的加熱工藝；⑷鋼錠有、無空洞型缺陷，如果存在標示出其位置、大小、方向，以便于鍛造給出合理的壓實操作工藝規范。

這些信息的確定對實際生產意義重大。如果鍛件出現了質量問題，分析產生的原因就能判斷出是鋼錠存在問題還是鍛造工藝存在問題，這樣方便問題的整改，同時也可以避免一些質量問題的產生。

鍛造工藝

鍛造始鍛溫度的確定

由于大型及特大型鋼錠，真空澆注后靠鋼錠模進行冷卻，其能力有限，特別是形成氣隙后，其冷卻速度更加緩慢。如今的鋼錠模設計，為了有利于夾雜物上浮，避免形成縮孔而提高補縮能力，使鋼錠高徑比變為H/D=0.95～1.2的短粗鋼錠；為了推遲粘稠區的形成時間，加入發熱劑使凝固時間變長，這些都容易造成鋼錠內部化學成分嚴重偏析。圖1為450t級的45Cr4NiMoV支承輥用鋼錠，其冒口碳含量達到1.05%。僅碳元素一項，就使得其晶界熔點降低53℃。即使是58t級的70Cr3Mo材質的鋼錠，其冒口的碳含量也高于平均碳含量0.32%。高碳類材質的碳偏析較為嚴重，Mn、Cr、S等元素的偏析，同時伴隨MnS、SiO2等低熔點物質在冒口端樹枝狀晶間的富集，導致冒口端的晶界熔點進一步降低。

鋼錠的始鍛溫度，根據鋼錠的材質、鋼錠的大小而定，而鍛造工藝規范確定的始鍛溫度適合于偏析不嚴重的材質與鋼錠。個別鍛造廠為降低鍛造時的變形抗力，將大型工具鋼鋼錠的始鍛溫度提高30℃，結果鍛造時產生嚴重鍛造裂紋而導致產品報廢，廢品率達到87.5%。

圖1 450t級的45Cr4NiMoV支承輥用鋼錠

為減少鋼錠的化學成分偏析，多包澆注時嘗試采用AP澆注工藝，即先澆注的LF包鋼水的易偏析元素按中上限控制含量，而后澆注的鋼水的易偏析元素按中下限控制含量。在實際生產過程中，其效果隨著鋼錠增大而變得不明顯。大型鍛件的始鍛溫度，應根據鋼錠大小、材質中易偏析元素含量等情況來確定，鍛造工藝規范等的始鍛溫度只是參考，決不能擅自提高大型鋼錠的始鍛溫度，以免由于過熱或過燒而造成鍛造開裂報廢。

鋼錠帶來的主要是化學成分偏析的問題。就碳元素來看，當固溶碳含量達到0.40%時，鋼材可以達到最大強度值，而當固溶碳含量達到0.60%時鋼材可以達到最大硬度值。對于大型鍛件的實測結果，水、冒口的碳偏析可以達到0.55%左右，對于這樣的鍛件如何達到一致的組織、性能要求將是很困難的問題。鍛件的碳當量大于0.38%時，其可焊性變差。為滿足鍛件的探傷要求，在鍛造過程中必須使鍛件內部的缺陷達到焊合的條件。因此，在大型鍛件的化學成分設計時，應該考慮在滿足其性能要求的前提下，盡可能提高其可焊性。

關于鋼錠沉積堆問題

在鋼錠模設計時，底盤預留于鋼錠錠底部分，其尺寸根據鋼錠尺寸各不相同，其重量為鋼錠重量的2.5%～3.5%，目的是鋼錠結晶時使沉積堆相對鋼錠水口近一些，以便于在今后的鍛造過程中加以去除。通過對鋼錠的解剖發現鋼錠的沉積堆上部與負偏析區重合，位置大約是錠身高度的25%左右。

很多鍛造廠在對鋼錠進行鐓粗時，違反工藝的操作是將沒有去除錠底的鋼錠直接鐓粗。由于錠底的直徑小于錠身，且端部散熱面積大，造成其冷卻速度較快，同時由于摩擦阻力產生的Ⅰ區的影響，在鐓粗時以實芯沖頭方式沖入鋼錠內部，其結果是沉積堆尖部向冒口方向提高量大約與錠底高度相同，給去除沉積堆造成困難。因此，在中間鐓粗前，鋼錠的錠底必須去除，如圖2所示。

經過對鋼錠形成沉積堆特點的資料收集，用于生產實芯鍛件的短粗鋼錠的沉積堆有兩種形狀，即中間剖面鋼錠底部為W形或圓臺形，其中W形可以利用鋼錠水口切除部分去掉，而圓臺形其高度位于錠身高25%左右。這種沉積堆鍛造人員一直在研究去除辦法，20世紀80年代，北京重機廠先用上鐓擠冒沖擊，再用空心上鐓粗板鐓粗的辦法，擠出沉積堆。但由于這種操作方法，上鐓擠冒去除困難，宣布失敗。過去一重生產300MW汽輪機低壓轉子，由于在水口端，軸身與軸頸過渡處，經常發現超聲波探傷超標，廢品率大約50%。

圖2 205t鋼錠錠底沖入使沉積堆相對提高情況

圖3 φ3600mm×850mm反擠壓式上鐓粗板

φ3600mm×850mm反擠壓式上鐓粗板（圖3）的鍛造工藝需要進行三次中間鐓粗。在中間鐓粗前，必須將鋼錠底部去除。每次可以擠出沉積堆300～350mm。第一、二次鐓粗和壓實結束后，均用吹氧管割去擠出部分。這樣可以擠出沉積堆大約600mm。鋼錠尺寸為：2875mm×2670mm×3085mm，沉積堆高度為770mm，如圖4所示。

由于使用反擠式上鐓粗板，使沉積堆高度降低350mm，鐓粗后鋼錠高度H=1600。此時，沉積堆高度距水口端420mm，只要選用寬1200mm以上的砧子，即可以在壓實過程中將沉積堆尖部擠出。當然壓實時水口各道次均應滿砧進給，用FM壓實法擠出沉積堆尖部的原理如圖5所示。

圖4 205t鋼錠反擠沉積堆

圖5 205t鋼錠的壓實示意圖

通常經過8～12個道次的壓實操作，一般各道次的壓下量控制在20%，規整到方形界面2400mm×2400mm×3300mm，完成第一次鐓粗與壓實操作。氣割反擠出的沉積堆，此時沉積堆與坯料的情況如圖6所示。在第二次鐓粗反擠后，再次氣割沉積堆，此時其尖部距離毛坯水口尖部大約100mm左右。經三次鐓粗壓實后，不需要再氣割，出成品時，沉積堆自然被切掉了。用此工藝生產的300MW汽輪機轉子，無水口端再無超聲波探傷超標缺陷產生，同時，年產量也由過去4～8根增加到60根，同時再不需要雙倍投料。

圖6 第一次壓實并氣割反擠沉積堆后的毛坯情況

大型鍛件的技術條件或鍛造工藝中，對于實芯鍛件鍛造時要保持鋼錠與鍛件基本同心。由圖5可以看到，由于摩擦的存在，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ區的作用，鍛件內部各點的塑性變形量不均勻也不對稱。即使是在輔具對稱的條件下，同樣存在這樣的問題。也就是說鋼錠內部的一個質點，鍛造完成后，會在鍛件的哪個具體位置，現在沒有判斷能力。將來能否用計算機來模擬鍛造變形，判斷出鋼錠與鍛件間的相對位置。同時，在各種輔具及邊界條件下，鋼錠內部各質點的應力與應變處于什么狀態，能否滿足該部位的鍛合與焊合條件。

如果以上兩個問題能夠用計算機模擬來完成，同時，在鋼錠的質量報告中，完整描述了鋼錠的質量情況，鍛造工藝人員就可以根據鍛件的技術條件，給出合理鍛造工藝，避免造成工藝浪費，同時提高鍛件的質量。

結束語

本文提出鋼錠質量報告，應通過計算機模擬手段提供其缺陷的具體位置、形狀、尺寸，給鍛造合理設計鍛造工藝提供方便。鍛造工藝應研究如何使用計算機模擬，結合鋼錠的預知缺陷模擬出合理的鍛造工藝，熱處理應在解決由于鍛件化學成分偏析的情況下，如何滿足鍛件的技術條件要求，同時在化學成分設計時為鍛造焊合提供方便。