超大型筒形鍛件制造技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

呂奎明　李家駒　張文輝

(天津重型裝備工程研究有限公司，天津300457)

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超大型筒形鍛件制造技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

呂奎明李家駒張文輝

(天津重型裝備工程研究有限公司，天津300457)

摘要：結(jié)合大型筒形鍛件的制造工序，從冶煉、鑄錠、鍛造、熱處理四個方面介紹了國內(nèi)外制造大型鍛件的新設(shè)備和新技術(shù)。隨著新設(shè)備和新技術(shù)的發(fā)展，制造超大型筒形鍛件成為可能。

關(guān)鍵詞：超大型筒形鍛件；新設(shè)備；新技術(shù)

大型筒形鍛件多應(yīng)用于核電、石化等重大裝備的核心部件，隨著設(shè)備效能的提高，壓力容器向大型化發(fā)展，壓力容器已由板焊結(jié)構(gòu)向著整體鍛件組焊方向發(fā)展，以減少焊縫數(shù)量和后續(xù)在役檢驗，改善產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的可靠性和安全性[1]。

大型筒形鍛件的主要制造工序有：冶煉→鑄錠→鍛造→預(yù)備熱處理→粗加工→性能熱處理→性能檢驗→精加工→包裝。技術(shù)成熟的制造廠根據(jù)實際情況也采用毛坯性能熱處理，以便縮短生產(chǎn)周期。隨著煉鋼、鑄錠、鍛造和熱處理技術(shù)的進(jìn)步，以及熱加工設(shè)備的更新和創(chuàng)新，鍛造超大直徑和壁厚的筒形鍛件成為可能。

1煉鋼

1.1冶煉

大型筒形鍛件的尺寸和重量越來越大，不僅要求材料成分符合要求，更要求鍛件冶金質(zhì)量達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，以提高鍛件均質(zhì)性。鋼的純凈度是影響鍛件均質(zhì)性的重要因素之一。

(1)雙真空

目前，大型鍛件制造廠均采用雙真空技術(shù)(鋼包精煉和真空澆注)，鋼液經(jīng)兩次真空處理，大幅度降低P、S等有害元素的含量，減少氣孔、夾雜、疏松和偏析等常見冶金缺陷。

(2)電渣重熔

電渣重熔是在水冷結(jié)晶器中借助熔融爐渣的電阻熱使電極熔化鋼錠的方法。電渣重熔是大型筒體鍛件用鋼錠冶煉的一種重要方法，其鑄錠定向凝固結(jié)晶，氣體和P、S等雜質(zhì)元素含量低，夾雜物數(shù)量少且細(xì)小彌散，均勻性與致密度高[2、3]。現(xiàn)在，很多大型鍛件制造廠都有電渣爐。國外JSW有150 t電渣爐，DOOSAN有150 t電渣爐；國內(nèi)一重有120 t電渣爐，上重有200 t電渣爐。2014年奧地利FORGIATURA A公司制造了最大的250 t電渣錠[4]。

前蘇聯(lián)早在20世紀(jì)80年代就開始了空心電渣重熔鋼錠技術(shù)的研究，現(xiàn)在俄羅斯每年生產(chǎn)超過12 000 t空心電渣重熔鋼錠，烏克蘭也有生產(chǎn)。但現(xiàn)在空心電渣鋼錠噸位和直徑還不大，多用來制造管狀工件。2014年烏克蘭ELMET-ROLL公司開發(fā)出最大重量300 t，最大直徑3 000 mm的空心電渣重熔鋼錠[5]。可以預(yù)見，大重量、大直徑空心電渣重熔鋼錠的成功將會更有利于生產(chǎn)高質(zhì)量的超大型筒形鍛件。

1.2澆注

澆注是煉鋼生產(chǎn)過程的最終操作，對產(chǎn)品的質(zhì)量有很大的影響。鋼錠在鋼錠模中的凝固條件決定了鋼錠的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，同時也決定了化學(xué)成分和組織均勻性。對于幾百噸的大鋼錠，冶煉問題更為突出。為了提高鋼錠的冶金質(zhì)量，國內(nèi)外研究人員對鋼錠形狀、冒口形狀、澆注溫度、澆注方式和澆注速度等進(jìn)行了研究和改進(jìn)[2]。

(1)鋼錠模設(shè)計

日本通過優(yōu)化鋼錠模設(shè)計，如減小高徑比，加大錐度，以降低V偏析及沉積錐[6]。

(2)多包合澆

采用多包合澆工藝生產(chǎn)超大型鋼錠，可控制每爐的成分和溫度，使鋼錠的成分偏析減小，鋼錠內(nèi)部質(zhì)量致密。

(3)空心鋼錠

20世紀(jì)60年代，國外開發(fā)了空心鋼錠技術(shù)。由于空心鋼錠無沖孔工序，使鍛造過程縮短，而且還減少了鋼錠重量、提高了鋼錠利用率和生產(chǎn)效率。空心鋼錠制造技術(shù)，不僅可以應(yīng)用于碳鋼和低合金鋼，也可應(yīng)用于不銹鋼。世界上空心鋼錠技術(shù)運用最成熟的企業(yè)是法國的克魯索鍛造廠。20世紀(jì)80年代，日本川崎公司制造了重達(dá)320 t的空心鋼錠，用于鍛造沸水堆壓力殼[7]。

目前，國內(nèi)一重、二重都在進(jìn)行空心鋼錠技術(shù)的研究。1983年，一重首次在國內(nèi)開始了對空心鋼錠制造技術(shù)的探索。1996年，一重正式開展大型空心鋼錠制造技術(shù)的研究[8]。經(jīng)過多年的研究，一重的空心鋼錠已應(yīng)用在加氫筒節(jié)的生產(chǎn)上，現(xiàn)160 t空心鋼錠可滿足國內(nèi)加氫反應(yīng)器的制造要求[7]，而且其已成功澆注了190 t空心鋼錠。二重也成功澆注了100 t級空心鋼錠[9]。

空心鋼錠由于空心結(jié)構(gòu)的原因，澆注過程一般只能在大氣下采用下注方式完成，鋼水中氣體成分難以控制，同時也存在二次氧化的問題。另外，冷卻技術(shù)也有待完善或突破。如果空心鋼錠的澆注和冷卻技術(shù)取得突破，空心鋼錠的優(yōu)勢將更加明顯，應(yīng)用前景會更好[7～9]。

2鍛造

筒形鍛件結(jié)構(gòu)相對簡單，鍛造工藝過程也較為固定，現(xiàn)在主要問題是鍛件的尺寸越來越大，導(dǎo)致鍛造難度加大。為了鍛造超大型筒體鍛件，現(xiàn)在的解決方法主要有兩種：一種是利用現(xiàn)有設(shè)備，通過適當(dāng)改進(jìn)發(fā)掘現(xiàn)有設(shè)備的潛力，而另一種是開發(fā)新型設(shè)備。

(1)體外鍛造

隨著鍛件尺寸越來越大，很多鍛件很難在水壓機(jī)上完成鍛造。20世紀(jì)70年代，日本JSW開發(fā)了體外鍛造技術(shù)。通過設(shè)計一套設(shè)備，可以將壓機(jī)橫梁的垂直運動轉(zhuǎn)變?yōu)樗竭\動，從而實現(xiàn)體外鍛造超大直徑筒型鍛件。體外鍛造筒形鍛件的示意圖如圖1所示[10]。20世紀(jì)80年代，JSW采用體外鍛造技術(shù)，生產(chǎn)了外徑達(dá)8 440 mm、高2 550 mm的核電筒形鍛件[1]。現(xiàn)在，利用體外鍛造技術(shù)，JSW能生產(chǎn)直徑10 m、高度4.35 m的超大筒形鍛件[10]。

圖1　體外鍛造筒形鍛件示意圖

(2)設(shè)計工輔具

2005年，二重臨時拆除了水壓機(jī)立柱護(hù)套，使水壓機(jī)開檔尺寸增大到5.1 mm，并成功鍛造了外徑為5 030 mm的筒形鍛件，打破了其120 MN水壓機(jī)鍛造的尺寸極限[3]。一重通過設(shè)計工輔具，實現(xiàn)了在150 MN水壓機(jī)上鍛造最大直徑為8 m的筒形鍛件。

(3)新型壓機(jī)

日本川崎制鋼公司安裝了一臺新型的44 MN水壓機(jī)，它由側(cè)機(jī)架、底座和相當(dāng)于活動橫梁的滑動梁組成。它與一般的自由鍛壓力機(jī)不一樣，在鍛造筒體時，筒體的外徑不受上橫梁的限制[11]，可生產(chǎn)最大外徑為8.5 m、高度為2 m的筒形鍛件[12]。該水壓機(jī)的缺點是產(chǎn)品結(jié)構(gòu)單一，只能鍛造筒形鍛件和板類鍛件。

(4)碾環(huán)機(jī)或筒節(jié)軋機(jī)

碾環(huán)機(jī)是將筒節(jié)由大型鋼錠鍛壓成型改為碾壓或軋制成型。國內(nèi)已有鍛件生產(chǎn)廠使用碾環(huán)機(jī)生產(chǎn)環(huán)狀鍛件，但生產(chǎn)的環(huán)高度尺寸較小[7]。韓國TAEWOONG公司是風(fēng)電鍛件領(lǐng)域的領(lǐng)頭羊，裝備了世界最大的?9.5 m碾環(huán)機(jī)，鍛造壓力為150 MN，可制造最大直徑為9 m的環(huán)[13]。中國可生產(chǎn)最大的環(huán)直徑為10 m[14]。法國DEMBIERMONT公司使用80 MN壓力機(jī)和碾環(huán)機(jī)可制造最大直徑為8 m、高度為1.7 m的鍛件[15]。

國內(nèi)一重、二重也進(jìn)行了筒節(jié)軋機(jī)的研制。一重成功開發(fā)了世界首套3 700 mm大型筒節(jié)軋機(jī)。國內(nèi)外碾環(huán)機(jī)多為立式，但一重研制的筒節(jié)軋機(jī)為臥式。與立式結(jié)構(gòu)相比，臥式筒節(jié)軋機(jī)制造的大尺寸筒節(jié)會存在橢圓度，但可制造最大高度為3 700 mm的筒形鍛件。2010年6月28日，一重研制的筒節(jié)軋機(jī)成功軋制首件筒節(jié)。一重的筒節(jié)軋機(jī)已經(jīng)開始批量生產(chǎn)石化容器用筒節(jié)鍛件。2013年10月20日，一重成功鍛造一根筒體鍛件，外徑為9 m、厚度為360 mm、高度為2 700 mm。筒節(jié)軋機(jī)的應(yīng)用擴(kuò)展了一重150 MN鍛造水壓機(jī)的鍛造規(guī)格，使我國具備了鍛造最大直徑9 m、壁厚500 mm的世界極限制造能力。

3熱處理

鍛件的熱處理包括預(yù)備熱處理和性能熱處理。預(yù)備熱處理在鍛件鍛造完成后進(jìn)行，主要作用是調(diào)整和細(xì)化晶粒。由于大型筒形鍛件在鍛造過程中很難得到細(xì)小的晶粒，為了得到保證超聲可探和性能要求的細(xì)晶粒，需進(jìn)行預(yù)備熱處理，為性能熱處理做好組織準(zhǔn)備。

性能熱處理是鍛件獲得優(yōu)良組織和性能，特別是低溫韌性的關(guān)鍵，鍛件一般采用水淬。除合理控制化學(xué)成分外，性能熱處理的溫度、時間和奧氏體化后的快速冷卻對鍛件獲得良好性能至關(guān)重要。為了使鍛件獲得優(yōu)良性能，現(xiàn)已發(fā)展了新型熱處理工藝和淬火方式。

3.1新型熱處理工藝

有文獻(xiàn)報道，20世紀(jì)70年代，德國布德魯斯特殊鋼廠對Mn-Ni-Mo鋼提出了一種新的熱處理工藝形式，即在正常淬火后增加一次雙相區(qū)淬火(820～860℃)來細(xì)化晶粒、改善心部性能，并用此工藝生產(chǎn)了厚達(dá)600 mm的大型管板[2、6]。韓國學(xué)者對SA508 Cl.3鋼提出了一種“亞臨界熱處理”的工藝形式，也是在淬火和回火中間增加一次亞臨界淬火(680～750℃)來提高材料韌性[16]。國內(nèi)，一重、二重、上重都有類似工藝形式的相關(guān)研究。

3.2新型淬火方式

3.2.1浸水淬火

筒形鍛件淬火的特點是內(nèi)外壁同時冷卻，由于筒形鍛件內(nèi)外水的流動狀態(tài)不同，使內(nèi)壁冷卻速率比外壁慢。對于筒形鍛件的淬火，在工件尺寸一定的前提下，淬火的冷卻效果主要取決于水的溫度和流動狀態(tài)。水槽的水量和循環(huán)水量決定了冷卻水的溫升[2]。因此，為了得到快而均勻的冷卻速率，現(xiàn)在趨向于建立大型水槽，以提高水槽水量，同時在水槽附近建立備用水池或冷卻塔，以便與水槽水進(jìn)行循環(huán)，加大循環(huán)量。另外，在水槽中安裝設(shè)備，以達(dá)到對冷卻水進(jìn)行充分?jǐn)嚢琛Ｔ撛O(shè)備主要包括以下幾種形式：

(1)機(jī)械攪拌

日本川崎制鋼公司通過安裝在水槽外圍和中心的螺旋槳強(qiáng)制攪動[12]。

(2)壓縮空氣攪拌

一重通過在水槽內(nèi)壁安裝管道，在管道中通入壓縮空氣來進(jìn)行攪動。

(3)噴水管(包括水槽內(nèi)壁附近及中心的噴水管)

日本JSW通過在水槽內(nèi)壁和中心附近設(shè)置噴水管，以加強(qiáng)水的循環(huán)[17]。

類似加強(qiáng)冷卻的方式在大型鍛件制造廠都有涉及。

3.2.2噴水淬火

即使建立大型水槽和備用水槽，但由于排水速度有限，淬火過程中水槽水溫不可避免的出現(xiàn)溫升。浸水淬火冷卻開始階段，會在灼熱工件表面形成蒸汽膜，使冷卻速率大大減慢。

噴水淬火是將高壓冷卻水高速撞擊灼熱工件表面，利用高速噴射至工件表面的恒溫冷卻水的熱交換以及液體汽化吸熱強(qiáng)化淬火冷卻的過程。由于水滴運動速度快，不形成蒸汽膜，同時水滴來不及過熱就流走，新的冷水滴不斷補充，冷卻過程能一直保證最大的溫度差，因而大大強(qiáng)化了淬火冷卻過程[18]。

為了提高筒形鍛件的冷卻速率和改善均勻性，一重創(chuàng)新地開發(fā)了噴水淬火技術(shù)。目前，一重的筒形鍛件基本采用噴水淬火。對于相同鍛件，采用噴水淬火后的性能優(yōu)于采用浸水淬火后的性能，且可以獲得較好的性能均勻性。

4結(jié)論

隨著重大裝備產(chǎn)品的大型化，為提高設(shè)備的可靠性和安全性，大型化和整體化生產(chǎn)成為重大裝備鍛件的發(fā)展方向，其中大型筒形鍛件在這方面表現(xiàn)得越來越明顯。而煉鋼、鍛造和熱處理等熱加工設(shè)備和技術(shù)的進(jìn)步和創(chuàng)新，為大型筒形鍛件的制造提供了技術(shù)支撐，使制造高質(zhì)量的超大型筒形鍛件成為可能。

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編輯李韋螢

Development Status of Manufacturing Technology

for Super Large Cylinder Forgings

Lv Kuiming, Li Jiaju, Zhang Wenhui

Abstract：By combining the manufacturing processes of heavy cylinder forgings, the new equipment and the new technology at home and abroad for manufacturing the heavy forgings have been described in four aspects of smelting, ingot casting, forging and heat treatment. With the development of new equipment and new technology, it is possible to manufacture the super large cylinder forgings.

Key words：super large cylinder forging; new equipment; new technology

作者簡介：呂奎明(1984—)，男，碩士，工程師，從事核電壓力容器材料及其熱處理工藝研究等。電話：15822945116，E-mail: altmffd@163.com

收稿日期：2015—06—09

中圖分類號：TG31

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A