超大型筒形鍛件制造技術的發展現狀

發布時間：2021-04-08 人氣：

大型筒形鍛件多應用于核電、石化等重大裝備的核心部件，隨著設備效能的提高，壓力容器向大型化發展，壓力容器已由板焊結構向著整體鍛件組焊方向發展,以減少焊縫數量和后續在役檢驗，改善產品結構的可靠性和安全性。
大型筒形鍛件的主要制造工序有:冶煉→鑄錠→鍛造→預備熱處理→粗加工→性能熱處理→性能檢驗→精加工→包裝。技術成熟的制造廠根據實際情況也采用毛坯性能熱處理，以便縮短生產周期。隨著煉鋼、鑄錠、鍛造和熱處理技術的進步，以及熱加工設備的更新和創新，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,更要求鍛件冶金質量達到標準，以提高鍛件均質性。鋼的純凈度是影響鍛件均質性的重要因素之一。
（1）雙真空
目前,大型鍛件制造廠均采用雙真空技術（鋼包精煉和真空澆注)，鋼液經兩次真空處理，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，其鑄錠定向凝固結晶，氣體和P、S等雜質元素含量低，夾雜物數量少且細小彌散，均勻性與致密度高。現在，很多大型鍛件制造廠都有電渣爐。國外JSW有150t電渣爐，DOOSAN有150t電渣爐；國內一重有120t電渣爐，上重有200t電渣爐。2014 年奧地利 FORGIATURA A 公司制造了***大的250t電渣錠。
前蘇聯早在20世紀80年代就開始了空心電渣重熔鋼錠技術的研究，現在俄羅斯每年生產超過12000t空心電渣重熔鋼，烏克蘭也有生產。但現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 公司開發出***大重量 300 t，***大直徑3 000 mm的空心電渣重熔鋼錠。可以預見，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高質量的超大型筒形鍛件。
1.2 澆注
澆注是煉鋼生產過程的***終操作,對產品的質量有很大的影響。鋼錠在鋼錠模中的凝固條件決定了鋼錠的結晶結構,同時也決定了化學成分和組織均勻性。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量，國內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行了研究和改進。
（1）鋼錠模設計
日本通過優化鋼錠模設計，如減小高徑比，加大錐度，以降低V偏析及沉積錐。
（2）多包合澆
采用多包合澆工藝生產超大型鋼錠，可控制每爐的成分和溫度，使鋼錠的成分偏析減小，鋼錠內部質量致密。
（3）空心鋼錠
20世紀60年代，國外開發了空心鋼錠技術。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效率。空心鋼錠制造技術，不僅可以應用于碳鋼和低合金鋼，也可應用于不銹鋼。世界上空心鋼錠技術運用***成熟的企業是法國的克魯索鍛造廠。20 世紀80 年代，日本川崎公司制造了重達 320t的空心鋼錠，用于鍛造沸水堆壓力殼。
目前,國內一重、二重都在進行空心鋼錠技術的研究。1983年,一重***在國內開始了對空心鋼錠制造技術的探索。1996 年,一重正式開展大型空心鋼錠制造技術的研究。經過多年的研究，一重的空心鋼錠已應用在加氫筒節的生產上，現160t空心鋼鍵可滿足國內加氫反應器的制造要求，而且其已成功澆注了190t空心鋼錠。二重也成功澆注了100t級空心鋼錠。
空心鋼錠由于空心結構的原因，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，冷卻技術也有待完善或突破。如果空心鋼錠的澆注和冷卻技術取得突破，空心鋼錠的優勢將更加明顯，應用前景會更好。
2 鍛造
筒形鍛件結構相對簡單,鍛造工藝過程也較為固定,現在主要問題是鍛件的尺寸越來越大，導致鍛造難度加大。為了鍛造超大型筒體鍛件,現在的解決方法主要有兩種：一種是利用現有設備，通過適當改進發掘現有設備的潛力,而另一種是開發新型設備。
（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上完成鍛造。20 世紀 70年代,日本 JSW開發了體外鍛造技術。通過設計一套設備,可以將壓機橫梁的垂直運動轉變為水平運動,從而實現體外鍛造超大直徑筒型鍛件。20世紀80年代，JSW采用體外鍛造技術，生產了外徑達8440 mm、高2 550 mm 的核電筒形鍛件。現在,利用體外鍛造技術，JSW能生產直徑 10 m、高度 4.35 m的超大筒形鍛件。
（2）設計工輔具
2005年，二重臨時拆除了水壓機立柱護套，使水壓機開檔尺寸增大到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水壓機鍛造的尺寸極限。一重通過設計工輔具，實現了在150 MN水壓機上鍛造***大直徑為8m的筒形鍛件。
（3）新型壓機
日本川崎制鋼公司安裝了一臺新型的44 MN水壓機，它由側機架、底座和相當于活動橫梁的滑動梁組成。它與一般的自由鍛壓力機不一樣，在鍛造筒體時，筒體的外徑不受上橫梁的限制，可生產***大外徑為8.5 m、高度為2 m的筒形鍛件。該水壓機的缺點是產品結構單一，只能鍛造筒形鍛件和板類鍛件。
（4）碾環機或筒節軋機
碾環機是將筒節由大型鋼錠鍛壓成型改為碾壓或軋制成型。國內已有鍛件生產廠使用碾環機生產環狀鍛件，但生產的環高度尺寸較小。韓國TAEWOONG公司是風電鍛件領域的***羊，裝備了世界***大直徑為9.5m碾環機，鍛造壓力為150 MN,可制造***大直徑為9m的環。中國可生產***大的環直徑為10 m。法國 DEMBIERMONT公司使用80 MN壓力機和碾環機可制造***大直徑為8m、高度為1.7m的鍛件。
國內一重、二重也進行了筒節軋機的研制。一重成功開發了世界首套3700mm大型筒節軋機。國內外碾環機多為立式，但一重研制的筒節軋機為臥式。與立式結構相比，臥式筒節軋機制造的大尺寸筒節會存在橢圓度，但可制造***大高度為3700mm的筒形鍛件。2010年6月28日，一重研制的筒節軋機成功軋制首件筒節。一重的筒節軋機已經開始批量生產石化容器用筒節鍛件。2013年10月20日，一重成功鍛造一根筒體鍛件，外徑為9m、厚度為360 mm、高度為2 700mm。筒節軋機的應用擴展了一重150 MN 鍛造水壓機的鍛造規格,使我國具備了鍛造***大直徑9m、壁厚500mm 的世界極限制造能力。

3 熱處理
鍛件的熱處理包括預備熱處理和性能熱處理。預備熱處理在鍛件鍛造完成后進行，主要作用是調整和細化晶粒。由于大型筒形鍛件在鍛造過程中很難得到細小的晶粒,為了得到保證超聲可探和性能要求的細晶粒，需進行預備熱處理，為性能熱處理做好組織準備。
性能熱處理是鍛件獲得優良組織和性能，特別是低溫韌性的關鍵，鍛件一般采用水淬。除合理控制化學成分外，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重要。為了使鍛件獲得優良性能，現已發展了新型熱處理工藝和淬火方式。
3.1 新型熱處理工藝
據報道，20世紀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淬火（820～860℃)來細化晶粒、改善心部性能，并用此工藝生產了厚達600 mm的大型管板。韓國學者對 SA508 C1.3 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。國內，一重、二重、上重都有類似工藝形式的相關研究。
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外壁同時冷卻,由于筒形鍛件內外水的流動狀態不同，使內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。水槽的水量和循環水量決定了冷卻水的溫升。因此，為了得到快而均勻的冷卻速率，現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，以便與水槽水進行循環,加大循環量。另外,在水槽中安裝設備,以達到對冷卻水進行充分攪拌。該設備主要包括以下幾種形式：
（1）機械攪拌
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制攪動。
（2）壓縮空氣攪拌
一重通過在水槽內壁安裝管道,在管道中通入壓縮空氣來進行攪動。
（3）噴水管(包括水槽內壁附近及中心的噴水管)
日本 JSW通過在水槽內壁和中心附近設置噴水管，以加強水的循環。
類似加強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。
噴水淬煉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化火冷卻的過程。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***大的溫度差，因而大大強化了淬火冷卻過程。
為了提高筒形鍛件的冷卻速率和改善均勻性，一重創新地開發了噴水淬火技術。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于采用浸水淬火后的性能，且可以獲得較好的性能均勻性。
隨著重大裝備產品的大型化，為提高設備的可靠性和安全性，大型化和整體化生產成為重大裝備鍛件的發展方向，其中大型筒形鍛件在這方面表現得越來越明顯。而煉鋼、鍛造和熱處理等熱加工設備和技術的進步和創新，為大型筒形鍛件的制造提供了技術支撐，使制造高質量的超大型筒形鍛件成為可能。

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