超大型筒形锻件制造技术的发展现状

吕奎明　李家驹　张文辉

(天津重型装备工程研究有限公司，天津300457)



超大型筒形锻件制造技术的发展现状

吕奎明李家驹张文辉

(天津重型装备工程研究有限公司，天津300457)

摘要：结合大型筒形锻件的制造工序，从冶炼、铸锭、锻造、热处理四个方面介绍了国内外制造大型锻件的新设备和新技术。随着新设备和新技术的发展，制造超大型筒形锻件成为可能。

关键词：超大型筒形锻件；新设备；新技术

大型筒形锻件多应用于核电、石化等重大装备的核心部件，随着设备效能的提高，压力容器向大型化发展，压力容器已由板焊结构向着整体锻件组焊方向发展，以减少焊缝数量和后续在役检验，改善产品结构的可靠性和安全性[1]。

大型筒形锻件的主要制造工序有：冶炼→铸锭→锻造→预备热处理→粗加工→性能热处理→性能检验→精加工→包装。技术成熟的制造厂根据实际情况也采用毛坯性能热处理，以便缩短生产周期。随着炼钢、铸锭、锻造和热处理技术的进步，以及热加工设备的更新和创新，锻造超大直径和壁厚的筒形锻件成为可能。

1炼钢

1.1冶炼

大型筒形锻件的尺寸和重量越来越大，不仅要求材料成分符合要求，更要求锻件冶金质量达到标准，以提高锻件均质性。钢的纯净度是影响锻件均质性的重要因素之一。

(1)双真空

目前，大型锻件制造厂均采用双真空技术(钢包精炼和真空浇注)，钢液经两次真空处理，大幅度降低P、S等有害元素的含量，减少气孔、夹杂、疏松和偏析等常见冶金缺陷。

(2)电渣重熔

电渣重熔是在水冷结晶器中借助熔融炉渣的电阻热使电极熔化钢锭的方法。电渣重熔是大型筒体锻件用钢锭冶炼的一种重要方法，其铸锭定向凝固结晶，气体和P、S等杂质元素含量低，夹杂物数量少且细小弥散，均匀性与致密度高[2、3]。现在，很多大型锻件制造厂都有电渣炉。国外JSW有150 t电渣炉，DOOSAN有150 t电渣炉；国内一重有120 t电渣炉，上重有200 t电渣炉。2014年奥地利FORGIATURA A公司制造了最大的250 t电渣锭[4]。

前苏联早在20世纪80年代就开始了空心电渣重熔钢锭技术的研究，现在俄罗斯每年生产超过12 000 t空心电渣重熔钢锭，乌克兰也有生产。但现在空心电渣钢锭吨位和直径还不大，多用来制造管状工件。2014年乌克兰ELMET-ROLL公司开发出最大重量300 t，最大直径3 000 mm的空心电渣重熔钢锭[5]。可以预见，大重量、大直径空心电渣重熔钢锭的成功将会更有利于生产高质量的超大型筒形锻件。

1.2浇注

浇注是炼钢生产过程的最终操作，对产品的质量有很大的影响。钢锭在钢锭模中的凝固条件决定了钢锭的结晶结构，同时也决定了化学成分和组织均匀性。对于几百吨的大钢锭，冶炼问题更为突出。为了提高钢锭的冶金质量，国内外研究人员对钢锭形状、冒口形状、浇注温度、浇注方式和浇注速度等进行了研究和改进[2]。

(1)钢锭模设计

日本通过优化钢锭模设计，如减小高径比，加大锥度，以降低V偏析及沉积锥[6]。

(2)多包合浇

采用多包合浇工艺生产超大型钢锭，可控制每炉的成分和温度，使钢锭的成分偏析减小，钢锭内部质量致密。

(3)空心钢锭

20世纪60年代，国外开发了空心钢锭技术。由于空心钢锭无冲孔工序，使锻造过程缩短，而且还减少了钢锭重量、提高了钢锭利用率和生产效率。空心钢锭制造技术，不仅可以应用于碳钢和低合金钢，也可应用于不锈钢。世界上空心钢锭技术运用最成熟的企业是法国的克鲁索锻造厂。20世纪80年代，日本川崎公司制造了重达320 t的空心钢锭，用于锻造沸水堆压力壳[7]。

目前，国内一重、二重都在进行空心钢锭技术的研究。1983年，一重首次在国内开始了对空心钢锭制造技术的探索。1996年，一重正式开展大型空心钢锭制造技术的研究[8]。经过多年的研究，一重的空心钢锭已应用在加氢筒节的生产上，现160 t空心钢锭可满足国内加氢反应器的制造要求[7]，而且其已成功浇注了190 t空心钢锭。二重也成功浇注了100 t级空心钢锭[9]。

空心钢锭由于空心结构的原因，浇注过程一般只能在大气下采用下注方式完成，钢水中气体成分难以控制，同时也存在二次氧化的问题。另外，冷却技术也有待完善或突破。如果空心钢锭的浇注和冷却技术取得突破，空心钢锭的优势将更加明显，应用前景会更好[7～9]。

2锻造

筒形锻件结构相对简单，锻造工艺过程也较为固定，现在主要问题是锻件的尺寸越来越大，导致锻造难度加大。为了锻造超大型筒体锻件，现在的解决方法主要有两种：一种是利用现有设备，通过适当改进发掘现有设备的潜力，而另一种是开发新型设备。

(1)体外锻造

随着锻件尺寸越来越大，很多锻件很难在水压机上完成锻造。20世纪70年代，日本JSW开发了体外锻造技术。通过设计一套设备，可以将压机横梁的垂直运动转变为水平运动，从而实现体外锻造超大直径筒型锻件。体外锻造筒形锻件的示意图如图1所示[10]。20世纪80年代，JSW采用体外锻造技术，生产了外径达8 440 mm、高2 550 mm的核电筒形锻件[1]。现在，利用体外锻造技术，JSW能生产直径10 m、高度4.35 m的超大筒形锻件[10]。

图1　体外锻造筒形锻件示意图

(2)设计工辅具

2005年，二重临时拆除了水压机立柱护套，使水压机开档尺寸增大到5.1 mm，并成功锻造了外径为5 030 mm的筒形锻件，打破了其120 MN水压机锻造的尺寸极限[3]。一重通过设计工辅具，实现了在150 MN水压机上锻造最大直径为8 m的筒形锻件。

(3)新型压机

日本川崎制钢公司安装了一台新型的44 MN水压机，它由侧机架、底座和相当于活动横梁的滑动梁组成。它与一般的自由锻压力机不一样，在锻造筒体时，筒体的外径不受上横梁的限制[11]，可生产最大外径为8.5 m、高度为2 m的筒形锻件[12]。该水压机的缺点是产品结构单一，只能锻造筒形锻件和板类锻件。

(4)碾环机或筒节轧机

碾环机是将筒节由大型钢锭锻压成型改为碾压或轧制成型。国内已有锻件生产厂使用碾环机生产环状锻件，但生产的环高度尺寸较小[7]。韩国TAEWOONG公司是风电锻件领域的领头羊，装备了世界最大的∅9.5 m碾环机，锻造压力为150 MN，可制造最大直径为9 m的环[13]。中国可生产最大的环直径为10 m[14]。法国DEMBIERMONT公司使用80 MN压力机和碾环机可制造最大直径为8 m、高度为1.7 m的锻件[15]。

国内一重、二重也进行了筒节轧机的研制。一重成功开发了世界首套3 700 mm大型筒节轧机。国内外碾环机多为立式，但一重研制的筒节轧机为卧式。与立式结构相比，卧式筒节轧机制造的大尺寸筒节会存在椭圆度，但可制造最大高度为3 700 mm的筒形锻件。2010年6月28日，一重研制的筒节轧机成功轧制首件筒节。一重的筒节轧机已经开始批量生产石化容器用筒节锻件。2013年10月20日，一重成功锻造一根筒体锻件，外径为9 m、厚度为360 mm、高度为2 700 mm。筒节轧机的应用扩展了一重150 MN锻造水压机的锻造规格，使我国具备了锻造最大直径9 m、壁厚500 mm的世界极限制造能力。

3热处理

锻件的热处理包括预备热处理和性能热处理。预备热处理在锻件锻造完成后进行，主要作用是调整和细化晶粒。由于大型筒形锻件在锻造过程中很难得到细小的晶粒，为了得到保证超声可探和性能要求的细晶粒，需进行预备热处理，为性能热处理做好组织准备。

性能热处理是锻件获得优良组织和性能，特别是低温韧性的关键，锻件一般采用水淬。除合理控制化学成分外，性能热处理的温度、时间和奥氏体化后的快速冷却对锻件获得良好性能至关重要。为了使锻件获得优良性能，现已发展了新型热处理工艺和淬火方式。

3.1新型热处理工艺

有文献报道，20世纪70年代，德国布德鲁斯特殊钢厂对Mn-Ni-Mo钢提出了一种新的热处理工艺形式，即在正常淬火后增加一次双相区淬火(820～860℃)来细化晶粒、改善心部性能，并用此工艺生产了厚达600 mm的大型管板[2、6]。韩国学者对SA508 Cl.3钢提出了一种“亚临界热处理”的工艺形式，也是在淬火和回火中间增加一次亚临界淬火(680～750℃)来提高材料韧性[16]。国内，一重、二重、上重都有类似工艺形式的相关研究。

3.2新型淬火方式

3.2.1浸水淬火

筒形锻件淬火的特点是内外壁同时冷却，由于筒形锻件内外水的流动状态不同，使内壁冷却速率比外壁慢。对于筒形锻件的淬火，在工件尺寸一定的前提下，淬火的冷却效果主要取决于水的温度和流动状态。水槽的水量和循环水量决定了冷却水的温升[2]。因此，为了得到快而均匀的冷却速率，现在趋向于建立大型水槽，以提高水槽水量，同时在水槽附近建立备用水池或冷却塔，以便与水槽水进行循环，加大循环量。另外，在水槽中安装设备，以达到对冷却水进行充分搅拌。该设备主要包括以下几种形式：

(1)机械搅拌

日本川崎制钢公司通过安装在水槽外围和中心的螺旋桨强制搅动[12]。

(2)压缩空气搅拌

一重通过在水槽内壁安装管道，在管道中通入压缩空气来进行搅动。

(3)喷水管(包括水槽内壁附近及中心的喷水管)

日本JSW通过在水槽内壁和中心附近设置喷水管，以加强水的循环[17]。

类似加强冷却的方式在大型锻件制造厂都有涉及。

3.2.2喷水淬火

即使建立大型水槽和备用水槽，但由于排水速度有限，淬火过程中水槽水温不可避免的出现温升。浸水淬火冷却开始阶段，会在灼热工件表面形成蒸汽膜，使冷却速率大大减慢。

喷水淬火是将高压冷却水高速撞击灼热工件表面，利用高速喷射至工件表面的恒温冷却水的热交换以及液体汽化吸热强化淬火冷却的过程。由于水滴运动速度快，不形成蒸汽膜，同时水滴来不及过热就流走，新的冷水滴不断补充，冷却过程能一直保证最大的温度差，因而大大强化了淬火冷却过程[18]。

为了提高筒形锻件的冷却速率和改善均匀性，一重创新地开发了喷水淬火技术。目前，一重的筒形锻件基本采用喷水淬火。对于相同锻件，采用喷水淬火后的性能优于采用浸水淬火后的性能，且可以获得较好的性能均匀性。

4结论

随着重大装备产品的大型化，为提高设备的可靠性和安全性，大型化和整体化生产成为重大装备锻件的发展方向，其中大型筒形锻件在这方面表现得越来越明显。而炼钢、锻造和热处理等热加工设备和技术的进步和创新，为大型筒形锻件的制造提供了技术支撑，使制造高质量的超大型筒形锻件成为可能。

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编辑李韦萤

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

作者简介：吕奎明(1984—)，男，硕士，工程师，从事核电压力容器材料及其热处理工艺研究等。电话：15822945116，E-mail: altmffd@163.com

收稿日期：2015—06—09

中图分类号：TG31

文献标志码：A