超大型筒形鍛件制造技術的發展現狀
2021-06-05 11:02
admin
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。
煉鋼冶煉
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。
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。
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150 t電渣爐,D00SAN有150 t電揸爐；國內一重有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。
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12 000 t空心電渣重熔鋼錠，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公司開發出最大重量300 t，最大直徑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。
澆注
澆注是煉鋼生產過程的最終操作，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最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320 t 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,一重首次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160 t空心鋼錠可滿足國內加氫反應器的制造要求，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。
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…
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。
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8 440 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
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[3]。一重通過設計工輔 具，實現了在150 MN水壓機上鍛造最大直徑為8 m的筒形鍛件。
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， 可生產最大外徑為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。
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TAEW00NG公司是風電鍛件領域的領頭羊, 裝備了世界最大的09.5 m碾環機，鍛造壓力為 150 MN，可制造最大直徑為9 m的環。中國可生產最大的環直徑10m0法國DEMBIER- M0NT公司使用80 MN壓力機和碾環機可制造最 大直徑為8 m、高度為1.7 m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3 700 mm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， 一重研制的筒節軋機成功乳制首件筒節。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9 m、厚度為360 mm、高度為2 700 mm。筒節乳機的應用擴展了一重150 MN鍛造水壓機的鍛造規格,使我國具備了鍛造最大直徑 9 m、壁厚500 mm的世界極限制造能力。
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。
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。
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。
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150 t電渣爐,D00SAN有150 t電揸爐；國內一重有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。
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12 000 t空心電渣重熔鋼錠，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公司開發出最大重量300 t，最大直徑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。
澆注
澆注是煉鋼生產過程的最終操作，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最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320 t 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,一重首次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160 t空心鋼錠可滿足國內加氫反應器的制造要求，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。
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。
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8 440 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
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[3]。一重通過設計工輔 具，實現了在150 MN水壓機上鍛造最大直徑為8 m的筒形鍛件。
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， 可生產最大外徑為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。
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TAEW00NG公司是風電鍛件領域的領頭羊, 裝備了世界最大的09.5 m碾環機，鍛造壓力為 150 MN，可制造最大直徑為9 m的環。中國可生產最大的環直徑10m0法國DEMBIER- M0NT公司使用80 MN壓力機和碾環機可制造最 大直徑為8 m、高度為1.7 m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3 700 mm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， 一重研制的筒節軋機成功乳制首件筒節。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9 m、厚度為360 mm、高度為2 700 mm。筒節乳機的應用擴展了一重150 MN鍛造水壓機的鍛造規格,使我國具備了鍛造最大直徑 9 m、壁厚500 mm的世界極限制造能力。
