超大型筒形鍛件制造技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀
2021-06-05 11:02
admin
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(yàn)，改善產(chǎn)品結(jié)構(gòu)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(yù)備熱處理→粗加工→性能熱處理→性能檢驗(yàn)→精加工→包裝。技術(shù)成熟的制造廠根據(jù)實(shí)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。
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(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。
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。
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。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,D00SAN有150 t電揸?duì)t；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。
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可以預(yù)見，大重量、大直徑空心電渣重熔鋼錠的成功將會(huì)更有利于生產(chǎn)高質(zhì)量的超大型筒形鍛件。
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(shí)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)。
(1) 鋼錠模設(shè)計(jì)
日本通過優(yōu)化鋼錠模設(shè)計(jì)，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(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(yùn)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。
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。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，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(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(shí)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(huì)更好…
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。
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(jì)一套設(shè)備，可以將壓機(jī)橫梁的垂直運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)樗竭\(yùn)動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)體外鍛造超大直徑筒型鍛件。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。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
設(shè)計(jì)工輔具
2005年,二重臨時(shí)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(jì)工輔 具，實(shí)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。
新型壓機(jī)
日本川崎制鋼公司安裝了一臺(tái)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(dòng)橫梁的滑動(dòng)梁組成。它與一般的自由鍛壓力機(jī)不一樣,在鍛造筒體時(shí)，筒體的外徑不受上橫梁的限制， 可生產(chǎn)最大外徑為8. 5 m、高度為2 m的筒形鍛件。該水壓機(jī)的缺點(diǎn)是產(chǎn)品結(jié)構(gòu)單一，只能鍛造筒形鍛件和板類鍛件。
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)高度尺寸較小韓國TAEW00NG公司是風(fēng)電鍛件領(lǐng)域的領(lǐng)頭羊, 裝備了世界最大的09.5 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)。中國可生產(chǎn)最大的環(huán)直徑10m0法國DEMBIER- M0NT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。
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(huì)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)成功乳制首件筒節(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)乳機(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。
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(yàn)→精加工→包裝。技術(shù)成熟的制造廠根據(jù)實(shí)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。
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。
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。
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。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,D00SAN有150 t電揸?duì)t；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。
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可以預(yù)見，大重量、大直徑空心電渣重熔鋼錠的成功將會(huì)更有利于生產(chǎn)高質(zhì)量的超大型筒形鍛件。
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(shí)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)。
(1) 鋼錠模設(shè)計(jì)
日本通過優(yōu)化鋼錠模設(shè)計(jì)，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(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(yùn)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。
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。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，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(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。
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(jì)一套設(shè)備，可以將壓機(jī)橫梁的垂直運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)樗竭\(yùn)動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)體外鍛造超大直徑筒型鍛件。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。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
設(shè)計(jì)工輔具
2005年,二重臨時(shí)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(jì)工輔 具，實(shí)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。
新型壓機(jī)
日本川崎制鋼公司安裝了一臺(tái)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(dòng)橫梁的滑動(dòng)梁組成。它與一般的自由鍛壓力機(jī)不一樣,在鍛造筒體時(shí)，筒體的外徑不受上橫梁的限制， 可生產(chǎn)最大外徑為8. 5 m、高度為2 m的筒形鍛件。該水壓機(jī)的缺點(diǎn)是產(chǎn)品結(jié)構(gòu)單一，只能鍛造筒形鍛件和板類鍛件。
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)高度尺寸較小韓國TAEW00NG公司是風(fēng)電鍛件領(lǐng)域的領(lǐng)頭羊, 裝備了世界最大的09.5 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)。中國可生產(chǎn)最大的環(huán)直徑10m0法國DEMBIER- M0NT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。
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(huì)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)成功乳制首件筒節(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)乳機(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。
