超大型筒形锻件制造技术的发展现状
2021-06-05 11:02
admin
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。
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。
炼钢冶炼
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。
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。
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。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,D00SAN有150 t电揸炉；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。
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。
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。
(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。
(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。
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。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，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。
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…
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。
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。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。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
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。
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， 可生产最大外径为8. 5 m、高度为2 m的筒形锻件。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。
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韩国TAEW00NG公司是风电锻件领域的领头羊, 装备了世界最大的09.5 m碾环机，锻造压力为 150 MN，可制造最大直径为9 m的环。中国可生产最大的环直径10m0法国DEMBIER- M0NT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。
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乳制首件筒节。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。筒节乳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。
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。
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。
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。
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。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,D00SAN有150 t电揸炉；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。
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。
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。
(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。
(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。
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。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，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。
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。
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。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。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
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。
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， 可生产最大外径为8. 5 m、高度为2 m的筒形锻件。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。
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韩国TAEW00NG公司是风电锻件领域的领头羊, 装备了世界最大的09.5 m碾环机，锻造压力为 150 MN，可制造最大直径为9 m的环。中国可生产最大的环直径10m0法国DEMBIER- M0NT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。
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乳制首件筒节。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。筒节乳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。
