郭豐偉，李巳甲，王慶辛，田繼紅，劉建生

（太原科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030024）

0 引言

隨著石化壓力容器和核電設(shè)備向大型化方向發(fā)展，對(duì)大型筒體鍛件提出了更高的要求［1］，一方面是產(chǎn)品規(guī)格及重量在不斷增大，質(zhì)量要求日益提高；另一方面是采用實(shí)心鋼錠鍛制大型空心鍛件，由于鋼錠規(guī)格太大，給冶煉、鍛造過(guò)程帶來(lái)較大困難（指合澆能力、鐓粗、沖孔等工藝過(guò)程），且鍛造工序多、切除量大，制造成本高；并且大的實(shí)心鋼錠凝固時(shí)間長(zhǎng)、偏析大，難以滿足厚壁筒類(lèi)鍛件對(duì)均質(zhì)性的要求?？招匿撳V的發(fā)明很好地解決了上述難題。與實(shí)心鋼錠生產(chǎn)大型筒體鍛件相比，采用空心鋼錠具有如下優(yōu)點(diǎn)：①由于內(nèi)外壁同時(shí)冷卻，可減小鋼錠的冷卻時(shí)間，同時(shí)可減輕偏析和疏松現(xiàn)象，提高了坯料的均質(zhì)性；②可減少鐓粗和沖孔工序，提高鋼錠利用率以及生產(chǎn)效率；③可降低對(duì)設(shè)備的要求，顯著節(jié)約生產(chǎn)成本［2］。

本文總結(jié)了國(guó)內(nèi)外空心鋼錠的技術(shù)水平和應(yīng)用現(xiàn)狀，重點(diǎn)討論了當(dāng)前國(guó)內(nèi)空心鋼錠鑄錠及鍛造技術(shù)的研究成果以及不足，指出了尚需重點(diǎn)研究的方向。

1 空心鋼錠的鑄錠技術(shù)研究現(xiàn)狀

空心鋼錠的制造技術(shù)源于國(guó)外，20世紀(jì)60年代英鋼聯(lián)（The British Steel Corporation）便開(kāi)始經(jīng)銷(xiāo)專(zhuān)門(mén)針對(duì)大型筒體鍛件的空心鋼錠鍛件；20世紀(jì)70年代后期，日本的川崎制鐵（Kawasaki）株式會(huì)社與法國(guó)Creusot公司也開(kāi)始研制與開(kāi)發(fā)空心鋼錠，20世紀(jì)80年代川崎制鐵制造了世界上最大的空心鋼錠，重達(dá)320t，4件320t空心鋼錠用于1 100MW沸水堆壓力殼環(huán)段［3］，但該公司在20世紀(jì)末停止了空心鋼錠大型筒體鍛件的生產(chǎn)，原因未見(jiàn)報(bào)道；目前國(guó)際上法國(guó)Creusot公司在空心鋼錠核心制造技術(shù)方面處于領(lǐng)先地位，其鍛件主要用于核電產(chǎn)品。2010年英國(guó)謝菲爾德鑄鍛集團(tuán)（SFIL，原英鋼聯(lián)）也重新啟動(dòng)空心鋼錠的試驗(yàn)研究，鑄造了160t空心鋼錠，如圖1所示。

由于空心鋼錠特殊的鑄錠工藝，內(nèi)外表面同時(shí)冷卻，因此空心鋼錠凝固時(shí)間比實(shí)心鋼錠大大縮短，內(nèi)部偏析減少，同時(shí)內(nèi)表面有健全凝固組織的初始凝固層，川崎制鐵在空心鋼錠制造方面達(dá)到了較高水平，通過(guò)控制鋼錠內(nèi)外冷卻速度從而控制最終的凝固位置，其所制造的250t鋼錠的最終凝固前緣，位于離鋼錠內(nèi)表面大約48%壁厚處，成品碳偏析為±0.02%。

我國(guó)在利用空心鋼錠制造大型筒體鍛件方面的研究起步較晚，1983年國(guó)內(nèi)開(kāi)始對(duì)空心鋼錠展開(kāi)研究［4］；1997年中國(guó)二重趙秀清研究了中空錠制造與凝固特性［5］；2000年清華大學(xué)張向輥等研究了空心鋼錠凝固過(guò)程溫度場(chǎng)模擬與縮孔、疏松預(yù)測(cè)等［6］；2007年清華大學(xué)劉曉龍等進(jìn)行了中空鋼錠芯部壓縮空氣冷卻能力的數(shù)值模擬研究［7］；2008年一重集團(tuán)劉鵬柱研究了空心鋼錠脫模清理工藝的優(yōu)化等［8］。2005年，一重集團(tuán)成功研制了30t、65t、130t、150t空心鋼錠，2010年成功澆注國(guó)內(nèi)首支160t空心鋼錠；二重集團(tuán)也于2008年采用混合氣體大溫差冷卻技術(shù)順利澆注了100 t級(jí)的大型空心鋼錠，如圖2所示。從公開(kāi)的資料來(lái)看，目前國(guó)內(nèi)對(duì)空心鋼錠的鑄錠生產(chǎn)技術(shù)已基本掌握，研究范圍仍主要集中在理論研究、數(shù)值模擬、生產(chǎn)試驗(yàn)等方面，但與國(guó)外相比在鋼錠噸位以及內(nèi)部質(zhì)量上尚有明顯差距，一重于2000年左右生產(chǎn)的30t、65t空心鋼錠的最終凝固前緣，位于離鋼錠內(nèi)表面大約1／3壁厚處。前期國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的這些空心鋼錠主要應(yīng)用在水輪機(jī)空心大軸和石化行業(yè)加氫反應(yīng)器筒節(jié)上，尚沒(méi)有應(yīng)用在核電設(shè)備上的報(bào)道。

圖1 2010年英國(guó)謝菲爾德鑄鍛集團(tuán)（SFIL）生產(chǎn)的160t空心鋼錠

圖2 2008年二重集團(tuán)生產(chǎn)的100t空心鋼錠

2 空心鋼錠鍛造工藝的研究現(xiàn)狀

圖3簡(jiǎn)要地對(duì)比了實(shí)心鋼錠和空心鋼錠制造大型筒體鍛件時(shí)的工藝步驟。

從圖3可看出應(yīng)用空心鋼錠的生產(chǎn)工藝與傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝具有很明顯的優(yōu)勢(shì)，省去了鐓粗、沖孔工序，材料利用率高、節(jié)約能耗，并且經(jīng)過(guò)最后的輾擴(kuò)精整，產(chǎn)品尺寸精度高，實(shí)現(xiàn)了大型筒體鍛件的精確快速成形。

對(duì)于空心鋼錠的鍛造技術(shù)研究，國(guó)外可查到資料很少，日本川崎制鐵在20世紀(jì)80年代就可用4 400t水壓機(jī)體外鍛造的方法進(jìn)行大型筒形鍛件的鍛造，但具體鍛造工藝未見(jiàn)報(bào)道。自1983年以來(lái)，國(guó)內(nèi)研究者也陸續(xù)做了很多工作：1991年曹民榮研究了2.1t空心鋼錠的鍛比試驗(yàn)及其數(shù)據(jù)的回歸分析，指出鍛比為1.5時(shí)性能指標(biāo)可滿足鍛鋼標(biāo)準(zhǔn)要求［9］；2002年，一重集團(tuán)宋雷鈞等對(duì)30t、65t空心鋼錠的鍛造生產(chǎn)工藝進(jìn)行了總結(jié)分析，指出空心鋼錠的鋼錠利用率可達(dá)75%，得出了鍛比為2時(shí)就能鍛合顯微孔隙且方向性不明顯的結(jié)論［10］，以上研究工作僅僅是在生產(chǎn)實(shí)踐過(guò)程中針對(duì)具體的空心鋼錠以個(gè)例的形式基于經(jīng)驗(yàn)而做的一些基礎(chǔ)工作，在生產(chǎn)實(shí)踐中可參照。1998年中國(guó)二重丁宇對(duì)用空心鋼錠制造護(hù)環(huán)鍛件進(jìn)行了嘗試和研究，對(duì)高徑比為1.0的坯料鐓粗變形時(shí)內(nèi)部變形量進(jìn)行了分析計(jì)算，并對(duì)鋼錠中孔洞鍛造時(shí)愈合方式及臨界變形量進(jìn)行了定性定量分析計(jì)算［11］；2007年清華大學(xué)陳迎亮、馬慶賢等作了大型筒體鍛造工藝參數(shù)特性模擬研究，通過(guò)云紋實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對(duì)大型筒體鍛造過(guò)程中單砧壓下率、砧寬比、錯(cuò)砧角度、芯軸尺寸等工藝參數(shù)對(duì)變形規(guī)律的影響進(jìn)行了研究［12］；2008年何利東等作了大型筒體件反復(fù)鐓擴(kuò)工藝的常溫實(shí)驗(yàn)室模擬研究，指出為使筒形鍛件得到較好的鍛造效果，反復(fù)鐓擴(kuò)的次數(shù)至少是3次［13］。

圖3 大型筒體鍛件鍛造工藝步驟示意圖

以上研究從理論分析、數(shù)值模擬與生產(chǎn)實(shí)踐等多方面對(duì)大型筒體鍛件的鍛造成形工藝進(jìn)行了研究，但在研究中存在一些問(wèn)題和不足。主要表現(xiàn)在以下3個(gè)方面：①研究方法單一，以工業(yè)試驗(yàn)或理論研究居多，研究結(jié)果以定性為主，而定量表達(dá)不夠；②研究?jī)?nèi)容比較宏觀，并沒(méi)有針對(duì)具體的空心鋼錠鑄態(tài)組織結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及具體的鍛造過(guò)程機(jī)理進(jìn)行過(guò)深入的研究，在對(duì)材料性能方面的研究以及晶粒組織控制方面也有所欠缺，所生產(chǎn)的空心鋼錠尚未進(jìn)入核電領(lǐng)域；③在筒節(jié)整形方面幾乎沒(méi)有涉足，國(guó)內(nèi)外均已開(kāi)發(fā)出大型筒節(jié)整形機(jī)，可對(duì)筒節(jié)毛坯進(jìn)行連續(xù)碾壓，生產(chǎn)出壁厚均勻、能大大減少鍛件毛坯加工裕量、性能符合鍛件要求的大型筒節(jié)，但相關(guān)的碾壓工藝研究未見(jiàn)報(bào)道。

3 結(jié)論與展望

（1）空心鋼錠相比于實(shí)心鋼錠鑄態(tài)組織更加致密、偏析相對(duì)較小、疏松少，并在內(nèi)表面形成較細(xì)的晶粒，提高了鑄錠內(nèi)表面質(zhì)量。對(duì)于鑄錠技術(shù)，國(guó)內(nèi)已基本掌握，但與國(guó)外技術(shù)尚有差距。

（2）應(yīng)用空心鋼錠的鍛造生產(chǎn)工藝與傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝相比具有很明顯的優(yōu)勢(shì)，省去了鐓粗沖孔工序，材料利用率高。國(guó)內(nèi)研究從理論、實(shí)驗(yàn)以及數(shù)值模擬方面探討了筒體鍛件的鍛造成形工藝以及相關(guān)參數(shù)，有一定的理論和實(shí)踐意義，但研究方法相對(duì)簡(jiǎn)單、在研究?jī)?nèi)容方面深入不夠。

（3）對(duì)于空心鋼錠鍛造、輾擴(kuò)工藝與組織控制的研究有待于更深入的進(jìn)行。

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