文/付前進，付強，劉興龍，逯偉·大連華銳重工鑄鋼有限公司

淺談影響大鍛件質(zhì)量的因素

文/付前進，付強，劉興龍，逯偉·大連華銳重工鑄鋼有限公司

付前進，原中國一重水壓機鍛造廠副廠長、大連華銳重工鑄鋼有限公司副總經(jīng)理，技術(shù)專家，負(fù)責(zé)的5%CrNiMoV整鍛支承輥研制，獲機械工業(yè)聯(lián)合會科技進步二等獎。

我國現(xiàn)有生產(chǎn)大鍛件的大型自由鍛造壓力機主要有水壓力機與油壓力機兩種，其額定壓力噸位主要有12.5MN、16MN、20MN、 25MN、31.5MN、45MN、60MN、80MN、100MN、125MN、145MN、150MN、165MN、185MN等不同規(guī)格等級。近年來我國大鍛件最高產(chǎn)量達380萬噸，占世界大型鍛件生產(chǎn)總量的50%以上。一些新建的生產(chǎn)線由于壓力機生產(chǎn)工序沒有完全配套（上道工序無法生產(chǎn)作為鍛件原料的鋼錠，下道工序沒有熱處理能力），致使這些壓力機的產(chǎn)能發(fā)揮不足。如果這些潛在產(chǎn)能釋放出來，全國大鍛件的生產(chǎn)能力可以達到700萬噸，相當(dāng)于現(xiàn)在全世界大鍛件全年的總產(chǎn)量。

雖然我國大鍛件的總產(chǎn)量已經(jīng)很高，但是我們的大鍛件在新產(chǎn)品研發(fā)和質(zhì)量等級上還落后于發(fā)達國家。例如12%Cr馬氏體型轉(zhuǎn)子、核電低壓轉(zhuǎn)子、大型護環(huán)、大型化工設(shè)備等都還處于研制階段，即使有一些鍛件已經(jīng)生產(chǎn)出樣品或產(chǎn)品，但質(zhì)量穩(wěn)定性不能讓用戶信服，市場競爭力較弱。因此，要成為世界級大鍛件生產(chǎn)基地，還應(yīng)該加強在新產(chǎn)品開發(fā)能力和提高大鍛件質(zhì)量穩(wěn)定性方面的工作。同時，為減少市場的無序競爭與白熱化的價格戰(zhàn)，各公司應(yīng)根據(jù)自己的設(shè)備、資源等特點，研發(fā)適合市場的專業(yè)化產(chǎn)品。

鋼錠質(zhì)量報告

20世紀(jì)90年代，以清華大學(xué)劉莊教授為首的研究小組，通過計算機模擬，解決了鋼錠的順序凝固問題，預(yù)測了凝固后的冒口縮孔位置，避免了二次縮孔，雙錐度冒口改為單錐度冒口。同時，鋼錠冒口重量比例由28%降低到16%～22%，提高了鋼錠利用率。為鋼錠模的設(shè)計由高徑比H/D=1.7降低到H/ D=0.95～1.2提供了理論基礎(chǔ)，產(chǎn)生了巨大的社會效益。

鋼錠內(nèi)部化學(xué)成分偏析、鋼錠內(nèi)部的空洞型缺陷問題一直困擾著我國大型鍛件的生產(chǎn)，世界各國開始解剖大型鋼錠，尋找鋼錠生產(chǎn)的最佳方案，減少鋼錠內(nèi)部化學(xué)成分的偏析，提高鋼錠利用率。鍛造生產(chǎn)之前，鋼錠的質(zhì)量報告應(yīng)該包含以下信息。⑴鋼錠的冒口縮孔位置；⑵鋼錠的水口沉積堆位置、形狀、尺寸，以便于在鍛造過程中去除這些缺陷；⑶化學(xué)成分偏析情況，以便于鍛造時采用合理的加熱工藝；⑷鋼錠有、無空洞型缺陷，如果存在標(biāo)示出其位置、大小、方向，以便于鍛造給出合理的壓實操作工藝規(guī)范。

這些信息的確定對實際生產(chǎn)意義重大。如果鍛件出現(xiàn)了質(zhì)量問題，分析產(chǎn)生的原因就能判斷出是鋼錠存在問題還是鍛造工藝存在問題，這樣方便問題的整改，同時也可以避免一些質(zhì)量問題的產(chǎn)生。

鍛造工藝

鍛造始鍛溫度的確定

由于大型及特大型鋼錠，真空澆注后靠鋼錠模進行冷卻，其能力有限，特別是形成氣隙后，其冷卻速度更加緩慢。如今的鋼錠模設(shè)計，為了有利于夾雜物上浮，避免形成縮孔而提高補縮能力，使鋼錠高徑比變?yōu)镠/D=0.95～1.2的短粗鋼錠；為了推遲粘稠區(qū)的形成時間，加入發(fā)熱劑使凝固時間變長，這些都容易造成鋼錠內(nèi)部化學(xué)成分嚴(yán)重偏析。圖1為450t級的45Cr4NiMoV支承輥用鋼錠，其冒口碳含量達到1.05%。僅碳元素一項，就使得其晶界熔點降低53℃。即使是58t級的70Cr3Mo材質(zhì)的鋼錠，其冒口的碳含量也高于平均碳含量0.32%。高碳類材質(zhì)的碳偏析較為嚴(yán)重，Mn、Cr、S等元素的偏析，同時伴隨MnS、SiO2等低熔點物質(zhì)在冒口端樹枝狀晶間的富集，導(dǎo)致冒口端的晶界熔點進一步降低。

鋼錠的始鍛溫度，根據(jù)鋼錠的材質(zhì)、鋼錠的大小而定，而鍛造工藝規(guī)范確定的始鍛溫度適合于偏析不嚴(yán)重的材質(zhì)與鋼錠。個別鍛造廠為降低鍛造時的變形抗力，將大型工具鋼鋼錠的始鍛溫度提高30℃，結(jié)果鍛造時產(chǎn)生嚴(yán)重鍛造裂紋而導(dǎo)致產(chǎn)品報廢，廢品率達到87.5%。

圖1 450t級的45Cr4NiMoV支承輥用鋼錠

為減少鋼錠的化學(xué)成分偏析，多包澆注時嘗試采用AP澆注工藝，即先澆注的LF包鋼水的易偏析元素按中上限控制含量，而后澆注的鋼水的易偏析元素按中下限控制含量。在實際生產(chǎn)過程中，其效果隨著鋼錠增大而變得不明顯。大型鍛件的始鍛溫度，應(yīng)根據(jù)鋼錠大小、材質(zhì)中易偏析元素含量等情況來確定，鍛造工藝規(guī)范等的始鍛溫度只是參考，決不能擅自提高大型鋼錠的始鍛溫度，以免由于過熱或過燒而造成鍛造開裂報廢。

鋼錠帶來的主要是化學(xué)成分偏析的問題。就碳元素來看，當(dāng)固溶碳含量達到0.40%時，鋼材可以達到最大強度值，而當(dāng)固溶碳含量達到0.60%時鋼材可以達到最大硬度值。對于大型鍛件的實測結(jié)果，水、冒口的碳偏析可以達到0.55%左右，對于這樣的鍛件如何達到一致的組織、性能要求將是很困難的問題。鍛件的碳當(dāng)量大于0.38%時，其可焊性變差。為滿足鍛件的探傷要求，在鍛造過程中必須使鍛件內(nèi)部的缺陷達到焊合的條件。因此，在大型鍛件的化學(xué)成分設(shè)計時，應(yīng)該考慮在滿足其性能要求的前提下，盡可能提高其可焊性。

關(guān)于鋼錠沉積堆問題

在鋼錠模設(shè)計時，底盤預(yù)留于鋼錠錠底部分，其尺寸根據(jù)鋼錠尺寸各不相同，其重量為鋼錠重量的2.5%～3.5%，目的是鋼錠結(jié)晶時使沉積堆相對鋼錠水口近一些，以便于在今后的鍛造過程中加以去除。通過對鋼錠的解剖發(fā)現(xiàn)鋼錠的沉積堆上部與負(fù)偏析區(qū)重合，位置大約是錠身高度的25%左右。

很多鍛造廠在對鋼錠進行鐓粗時，違反工藝的操作是將沒有去除錠底的鋼錠直接鐓粗。由于錠底的直徑小于錠身，且端部散熱面積大，造成其冷卻速度較快，同時由于摩擦阻力產(chǎn)生的Ⅰ區(qū)的影響，在鐓粗時以實芯沖頭方式?jīng)_入鋼錠內(nèi)部，其結(jié)果是沉積堆尖部向冒口方向提高量大約與錠底高度相同，給去除沉積堆造成困難。因此，在中間鐓粗前，鋼錠的錠底必須去除，如圖2所示。

經(jīng)過對鋼錠形成沉積堆特點的資料收集，用于生產(chǎn)實芯鍛件的短粗鋼錠的沉積堆有兩種形狀，即中間剖面鋼錠底部為W形或圓臺形，其中W形可以利用鋼錠水口切除部分去掉，而圓臺形其高度位于錠身高25%左右。這種沉積堆鍛造人員一直在研究去除辦法，20世紀(jì)80年代，北京重機廠先用上鐓擠冒沖擊，再用空心上鐓粗板鐓粗的辦法，擠出沉積堆。但由于這種操作方法，上鐓擠冒去除困難，宣布失敗。過去一重生產(chǎn)300MW汽輪機低壓轉(zhuǎn)子，由于在水口端，軸身與軸頸過渡處，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)超聲波探傷超標(biāo)，廢品率大約50%。

圖2 205t鋼錠錠底沖入使沉積堆相對提高情況

圖3 φ3600mm×850mm反擠壓式上鐓粗板

φ3600mm×850mm反擠壓式上鐓粗板（圖3）的鍛造工藝需要進行三次中間鐓粗。在中間鐓粗前，必須將鋼錠底部去除。每次可以擠出沉積堆300～350mm。第一、二次鐓粗和壓實結(jié)束后，均用吹氧管割去擠出部分。這樣可以擠出沉積堆大約600mm。鋼錠尺寸為：2875mm×2670mm×3085mm，沉積堆高度為770mm，如圖4所示。

由于使用反擠式上鐓粗板，使沉積堆高度降低350mm，鐓粗后鋼錠高度H=1600。此時，沉積堆高度距水口端420mm，只要選用寬1200mm以上的砧子，即可以在壓實過程中將沉積堆尖部擠出。當(dāng)然壓實時水口各道次均應(yīng)滿砧進給，用FM壓實法擠出沉積堆尖部的原理如圖5所示。

圖4 205t鋼錠反擠沉積堆

圖5 205t鋼錠的壓實示意圖

通常經(jīng)過8～12個道次的壓實操作，一般各道次的壓下量控制在20%，規(guī)整到方形界面2400mm×2400mm×3300mm，完成第一次鐓粗與壓實操作。氣割反擠出的沉積堆，此時沉積堆與坯料的情況如圖6所示。在第二次鐓粗反擠后，再次氣割沉積堆，此時其尖部距離毛坯水口尖部大約100mm左右。經(jīng)三次鐓粗壓實后，不需要再氣割，出成品時，沉積堆自然被切掉了。用此工藝生產(chǎn)的300MW汽輪機轉(zhuǎn)子，無水口端再無超聲波探傷超標(biāo)缺陷產(chǎn)生，同時，年產(chǎn)量也由過去4～8根增加到60根，同時再不需要雙倍投料。

圖6 第一次壓實并氣割反擠沉積堆后的毛坯情況

大型鍛件的技術(shù)條件或鍛造工藝中，對于實芯鍛件鍛造時要保持鋼錠與鍛件基本同心。由圖5可以看到，由于摩擦的存在，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ區(qū)的作用，鍛件內(nèi)部各點的塑性變形量不均勻也不對稱。即使是在輔具對稱的條件下，同樣存在這樣的問題。也就是說鋼錠內(nèi)部的一個質(zhì)點，鍛造完成后，會在鍛件的哪個具體位置，現(xiàn)在沒有判斷能力。將來能否用計算機來模擬鍛造變形，判斷出鋼錠與鍛件間的相對位置。同時，在各種輔具及邊界條件下，鋼錠內(nèi)部各質(zhì)點的應(yīng)力與應(yīng)變處于什么狀態(tài)，能否滿足該部位的鍛合與焊合條件。

如果以上兩個問題能夠用計算機模擬來完成，同時，在鋼錠的質(zhì)量報告中，完整描述了鋼錠的質(zhì)量情況，鍛造工藝人員就可以根據(jù)鍛件的技術(shù)條件，給出合理鍛造工藝，避免造成工藝?yán)速M，同時提高鍛件的質(zhì)量。

結(jié)束語

本文提出鋼錠質(zhì)量報告，應(yīng)通過計算機模擬手段提供其缺陷的具體位置、形狀、尺寸，給鍛造合理設(shè)計鍛造工藝提供方便。鍛造工藝應(yīng)研究如何使用計算機模擬，結(jié)合鋼錠的預(yù)知缺陷模擬出合理的鍛造工藝，熱處理應(yīng)在解決由于鍛件化學(xué)成分偏析的情況下，如何滿足鍛件的技術(shù)條件要求，同時在化學(xué)成分設(shè)計時為鍛造焊合提供方便。