大型鍛件的極端制造（下）

文/王寶忠·中國第一重型機械股份公司

《大型鍛件的極端制造》（上）見《鍛造與沖壓》2018年第21期

一體化制造

從圖7～圖9可以看出，大型核電鍛件的發(fā)展趨勢是一體化鍛造成形。

圖7是核電鍛件從分體到整體，部分實現(xiàn)一體化的演變過程。其中的壓水堆核反應堆壓力容器頂蓋鍛件經歷了從分體式到AP1000的整體式再到CAP1400的一體化的發(fā)展歷程。

圖7 核電鍛件發(fā)展歷程

圖8顯示了直徑3m的汽輪機低壓轉子鍛件從分段焊接發(fā)展為整體鍛造，以確保其心部FATT≤-20℃。

圖9是反應堆壓力容器接管段鍛件從分體式到整體式再到半一體化式乃至終極目標為一體化成形的技術進步經歷。到目前為止，國內外優(yōu)秀鍛件供應商已研發(fā)了大量一體化鍛件。

模鍛化成形

大型鍛件極端制造的最高目標除了均質化制坯和一體化制造以外，少無切削的模鍛化成形也是一個非常重要的內容。

已實現(xiàn)模鍛化成形的鍛件

河北宏潤核裝備有限公司利用500MN壓機以模鍛方式制造出大型船用柴油機曲拐（圖10）和AP1000主泵泵殼（圖11）等鍛件，其中模鍛曲拐的材料利用率較彎鍛成形提高68%。

圖8 核電常規(guī)島超大型汽輪機低壓轉子

圖9 核反應堆壓力容器接管段鍛件的發(fā)展經歷

圖10 大型船用柴油機曲拐

圖11 AP1000主泵泵殼

待模鍛化成形的鍛件

中國一重發(fā)明的整體水室封頭仿形鍛造與國內外其他鍛件供應商的自由鍛造相比，材料利用率提高30%以上，但與成品鍛件相比仍有優(yōu)化空間（圖12）。為了實現(xiàn)超大異形鍛件模鍛化，對CAP1400反應堆壓力容器一體化接管段及蒸汽發(fā)生器水室封頭的模鍛成形方案進行了研究，其數(shù)值模擬結果分別如圖13和圖14所示。

圖12 CAP1400蒸汽發(fā)生器水室封頭鍛件從自由鍛造到仿形鍛造

圖13 CAP1400 RPV一體化接管段模鍛數(shù)值模擬

圖14 CAP1400 SG水室封頭模鍛數(shù)值模擬

中國一重擬對支承輥和轉子等大型、超大型軸類鍛件的輥、軸身進行擠壓，對輥、軸頸進行模鍛。表2給出了材料為45Cr4NiMoV的2250mm連軋機支承輥不同成形方式所需費用對比，從表2中可以看出，采用連鑄坯疊鍛制坯并經過模鍛成形與傳統(tǒng)的鋼錠開坯并經過自由鍛成形相比，具有節(jié)材、節(jié)能和大幅度降低制造成本等優(yōu)勢。

表2 2250mm支承輥不同制造方式所需費用對比（單位：萬元）

設備保障

超大型鍛件追求的目標是“形神兼?zhèn)洹?，既要得到鑄件的形狀，又要保持鍛件的組織與性能。為了實現(xiàn)“形神兼?zhèn)洹钡哪繕?，大型鍛件需要同時滿足“形”、“?！?、“力”三個方面的要求?！靶巍奔唇鼉舫尚?；“?！奔淳Я＞鶆蚯壹毿?；“力”即三向壓應力狀態(tài)下成形。

為了實現(xiàn)增材制坯和模鍛化成形，以及確保超大型鍛件獲得“形”“?！薄傲Α比姘l(fā)展，均需要研制在壓力、空間以及速度等方面能夠融匯模鍛壓機、自由鍛壓機與擠壓機優(yōu)勢的特種超級壓機，其壓力和空間尺寸可參照圖13和圖14，確定為1500MN；10m×10m×12m。建造1500MN壓機可以實現(xiàn)下述轉型升級。

⑴改變成形方法。

如果說上一輪鍛件制造的創(chuàng)新注重的是單體規(guī)模的大型化以及一體化，那么未來“中國制造2025”的創(chuàng)新將會是鍛件形狀上的個性化與精細化、材料上的高合金化、質地上的強韌化與高密化，要實現(xiàn)上述創(chuàng)新，非超級壓機莫屬。

⑵改變制坯方式。

增材制坯代替?zhèn)鹘y(tǒng)鑄錠是一種革命性工藝創(chuàng)新，可以逐步取消超大型鍛件制造業(yè)的冶煉及鑄錠環(huán)節(jié)。既解決了鍛件制造業(yè)的冶煉及鑄錠操作者后繼無人的突出問題，又解決了超大型鋼錠均勻性、致密性差的世界性難題，還可以降低超大型鍛件制造成本50%以上（取消水、冒口，減少鍛造火次等）。

⑶鑄件改鍛件。

實踐證明，隨著重大裝備要求的不斷提高，產品零件以鍛代鑄已成為一種發(fā)展趨勢。核電主管道、泵殼等鑄件因無法滿足要求而改為鍛件。水輪機葉片也由鑄造成形發(fā)展為鍛擠成形。水輪機上冠、汽輪機缸體、軋制設備中的軸承座等零件的以鍛代鑄也將為期不遠。

結論

⑴低Si控Al鋼冶煉和長水口保護澆注等技術是保證超大型鋼錠的純凈性與均勻性的首選。

⑵增材制坯是大幅度提高大型鍛件的均質性和材料利用率的發(fā)展方向。

⑶一體化制造和模鍛化成形是大型鍛件極端制造的必由之路。

⑷超大型壓機是大型鍛件均質化制坯、一體化制造和模鍛化成形的保障，亦是大型鍛件實現(xiàn)轉型升級的充分必要條件。