孫 嫘 馬 平

(中國第二重型機械集團公司鍛造廠，四川618013)

用無帽口鋼錠代替普通鋼錠生產(chǎn)筒體、滾圈等空心鍛件，可以大幅度提高鋼錠利用率和空心鍛件質(zhì)量，同時降低冶煉和鍛造成本，緩解冶煉和鍛造環(huán)節(jié)的瓶頸壓力，縮短生產(chǎn)周期。

1 常規(guī)鋼錠和無帽口鋼錠的特性分析

1.1 常規(guī)鋼錠鍛造空心鍛件的特點

眾所周知，在鋼錠凝固過程中，鋼水的選分結(jié)晶作用使樹枝晶間的液體富集溶質(zhì)元素。凝固過程中鋼液的流動作用，把富集溶質(zhì)的液體帶到鋼錠中未凝固的區(qū)域，導(dǎo)致在整個鋼錠內(nèi)溶質(zhì)元素的分布不均勻，即產(chǎn)生鋼錠的宏觀偏析。鋼錠的宏觀偏析可分為：①位于鋼錠底部的錐形負偏析區(qū)；②位于柱狀晶區(qū)到等軸晶區(qū)的A型偏析；③位于鋼錠中心等軸晶區(qū)的V型偏析。圖1為計算機模擬真空鋼錠A型偏析分布圖。

用常規(guī)鋼錠生產(chǎn)空心類鍛件時，經(jīng)過切頭、切尾、鐓粗沖孔、拔長、機械加工等工序后，鋼錠中的A型偏析缺陷大部分暴露在鍛件的內(nèi)表面，而且在鍛件的軸向和徑向方向上，存在很大的[C]元素偏析，對鍛件性能的均勻性產(chǎn)生較大的影響，特別是對需要堆焊包層的壓力容器鍛件質(zhì)量影響更大。此外，用常規(guī)鋼錠生產(chǎn)空心類鍛件，工序復(fù)雜，鋼錠利用率低。

1.2 無帽口鋼錠的特點

二重生產(chǎn)的無帽口鋼錠，從本質(zhì)上來說，其實是一種凝固方向沿水平方向進行的定向凝固鋼錠(見圖2)，主要用于空心類鍛件，如筒形鍛件、環(huán)形鍛件、大孔徑軸類鍛件等。通過控制鋼錠頭部和尾部的傳熱，使鋼錠定向凝固。

圖1 鋼錠偏析模擬結(jié)果Figure 1 Analog result of steel ingot segregation

圖2 無帽口鋼錠凝固示意圖Figure 2 Ingot without cap solidification sketch

凝固過程中熱量僅從鋼錠模的側(cè)壁傳出，從而控制了鋼錠的凝固方向是由鋼錠的表面沿水平方向向鋼錠的中心進行，使V型偏析集中在鋼錠的中心部位，減小了A型偏析出現(xiàn)的區(qū)域，減輕了鋼錠軸向方向上的[C]元素偏析，達到提高鍛件質(zhì)量和空心類鍛件鋼錠利用率的目的。圖3為用計算機模擬無帽口鋼錠凝固過程和A型、V型偏析示意圖。

圖3 無帽口鋼錠中A、V型偏析區(qū)Figure 3 A,V type segregation of the ingot without cap

從圖3可以看到，由于控制了鋼錠的傳熱方向，無帽口鋼錠的凝固過程基本是沿水平方向由鋼錠的表面向鋼錠的中心推進，鋼錠縮孔位置處于鋼錠的中心部位。縮孔深而細，鋼錠的A、V型偏析集中在中心不大的一個區(qū)域內(nèi)。鍛制空心類鍛件時，通過鍛造過程的沖孔工序，可以去除集中在鋼錠中心的縮孔，即A、V型偏析缺陷。鋼錠沿水平方向凝固的特點，使鋼錠在軸向方向的[C]元素偏析較小。因此用無帽口鋼錠有利于改善鍛件上化學(xué)成分的均勻性，對提高鍛件質(zhì)量具有重要作用。

1.3 應(yīng)用實例

以一個典型的筒體為例，鍛件重量60 t，我們采用常規(guī)鋼錠鍛造時其鍛造步驟見圖4。

使用無帽錠之后，整個鍛造火次從常規(guī)錠的第二步開始執(zhí)行，由于減少了一個火次，加熱爐和水壓機的壓力明顯緩解。

從表1可見，用無帽錠制造筒體類鍛件較常規(guī)鋼錠其優(yōu)勢是顯而易見的。

2 推廣應(yīng)用無帽口鋼錠的措施

在肯定了無帽口鋼錠的優(yōu)勢之后，我們開始了對無帽口錠的推廣應(yīng)用。為了將無帽口鋼錠廣泛用于筒形、環(huán)形、大孔徑軸等空心類鍛件，我們特別制定了無帽口鋼錠鍛件工藝編制規(guī)范。

第一步：切除水帽口下料

第二步：鐓粗沖孔

第三步：芯軸拔長

第四步：擴孔圖4 筒體鍛造步驟Figure 4 The forging steps for to forge tubes

鋼水重量火次壓機臺時加熱時間鋼錠利用率節(jié)省約20 t減少1火節(jié)省約1 h節(jié)省約15 h提高約15%

(1)明確了無帽錠的適用范圍。

(2)結(jié)合冶煉鍛造工藝，規(guī)定了按UT級別確定無帽錠冶煉方式的原則。

(3)無帽錠鍛造工藝的詳細規(guī)定了鋼錠利用率要求和沖孔時的參數(shù)選擇等。

(4)明確了鍛后熱處理方式。

以上規(guī)范措施對無帽錠的有序推廣應(yīng)用起到了很好的指導(dǎo)作用。

3 結(jié)論

經(jīng)過近兩年的推廣應(yīng)用，我們獲得了大量的經(jīng)驗數(shù)據(jù)。從探傷結(jié)果和性能檢驗數(shù)據(jù)可知，無帽錠鍛件的合格率在98%以上。

(1)通過對無帽錠的推廣應(yīng)用，大幅度提高了空心類鍛件鋼錠的利用率。

(2)針對無帽口鋼錠特別研制的鋼錠冶煉技術(shù)，使V型偏析集中在鋼錠的中心部位，減小了A型偏析出現(xiàn)的區(qū)域，減輕了鋼錠軸向方向上的[C]元素偏析。

(3)采用無帽口鋼錠鍛制空心類鍛件，通過鍛造過程的沖孔工序，去除了集中在鋼錠中心的縮孔以及A、V型偏析缺陷。無帽口鋼錠有利于改善鍛件化學(xué)成分的均勻性，大幅度提高了鍛件的質(zhì)量。

(4)由于使用無帽口鋼錠提高了鋼錠利用率，使得鋼錠錠型減小，下注鋼錠的對象范圍大大拓寬，有效緩解了真空室的壓力。無帽口鋼錠的使用還使空心件的鍛造火次減少，從而減輕了鍛造加熱爐和水壓機的壓力，大大提高了生產(chǎn)效率。