王寶忠

(中國(guó)一重集團(tuán)有限公司，黑龍江 富拉爾基 161042)

0 前言

在超大型鍛件中，有幾類超大、異形鍛件被稱為重型高端復(fù)雜鍛件，國(guó)內(nèi)外對(duì)于重型高端復(fù)雜鍛件的高質(zhì)量發(fā)展研究一直在持續(xù)進(jìn)行，中國(guó)一重曾取得了可喜的成績(jī)。然而，由于大型鋼錠中的偏析和有害相的存在以及采用傳統(tǒng)的鋼錠制坯導(dǎo)致材料利用率低[6]，無法滿足重型高端復(fù)雜鍛件高質(zhì)量發(fā)展的要求。因此，需要對(duì)傳統(tǒng)的鑄錠及成形等制造技術(shù)進(jìn)行變革性創(chuàng)新。

1 增材制坯

重型高端復(fù)雜鍛件包括諸如700 ℃超超臨界汽輪機(jī)高溫合金轉(zhuǎn)子鍛件[1]、帶兩個(gè)超長(zhǎng)非對(duì)稱管嘴的AP/CAP系列核電主管道熱段A(圖1)、頭上長(zhǎng)角的核電示范工程蒸汽發(fā)生器水室封頭(圖2)、以及身上長(zhǎng)刺的核電示范工程壓力容器一體化接管段(圖3)等超大、異型、難變形鍛件。為了提高大型/超大型鋼錠的均勻性與純凈性，中國(guó)一重集成創(chuàng)新發(fā)明了一系列冶煉及鑄錠技術(shù)，取得了很好的效果[7]。但由于不同材料、不同鑄錠方式都有一個(gè)有效的凝固截面，超大型鋼錠如采用常規(guī)的鑄錠方式，難以避免偏析及有害相。因此，將開展增材制坯的變革性創(chuàng)新技術(shù)研究。

圖1 CAP1400主管道熱段A

圖2 CAP1400蒸汽發(fā)生器水室封頭

圖3 壓力容器一體化接管段

近年來，增材制造是中國(guó)的一個(gè)熱門話題。尤其是其中的3D打印技術(shù)似乎可以包羅萬象。根據(jù)ISO/ASTM52900-2015標(biāo)準(zhǔn)，增材制造是一個(gè)通過連續(xù)增加材料創(chuàng)造具有幾何形狀物體的專用技術(shù)術(shù)語。某位專家將增材制造分為狹義增材制造和廣義增材制造。狹義增材制造是通過激光或電子束與CAD/CAM結(jié)合逐層成形。由于增材制造的產(chǎn)品實(shí)質(zhì)上是鑄態(tài)組織，從成本和效率的角度出發(fā)，狹義增材制造難以適用于制造大鍛件所需的坯料。廣義增材制造是逐層增加材料制造零件而不是減材的成形過程。為了避免偏析、夾雜及有害相，本文將采用廣義增材制造的方法生產(chǎn)大型坯料，逐步替代120 t以上的傳統(tǒng)鋼錠。首先確立了解決偏析、夾雜、有害相等共性問題的增材制坯技術(shù)路線，見圖4。一種方法是在超大型圓坯外表面通過“固-液”結(jié)合的方式逐層澆注鋼液，從而生產(chǎn)更大直徑的鑄坯[8]；另一種方法是采用多層大型圓餅類坯料(用有效基材閉式鐓粗獲得)通過“固-固”結(jié)合的方式疊壓(擴(kuò)散連接)成更大截面的鑄坯，見圖5。對(duì)于圖5所示方法，可以通過減少氧化膜界面、減少難變形區(qū)和拉應(yīng)力區(qū)的閉式鐓粗方式獲得較優(yōu)的最大450 t坯料。

圖4 解決偏析、夾雜、有害相等共性問題的增材制坯技術(shù)路線

圖5 采用多層大型圓餅類坯料減少難變形區(qū)和拉應(yīng)力區(qū)的擴(kuò)散連接

2 “形、粒、力”準(zhǔn)則

在大型鍛件的傳統(tǒng)自由鍛造中，主要目的是成形。隨著不銹鋼、超級(jí)合金以及其他難變形材料的大量應(yīng)用，人們不得不重視大型鍛件的晶粒度。對(duì)于晶粒而言，首先追求的是均勻，其次才是細(xì)小。而晶粒度的均勻性主要與鍛造參數(shù)(如溫度、變形量)有關(guān)。在以往的鍛造工藝中，由于對(duì)難變形材料的成形過程中的應(yīng)力狀態(tài)重視不夠，往往會(huì)導(dǎo)致鍛件的表面裂紋和性能的各向異性[9、10]。

中國(guó)一重根據(jù)十幾年的經(jīng)驗(yàn)，創(chuàng)建了優(yōu)化制造工藝的“形、粒、力(FGS)”準(zhǔn)則，見圖7。FGS分別代表成形(Forming)、晶粒(Grain)和應(yīng)力(Stress)?！癋GS”準(zhǔn)則是指鍛件在多向壓應(yīng)力下近凈成形，從而獲得均勻細(xì)小的晶粒。作者在近凈成形方面已經(jīng)積累了大量的經(jīng)驗(yàn)[11～14]，研制出了以核電鍛件(核島+常規(guī)島)為代表的各類產(chǎn)品，今后將在多向壓應(yīng)力成形方面開展深入研究工作。

圖7 解決鍛件余量大、混晶、裂紋等共性問題的“FGS”的塑性成形準(zhǔn)則

3 閉式鍛造

為了全面推廣“形、粒、力”準(zhǔn)則，本文對(duì)幾種有代表性的重型高端復(fù)雜鍛件的閉式鍛造(多向壓應(yīng)力成形)進(jìn)行了數(shù)值模擬和效果對(duì)比。

3.1 主管道

根據(jù)大型先進(jìn)壓水堆示范工程的實(shí)踐數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，凈重17t的CAP1400 主管道熱段(圖1)，制造實(shí)心鍛件所需的電渣重熔(ESR)鋼錠 135～140 t ，制造空心鍛件所需的ESR鋼錠80～90 t 。兩種成形方式的鍛造火次都需要兩位數(shù)。

如果采用空心ESR鋼錠通過擠壓的方式成形(圖8)，不僅ESR鋼錠可以減少到 63 t，而且鍛造火次還可以減少到個(gè)位數(shù)。

圖8 CAP1400主管道熱段 A擠壓成形數(shù)值模擬

3.2 水室封頭

與自由鍛造相比，中國(guó)一重發(fā)明的蒸汽發(fā)生器整體水室封頭仿形鍛造材料利用率提高30%以上[15]。然而，鍛造火次依然較多，而且加工余量仍然較大。

如果采用圖9所示的閉式鍛造方式成形，不僅材料利用率可以進(jìn)一步提高，而且制造周期還可以大幅度縮短。

圖9 CAP1400蒸汽發(fā)生器水室封頭閉式鍛造數(shù)值模擬

3.3 一體化接管段

在過去，核反應(yīng)堆壓力容器的制造方式都是將接管焊接到接管筒體上，但這種焊接方式產(chǎn)生的馬鞍形焊縫具有較高的制造風(fēng)險(xiǎn)和增加設(shè)備的在役檢測(cè)時(shí)間。為了避開馬鞍形焊縫，國(guó)外的一些鍛件供應(yīng)商發(fā)明了半一體化接管段[16]，但仍然需要有環(huán)焊縫。

為了實(shí)現(xiàn)既沒有馬鞍形焊縫又沒有環(huán)焊縫的目標(biāo)，中國(guó)一重開展了一系列的研究工作，提出了通過閉式鍛造方式研制一體化接管段的思路[17]。圖10給出了CAP1400壓力容器一體化接管段閉式鍛造成形的數(shù)值模擬，最大成形力1 580 MN。

圖10 CAP1400壓力容器一體化接管段閉式鍛造成形的數(shù)值模擬

分體與一體化接管段制造周期及全壽期間接費(fèi)用對(duì)比見表1。從表1中可以看出，如果采用一體化接管段，單臺(tái)百萬千瓦核電所節(jié)約的設(shè)備制造和全壽期運(yùn)行維護(hù)成本達(dá)5億元以上。設(shè)備的壽期是按60年計(jì)算的，每10年進(jìn)行一次在役檢測(cè)，停堆一天至少損失100萬元。

表1 分體與一體化接管段制造周期及全壽期間接費(fèi)用對(duì)比

3.4 支承輥

以往的大型支承輥鍛件大都采用鋼錠自由鍛造成形，材料利用率較低。為了對(duì)傳統(tǒng)的制造方式進(jìn)行變革性創(chuàng)新，中國(guó)一重已經(jīng)開展了軋輥鍛件閉式鍛造的比例試驗(yàn)。圖11為凈重為48.8 t的某2 050 mm連軋機(jī)支承輥閉式鍛造數(shù)值模擬。從圖11可以看出，最大成形力出現(xiàn)在下輥徑閉式鍛造階段。

圖11 某2 050 mm支承輥鍛件閉式鍛造數(shù)值模擬

凈重48.8 t支承輥鋼錠自由鍛與固坯擠壓成形成本對(duì)比見表2。從表2中可以看出，如果采用59.6 t圓坯閉式鍛造代替以往的采用114 t鋼錠自由鍛造，單只支承輥鍛件可以節(jié)約制造費(fèi)用34萬元。

表2 凈重48.8 t支承輥鋼錠自由鍛與圓坯擠壓成形成本對(duì)比

4 設(shè)備保障

4.1 1 350/1 600 mm分段鑄機(jī)

研制超大截面圓坯，主要解決傳統(tǒng)大型模鑄工藝存在的鑄坯中心疏松、裂紋、成分不均等世界性難題，達(dá)到大幅度提高鑄坯內(nèi)部質(zhì)量，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)提高金屬收得率、節(jié)能降耗、改善作業(yè)環(huán)境等目的，從而加速搶占技術(shù)制高點(diǎn)，進(jìn)一步推動(dòng)中國(guó)一重在大型鍛件方面高質(zhì)量發(fā)展。為此，中國(guó)一重提出研制φ1 350/φ1 600 mm超大型鑄坯代替120 t以下的鋼錠，提高支承輥、風(fēng)機(jī)軸、曲拐等大型鍛件的材料利用率。φ1 350/φ1 600 mm分段鑄機(jī)生產(chǎn)的鑄坯質(zhì)量，需要通過電加熱冒口、鑄坯凝固末端動(dòng)態(tài)電磁攪拌等創(chuàng)新技術(shù)來保障。

4.2 1 600 MN超大型多功能液壓機(jī)

從本文重型高端復(fù)雜鍛件的閉式鍛造數(shù)值模擬可以看出，最大成形力接近2 000 MN。根據(jù)目前所掌握的設(shè)備研制技術(shù)和通過優(yōu)化工藝降低成形力等綜合考慮，擬研制一臺(tái)1 600 MN超大型多功能液壓機(jī)，為變革性的閉式鍛造成形工藝創(chuàng)新提供保障。

5 討論

為了實(shí)現(xiàn)既定目標(biāo)，需要在以下方面進(jìn)行深入研討:

(1)電加熱冒口、鑄坯的動(dòng)態(tài)電磁攪拌等新技術(shù)在1 350/1 600 mm分段鑄機(jī)上的應(yīng)用；

(2)增材制坯(固-固結(jié)或固-液結(jié)合)界面的重構(gòu)；

(3)重型高端復(fù)雜鍛件模鍛的模具優(yōu)化設(shè)計(jì)；

(4)1 600 MN超大型多功能壓力機(jī)的自動(dòng)化和信息化。