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日本利用自由鍛生產大型鍛鋼件

發布時間:2019-04-15  瀏覽次數:20

       近年,為了防止地球變暖,制定溫室氣體CO2減排規則并落實具體措施已成為世界各國的當務之急。在此形勢下,傳統鍛造技術的重要性不斷增加。在全球電力需求高漲的情況下,發電廠在防止地球氣候變暖方面起著至關重要的作用,而且與鍛造技術(特別是大型鍛鋼件的質量與性能)密切相關。迄今為止,發電廠單機大規模生產,提高了發電效率,這得益于發電用輪機的大型鍛件的自由鍛大型化技術的支撐。
       在自由鍛造件中,重量50t~250t的超大型鍛鋼件所占比率雖然較少(約為15%),但這些大型鍛件有6成以上都被用于發電、鋼鐵、造船、重化工業、大型土木基礎建設等重要行業與項目。
       具體而言,這些超大型鍛鋼件都被用作機械裝置和結構的心臟部位,故須確保其在使用中有絕對高的安全性與可靠性。然而,在這些超大型鍛件的制造過程中也會出現很多特有的問題:首先是鋼錠-大型化,其內部的偏析、非金屬夾雜物及微小空隙(又稱孔隙或疏松)就會顯著增加,故制造性狀優良的鋼錠變得更為困難。而且,在鍛造工程中,重量達數百噸的鋼錠的傳動設備要快速操作,并將之鍛造成所需形狀,而且使其內部也達到充分鍛造效果,這確屬不易。因此,為了穩定供應這樣高品質的大型鍛鋼件,進行了包括煉鋼(精煉和鑄鋼)、鍛造及熱處理的獨特技術開發。          
       以下概要介紹日本制鋼所利用自由鍛造工藝技術生產超大型鍛鋼件的過程。
       1 鍛鋼件大型變化
        鍛鋼件大型化的發展歷程與火(力發)電.核電廠單機(發電)功率的大型化步伐是一致的。最近30年間,電廠的單機功率,因追求大規模生產的優越性(更低的消耗與成本、更高的效率)而顯著增加。隨之以所用壓力容器為首的相關設備也加速實現了大型化。另一方面,發電機和蒸汽透平機(又稱輪機)葉輪軸直徑也增大了。特別是1969年功率突破1100MW,其透平葉輪軸的結構也從原來的輪盤熱壓配合型變更為整體型,其鍛造重量也大幅增加了。為了滿足這些要求,開發了用400t重的大型鋼錠鍛造成120t重的整體型葉輪軸。1973年進一步成功開發發電功率1300MW的重200t透平軸。而且,最近又開發了功率1250MW改進沸水型核電用整體低壓透平軸;緊接著又鍛造成功了直徑約2.9m、重約340t的巨型鍛件,所用巨型鋼錠單重超過600t。至今為止,日本制鋼所制作了200根以上的超大型低壓透平軸,供應給全世界的大型和超大型火電及核電廠。
        2 超大型鋼錠的制造技術
        首先介紹日本煉鋼技術在自由鍛造業方面的進步和發展動向。
        在能源產業和鋼鐵生產領域所使用的大型鍛件的質量要求極為嚴格,而且其質量、性能在很大程度上都與制造大型鋼錠的煉鋼工序密切相關。煉鋼工序的主要工藝技術包括鋼液和鋼錠中磷、硫等雜質元素的去除、夾雜物(如氧化物、硫化物及復合夾雜物等)的減少、成分偏析的抵制與減輕、氫系缺陷(如HIC即氫致裂紋)的避免等。由于針對這些要求進行的技術開發和應用,最近即使重量達600t的超大型鋼錠,也完全可以確保其達到高質量要求。
        特別是在鋼液的精煉工序中利用LF(鋼包精煉)法和VLF(真空鋼包精煉)法,大幅度改善了原來的雜質元素,夾雜物含量和氫系缺陷,從而確保大型鋼錠性狀能滿足超大型鍛件的質量要求。
        現在,在單重超過500t的大型鋼錠的制造技術和生產能力方面,韓國已有趕上來的趨勢,但在世界上日本仍具有壓倒性優勢,其具有整體型低透平葉輪軸和核電用壓力容器的開發和制造能力。
        近年LF和VLF技術已基本成熟,加之開發了鋼液氫含量的快速分析法,在解決氫系缺陷方面取得了實質性進展。而且,在大型鋼錠的模鑄工程中,廣泛利用了包括滴流脫氣法的高效真空模鑄技術,具有降低生產成本和鋼錠表層氧化夾雜的效果。
        3 超大型鋼錠的基本鍛造技術
        為了確保核電用整體型低壓葉輪軸大型鍛件的質量,鍛造時需要多次鐓粗和伸鍛,以獲得充分的鍛造比。因此,在一般鍛造工程中有必要在伸鍛之前將單重數百噸的巨大鋼錠用1萬t級的壓力機直接鐓粗。
        在超大型鋼錠的鐓粗中,由于鋼錠溫度下降而引起變形抗力的增大及斷面積的增加,故所需的壓下載荷需緩慢增加,在一定的鍛造壓力條件下,壓下速度會顯著減小。然而巨大的鋼錠出爐后,即使經過1h以上冷卻,在距表層約600mm深處的軸心部仍有1200℃以上的高溫。因此,若降低壓下速度,由于與之對應的變形速度也會變得極小,故鋼錠整體的平均變形抗力也會相應變得極小。即鍛壓力平衡于變形抗力的壓縮變形,的確是以蠕變速度進行的。這樣一來,巨大的鋼錠經過長時間變形也能被鐓粗到所要求的高度。
         另一方面,在大型鋼錠的軸心部,伴隨鋼液凝固時的收縮,不可避免會產生大量的孔隙。發電用葉輪軸因高速旋轉會在中心部產生大的應力,如果軸心部有孔隙缺陷,在運轉中有可能發生致命的損壞事故。在軸材的鍛造過程中,不是簡單地將之變形,而是要向超大型鋼錠的中心部施加充分的壓縮力,使之產生充分的應變,還要將粗大的鍛造組織致密化,并壓合中心部的孔隙缺陷,以獲得良好的內部性狀。
        為了利用鍛造將超大型鋼錠內部的孔隙壓合,施加大的壓縮靜水壓應力,產生充分的應變是十分重要的。為此,各個自由鍛造廠為適應產品大小和壓力設備容量,有效開發并實施了各種各樣壓合孔隙的方法。其中“中溫鍛造法”是不直接壓下出爐鋼錠,而是將之空冷一段時間以在其表面形成冷卻層后,再以較小的鐵砧進行鍛造的方法。利用實驗和FEM(有限元)解析法可以定量查明鋼錠軸心部靜水壓增大效果。并且,在“FM鍛造法”、“強壓下寬幅拘束鍛造法”中,用1萬t級鍛壓機向鋼錠施加大的壓下量壓合了中心部的孔隙。這些鍛造法在超大型軸材的制造中得到了廣泛應用,然而,對于軋輥等較小直徑的產品,也采用V字形鐵砧鍛造法。
      

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