文/黃興高，張宏星，張靈康，白潔，王劍剛·中信重工機械股份有限公司

大型自由鍛工藝方案及路線的設(shè)計思路

文/黃興高，張宏星，張靈康，白潔，王劍剛·中信重工機械股份有限公司

大型自由鍛的定義各國都不一樣，在德國、俄國、法國、意大利是指用200t鋼錠鍛造的鍛件，在日本是指用300t鋼錠鍛造的鍛件，在中國原是指用150t鋼錠鍛造的鍛件，現(xiàn)在是指用300t以上的鋼錠鍛造的鍛件。大型自由鍛件是指用噸位在1600t以上壓機所制造的鍛件。目前全世界有萬噸以上生產(chǎn)能力的壓機45臺，在中國占了1/3擁有15臺。大型自由鍛工藝的發(fā)展各國所走的路線都不相同，但目標都是一致的，就是多、快、好、省。多是指單位時間內(nèi)產(chǎn)量要高；快是指鍛造的速度要快；好是指鍛件質(zhì)量要高，生產(chǎn)一件合格一件，滿足客戶的技術(shù)要求；省就是指省材料、省能耗、省時間。若一個企業(yè)做到了多、快、好、省，那么這個企業(yè)就是優(yōu)秀的可持續(xù)發(fā)展的企業(yè)。

隨著自由鍛壓機大型化、快速化、自動化的快速發(fā)展，自由鍛壓機的鍛造能力也隨之擴大，目前單重鋼錠已突破了600t。由于自由鍛能力的提高，機械設(shè)備的單機功率在大幅度提高，例如發(fā)電設(shè)備單機容量由原來的600MW、1000MW發(fā)展到現(xiàn)在1700MW。單機發(fā)電量提高是節(jié)能減排的一個重要途徑。現(xiàn)在的鍛件單重也在越來越高，質(zhì)量要求也隨之增高，這給自由鍛工藝的設(shè)計路線帶來了一系列的問題?，F(xiàn)在的專業(yè)化自由鍛企業(yè)要實現(xiàn)自由鍛工藝持續(xù)改進僅依靠自身努力是做不到的，一定要憑借自由鍛造的上游—冶煉、鑄錠專業(yè)化，下游靠機械加工、性能熱處理來共同努力完成。現(xiàn)在自由鍛可以采用JTS、FM、WHF、上下V型砧子等鍛造方法鍛造。但是若鋼錠質(zhì)量不好，不論采用什么鍛造方法都會使鍛件無法滿足客戶要求。

目前常規(guī)大型自由鍛工藝路線如下：

設(shè)計（標準、圖紙）→鍛造工藝編制→鋼錠質(zhì)量要求→冶煉（鑄錠）→熱送→鍛造→缺陷清理→鍛造→火焰切割→鍛后熱處理→校正→檢驗→粗加工→無損檢驗→性能熱處理→性能無損檢驗→精加工→最終檢驗→包裝→發(fā)貨。

圍繞著冶煉工藝改進就是用一切手段使鋼水達到純凈鋼水的標準，在澆注過程中有害氣體盡量去除并且不使鋼水有二次污染，盡量不產(chǎn)生二次夾雜物，保證鋼錠芯部到外表、下部到上部成分均勻一致，無明顯偏析，鋼錠表面光滑、無飛濺，鋼錠內(nèi)部致密，沒有一次二次縮管等缺陷。

鍛件的價格越高對鋼錠質(zhì)量的要求也越高。所以，現(xiàn)在高質(zhì)量鍛件在冶煉廠提供鋼錠前都要進行嚴格完善的質(zhì)量檢測。一般情況下電煉初爐煉的鋼水轉(zhuǎn)LF爐進行精煉或轉(zhuǎn)LFV爐進行精煉加真空除氣（也有用FH除氣）后真空澆注（國內(nèi)一般都用真空上澆注，但國外有些企業(yè)開始采用真空下澆注）。為了得到高質(zhì)量鋼錠，多包合澆時要采用AP工藝，各供鍛造用鋼錠冶煉廠都采用了很多先進工藝和措施。例如，鋼包磚、水口磚的改進、廢鋼的挑選、造渣材料的改進、冶煉工藝的縮短、真空碳脫氫、不用中間包澆注等，但要用好這些工藝的組合澆注生產(chǎn)出高質(zhì)量鋼錠，同時生產(chǎn)成本也要低卻很難。

為了保證第一次就把產(chǎn)品做好，很多企業(yè)都采用了計算機模擬輔助來驗證澆注、鍛造、熱處理等工藝，如圖1、2、3和4所示。不過，有時計算機模擬有很多邊界條件輸入不正確，導致其結(jié)果與實際相差很多，為了使計算機模擬結(jié)果正確，必須要結(jié)合以往積累的經(jīng)驗來完成。即便如此，這樣鍛件不合格的事情還是會經(jīng)常發(fā)生，這就需要每個冶煉、鍛造和熱處理企業(yè)對發(fā)生的質(zhì)量問題原因進行分析研究，并制定可持續(xù)改進的措施。下面將結(jié)合一些實例的工藝流程來說明工藝方案及工藝路線的改進方案。

AP1000主管道

AP1000主管道現(xiàn)有兩種工藝路線：

⑴采用常規(guī)的冶煉方法，例如，AOD或VOD爐冶煉鋼水→真空澆注鋼錠→鍛造，但這種工藝廢品率較高。

⑵現(xiàn)經(jīng)過改進采用：AOD或VOD爐進行初煉鋼水→澆注成電渣爐用電極→打磨電極→電渣爐重熔→鍛造，改進后的工藝成品率很高可達100％，質(zhì)量得到了保證。雖然工藝路線加長了，成本也提高了，但是由于廢品率降低，企業(yè)的利潤反而提高了。

管模本體

圖1 水室封頭網(wǎng)格圖

圖3 水室封頭變形過程

圖4 水室封頭成品圖

管模本體是用來澆注球墨鑄鐵管子而采用的模具，原工藝是一件管模本體用一個鍛件，鍛件鍛成空心的接近成品的圓筒形幾何形狀，一件毛坯加工成一件成品?，F(xiàn)由于對機械加工的刀具進行了改進，所以鍛件的外形變成了近似成品的幾何形狀，內(nèi)孔不再鍛出，機械加工用臥式鏜鉆床（深孔鉆）將芯部整件掏出，掏料1000mm長只要1～2h。若φ600mm內(nèi)孔的管模本體鍛坯可以掏出一件φ400mm和φ200mm的管模本體毛坯。這樣一個鍛件可以生產(chǎn)出三個鍛件毛坯和一個芯棒料，且加工工時大為減少，制造成本也大大下降?，F(xiàn)在很多企業(yè)都在采用這種工藝路線。

環(huán)形件

環(huán)形件現(xiàn)在單件質(zhì)量在300t以下，無論大小都可以采用壓機制坯、沖孔（或增加擴孔平整工序）也可以用空心鋼錠下料后上軋環(huán)機進行軋制成形，利用軋制成形后的余熱進行形變調(diào)質(zhì)熱處理。若軋后溫度低時可進爐加熱均溫后再進行調(diào)質(zhì)熱處理。加氫反應(yīng)器的筒節(jié)也可以進行形變熱處理?，F(xiàn)在很多有軋環(huán)機的企業(yè)都走這種工藝路線，而且還都有調(diào)質(zhì)用水、油槽或噴霧裝置。這種工藝路線省去了鍛后熱處理和粗加工工序，減少了鍛件余量，使得企業(yè)制造成本變低。但一定要注意走這種工藝路線時鋼錠中的氫含量一定要小于2ppm，軋制出來的環(huán)不允許有表面缺陷（例如裂紋、重皮等），否則會出現(xiàn)廢品。

圖5 雙金屬復(fù)合材料汽輪機主軸

大型厚板

大型厚板在壓機上鍛造成形，尤其是長寬板鍛后的加工余量很大，浪費了原材料和機械加工工時?，F(xiàn)在很多企業(yè)為了節(jié)約材料采用了鍛軋相結(jié)合的辦法，由壓機對鋼錠進行開坯，開坯尺寸由鋼廠的技術(shù)部門決定，而后轉(zhuǎn)到鋼廠進行軋制?，F(xiàn)在我國有很多寬厚板軋機（寬5500mm以下），板厚度一般情況在600mm以下，即5500mm×600mm為所需規(guī)格，都可以進行軋制。軋后的板面平整沒有死彎，因此很受客戶歡迎，而且鋼種不受限制，只要能用壓機開出坯來，那軋機就都能軋制。

另外一種寬厚板的工藝路線就是采用ESR扁鋼錠來進行軋制，很多模具鋼、有Z向性能的寬厚板都是走這種工藝路線。但是這種工藝路線受電渣爐規(guī)格的限制，目前國內(nèi)單板質(zhì)量在40t左右的可以走這種工藝路線。

汽輪機主軸

隨著單臺汽輪機容量的變大，材料合金化也隨之增高，并且安全性和質(zhì)量要求也不斷的提高。各企業(yè)為了生產(chǎn)高質(zhì)量、高安全性的汽輪機主軸，也在不斷變化工藝路線和工藝設(shè)計方案。當單臺汽輪機機組在1000MW以下時，汽輪機軸可以使用整體件。1000MW以上機組有很多企業(yè)和研究機構(gòu)都在試驗焊接結(jié)構(gòu)，即將汽輪機軸分段鍛造，機加工后焊在一起，只要焊接水平達到汽輪機軸的使用要求，設(shè)計圖紙是可以變更的，在國外即便單臺機組在1000MW以下，也采用這種工藝路線。

為了進一步降低鍛造成本，國外的一些學者已成功采用雙金屬復(fù)合材料來制造高低壓整體汽輪機主軸。其原理是根據(jù)汽輪機主軸的工況，進高壓氣體的軸段采用NiCrMoV鋼，進低壓氣體的軸段采用CrMoV鋼，并且已裝機使用（見圖5）。自然采用雙金屬復(fù)合材料的工藝路線，不但成本降下來了，而且還保證了高低壓整體汽輪機主軸高壓部分良好的蠕變斷裂性能，低壓部分良好的韌性。

結(jié)束語

到目前為止，鋼錠的冶煉、澆注、鍛造、機械加工、熱處理工藝已經(jīng)應(yīng)用了很多先進的技術(shù)，在這些技術(shù)中每一次重新組合就是一次工藝方案的改進。隨著ESR保護氣體的成功應(yīng)用，解決了ESR過程中增[O]、[H]的問題。而一些高質(zhì)量要求的鍛造鋼錠雙真空技術(shù)很難解決，例如12％鉻鎳鉬鋼的超臨界高壓汽輪機轉(zhuǎn)子，采用ESR方法供應(yīng)鋼錠，其鍛件成品率從10％～20％上升至80％～100％。由于鍛件成品率的提高，即使鋼錠成本上升了（因為每噸ESR鋼錠要多消耗1200～1500kW·h，并且ESR過程比雙真空同等規(guī)格的鋼錠冶煉時間要長），但總體成本卻下降了。

現(xiàn)在冶煉、澆注、鍛造、機加工、熱處理、設(shè)計、標準制定之間都在循序漸進地進行改革，并且環(huán)環(huán)相扣、相互推動。例如，原標準要采用平爐鋼的現(xiàn)在都改為電爐煉鋼并要求采用真空除氣，過去不要求采用ESR鋼的現(xiàn)在也要求用ESR鋼，例如冷軋輥鋼。過去鍛造鋼錠不允許用轉(zhuǎn)爐鋼，現(xiàn)在轉(zhuǎn)爐加上真空除氣鋼錠也可用到鍛件上了，標準中S、P含量要求不大于0.030％，現(xiàn)在實際S、P含量都控制在0.010％以下。隨著各工序工藝水平的提高，工藝方案和路線的水平也在提高，也就能夠更多、快、好、省地向社會供應(yīng)大型自由鍛件，同時促進設(shè)計改進、技術(shù)標準修訂提高，希望每個鍛造企業(yè)都采用先進的工藝方案和工藝路線，爭取早日使我國的鍛造水平在世界領(lǐng)先。

反饋服務(wù)編碼6224