王寶忠

(中國一重集團有限公司，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雜鍛件，國內外對于重型高端復雜鍛件的高質量發(fā)展研究一直在持續(xù)進行，中國一重曾取得了可喜的成績。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)的鋼錠制坯導致材料利用率低[6]，無法滿足重型高端復雜鍛件高質量發(fā)展的要求。因此，需要對傳統(tǒng)的鑄錠及成形等制造技術進行變革性創(chuàng)新。

1 增材制坯

重型高端復雜鍛件包括諸如700 ℃超超臨界汽輪機高溫合金轉子鍛件[1]、帶兩個超長非對稱管嘴的AP/CAP系列核電主管道熱段A(圖1)、頭上長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，中國一重集成創(chuàng)新發(fā)明了一系列冶煉及鑄錠技術，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，增材制造是中國的一個熱門話題。尤其是其中的3D打印技術似乎可以包羅萬象。根據(jù)ISO/ASTM52900-2015標準，增材制造是一個通過連續(xù)增加材料創(chuàng)造具有幾何形狀物體的專用技術術語。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結合逐層成形。由于增材制造的產品實質上是鑄態(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路線，見圖4。一種方法是在超大型圓坯外表面通過“固-液”結合的方式逐層澆注鋼液，從而生產更大直徑的鑄坯[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”結合的方式疊壓(擴散連接)成更大截面的鑄坯，見圖5。對于圖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)和拉應力區(qū)的擴散連接

2 “形、粒、力”準則

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、超級合金以及其他難變形材料的大量應用，人們不得不重視大型鍛件的晶粒度。對于晶粒而言，首先追求的是均勻，其次才是細小。而晶粒度的均勻性主要與鍛造參數(shù)(如溫度、變形量)有關。在以往的鍛造工藝中，由于對難變形材料的成形過程中的應力狀態(tài)重視不夠，往往會導致鍛件的表面裂紋和性能的各向異性[9、10]。

中國一重根據(jù)十幾年的經驗，創(chuàng)建了優(yōu)化制造工藝的“形、粒、力(FGS)”準則，見圖7。FGS分別代表成形(Forming)、晶粒(Grain)和應力(Stress)。“FGS”準則是指鍛件在多向壓應力下近凈成形，從而獲得均勻細小的晶粒。作者在近凈成形方面已經積累了大量的經驗[11～14]，研制出了以核電鍛件(核島+常規(guī)島)為代表的各類產品，今后將在多向壓應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”的塑性成形準則

3 閉式鍛造

為了全面推廣“形、粒、力”準則，本文對幾種有代表性的重型高端復雜鍛件的閉式鍛造(多向壓應力成形)進行了數(shù)值模擬和效果對比。

3.1 主管道

根據(jù)大型先進壓水堆示范工程的實踐數(shù)據(jù)統(tǒng)計，凈重17t的CAP1400 主管道熱段(圖1)，制造實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，但這種焊接方式產生的馬鞍形焊縫具有較高的制造風險和增加設備的在役檢測時間。為了避開馬鞍形焊縫，國外的一些鍛件供應商發(fā)明了半一體化接管段[16]，但仍然需要有環(huán)焊縫。

為了實現(xiàn)既沒有馬鞍形焊縫又沒有環(huán)焊縫的目標，中國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用對比見表1。從表1中可以看出，如果采用一體化接管段，單臺百萬千瓦核電所節(jié)約的設備制造和全壽期運行維護成本達5億元以上。設備的壽期是按60年計算的，每10年進行一次在役檢測，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用對比

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。為了對傳統(tǒng)的制造方式進行變革性創(chuàng)新，中國一重已經開展了軋輥鍛件閉式鍛造的比例試驗。圖11為凈重為48.8 t的某2 050 mm連軋機支承輥閉式鍛造數(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比

4 設備保障

4.1 1 350/1 600 mm分段鑄機

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，達到大幅度提高鑄坯內部質量，同時可以實現(xiàn)提高金屬收得率、節(jié)能降耗、改善作業(yè)環(huán)境等目的，從而加速搶占技術制高點，進一步推動中國一重在大型鍛件方面高質量發(fā)展。為此，中國一重提出研制φ1 350/φ1 600 mm超大型鑄坯代替120 t以下的鋼錠，提高支承輥、風機軸、曲拐等大型鍛件的材料利用率。φ1 350/φ1 600 mm分段鑄機生產的鑄坯質量，需要通過電加熱冒口、鑄坯凝固末端動態(tài)電磁攪拌等創(chuàng)新技術來保障。

4.2 1 600 MN超大型多功能液壓機

從本文重型高端復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)目前所掌握的設備研制技術和通過優(yōu)化工藝降低成形力等綜合考慮，擬研制一臺1 600 MN超大型多功能液壓機，為變革性的閉式鍛造成形工藝創(chuàng)新提供保障。

5 討論

為了實現(xiàn)既定目標，需要在以下方面進行深入研討:

(1)電加熱冒口、鑄坯的動態(tài)電磁攪拌等新技術在1 350/1 600 mm分段鑄機上的應用；

(2)增材制坯(固-固結或固-液結合)界面的重構；

(3)重型高端復雜鍛件模鍛的模具優(yōu)化設計；

(4)1 600 MN超大型多功能壓力機的自動化和信息化。