蔣新亮(中國第二重型機(jī)械集團(tuán)公司，四川618013)

2007年，我國從法國、美國引進(jìn)了大型先進(jìn)核電設(shè)計(jì)、制造技術(shù)。以一重、二重、上重等企業(yè)為主陸續(xù)開發(fā)出了大型先進(jìn)壓水堆核島反應(yīng)堆壓力容器(RPV)、蒸汽發(fā)生器(SG)的整體頂蓋、一體化接管段、錐形筒體、管板、水室封頭等。這些鍛件主要為容器類厚壁殼體鍛件，形狀復(fù)雜，主要技術(shù)難點(diǎn)為鍛造成形和熱處理性能的保證。核電常規(guī)島用180 t以上發(fā)電機(jī)、汽輪機(jī)整體轉(zhuǎn)子由于制造難度大，被公認(rèn)為屬于大型鑄鍛件制造領(lǐng)域三大極限制造難題之一(另外兩項(xiàng)為5 m及以上大型寬厚板軋機(jī)支承輥和核電沸水堆用直徑7 000 mm以上整體頂蓋)，被國外某一企業(yè)獨(dú)家壟斷20余年。韓國、意大利、德國等世界一流大型鍛件制造企業(yè)從20世紀(jì)80年代開始進(jìn)行了大量研究，均未突破500噸級(jí)鋼錠及160 t以上整體轉(zhuǎn)子制造。因該產(chǎn)品和制造技術(shù)受到國外嚴(yán)密封鎖，已成為制約中國乃至全球核電發(fā)展的嚴(yán)重瓶頸。

本項(xiàng)目所研制的600噸級(jí)鋼錠，材料為25Cr2Ni4MoV，用于鍛制特大型核電半速轉(zhuǎn)子。其產(chǎn)品交貨重量為226 t，直徑約為2 000 mm，總長度約15 300 mm。由于該產(chǎn)品要保證安全服役60年，并要求非常高的可靠性，對(duì)金相組織、力學(xué)性能及兩者的均勻性都有很嚴(yán)格的要求，超聲檢測缺陷評(píng)估值不能≥?1.6 mm，要求鋼的純凈度非常高。從鋼錠重量、尺寸、純凈度、結(jié)晶組織、缺陷控制、偏析控制、材料性能及所需要的制造設(shè)備等級(jí)能力等方面，都已達(dá)到了世界制造的極限水平，也是國際上該領(lǐng)域質(zhì)量等級(jí)和難度風(fēng)險(xiǎn)最高的標(biāo)志性產(chǎn)品。為開發(fā)該產(chǎn)品，二重從2006年開始進(jìn)行了全生產(chǎn)流程的技術(shù)改造，以提升其極限制造能力。同時(shí)還進(jìn)行了一系列的技術(shù)攻關(guān)和原始創(chuàng)新，開發(fā)出關(guān)鍵制造技術(shù)，進(jìn)行了特大型鋼錠及鍛件的試制，完成了1 100 MW核電發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子鍛件研制，并合格交付用戶6件，形成了批量生產(chǎn)能力。

1 特大型鋼錠制造技術(shù)難點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)研究

1.1 高純鋼水冶煉

600噸級(jí)鋼錠所需鋼水達(dá)610 t～630 t，鋼水量大，必須使用多臺(tái)電弧爐、鋼包爐冶煉。用100 t電弧爐需連續(xù)冶煉7爐～8爐粗煉鋼水，每爐粗煉鋼水均要求P含量達(dá)到≤0.002%的極低水平，導(dǎo)致冶煉時(shí)間長，技術(shù)難度大，現(xiàn)場操作、生產(chǎn)組織、協(xié)調(diào)、設(shè)備保障困難。大噸位高純鋼水要求Si、P、S、As、Sn、H、O、N等元素含量極低，在制造方面存在諸多難點(diǎn)，在保證鋼的化學(xué)成分滿足要求的同時(shí)，要最大限度地降低鋼中雜質(zhì)元素和夾雜物含量，保證鋼的高純凈度。

1.1.1 鋼水脫P(yáng)

用電爐熔煉粗煉鋼水，通過過氧化反應(yīng)去除鋼中的Si、P。脫P(yáng)是靠電爐氧化時(shí)與CaO的反應(yīng)而進(jìn)行的，脫P(yáng)反應(yīng)式為：

2[P]+(FeO)+4(CaO)=(Ca4P2O5)+[Fe]

爐渣成分的變化，對(duì)鋼-渣間磷分配系數(shù)的影響為：

lg (%P)[%P]=22350/T-16.0+0.08×

(%CaO)+2.5lg(%FeO)

因此，脫P(yáng)的最佳熱力學(xué)條件是：

1)反應(yīng)溫度不宜過高；

2)提高爐渣的氧化性(提高FeO含量)；

3)增大爐渣量；

4)適當(dāng)?shù)膲A度。

由于鋼包精煉爐不能脫P(yáng)，因此必須在電弧爐冶煉階段考慮脫P(yáng)問題。項(xiàng)目組采用提前造渣、加強(qiáng)吹氧、使用特種脫磷劑、改善渣系結(jié)構(gòu)等方法，在電爐氧化渣下將P降低到0.002%以下，再用倒包法將鋼水注入鋼包爐，徹底清除鋼中的氧化含磷渣(圖1)，然后用鋼包爐進(jìn)行精煉。

1.1.2 有害元素的控制

由于該產(chǎn)品對(duì)材料的力學(xué)性能，尤其是韌性指標(biāo)要求特別嚴(yán)格，所以必須將鋼中有害元素As、Sn、Sb控制在極低的范圍。這些元素在冶煉過程中很難去除，只能在爐料準(zhǔn)備階段嚴(yán)格控制。首先要精選爐料，要求廢鋼中的As、Sn、Sb含量達(dá)到相當(dāng)?shù)偷乃剑瑥脑搭^上控制原料中As、Sn、Sb等元素的含量。在爐料篩選、分類、配送等方面科學(xué)管理，降低雜質(zhì)元素混入的途徑，保證獲得純凈鋼水。

圖1 倒包法冶煉示意圖Figure 1 Smelting by Ladle to Ladle method

1.1.3 鋼水脫S

鋼包精煉階段的主要任務(wù)就是通過采用高堿度還原渣，利用真空處理過程，將S含量降至0.002%以下，同時(shí)還要去除鋼中夾雜物和氣體，實(shí)現(xiàn)精確合金化。脫S主要是靠S與渣中的CaO發(fā)生反應(yīng)而進(jìn)行的，具有強(qiáng)還原與強(qiáng)攪拌作用的鋼包精煉能顯著地促進(jìn)這一過程。在最佳的電弧爐熔煉+鋼包精煉情況下，S含量能降低到<0.002%。隨后在氬氣攪拌下進(jìn)行真空除氣及真空碳脫氧，以降低鋼中的夾雜物和H、O、N氣體含量。

鋼水的脫S任務(wù)主要集中在鋼包精煉爐中進(jìn)行，脫S反應(yīng)式如下：

[FeS]+(CaO)= [FeO]+(CaS)

△GO=98474-27.82T(J/mol)

影響脫S的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)條件是：

1)高溫。因?yàn)殇?渣間脫S反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，因此升高溫度有利于脫S反應(yīng)的進(jìn)行；

2)高堿度、低氧化鐵含量、大渣量有利于脫S反應(yīng)；

3)對(duì)熔池進(jìn)行強(qiáng)力攪拌。在實(shí)際生產(chǎn)中影響脫S的主要限制環(huán)節(jié)為脫S速度常數(shù)(Ks)，增大鋼-渣的接觸面積可顯著提高Ks，有利于S的去除。

針對(duì)上述三點(diǎn)脫S條件，我們采用LF精煉爐精煉，充分運(yùn)用LF爐底吹A(chǔ)r及真空過程鋼渣接觸良好的特點(diǎn)，在還原條件下，利用真空脫[S]技術(shù)，很好地解決了脫S問題。

1.1.4 鋼水脫氧

在冶煉時(shí)，改變了傳統(tǒng)沉淀脫氧的方式，改用真空碳脫氧。這樣能避免產(chǎn)生不易上浮的脫氧產(chǎn)物，其反應(yīng)式如下：

[C]+[O]=CO↑

生成的CO氣體在上浮過程中不僅進(jìn)一步降低了鋼水的氧和氣體含量，同時(shí)也將部分夾雜帶出鋼液，從而提高了鋼錠純凈度，保證了冶金質(zhì)量。

1.2 優(yōu)化鋼包爐襯材料，提高爐襯壽命

由于鋼水量太大，需連續(xù)冶煉7爐～8爐粗煉鋼水并先后兌入4臺(tái)鋼包爐中，加之鋼水化學(xué)成分復(fù)雜，要求極為嚴(yán)格，在鋼包爐中的冶煉時(shí)間長達(dá)16 h～20 h，鋼包爐襯耐火材料與鋼水接觸時(shí)間大為增加(一般情況下鋼包爐的冶煉時(shí)間為4 h左右)。高溫鋼水對(duì)爐襯沖刷加劇，爐襯耐火材料軟化后進(jìn)入鋼水，不僅會(huì)增加鋼水的雜質(zhì)含量，嚴(yán)重時(shí)軟化后的爐襯受鋼渣浸蝕，還會(huì)發(fā)生漏鋼，帶來巨大的損失和災(zāi)難。為此項(xiàng)目組對(duì)國內(nèi)爐襯耐火材料廠家進(jìn)行了廣泛調(diào)研，對(duì)各種相關(guān)材料進(jìn)行了試驗(yàn)分析和使用驗(yàn)證對(duì)比，并與耐火材料廠家共同研究改進(jìn)。經(jīng)過兩年多的反復(fù)驗(yàn)證，從外形尺寸、力學(xué)性能、砌爐方法和材料等方面進(jìn)行了改善，保證了鋼水在精煉爐中的長時(shí)間冶煉，提高了鋼水純凈度，降低了事故風(fēng)險(xiǎn)。

1.3 四爐合澆高壽命水口的研究與應(yīng)用

四包合澆的鋼水分別為150 t、150 t、150 t、120 t～150 t，按順序注入中間包，再從中間包通過耐火材料澆口澆入600 t真空鑄錠室，進(jìn)入600 t鋼錠模，由于600多噸1 570℃以上的鋼水要從一個(gè)澆口注入鋼錠模，澆注時(shí)間長達(dá)(80～90) min，每分鐘約有7 t～8 t高溫鋼水以相當(dāng)高的速度(約303 m/min)流過澆口，會(huì)對(duì)澆口內(nèi)表面產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖刷，使?jié)部诳焖贁U(kuò)大而導(dǎo)致澆注失敗。原先使用的澆口最多只能澆注260 t鋼錠，根本無法滿足600 t鋼水的澆注要求，所以研制耐高溫沖刷的澆口非常重要。項(xiàng)目組經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)和研究分析，最后篩選出一種復(fù)合材料澆口，很好的解決了高溫大噸位鋼水的澆注這一關(guān)鍵問題，詳細(xì)比較見表1。

表1 兩種典型材料澆口耐沖刷效果比較Table 1 Scouring resistance effect comparison of gate with two typical materials

1.4 大鋼錠成分偏析控制技術(shù)研究

大型鋼錠在凝固時(shí)由于選分結(jié)晶的作用會(huì)產(chǎn)生顯著的宏觀偏析，鋼中的C、Mn、V、Mo、S、P等元素按鋼錠的凝固順序呈由低到高分布，特別是C、Mo偏析更高。鋼錠越大，由于累積作用效果，成分的不均勻性更加顯著。對(duì)轉(zhuǎn)子材料，如果不采取有效的控制方法，鋼錠頭部和尾部C含量將相差70%～80%，Mo含量相差40%～50%，這將嚴(yán)重影響鍛件力學(xué)性能的均勻性，無法達(dá)到技術(shù)條件的要求。

為了掌握大型鋼錠的偏析形成規(guī)律，項(xiàng)目組解剖了234 t鋼錠 ，在此基礎(chǔ)上又對(duì)450 t鋼錠水、冒口進(jìn)行了解剖分析。為了便于了解偏析形成規(guī)律，選擇了容易形成偏析的450 t 60Cr2MnMoV鋼錠進(jìn)行試驗(yàn)解剖。鋼錠為三包合澆，基本上對(duì)偏析未加有效控制。表2為該鋼錠水、冒口解剖分析結(jié)果，C、Mo元素偏析是相當(dāng)大的。

在鋼錠澆注過程中，鋼水在錠模中處于對(duì)流狀態(tài)，要控制成分偏析非常困難。圖2為碳含量約0.20%的合金鋼大型鋼錠碳偏析計(jì)算模擬結(jié)果。

表2 450 t試驗(yàn)鋼錠水、冒口橫截面直徑方向化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 2 Chemical composition of 450t experimental ingot along the cross section diameter of riser and gate (mass fraction, %)

試樣編號(hào)CSiMnPSCrNiMoVCu冒口端123456789101112131415161718192021220.52 0.51 0.52 0.55 0.55 0.57 0.59 0.76 0.83 1.07 1.200.96 0.850.720.630.580.550.520.500.520.510.54 0.22 0.220.22 0.22 0.22 0.22 0.22 0.23 0.25 0.25 0.260.250.240.23 0.23 0.22 0.22 0.22 0.22 0.220.220.221.18 1.19 1.19 1.19 1.19 1.20 1.22 1.33 1.35 1.46 1.491.40 1.331.30 1.24 1.21 1.19 1.17 1.17 1.19 1.18 1.21 0.008 0.0080.008 0.009 0.008 0.009 0.009 0.012 0.015 0.0180.017 0.015 0.014 0.013 0.0100.009 0.008 0.0070.0080.0080.0080.009 0.002 0.002 0.002 0.003 0.003 0.003 0.003 0.004 0.004 0.005 0.005 0.0040.0040.003 0.003 0.003 0.0030.002 0.002 0.002 0.002 0.003 1.87 1.89 1.89 1.90 1.90 1.91 1.95 2.12 2.19 2.42 2.47 2.302.15 2.10 1.98 1.93 1.88 1.87 1.87 1.88 1.86 1.900.05 0.050.05 0.05 0.05 0.05 0.05 0.05 0.05 0.050.05 0.05 0.05 0.05 0.05 0.05 0.05 0.05 0.05 0.05 0.05 0.050.45 0.450.44 0.46 0.45 0.46 0.49 0.58 0.62 0.79 0.80 0.68 0.590.57 0.49 0.47 0.45 0.43 0.43 0.44 0.43 0.470.120 0.120 0.110 0.120 0.120 0.120 0.120 0.150 0.160 0.170 0.1700.1600.150 0.140 0.120 0.120 0.120 0.120 0.1200.1200.1200.1200.04 0.04 0.04 0.040.04 0.040.04 0.04 0.05 0.04 0.05 0.050.04 0.04 0.04 0.04 0.04 0.040.04 0.040.04 0.04 水口端1234567891011131415161719202122230.52 0.59 0.53 0.54 0.52 0.52 0.53 0.53 0.51 0.510.520.51 0.51 0.510.53 0.53 0.530.53 0.545 0.56 0.56 0.22 0.24 0.23 0.22 0.22 0.22 0.22 0.22 0.22 0.22 0.22 0.22 0.22 0.22 0.23 0.23 0.24 0.23 0.230.23 0.241.18 1.23 1.22 1.201.19 1.161.191.20 1.14 1.14 1.17 1.14 1.15 1.18 1.18 1.19 1.19 1.18 1.18 1.18 1.19 0.008 0.008 0.010 0.009 0.009 0.009 0.009 0.009 0.008 0.007 0.008 0.008 0.008 0.008 0.009 0.009 0.009 0.009 0.009 0.009 0.0080.002 0.003 0.003 0.003 0.003 0.002 0.003 0.003 0.002 0.002 0.003 0.002 0.002 0.002 0.003 0.003 0.002 0.002 0.003 0.003 0.0031.87 1.92 1.91 1.88 1.87 1.88 1.87 1.89 1.85 1.85 1.88 1.87 1.86 1.85 1.90 1.92 1.91 1.90 1.89 1.90 1.910.05 0.05 0.05 0.05 0.05 0.05 0.05 0.05 0.05 0.05 0.05 0.05 0.05 0.05 0.05 0.05 0.05 0.05 0.05 0.040.05 0.45 0.49 0.47 0.45 0.44 0.46 0.44 0.45 0.45 0.450.460.460.450.440.470.48 0.490.47 0.48 0.49 0.48 0.120 0.140 0.1200.1200.1200.1230.1230.120 0.118 0.120 0.120 0.120 0.120 0.120 0.125 0.130 0.133 0.125 0.128 0.135 0.125 0.04 0.040.040.040.040.040.040.040.040.04 0.04 0.04 0.04 0.04 0.04 0.04 0.04 0.040.04 0.04 0.04 最大1.200.261.490.0180.0052.470.0050.800.170.05最小0.500.221.140.0070.0021.860.0040.430.120.04

為解決這一問題，設(shè)計(jì)了專門的澆注方案。按澆注順序依次降低各包的C、Mo、V和有關(guān)合金含量，以此來平衡凝固偏析的產(chǎn)生，但各包化學(xué)成分加權(quán)值要保證滿足技術(shù)條件要求，同時(shí)控制好澆注溫度和速度。這一技術(shù)由二重自主開發(fā)和驗(yàn)證始于十多年前，主要用于兩包合澆鋼錠，取得了很好效果。從2007年開始在300噸級(jí)鋼錠上進(jìn)行開發(fā)和驗(yàn)證。經(jīng)歷了多次試驗(yàn)后，又在450 t鋼錠上進(jìn)行驗(yàn)證性試驗(yàn)。結(jié)果證明可以有效減少特大鋼錠的宏觀偏析，于是用于600噸級(jí)鋼錠，C、Mo等合金元素偏析顯著減少。

1.5 各包澆注溫度梯度化的精確控制

為減少大型鋼錠的偏析、疏松，防止錠身部位產(chǎn)生縮孔，保證鋼錠的順序凝固，研究出了澆注溫度梯度化的精確控制技術(shù)，使各包澆注溫度不同而形成梯度，并精確控制。由于澆注時(shí)間長，鋼水包吊在行車上等待澆注時(shí)溫度不斷下降，要精確控制各包溫度非常困難。通過對(duì)鋼包中鋼水溫度變化進(jìn)行的大量測試和分析，發(fā)現(xiàn)溫度的下降與鋼包傳熱、鋼液表面渣層厚度和組分、鋼包吹氬大小有關(guān)。在大量測量和試驗(yàn)基礎(chǔ)上，掌握了其變化規(guī)律，通過控制鋼包包襯耐火材料、保溫層厚度、渣層厚度和氬氣流量來控制鋼水溫度變化，解決了鋼水澆注溫度精確控制這一關(guān)鍵技術(shù)。

1.6 特大型鋼錠凝固數(shù)值模擬及錠型設(shè)計(jì)

在此之前，國內(nèi)制造的特大型鋼錠最大為260 t，600 t的大型鋼錠沒有經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)可以借鑒，要設(shè)計(jì)出錠型相當(dāng)困難。項(xiàng)目組通過搜集資料，結(jié)合200 t～260 t鋼錠澆注及凝固測試，對(duì)450 t和600 t鋼錠凝固過程進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬。對(duì)其溫度場和縮孔疏松進(jìn)行了分析預(yù)測，設(shè)計(jì)出了鋼錠的形狀與尺寸，特別是確定了影響鋼錠熱裂紋及疏松、縮孔及偏析形成的關(guān)鍵參數(shù)，如鋼錠的直徑與高度之比、鋼錠的錐度、錠模各部位的厚度、冒口錐度和高徑比、體積百分比、錠尾所占比例等。先在340 t、450 t鋼錠上進(jìn)行生產(chǎn)試驗(yàn)驗(yàn)證，取得結(jié)果后用于600噸級(jí)鋼錠，成功設(shè)計(jì)出了600 t鋼錠。鋼錠的外形采用圓弧正多邊形，一般為18邊～24邊。鋼錠的高徑比和鋼錠的錐度對(duì)鋼錠內(nèi)部的致密程度和宏觀偏析影響較大，從國內(nèi)外的發(fā)展趨勢(shì)與計(jì)算結(jié)果看，對(duì)于特大型鋼錠，高徑比一般在0.9～1.3之間，鋼錠的錐度在3%～8%左右。

1.7 特大型鋼錠模的設(shè)計(jì)與計(jì)算機(jī)模擬

設(shè)計(jì)與制造600噸級(jí)的鋼錠模在國內(nèi)尚屬首次，有相當(dāng)高的難度。項(xiàng)目組結(jié)合200 t～260 t鋼錠澆注及凝固測試數(shù)據(jù)，針對(duì)超大型鋼錠模、保溫帽、底盤設(shè)計(jì)進(jìn)行了凝固過程數(shù)值模擬。內(nèi)容包括：

1)超大型鋼錠凝固過程的計(jì)算機(jī)模擬，其中包括溫度場、流場、應(yīng)力場、固相分?jǐn)?shù)的計(jì)算機(jī)模擬，預(yù)測縮孔、疏松缺陷可能產(chǎn)生的位置；

2)進(jìn)行超大型鋼錠模的澆注過程應(yīng)力場計(jì)算模擬。

模擬結(jié)果表明，凝固過程鋼錠和鋼錠模表面產(chǎn)生的應(yīng)力大小與表面圓弧波形和角半徑密切相關(guān)。較大的波形和角半徑在凝固過程產(chǎn)生的應(yīng)力明顯要小，這有助于減少鋼錠表面裂紋的產(chǎn)生和防止鋼錠模在澆注過程開裂。在此基礎(chǔ)上成功設(shè)計(jì)出了600噸級(jí)鋼錠模。

1.8 特大型鋼錠澆注參數(shù)的選擇與確定

鋼錠的澆注溫度、澆注過程中各階段的澆注速度、真空度等澆注參數(shù)直接關(guān)系到鋼錠的質(zhì)量。由于鋼錠直徑為?4 300 mm，高度為6 400 mm，在澆注過程中承受著從9 000 mm高處下落的高速鋼流的沖擊，鋼錠模內(nèi)鋼水的流場難以控制。選擇合理的澆注參數(shù)對(duì)于防止表面裂紋產(chǎn)生，促使鋼水中夾雜物上浮并實(shí)現(xiàn)順序凝固至關(guān)重要。項(xiàng)目組經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，結(jié)合產(chǎn)品最終檢驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，然后在290 t、340 t、450 t鋼錠上進(jìn)行試驗(yàn)與總結(jié)，最后將研究成果用于600 t鋼錠并取得成功。鋼錠收縮良好，表面光整，非常純凈。

1.9 防止粘模技術(shù)研究

600 t鋼錠加上鋼錠模、保溫帽和底盤，其重量在900 t以上。由于鋼錠體積大，澆注時(shí)間長，鋼水溫度高，澆注時(shí)鋼流從9 m高以上高速落下沖到錠尾底盤，沖擊力度相當(dāng)大，極易和底盤錠模熔合到一起，造成鋼錠無法脫模。一旦粘模，鋼錠和鋼錠模將同時(shí)報(bào)廢。為此我們選擇了在鋼錠尾部鋪墊鋼板的方法，以減緩鋼水的直接沖擊和接觸，但同時(shí)又要防止鋼板受到高溫鋼水沖擊后卷入鋼錠或被鋼水熔化。經(jīng)過試驗(yàn)研究，確定了鋼板的厚度及每塊鋼板尺寸與相互之間的并焊方式。在開澆時(shí)適當(dāng)控制注流大小，直至錠尾澆滿后逐步加大注流澆注。通過生產(chǎn)的6根600噸級(jí)鋼錠看，未發(fā)生一例問題。

1.10 特大型鋼錠吊耳的設(shè)計(jì)及起吊脫模技術(shù)

由于鋼錠過重，我們決定在鋼錠脫掉保溫帽后直接吊出，因此需要在鋼錠冒口部位側(cè)面設(shè)計(jì)兩個(gè)吊耳，用鋼絲繩掛在吊耳上將鋼錠從鋼錠模中抽出。由于鋼錠熱送為500 ℃以上，為此要解決好以下問題：

1)由于鋼錠的凝固收縮，將有28 t鋼水(3.8 m3)從冒口補(bǔ)縮到錠身，吊耳的設(shè)置增加了冒口鋼水的散熱面積，是否會(huì)影響到對(duì)錠身的補(bǔ)縮；

2)在高溫下，吊耳直徑多大才能承受600 t鋼錠重量；

3)鋼錠凝固收縮時(shí)，整體要往下沉降，由于吊耳的存在會(huì)增加鋼錠收縮的阻力，將會(huì)拉裂鋼錠或冒口的凝固殼；

4)如何確定凝固結(jié)束時(shí)間和脫模時(shí)間。

要解決以上所有問題難度也相當(dāng)大。對(duì)此進(jìn)行了傳熱及凝固模擬計(jì)算，經(jīng)多次試驗(yàn)，確定了解決方案。

圖3 600噸級(jí)鋼錠冶煉、澆注示意圖Figure 3 Smelting and pouring diagram of 600 tonner ingot

CSiMnPSCrNiMoVCuAlAsSnSb0.2100.060.270.0060.0041.643.410.450.110.0200.0040.0050.0030.001 5

1.11 應(yīng)用性研究

在以上研究的同時(shí)，我們對(duì)生產(chǎn)車間新添置的60 t電弧爐、150 t鋼包爐、600 t真空室、600 t起吊設(shè)備、鋼錠運(yùn)輸設(shè)備和相關(guān)設(shè)施進(jìn)行了反復(fù)測試。包括空載和負(fù)荷試驗(yàn)，靜載、動(dòng)載和超負(fù)荷試驗(yàn)等，對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)定。由于一些設(shè)備在我國首次建成和使用，沒有可借鑒的經(jīng)驗(yàn)，故對(duì)操作人員進(jìn)行全方位的培訓(xùn)和實(shí)際操作練習(xí)，模擬和推演600噸級(jí)鋼錠制造的全過程，使所有操作人員掌握了操作技術(shù)。

2 技術(shù)成果應(yīng)用

2.1 煉鋼、澆注工藝方案

多臺(tái)電弧爐粗煉→ 4臺(tái)鋼包爐真空+VCD精煉→ 4包真空合澆。600噸級(jí)鋼錠制造方案見圖3。

2.2 化學(xué)成分

2.2.1 熔煉分析

表3為600噸級(jí)鋼錠的爐后熔煉分析結(jié)果。各種合金元素全部合格，鋼中有害元素含量非常低。

2.2.2 冒口解剖分析

在鍛件冒口部位橫向截面過中心線處進(jìn)行解剖分析，結(jié)果見表4。

2.2.3 鍛件(成品)取樣分析

表5 為鍛件(成品)取樣分析結(jié)果，取樣位置見圖4。由表5可以看出，600 t鋼錠的化學(xué)成分全部合格并非常均勻，合金元素凝固偏析得到了有效控制。

2.2.4 氣體分析

對(duì)1 100 MW半速轉(zhuǎn)子鍛件中H、O、N等氣體進(jìn)行分析，結(jié)果見表6。由表6可知，鍛件中氣體含量相當(dāng)?shù)停@著優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2.5 硫印分析

硫印分析結(jié)果見表7。由于鋼中硫含量很低，無硫印痕跡顯示，說明鋼的純凈度很高。

表4 鍛件冒口化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 4 Chemical Composition of riser of forging (mass fraction, %)

表5 鍛件(成品)取樣分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 5 Sampling analysis results of forging (finished product) (mass fraction, %)

圖4 鍛件取樣位置示意圖Figure 4 Sampling point of forging

取樣位置HONJCD≤0.20×10-6≤0.20×10-6≤0.20×10-68×10-611×10-612×10-654×10-650×10-652×10-6

2.3 力學(xué)性能

力學(xué)性能試驗(yàn)取樣位置見圖4。軸身本體力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果見表8。中心棒力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果見表9。

表7 硫印分析結(jié)果Table 7 Analysis resutls of sulfur print

從表8、表9結(jié)果可知，各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)全部合格，也很均勻，且富余量大，轉(zhuǎn)子性能非常優(yōu)異。

表8 軸身力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果Table 8 Results of mechanical property test of shaft body

圖5 軸身B段金相組織(×100)Figure 5 Metallographic structure of section B of shaft body (×100)

2.4 金相及夾雜物檢驗(yàn)

軸身金相及夾雜物檢驗(yàn)結(jié)果見表10。

圖6 中心棒K段金相組織(×100)Figure 6 Metallographic structure of section K of central rod (×100)

軸身B段金相組織見圖5。中心棒金相及夾雜物檢驗(yàn)結(jié)果見表11。中心棒K段金相組織見圖6。

圖7 1100 MW核電半速轉(zhuǎn)子鍛件毛坯Figure 7 1100MW nuclear half-speed rotor forging blank

取樣位置夾雜物/級(jí)ABCD晶粒度/級(jí)顯微組織軸身A段粗細(xì)0.50.50.0 0.00.00.50.50.56.5回火索氏體軸身B段粗細(xì)0.00.50.00.00.00.50.50.56.5回火索氏體

表11 中心棒金相及夾雜物檢驗(yàn)結(jié)果Table 11 Results of metallographic examination and inclusion test of central rod

由表10、表11可見，各部位金相組織全部為回火索氏體，夾雜物未超過0.5級(jí)，有多個(gè)部位為零級(jí)。檢驗(yàn)結(jié)果相當(dāng)完美。

2.5 超聲檢測

用超聲檢測評(píng)定大型鍛件內(nèi)部質(zhì)量的主要指標(biāo)為內(nèi)部記錄缺陷情況、雜波情況和工件材質(zhì)衰減情況。二重研制的1 100 MW核電轉(zhuǎn)子性能熱處理后進(jìn)行超聲檢測，轉(zhuǎn)子軸身的雜波高度小于1% 缺陷反射量

3 結(jié)論

3.1 600噸級(jí)特大型鋼錠外形采用圓弧正多邊形，高徑比在0.9～1.3之間，鋼錠的錐度在3%～8%之間。實(shí)踐證明，這樣的設(shè)計(jì)是合理的。

3.2 冶煉大噸位高純凈鋼水時(shí)應(yīng)采用精選爐料；電弧爐粗煉階段，在強(qiáng)氧化、大渣量環(huán)境下強(qiáng)化脫P(yáng)效果；鋼包爐精煉階段，在高堿度、強(qiáng)還原渣氣氛下結(jié)合氬氣攪拌、真空脫氣、真空碳脫氧等進(jìn)行深度脫S。強(qiáng)化脫氣與去除夾雜操作對(duì)提高鋼水純凈度效果顯著。

3.3 特大型鋼錠多包合澆時(shí)，對(duì)不同包次的澆注溫度、合金元素采用階梯式差異化控制，對(duì)實(shí)現(xiàn)順序凝固、減少缺陷、改善偏析效果明顯。

3.4 項(xiàng)目組與耐火材料廠家共同研制的長壽命鋼包襯和復(fù)合材料澆口安全可靠，完全能夠滿足600噸級(jí)鋼錠的制造要求。

3.5 600噸級(jí)特大型鋼錠的研制屬于極限制造領(lǐng)域，技術(shù)含量高、難度大、風(fēng)險(xiǎn)大，一旦失敗造成的損失巨大，甚至于導(dǎo)致重大安全事故。在生產(chǎn)前應(yīng)對(duì)技術(shù)、設(shè)備、環(huán)境的可靠性和操作人員的技能水平進(jìn)行全面評(píng)估，以降低風(fēng)險(xiǎn)。

致謝：參加本項(xiàng)目的主研人員還有馬平、何亞軍、王濤等，對(duì)他們的付出和卓有成效的貢獻(xiàn)表示感謝！