郭豐偉，李巳甲，王慶辛，田繼紅，劉建生

（太原科技大學 材料科學與工程學院，山西 太原 030024）

0 引言

隨著石化壓力容器和核電設備向大型化方向發(fā)展，對大型筒體鍛件提出了更高的要求［1］，一方面是產品規(guī)格及重量在不斷增大，質量要求日益提高；另一方面是采用實心鋼錠鍛制大型空心鍛件，由于鋼錠規(guī)格太大，給冶煉、鍛造過程帶來較大困難（指合澆能力、鐓粗、沖孔等工藝過程），且鍛造工序多、切除量大，制造成本高；并且大的實心鋼錠凝固時間長、偏析大，難以滿足厚壁筒類鍛件對均質性的要求?？招匿撳V的發(fā)明很好地解決了上述難題。與實心鋼錠生產大型筒體鍛件相比，采用空心鋼錠具有如下優(yōu)點：①由于內外壁同時冷卻，可減小鋼錠的冷卻時間，同時可減輕偏析和疏松現(xiàn)象，提高了坯料的均質性；②可減少鐓粗和沖孔工序，提高鋼錠利用率以及生產效率；③可降低對設備的要求，顯著節(jié)約生產成本［2］。

本文總結了國內外空心鋼錠的技術水平和應用現(xiàn)狀，重點討論了當前國內空心鋼錠鑄錠及鍛造技術的研究成果以及不足，指出了尚需重點研究的方向。

1 空心鋼錠的鑄錠技術研究現(xiàn)狀

空心鋼錠的制造技術源于國外，20世紀60年代英鋼聯(lián)（The British Steel Corporation）便開始經銷專門針對大型筒體鍛件的空心鋼錠鍛件；20世紀70年代后期，日本的川崎制鐵（Kawasaki）株式會社與法國Creusot公司也開始研制與開發(fā)空心鋼錠，20世紀80年代川崎制鐵制造了世界上最大的空心鋼錠，重達320t，4件320t空心鋼錠用于1 100MW沸水堆壓力殼環(huán)段［3］，但該公司在20世紀末停止了空心鋼錠大型筒體鍛件的生產，原因未見報道；目前國際上法國Creusot公司在空心鋼錠核心制造技術方面處于領先地位，其鍛件主要用于核電產品。2010年英國謝菲爾德鑄鍛集團（SFIL，原英鋼聯(lián)）也重新啟動空心鋼錠的試驗研究，鑄造了160t空心鋼錠，如圖1所示。

由于空心鋼錠特殊的鑄錠工藝，內外表面同時冷卻，因此空心鋼錠凝固時間比實心鋼錠大大縮短，內部偏析減少，同時內表面有健全凝固組織的初始凝固層，川崎制鐵在空心鋼錠制造方面達到了較高水平，通過控制鋼錠內外冷卻速度從而控制最終的凝固位置，其所制造的250t鋼錠的最終凝固前緣，位于離鋼錠內表面大約48%壁厚處，成品碳偏析為±0.02%。

我國在利用空心鋼錠制造大型筒體鍛件方面的研究起步較晚，1983年國內開始對空心鋼錠展開研究［4］；1997年中國二重趙秀清研究了中空錠制造與凝固特性［5］；2000年清華大學張向輥等研究了空心鋼錠凝固過程溫度場模擬與縮孔、疏松預測等［6］；2007年清華大學劉曉龍等進行了中空鋼錠芯部壓縮空氣冷卻能力的數(shù)值模擬研究［7］；2008年一重集團劉鵬柱研究了空心鋼錠脫模清理工藝的優(yōu)化等［8］。2005年，一重集團成功研制了30t、65t、130t、150t空心鋼錠，2010年成功澆注國內首支160t空心鋼錠；二重集團也于2008年采用混合氣體大溫差冷卻技術順利澆注了100 t級的大型空心鋼錠，如圖2所示。從公開的資料來看，目前國內對空心鋼錠的鑄錠生產技術已基本掌握，研究范圍仍主要集中在理論研究、數(shù)值模擬、生產試驗等方面，但與國外相比在鋼錠噸位以及內部質量上尚有明顯差距，一重于2000年左右生產的30t、65t空心鋼錠的最終凝固前緣，位于離鋼錠內表面大約1／3壁厚處。前期國內生產的這些空心鋼錠主要應用在水輪機空心大軸和石化行業(yè)加氫反應器筒節(jié)上，尚沒有應用在核電設備上的報道。

圖1 2010年英國謝菲爾德鑄鍛集團（SFIL）生產的160t空心鋼錠

圖2 2008年二重集團生產的100t空心鋼錠

2 空心鋼錠鍛造工藝的研究現(xiàn)狀

圖3簡要地對比了實心鋼錠和空心鋼錠制造大型筒體鍛件時的工藝步驟。

從圖3可看出應用空心鋼錠的生產工藝與傳統(tǒng)生產工藝具有很明顯的優(yōu)勢，省去了鐓粗、沖孔工序，材料利用率高、節(jié)約能耗，并且經過最后的輾擴精整，產品尺寸精度高，實現(xiàn)了大型筒體鍛件的精確快速成形。

對于空心鋼錠的鍛造技術研究，國外可查到資料很少，日本川崎制鐵在20世紀80年代就可用4 400t水壓機體外鍛造的方法進行大型筒形鍛件的鍛造，但具體鍛造工藝未見報道。自1983年以來，國內研究者也陸續(xù)做了很多工作：1991年曹民榮研究了2.1t空心鋼錠的鍛比試驗及其數(shù)據(jù)的回歸分析，指出鍛比為1.5時性能指標可滿足鍛鋼標準要求［9］；2002年，一重集團宋雷鈞等對30t、65t空心鋼錠的鍛造生產工藝進行了總結分析，指出空心鋼錠的鋼錠利用率可達75%，得出了鍛比為2時就能鍛合顯微孔隙且方向性不明顯的結論［10］，以上研究工作僅僅是在生產實踐過程中針對具體的空心鋼錠以個例的形式基于經驗而做的一些基礎工作，在生產實踐中可參照。1998年中國二重丁宇對用空心鋼錠制造護環(huán)鍛件進行了嘗試和研究，對高徑比為1.0的坯料鐓粗變形時內部變形量進行了分析計算，并對鋼錠中孔洞鍛造時愈合方式及臨界變形量進行了定性定量分析計算［11］；2007年清華大學陳迎亮、馬慶賢等作了大型筒體鍛造工藝參數(shù)特性模擬研究，通過云紋實驗和數(shù)值模擬相結合的方法對大型筒體鍛造過程中單砧壓下率、砧寬比、錯砧角度、芯軸尺寸等工藝參數(shù)對變形規(guī)律的影響進行了研究［12］；2008年何利東等作了大型筒體件反復鐓擴工藝的常溫實驗室模擬研究，指出為使筒形鍛件得到較好的鍛造效果，反復鐓擴的次數(shù)至少是3次［13］。

圖3 大型筒體鍛件鍛造工藝步驟示意圖

以上研究從理論分析、數(shù)值模擬與生產實踐等多方面對大型筒體鍛件的鍛造成形工藝進行了研究，但在研究中存在一些問題和不足。主要表現(xiàn)在以下3個方面：①研究方法單一，以工業(yè)試驗或理論研究居多，研究結果以定性為主，而定量表達不夠；②研究內容比較宏觀，并沒有針對具體的空心鋼錠鑄態(tài)組織結構特點以及具體的鍛造過程機理進行過深入的研究，在對材料性能方面的研究以及晶粒組織控制方面也有所欠缺，所生產的空心鋼錠尚未進入核電領域；③在筒節(jié)整形方面幾乎沒有涉足，國內外均已開發(fā)出大型筒節(jié)整形機，可對筒節(jié)毛坯進行連續(xù)碾壓，生產出壁厚均勻、能大大減少鍛件毛坯加工裕量、性能符合鍛件要求的大型筒節(jié)，但相關的碾壓工藝研究未見報道。

3 結論與展望

（1）空心鋼錠相比于實心鋼錠鑄態(tài)組織更加致密、偏析相對較小、疏松少，并在內表面形成較細的晶粒，提高了鑄錠內表面質量。對于鑄錠技術，國內已基本掌握，但與國外技術尚有差距。

（2）應用空心鋼錠的鍛造生產工藝與傳統(tǒng)生產工藝相比具有很明顯的優(yōu)勢，省去了鐓粗沖孔工序，材料利用率高。國內研究從理論、實驗以及數(shù)值模擬方面探討了筒體鍛件的鍛造成形工藝以及相關參數(shù)，有一定的理論和實踐意義，但研究方法相對簡單、在研究內容方面深入不夠。

（3）對于空心鋼錠鍛造、輾擴工藝與組織控制的研究有待于更深入的進行。

［1］ 董嵐楓，鐘約先，馬慶賢，等.大型筒體鍛件的成形制造技術［J］.鍛壓技術，2007，32（3）：2－4.

［2］ 許天華.空心鋼錠的制造技術［J］.一重技術，2004（2）：28－31.

［3］ Namba T，Miyata A.用空心鋼錠制造的壓力容器大型環(huán)段鍛件［J］.駱平，譯.大型鑄鍛件，1986（2）：49－50.

［4］ 陳玉明，宋雷鈞，趙長春，等.空心鋼錠制造技術在一重的發(fā)展概況和應用前景［J］.大型鑄鍛件，2002（2）：42－44.

［5］ 趙秀清.中空錠制造及凝固特性［J］.大型鑄鍛件，1997（2）：37－40.

［6］ 張向輥，石偉，高國峰，等.空心鋼錠凝固過程溫度場模擬與縮孔、疏松預測［J］.鑄造，2000，49（6）：344－348.

［7］ 劉曉龍，石偉.中空鋼錠芯部壓縮空氣冷卻能力的數(shù)值模擬研究［J］.大型鑄鍛件，2007（6）：1－6.

［8］ 劉鵬柱.空心鋼錠脫模清理工藝的優(yōu)化［J］.大型鑄鍛件，2008（1）：34－35.

［9］ 曹民榮.2.1t空心鋼錠的鍛比試驗及其數(shù)據(jù)的回歸分析［J］.一重技術，1991（2）：22－29.

［10］ 宋雷鈞，趙長春，陳玉明，等.空心鋼錠鍛造工藝的研究［J］.大型鑄鍛件，2002（1）：27－29.

［11］ 丁宇.鋼錠孔洞型缺陷的鍛合及空心鋼錠的鍛造［J］.大型鑄鍛件，1998（4）：24－33.

［12］ 陳迎亮，馬慶賢.大型筒體鍛造工藝參數(shù)特性模擬研究［J］.塑性工程學報，2007，14（1）：10－14.

［13］ 何利東，李志宏.大型筒體件反復鐓擴工藝的常溫實驗室模擬研究［J］.鍛壓裝備與制造技術，2009，44（3）：73－76.