空心鋼錠制造技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

郭顯勝　田　豐　杜　旋　祁一星　梁賢淑(河南省大型鑄鍛件工程技術(shù)研究中心，河南471000)

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空心鋼錠制造技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

郭顯勝田豐杜旋祁一星梁賢淑
(河南省大型鑄鍛件工程技術(shù)研究中心，河南471000)

摘要:介紹了國內(nèi)外空心鋼錠制造技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀。隨著空心類鍛件向超大型化發(fā)展，有必要進(jìn)一步研究大型空心鋼錠的制造技術(shù)。

關(guān)鍵詞:空心鋼錠;制造技術(shù);發(fā)展

目前，核電、石化等工業(yè)用壓力容器、環(huán)形與筒形大鍛件的發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)為:一方面要求尺寸、重量更大，質(zhì)量更高;另一方面要求研制費(fèi)用更低［1］。傳統(tǒng)實(shí)心鋼錠制成空心鍛件的工藝為:倒棱→鐓粗→沖孔→拔長→擴(kuò)孔［2］?？招匿撳V制成空心鍛件的工藝為:拔長→擴(kuò)孔，減少了鐓粗、沖孔等工序［3］。相較于傳統(tǒng)實(shí)心鋼錠，由空心鋼錠生產(chǎn)空心鍛件的工藝提高了鋼錠利用率，減少了鍛造火次和機(jī)加工作量，降低了制造成本。從生產(chǎn)情況來看，用空心鋼錠生產(chǎn)空心類鍛件，可節(jié)省材料費(fèi)15%、加熱費(fèi)50%和鍛造費(fèi)30%［4］。由于采用內(nèi)外雙向冷卻的方式，空心鋼錠制造技術(shù)有效地控制了傳統(tǒng)實(shí)心鋼錠經(jīng)常發(fā)生的心部化學(xué)成分偏析等問題，鋼錠內(nèi)部的疏松也可在鍛比達(dá)到2時(shí)鍛合［5、6］。

1　空心鋼錠制造技術(shù)特點(diǎn)

空心鋼錠一般采用下注的方式澆注。芯子放置在底盤中心與鋼錠模形成環(huán)形空腔，上升孔位于芯子和鋼錠模之間。為保證鋼水液面平穩(wěn)上升，上升孔的數(shù)量至少為2個(gè)。鋼水經(jīng)上升孔注入環(huán)形空腔，凝固之后脫模、脫芯即成為空心鋼錠。圖1為空心鋼錠制造技術(shù)示意圖。

空心鋼錠制造技術(shù)的關(guān)鍵在于芯子的設(shè)計(jì)［3、4、6］。芯子在鋼錠中間形成內(nèi)孔，承載著鋼水凝固收縮應(yīng)力、靜壓力、高溫侵蝕等作用，并要控制空心鋼錠化學(xué)成分偏析［7］。因此，芯子的設(shè)計(jì)對于保證空心鋼錠質(zhì)量起到至關(guān)重要的作用。目前，由于芯子設(shè)計(jì)不當(dāng)，空心鋼錠的生產(chǎn)容易出現(xiàn)兩種問題:一是空心鋼錠內(nèi)表面產(chǎn)生裂紋，影響其表面質(zhì)量甚至報(bào)廢;二是A型偏析容易在靠近空心鋼錠內(nèi)表面處形成，經(jīng)下道工序加工(如鍛造、機(jī)加等)后容易暴露于產(chǎn)品工作表面，影響產(chǎn)品質(zhì)量［8］。

根據(jù)國內(nèi)、外的研究成果和生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，芯子的設(shè)計(jì)需滿足以下幾點(diǎn)要求:

( 1)具有一定的強(qiáng)度，高溫下可以適當(dāng)屈服;

( 2)有較強(qiáng)的冷卻能力，可以控制成分偏析;

( 3)易于裝配和脫出，不影響生產(chǎn)進(jìn)度;

( 4)可以連續(xù)使用，降低成本等。

2　國外空心鋼錠制造技術(shù)發(fā)展情況

20世紀(jì)60年代英國鋼鐵公司便開始經(jīng)銷由空心鋼錠制成的鍛件［9、10］。日本川崎制鐵與法國克羅索公司也開發(fā)了此項(xiàng)技術(shù)，并能生產(chǎn)最大重量分別為320 t和250 t的空心鋼錠［1］。

日本川崎制鐵Kazuo Aso等發(fā)明一種由內(nèi)、外雙層套筒構(gòu)成的芯子［11］。套筒間填充特殊耐火材料，芯子心部采用強(qiáng)制氣冷。芯子不用特別的裝置和工具即可直立在底盤上。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)避免了耐火材料與鋼水直接接觸，通過改變耐火材料層的厚度和調(diào)整冷卻介質(zhì)及其參數(shù)來控制芯子對鋼液的冷卻能力。外套筒用來阻止鋼液與耐火材料直接接觸，并在凝固過程中與鋼錠內(nèi)表面熔接為一體。內(nèi)套筒起支撐和保護(hù)芯子的作用，內(nèi)外套筒均由普通鋼管或焊接件制成。鋼錠凝固之后，芯子向上提出移走，填充的耐火材料則自動(dòng)松散開，留在鋼錠內(nèi)表面的外套筒在鍛造加熱時(shí)被氧化除掉，對下一道工序沒有任何妨礙，圖2為川崎制鐵Kazuo Aso等發(fā)明的空心鋼錠制造技術(shù)示意圖。

為改善由于空心鋼錠錠型增大所導(dǎo)致的內(nèi)表面裂紋及過于嚴(yán)重的A型偏析等問題，川崎制鐵Kenji Saito等發(fā)明一種由內(nèi)、外雙層套筒和帶噴嘴的冷卻氣體罐構(gòu)成的芯子［12］。圖3所示為其空心鋼錠制造技術(shù)示意圖。惰性氣體由單獨(dú)的管路從內(nèi)套筒底部進(jìn)入環(huán)形通道中，主要用于冷卻內(nèi)、外套筒。冷卻氣體罐中的氣體通過壁面的噴嘴按一定發(fā)散角度噴向內(nèi)套筒，從而起到冷卻內(nèi)套筒的目的。兩路冷卻氣體同時(shí)工作顯著地提高了芯子的冷卻能力。

圖3　川崎制鐵Kenji Saito等發(fā)明的空心鋼錠制造技術(shù)示意圖Figure 3　Schematic drawing of manufacturing technology for hollow ingot invented by Kenji Saito in Kawasaki Steel

對于特大型空心鋼錠，采用氣體冷卻已難以滿足芯部冷卻要求，隨之而來的內(nèi)表面裂紋、A型偏析問題將更為突出，并且簡單的套筒結(jié)構(gòu)也將面臨承受巨大的高溫鋼水靜壓力的難題。針對這些難題，川崎制鐵Kenji Saito等發(fā)明出一種用于生產(chǎn)超大型空心鋼錠的芯子［13］。芯子由外層金屬套筒、屈服調(diào)整框架、冷卻流體U型槽構(gòu)成。外層套筒直接與鋼水接觸。屈服調(diào)整框架起到支撐和保護(hù)芯子的作用。U型槽表面設(shè)置若干噴嘴，冷卻流體從噴嘴以一定的發(fā)散角度噴向外套筒。芯子可以單獨(dú)用惰性氣體和水或者兩者的混合物進(jìn)行冷卻。圖4為川崎制鐵Kenji Saito等發(fā)明的超大型空心鋼錠制造技術(shù)示意圖。

法國克羅索公司Philippe Dor等發(fā)明出一種由外層套筒、內(nèi)部中空芯軸構(gòu)成的芯子［14］。外層套筒直接與鋼水接觸，最終與鋼錠粘接在一起，經(jīng)由鍛造加熱除去。內(nèi)部中空芯軸與外層套筒形成冷卻流體通道，并起到為冷卻氣體降溫和支撐芯子的作用。Philippe Dor等發(fā)明的空心鋼錠制造技術(shù)如圖5所示?？肆_索公司采用空氣、惰性氣體的混合物或單一氣體作為冷卻氣體，通過調(diào)整冷卻介質(zhì)的流量和各成分的相對含量來控制冷卻強(qiáng)度。

在生產(chǎn)更大型的空心鋼錠時(shí)，法國克羅索和日本川崎制鐵一樣面臨著芯子冷卻不足、鋼錠A型偏析嚴(yán)重以及內(nèi)表面裂紋等問題。另外，單套筒結(jié)構(gòu)在與高溫鋼水接觸過程中被鋼水侵蝕熔化的危險(xiǎn)會(huì)大大增加。針對以上問題，克羅索公司Daniel Martin發(fā)明一種由外套筒、內(nèi)部中空芯軸和強(qiáng)冷裝置構(gòu)成的芯子［15］。圖6為其發(fā)明的大型空心鋼錠制造技術(shù)示意圖。強(qiáng)冷裝置上設(shè)有噴

圖4　川崎制鐵Kenji Saito等發(fā)明的超大型空心鋼錠制造技術(shù)示意圖Figure 4　Schematic drawing of manufacturing technology for super-large hollow ingot invented byKenji Saito in Kawasaki Steel

嘴和兩路流體管路，氣流從其中一個(gè)管路進(jìn)入，然后通過噴嘴時(shí)噴出，出口速度可以達(dá)到超音速，水通過另一管路直接進(jìn)入噴嘴，經(jīng)超音速氣流作用，水以霧狀形態(tài)進(jìn)入芯軸內(nèi)，然后與芯軸中的冷卻氣體一同從芯軸與外套筒間的環(huán)形通道流出，從而提高芯子的冷卻能力。

圖5　法國克羅索Philippe Dor等發(fā)明的空心鋼錠制造技術(shù)示意圖Figure 5　Schematic drawing of manufacturing technology for hollow ingot invented byPhilippe Dor in French Clotho company

1—鋼錠模2—底盤3—鋼水澆注4—湯道

5—上升孔6—外套筒7—護(hù)板8—芯軸

9—墊塊10—?dú)夤芙宇^11—冷卻氣體

12—流體通道13—芯子14—環(huán)隙15—鋼水

16—保護(hù)渣17—內(nèi)絕熱板18—外絕熱板

圖6　法國克羅索Daniel Martin發(fā)明的空心鋼錠制造技術(shù)示意圖Figure 6　Schematic drawing of manufacturing technology for hollow ingot invented by Daniel Martin in French Clotho company

3　國內(nèi)空心鋼錠制造技術(shù)發(fā)展情況

在國內(nèi)，第一重型機(jī)械集團(tuán)公司最早進(jìn)行了空心鋼錠的研制，并成功澆注生產(chǎn)160 t空心鋼錠［1］。中科院金屬所和第二重型機(jī)械集團(tuán)公司共同研發(fā)的100 t級(jí)大型空心鋼錠也順利澆注成功，成為我國首次采用混合氣體、大溫差冷卻技術(shù)澆注的空心鋼錠。

中國一重王歡等發(fā)明一種雙層套筒結(jié)構(gòu)的芯子:外套筒直接與鋼水接觸，并最終與鋼錠粘結(jié)在一起;內(nèi)外套筒間填充鉻鐵礦樹脂砂耐火材料作為收縮緩沖層;芯子中心用鋼板隔離出壓縮空氣流動(dòng)管道，通壓縮空氣進(jìn)行冷卻［16］?？招匿撳V凝固完成后，內(nèi)外套筒間填充的耐火材料潰散性好，對脫芯不產(chǎn)生影響。圖7為中國一重王歡等發(fā)明的空心鋼錠制造技術(shù)示意圖。

對于大型空心鋼錠，中國一重王歡等發(fā)明出一種單套筒強(qiáng)制冷卻制造大型空心鋼錠的方法［17］，如圖8所示。芯子由外層套筒和內(nèi)部中空芯軸組成。單套筒與鋼水接觸，內(nèi)部焊有數(shù)個(gè)支承筋。芯軸底部放置若干墊塊形成冷卻介質(zhì)流通通道。該發(fā)明采用液氮、壓縮空氣和鼓風(fēng)冷卻相混合的方式進(jìn)行強(qiáng)制冷卻，所制造空心鋼錠最終凝固位置位于鋼錠中部，偏析帶分布合理，套筒無變形，且空心鋼錠凝固后，中間芯子能順利取出。

圖7　中國一重王歡等發(fā)明的空心鋼錠制造技術(shù)示意圖Figure 7　Schematic drawing of manufacturing technology for hollow ingot invented by Wang Huan in China Yizhong

圖8　中國一重王歡等發(fā)明的大型空心鋼錠制造技術(shù)示意圖Figure 8　Schematic drawing of manufacturing technology for large hollow ingot invented by Wang Huan in China Yizhong

圖9　中科院李殿中等發(fā)明的大型空心鋼錠制造技術(shù)示意圖Figure 9　Schematic drawing of manufacturing technology for large hollow ingot invented by Li Dianzhong in Chinese Academy of Sciences

中科院金屬所李殿中等發(fā)明采用型砂與鋼板多層復(fù)合結(jié)構(gòu)形成芯子主體［18］。鋼板有三層，型砂一層。三層鋼板形成同心圓芯筒，外層鋼板與中間層鋼板之間空隙用型砂填充，采用大溫差冷卻技術(shù)。在鋼水澆注開始時(shí)，向復(fù)合芯中通入壓縮空氣，當(dāng)鋼水澆注1 min～10 min后，采用液氮引射器裝置將液氮吸到復(fù)合芯中。液氮在壓縮空氣作用下在復(fù)合芯中霧化，在復(fù)合芯的內(nèi)層鋼板的圓筒中形成低溫混合氣體。低溫混合氣體在壓力作用下，通過復(fù)合芯的內(nèi)層鋼板與中間層鋼板間隙，氣體在通過該空隙過程中帶走大量熱量，對復(fù)合芯外層產(chǎn)生冷卻作用，使空心鋼錠最后凝固位置接近鋼錠壁厚中心，提高冷卻速度，降低偏析。圖9為李殿中等發(fā)明的大型空心鋼錠制造技術(shù)示意圖。

4　結(jié)論

( 1)近年來，國內(nèi)外核電及石化空心類鍛件趨向大型化，這也催生了空心鋼錠錠型的不斷增大，簡單的芯子結(jié)構(gòu)和單一的冷卻方式已難以滿足大型空心鋼錠的質(zhì)量和生產(chǎn)要求。

( 2)從國外空心鋼錠技術(shù)發(fā)展來看，隨著空心鋼錠錠型的增大，芯子的結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜。川崎制鐵的屈服調(diào)整框架和噴嘴、克羅索的強(qiáng)冷裝置都對提升芯子的冷卻能力起到很大的作用。冷卻方式也由采用單一氣體冷卻轉(zhuǎn)變?yōu)椴捎脧?fù)合流體冷卻。水和混合氣體相配合的冷卻方式是空心鋼錠制造技術(shù)的一大進(jìn)步，將對我國空心鋼錠制造技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

( 3)國內(nèi)通過研發(fā)和技術(shù)改進(jìn)，成功地開發(fā)了百噸級(jí)空心鋼錠，但在特大型空心鋼錠制造技術(shù)上還與日本和法國有一定的差距。

( 4)國內(nèi)外在制造大型空心鋼錠時(shí)，芯子較多采用消耗性的外套筒或鋼板的結(jié)構(gòu)，這對改善空心鋼錠質(zhì)量有很大的幫助。

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編輯杜青泉

Development Situation of Manufacturing Technology for Hollow Ingot

Guo Xiansheng，Tian Feng，Du Xuan，Qi Yixing，Liang Xianshu

Abstract:The development situations of manufacturing technology for hollow ingot at home and aboard are introduces in this paper．With the development in ultra large scale for hollow forgings，it is needed to research the manufacturing technology for large hollow ingot．

Key words:hollow ingot; manufacturing technology; development

作者簡介:郭顯勝( 1985—)，男，碩士，助理工程師，主要研究方向?yàn)闊掍撔录夹g(shù)、電渣重熔工藝技術(shù)。

收稿日期:2014—07—09

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

中圖分類號(hào):TG249．3