空心钢锭的铸锭技术研究现状

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随着石化压力容器和核电设备向大型化方向发展，对大型筒体锻件提出了更高的要求，一方面是产品规格及重量在不断增大，质量要求日益提高；另一方面是采用实心钢锭锻制大型空心锻件，由于钢锭规格太大，给冶炼、锻造过程带来较大困难（指合浇能力、镦粗、冲孔等工艺过程），且锻造工序多、切除量大，制造成本高；并且大的实心钢锭凝固时间长、偏析大，难以满足厚壁筒类锻件对均质性的要求。


空心钢锭的发明很好地解决了上述难题。与实心钢锭生产大型筒体锻件相比，采用空心钢锭具有如下优点：①由于内外壁同时冷却，可减小钢锭的冷却时间，同时可减轻偏析和疏松现象，提高了坯料的均质性；②可减少镦粗和冲孔工序，提高钢锭利用率以及生产效率；③可降低对设备的
要求，显著节约生产成本。


空心钢锭的铸锭技术研究现状

       空心钢锭的制 造 技 术 源 于 国 外，20世纪60年代英钢联便 开 始 经 销专门针对大 型 筒 体 锻 件 的 空 心 钢 锭 锻 件；20世纪70年代后期，日本的川崎制铁（株式会社与法国公司也开始研制与开发空心钢锭，20世纪80年代川崎制铁制造了世界上最大的空心钢锭，重达320ｔ，４件320ｔ空心钢锭用于1100ＭＷ 沸水堆压力壳环段，但该公司在２０世纪末停止了空心钢锭大型筒体锻 件 的 生 产，原 因 未 见 报 道；目前国际上法国公司在空心钢锭核心制造技术方面处于领先地位，其锻件主要用于核电产品。2010年英国谢菲尔德铸锻集团也重新启动空心钢锭的试验研究，铸造了160ｔ空心钢锭，如图１所示。由于空心钢锭特殊的铸锭工艺，内外表面同时冷却，因此空心钢锭凝固时间比实心钢锭大大缩短，内部偏析减少，同时内表面有健全凝固组织的初始凝固层，川崎制铁在空心钢锭制造方面达到了较高水平，通过控制钢锭内外冷却速度从而控制最终的凝固位置，其所制造的250ｔ钢 锭 的 最 终 凝 固 前 缘，位 于 离 钢 锭 内表面大约４８％壁厚处，成品碳偏析为±0.02％。


我国在利用空心钢锭制造大型筒体锻件方面的研究起步较晚，1983年国内开始对空心钢锭展开研究；1997年中国二重赵秀清研究了中空锭制造与凝固特性；2000年清华大学张向辊等研究了空心钢锭凝固过程温度 场 模 拟 与 缩 孔、疏 松 预 测 等；2007年清华大学刘晓龙等进行了中空钢锭芯部压缩空气冷却能力的数值模拟研究；2008年一重集团刘鹏柱研究了空心钢锭脱模清理工艺的优化等。2005年，一重集团成功研制了30ｔ、65ｔ、130ｔ、150ｔ空心钢锭，2010年成功浇注国 内 首 支160ｔ空 心 钢 锭；二 重 集 团 也 于 2008年采用混合气体大温差冷却技术顺利浇注了100ｔ级的大型 空 心 钢 锭，如 图２所 示。从 公 开 的 资 料 来看，目前国内对空心钢锭的铸锭生产技术已基本掌握，研究范围仍主要集中在理论研究、数值模拟、生产试验等方面，但与国外相比在钢锭吨位以及内部质量上尚有明显差距，一重于2000年左右生产的30ｔ、65ｔ空心钢锭的最终凝固前缘，位于离钢锭内表面大约1/3壁厚处。前期国内生产的这些空心钢锭主要应用在水轮机空心大轴和石化行业加氢反应器筒节上，尚没有应用在核电设备上的报道。



结论与展望

（１）空心钢锭相比于实心钢锭铸态组织更加致密、偏析相对较小、疏松少，并在内表面形成较细的晶粒，提高了铸锭 内 表 面 质 量。对 于 铸 锭 技 术，国 内 已基本掌握，但与国外技术尚有差距。

（２）应用空心钢锭的锻造生产工艺与传统生产工艺相比具有很明显的优势，省去了镦粗冲孔工序，材料利用率高。国内研究从理论、实验以及数值模拟方面
探讨了筒体锻件的锻造成形工艺以及相关参数，有一定的理论和实践意义，但研究方法相对简单、在研究内容方面深入不够。

（３）对于空心钢锭 锻造、辗扩工艺与组织控制的研究有待于更深入的进行。

Jerran_Wang

空心锭虽然能够减少材料投入，降低成本，但是在组织控制方面还需深入研究，尤其是对各向异性要求严格的高端产品。