空心钢锭生产技术的发展与应用

供稿|邢世勋，于广文/ XING Shi-xun, YU Guang-wen

随着核电、石化等能源领域的大型化发展，对能源装备提出了更高要求，尤其是大型铸锻件行业。为此，世界各大重机企业都在积极追求钢锭的大型化和纯净化，2011 年日本 JSW 室兰所在完成了产能扩大之后，成功生产了 670 t 真空钢锭[1]。2010 年底，JCFC 也成功试制了 2 个用于生产核电整锻低压转子的 650 t 真空钢锭[2]。2011 年 7 月，一重成功生产了 619 t 真空钢锭。大型钢锭内部不可避免的存在各种偏析，虽然已经采用了很多先进的炼钢、精炼及浇铸工艺，但是随着钢锭的大型化，偏析仍将存在并且有加剧的趋势，这对于核电反应容器等对内表面质量要求较高的锻件来说影响很大。因此，20 世纪 70 年代后期法国克鲁索锻造厂、日本川崎制铁等成功开发了针对筒节类产品的空心钢锭生产技术。

本文主要围绕解决筒节类产品的空心钢锭生产技术，介绍空心钢锭生产技术的优点和发展应用。

空心钢锭生产技术简介

图1 空心钢锭浇注示意图

空心钢锭浇注过程如图1 所示，空心钢锭生产一般采用下注法。从图中所示不难看出，空心钢锭生产的最关键环节就是钢锭模芯子的制作，研究最多的是日本川崎制铁和法国克鲁索锻造厂，日本川崎制铁朝生一夫等人的专利[3-5]中芯子采用两个内外圆筒，圆筒间填充耐火材料，这样避免了耐火材料与钢水直接接触，通过改变耐火材料层的厚度和内筒的冷却条件来控制芯子对钢液的冷却条件，法国克鲁索公司的专利[6-7]则是以一根薄钢管来代替上述的芯子结构。它以空气、CO2、水蒸气、雾化水的混合物作为冷却介质,通过调整冷却剂的流量和各成分的相对含量来控制冷却强度的变化。即在凝固初期先缓冷以减轻收缩应力,待凝固壳得到一定厚度后, 开始急冷使得 A 偏析 (见图2) 的起始生长位置远离内表面。

图2 采用实心钢锭生产的筒类锻件的偏析区域位置

图3 实心钢锭与空心钢锭偏析情况的比较

表1 是不同质量的实心钢锭和空心钢锭凝固时间比较[8]。从表1 可以看出，由于改变凝固方式，空心钢锭的凝固时间大大低于实心钢锭。从而使凝固质量得到了提高，同时也提高了生产效率。

表1 不同质量的实心钢锭与空心钢锭凝固时间比较

空心钢锭与常规实心钢锭生产技术比较

消除或减少空心钢锭内表面偏析，改变偏析位置

采用常规实心钢锭锻造筒节类产品时，一般需要墩粗、冲孔工序，这样会残留部分轴向偏析在筒体的内表面 (见图2)，根据不同的筒体和钢锭的重量、尺寸，残留的轴向偏析最大密度可以计算出来[9]。这些残留的偏析将对筒节类产品的后续焊接、加工和使用寿命带来严重影响。

对于石化、核电压力容器，其内表面通常堆焊一层不锈钢材料。但是，由于采用实心钢锭生产的压力容器锻件，其内表面残留正偏析和 A 型偏析，而必须采用特殊焊接的工艺参数，来保证焊接质量，避免由于偏析而造成的分层裂纹的产生，这就给压力容器的焊接工艺提出了非常苛刻的要求。

在核电领域，由于反应容器长期处于辐射状态，引起材料无延性转变温度 (RTNDT) 的改变。现已明确，材料无延性转变温度的这种改变主要受中子辐射和材料化学成分 (主要是磷、铜、镍) 的影响。因此，消除或减少容器内表面的偏析是提高反应堆压力容器安全寿命和可靠性的有效方法。

图3 是实心钢锭与空心钢锭偏析情况比较[10]，从图中可以看出，采用空心钢锭生产的筒节类锻件，其偏析情况得到了大大改善，正偏析几乎被消除，A 偏析和负偏析的位置发生移动，离开了锻件的内表面，位于厚度方向的中间部位。

图4 实心钢锭和空心钢锭生产筒类锻件心部偏析情况比较

表2 实心钢锭与空心钢锭综合比较情况

表3 世界主要大锻件制造企业空心钢锭生产能力情况

图5 实心钢锭与空心钢锭锻造工序的比较

图4 是实心钢锭和空心钢锭生产筒节类锻件心部偏析情况比较[11]，从图中也不难看出，相比实心钢锭，空心钢锭的 △C/C 很低，这一点已经由不同重量的钢锭和不同钢种得到了验证。

减少锻造工序，提高材料利用率

图5 为实心钢锭与空心钢锭锻造工序比较。通常实心钢锭的锻造加工工序为开坯–切头切尾–墩粗–冲孔–碾环–后续加工，而采用空心钢锭可直接进行碾环，不再需要墩粗、冲孔等工序[12]。这样既降低了锻造工艺的复杂性，又缩短了锻造加工时间，降低了能耗，提高了材料利用率 (最大可提高 35%)。

实心钢锭与空心钢锭的综合比较情况如表2 所示。

空心钢锭生产技术应用

空心钢锭生产技术已经被成功应用于大型核电、石化行业筒节类锻件的生产。目前世界上拥有成熟空心钢锭生产技术的锻件制造企业有法国克鲁索公司、日本川崎制铁、英国谢菲尔德公司、中国一重，其空心钢锭生产能力见表3。

克鲁索公司是最早研究空心钢锭生产技术的企业 (有空心钢锭生产技术专利)，目前已经成功地生产出核电反应容器、石化加氢反应器等筒节类产品，其所生产的核电筒节类锻件情况见表4。从表4 中可以看出，克鲁索公司使用空心钢锭生产技术已经成功地生产出核电筒节类锻件系列产品，目前最大空心钢锭生产的厚壁筒节类产品高度为 5600 mm。

日本川崎于 20 世纪 80 年代完成了用于核反应堆压力容器的 315 t 以下空心钢锭的生产，并模拟了 320 t 空心钢锭的生产情况[13]，其主要工艺路线如表5 所示。

表4 克鲁索采用空心钢锭技术生产核电筒节类产品情况[10]

结 论

(1) 与实心钢锭相比，在生产筒节类产品方面，采用空心钢锭能够消除或减少产品内表面的各种偏析，改变偏析的形成位置，从而提高核电、石化等行业筒节类产品的安全系数和可靠性。

(2) 采用空心钢锭锻造加工筒节类产品，可减少墩粗、穿孔等锻造工序，简化锻造工艺，缩短锻造时间，降低能耗，提高材料利用率 (最高可提高 35%)。

(3) 目前拥有大型空心钢锭生产技术的锻件供应商主要有法国克鲁索、日本川崎、英国谢菲尔德、中国一重，法国克鲁索最大可生产空心钢锭 250 t 以上，日本川崎最大可生产空心钢锭 320 t，谢菲尔德和一重最大可生产空心钢锭为 160 t。

表5 日本川崎空心钢锭生产工艺路线及控制要点[14]

[1]Takashi Ubukata, Tadashi Suzuki, Akihiro Murayama, et al. Rise in productive capacity by increase the facilities in melting shop// 18th Int. Forgemasters Meeting. Pittsburgh, September, 2011

[2]Yasuto Ikeda, Korinaka, Tomohiro Muraoka. Recent technology progress on large ingots for rotor forgings// 18th Int. Forgemasters Meeting. Pittsburgh, September, 2011

[3]朝生一夫. 日本专利. 公开特许公报. 昭53- 042410

[4]朝生一夫. 日本专利. 公开特许公报. 昭53- 118376

[5]Kazuo Aso. Method of producing hollow steel ingot and apparatus therefore. U K Patent. GB2022479A. registered on 1979-4-10

[6]Dor Ph, Martin D, Siantignan J C. French Patent, 8206475, registered on 1982-4-15

[7]Dor Ph, Martin D, Siantignan J C. 日本专利. 公开特许公报. 昭 58-202952, 1983

[8]Masaki Takada, Hiroshige Wananka，Kazuo Aso, et al. Outline of 4400 t press and manufacture of large forged steel shell rings.Kawasaki Steel Technical Report, 1983(7):44-54

[9]Badeau J P. Segregation phenomena in hollow ingots for heavy forgings// 10th Int. Foring Conf. Shef fi eld, 1985

[10]Giradin G, Jobard D, Pedrdriset F, et al. Hollow ingots: thirty years of use to control segregation and quality for nuclear and petrochemical large shells// 18th Int. Forgemasters Meeting. Pittsburgh, September,2011

[11]Tomlinson M, Talamantes-Silva J, Davies P. The development of hollow ingot technology at shef fi eld forgemasters international Ltd.

[12]Bocquet P， Blondeau R， Poitrault I，et al. Improvement in the reliability of shells for light water reactors by manufacture from hollow ingots. Nuclear Engineering and Design, 1991, 130: 467-475

[13]Saito K, Namba A, Aso K, et al. New manufacturing techniques of large forged shell rings for pressure vessels. J Materials Shaping Technology, 1987, 5(1): 1

[14]Nobuo Ohashi, Teiichi Enami, Hiroshige Wanaka, et al. Manufacturing process and properties of nuclear RPV shell ring forged from hollow ingot. Nuclear Engineering and Design, 1984, 81: 193-205