大型不锈钢锻件的质量保证

2021-11-24李雅平

商品与质量 2021年22期

关键词：炼钢锻件热处理

李雅平

中国原子能科学研究院北京 102413

大型锻件制造业是国家装备制造业的基础行业，也是关系到国家安全和国家经济命脉不可或缺的战略性行业，同时也是衡量一个国家综合实力的重要标志。大型锻件的国产化，对于大幅降低关重设备建造成本，提高关重设备制造水平和国际竞争力具有重要意义。

大型不锈钢锻件多应用于核电领域的核心部件，形大体重，使用环境恶劣，产品质量要求严格。同时，生产数量少，难以实现自动化生产，质量保证技术明显区别于批量化大规模生产的小型锻件。因此，大型不锈钢锻件制造过程的质量保证十分重要。

1 大型不锈钢锻件的生产特点

大型不锈钢锻件的生产制造存在“工艺环节多，制造周期长”特点，最终产品质量受众多因素的影响，是一个庞大复杂的系统工程。高品质大型不锈钢锻件的生产主要包括材料技术、炼钢技术、锻造技术、热处理技术等基础环节。每个技术环节由若干配套参数所组成，例如锻造技术包括始锻温度、变形量、终锻温度、加热温度、加热时间、砧宽比、翻料和走砧方式等参数，各参数之间相互关联、相互影响。大型不锈钢锻件各技术环节涉及的内容和项目与小型锻件相同，其主要差别在于以下方面：①装备配套能力要求高；②全流程工艺技术方案难度大；③进行材料基础共性技术研究的必要性。

3 影响大型不锈钢锻件质量的因素

3.1 装备配套能力

大型锻件的生产流程长，包括炼钢、锻造、热处理和机加工等。其中，锻造能力是核心，炼钢、热处理、机加工设备能力的往往都需要匹配锻造工序的装备能力。“工欲善其事，必先利其器”，对于变形抗力大的高合金不锈钢大型锻件来说，装备配套能力显得尤为重要。为保证大型不锈钢锻件的最终产品质量，首先应优先选用大吨位压机。目前国内压机最大压力1.85万吨，位居世界首位。我国自由锻压机的等级和数量，已跃居世界前列。另外，国内各大重机厂也已完成大型锻造操作机、加热炉、热处理炉等配套装备的升级改造。从装备配套能力上来说，我国已远超日本JSW、法国CREUSOT、韩国DOOSAN，成为世界自由锻件生产大国，具备生产大型不锈钢锻件的前提条件[1]。

3.2 全流程工艺技术方案

3.2.1 炼钢技术

获取纯净化、大尺寸的不锈钢锭是保证大型不锈钢锻件成品均匀性的重要因素之一。大型不锈锻件可以采用实心钢锭、空心钢锭和电渣重熔钢锭制备，三种钢锭的制备工艺过程不同，技术难点也各不相同。根据AP1000主管道国产化研制的实践经验反馈，国内制造厂制备的电渣重熔钢锭略胜一筹[2]。特别指出，日本JSW在上世纪八十年代采用大型钢包精炼技术配套二次真空脱气方法，制造了“文殊”快堆用超大型304不锈钢锻件（外径9米，壁厚330mm）。

3.2.2 锻造技术

众所周知，合金元素含量高的不锈钢材料可锻温度区间窄，变形抗力大，裂纹敏感性强。因此，为实现“成形和改性”的工艺目标，大型不锈钢锻造技术对工艺细节的要求更为严格，应有效利用工艺仿真的计算结果。通过采取改变钢锭形状、使用新型保温方式（液体保温材料）、合理控制变形量（先轻压后重压）、设计专用工装辅具等措施，可以有效控制大型不锈钢材质的锻造开裂，主管道异形件成形，晶粒粗大等问题。

3.2.3 热处理技术

热处理是决定产品各项性能的重要环节。对于没有相变，无法通过固溶热处理细化晶粒的大型不锈钢锻件来说，大型热处理炉温度的均匀性、工件出炉到入水时间、起吊和急冷过程的变形量，淬火介质稳定性等过程控制是保证产品质量的关键因素。

3.3 材料基础共性技术的研究

3.3.1 成分优化

化学成分是决定产品性能的重要因素，随着C和N等间隙元素含量的增加，奥氏体不锈钢强度增高，但是韧性显著下降。同时，δ-铁素体的析出倾向也与C、N元素的配比有关，影响长时性能。因此，C、N元素的匹配和δ-铁素体的控制是奥氏体不锈钢成分优化的关键。同时，化学成分直接影响大型不锈钢锻件的可锻性。合金元素对奥氏体不锈钢的高温塑性有很大的影响，铜、锡、锑、砷、硫、磷是不利于后续锻造性能的元素，应严格控制。

依据成分优化的结果，在大型不锈钢锻件的工程实践中应采用合适的炼钢工艺路线，严格控制原材料和冶金辅料。在满足高纯净化大型不锈钢锭冶炼质量要求的前提下，综合考虑炼钢工艺路线的经济性。

3.3.2 工艺设计与仿真

大型不锈钢锻件价格高，生产周期长，一旦报废损失惨重。利用计算机工艺设计与仿真技术可以在不增加资金投入的前提下，进行多工艺参数优选，降低制造风险，确保大型不锈钢锻件的制造成功。

工艺设计与仿真是大型不锈钢锻件工程实践中变形方式、参数确定（变形量、变形温度）、辅具结构设计、操作方式等工艺细节确定的输入条件，将直接影响后续产品制造的成败，应符合“真实性、完整性、系统性、一致性”的质量要求。