刘海斌
中国第一重型机械股份公司 黑龙江省齐齐哈尔市161042
摘要：以某大型筒节锻件为例，对冶炼、铸锭工艺、锻造工艺以及热处理工艺进行了分析研究，提出了各工艺环节的质量控制措施。利用该工艺措施成功制造了具备良好的强度、冲击性能和低温韧性的大型筒节锻件。
关键词：大型筒节；320t钢锭；锻造；热处理；质量控制
为提高单机容量，降低单位建设成本，加氢反应器、核电站压力容器和蒸汽发生器都朝着大型化方向发展。目前，在国内锻造与轧制工艺相结合生产的整体筒节锻件外径已经达到9m。对于大直径、大壁厚、大长度的大型筒节锻件，由于尺寸大幅增加所需钢锭也大幅增大，其锻造过程、热处理过程也变得难于操作，对质量控制措施提出更高要求。
1炼钢铸锭
大型钢锭凝固的物理、化学过程十分复杂，包括传热、自然对流、结晶和扩散等过程和现象。本文大型筒节锻件由320t钢锭锻造。因钢锭的尺寸巨大，在浇铸过程中难免会出现凝固缺陷和宏观偏析。而要获得优质的大型锻件，控制浇铸过程中的凝固缺陷和宏观偏析就显得十分重要。这种超大型钢锭冶炼铸锭的主要难点有：如何确保钢水的高纯净度；如何确保钢锭化学成分的同一性；怎样解决钢锭的脱模、热送；怎样组织生产。为了确保获得高质量的大型钢锭，为大锻件的产品质量打好基础，采取了如下解决方案：使用高纯净原料；使用双真空法（钢包精炼和真空浇注），原材料在电炉中冶炼，然后进行钢包精炼去除杂质，在真空环境中控制化学成分；多重浇注法（AP工艺），采用三个钢包炉进行真空浇铸。根据浇注次序不同对主要宏观偏析成份及其浇注温度进行控制；设计了专用的大型钢锭脱模方案。通过对钢锭形状尺寸的优化设计，多包合浇钢水成份的优化选择，钢锭多包合浇工艺的精心设计，保证钢锭浇铸成功。
2锻造
对于尺寸超大的大型筒节锻件，其锻造过程对锻压设备和生产过程的组织具有一定挑战性。按照锻件技术标准要求，为了在最终产品中获得良好的韧性，将该锻件的热成形温度范围控制在800~1250℃之间，锻件的终锻温度在750℃以上。在150MN水压机上采用大压下量镦粗，芯棒拔长和扩孔锻造大型筒体的工艺方案。为保证大型筒节锻件的致密性，钢锭的水口端和冒口端要留有足够的切除量，以去除缩孔、疏松的密集部位。镦粗应确保锻比在2左右，冲孔后要及时清理飞边，芯棒拔长过程中要控制压下量，避免端部折伤卷入内部。同时要注意合理布锤，避免锻件抱住芯棒。马杠扩孔过程要均匀布锤，保证筒体端面与马杠或马架间是垂直或平行关系，防止筒体锻件因两端大小不一致而成为锥形，一旦出现这种情况要及时调整马架高度，以小压下量扩孔，使两端恢复到相同的外径尺寸。锻造中如遇到端部出现明显的“花边”，要及时对端面气割清理，以防止飞边冷却开裂并向筒节内部扩展。
3粗加工及U.T.探伤
使用该320t钢锭锻造的大型筒节锻件在粗加工尺寸的基础上，锻件内、外径单边留19mm粗加工余量。由于锻件在两端均取性能试料，同时按照采购技术文件要求，设置见证试环，因此锻件高度尺寸增加较大。按照采购技术文件要求，该筒体锻件按照T·T/4取样，T表示该筒体最大热处理壁厚，即试样距最近的热处理表面为T/4，距离另一端面为T。为了减少锻件钢锭的重量，在锻件端面焊接高度不小于T的低碳钢隔热环，隔热环的内径不大于筒体内径，隔热环外径不小于筒体外径，使用角焊缝密封焊接，使隔热环能完全覆盖筒体锻件的端面。加工到图6尺寸后，进行U.T.探伤。按照采购技术文件的要求，锻件应在最终机械加工完成后进行超声检测，但为了检测锻件的锻后晶粒度及夹杂物等冶金缺陷，避免因晶粒度不合格或有超标缺陷等异常情况对后续制造工序的影响，在该筒体锻件粗加工完成后，先对其进行U.T.检测。超声检测按照NB/T20003.2-2010的规定，采用直射波和斜射波检测。
直射波检测探头频率为3~4MHz，斜射波检测探头频率为2MHz，折射角为45°。按照NB/T20003.2-2010中14.6.1和14.6.2.3的规定进行100%全体积扫查。按照NB/T20003.2-2010的Ⅲb型锻件规定的检测范围实施检测。采用直射波从锻件圆周内、外表面进行检测，同时进行轴向检测，要求从两端探测的深度为锻件长度的一半加上10%。采用斜射波从锻件外圆表面沿周向从两个相反方向（两个扫查方向）进行检测。按NB/T20003.2—2010的规定对缺陷信号进行评定。直射波检测应满足NB/T20003.2—2010中质量Ⅰ级的要求。斜射波回波幅度大于50%DAC曲线的任何信号都应记录。回波幅度超过DAC曲线的信号应判为不合格。通过打磨清除锻件的缺陷后，只有尺寸仍在公差范围内时方可认定锻件为合格品。锻件打磨后，应按NB/T20003.5中的规定对打磨部位进行磁粉检测，验收标准按NB/T20003.5的规定执行。不准许锻件制造厂对锻件进行焊补。
从筒体锻件粗加工状态U.T.检测报告可知该锻件具有很好的冶金质量。
4热处理工艺
热处理决定着大型锻件的内部质量和力学性能。在锻造结束后，需对锻件进行预备热处理（N&T），待粗加工后再进行性能热处理（Q&T）。调质处理是获得力学性能的重要工序，目的是获得较好的强度、韧性与塑性的匹配。淬火是将锻件加热到AC3（亚共析钢）温度以上30~50℃，保温适当时间，然后以大于淬火临界冷速的速度冷却，将过冷奥氏体转变为马氏体或贝氏体组织的热处理工艺，以提高筒节的强度和韧性。钢的淬透性是指钢在淬火时得到马氏体的能力。主要取决于钢的临界冷速和奥氏体的稳定性，是材料本身的特性。淬透深度与冷却条件及锻件尺寸相关。在冷却时，过冷奥氏体在进入贝氏体或马氏体转变相区前是不稳定的，必须以快速冷却避免生成强韧性较低的铁素体和珠光体组织。回火是将淬火后的锻件加热到低于AC1温度的适当温度范围并保温，然后冷却到室温的热处理工艺。目的是提高锻件的韧性（同时降低强度），调整强韧性匹配，获得最佳的综合力学性能。钢淬火后韧性差，为了提高韧性，淬火后需要回火。回火时的马氏体或贝氏体组织是C在γ-Fe中的过饱和固溶体，经回火析出弥散分布的碳化物在聚集长大后形成渗碳体，同时马氏体或贝氏体失去原有形态形成多边形铁素体，进而形成回火索氏体；残余奥氏体在马氏体分解后生成回火贝氏体。调质处理应考虑化学成份、晶粒度、外形等因素影响。为使该接管段筒节获得良好的强度、塑性和韧性等综合性能。本文采取了以下措施：（1）分析锻件的化学成分和淬火结构以便获得良好的淬透性和优良的综合机械性能；（2）对大型淬火水槽、大型热处理电炉，设计专用吊具、双150t天车等进行技术改造。大型锻件的热处理通常包括锻后热处理和性能热处理。锻后热处理的目的主要是调整和细化晶粒，调整组织，为性能热处理和粗加工后的超声波探伤及后续粗加工作准备。性能热处理即调质热处理，是控制大型锻件机械性能的关键热加工工序。通过性能热处理，能获得不同的典型组织，以及相应的性能。如果淬火后得到马氏体组织，则经高温回火后，可得到回火索氏体，锻件的强度、塑性和韧性能够得到最好的匹配，获得较高的综合力学性能；淬火后如果得到下贝氏体组织，高温回火后的力学性能与马氏体回火后的性能相近，并具有较高的冲击韧性；淬火后如果得到上贝氏体、粒状贝氏体或珠光体组织，高温回火后，强度、韧性偏低，综合力学性能较差；如果淬火后的组织中出现铁素体，则高温回火后的综合力学性能将显著恶化，特别是冲击韧性显著降低。根据大型筒节锻件高强度、高韧性要求的特点，淬火后最期望得到马氏体或马氏体和下贝氏体的混合组织。性能热处理工艺通常被用来获得高的强度和好的韧性。奥氏体化温度、回火温度、保温时间和淬火冷却速度是重要的热处理工艺参数。
5结语
在该大型筒节锻件两端取样测得的性能检验结果表明，用大型钢锭生产的大型筒节锻件，通过合理的热加工工艺，完全可以使锻件宏观偏析得到有效控制，强度和低温韧性匹配平衡，以及冶金质量合格，保证筒节锻件的总体性能满足技术文件的要求。
参考文献
[1]赵程，杨建民.机械工程材料. [M].北京：机械工业出版社，2015.
[2]王学武.金属材料与热处理. [M].北京：机械工业出版社，2016.