大型缸体锻件的熔炼和铸造工艺研究 - 压铸及锻压工业展览会

1. 简介

大型缸体锻件是核电、石化和水电等重要基础工业中的核心部件，通常在高温高压环境下工作。这些锻件不仅需要符合材料成分标准，还要求内部质量将气孔、夹杂物、疏松和偏析等常见缺陷控制在最低限度。熔炼和铸造工艺在提高锻件质量方面起着至关重要的作用。本文将探讨大型缸体锻件的熔炼和铸造工艺，以及其在实际应用中的重要性。

2. 熔炼工艺

2.1 双真空熔炼铸造

双真空熔炼铸造方法，即“钢包精炼+真空铸造”，是提高钢锭质量的有效手段。这种方法可以有效控制硫（S）、磷（P）等杂质含量，显著减少夹杂物和气孔，提高钢锭的均匀性和致密性。目前，世界主要大型锻件制造商如日本制钢所、俄罗斯烯醇重工、韩国重工业以及中国的第一重型机械集团和第二重型机械集团等，均采用双真空熔炼和铸造钢锭。例如，1987年日本制钢所生产了重达600吨的双真空铸锭，创造了当时的世界记录。

2.2 电渣重熔

电渣重熔（Electro Slag Re-melting，ESR）是另一种重要的熔炼方法，适用于生产高质量的大型缸体锻件。ESR工艺通过定向凝固和结晶，可以有效降低钢锭中的气体和杂质元素含量，细化和分散夹杂物，提高钢锭的均匀性和致密性。例如，JSW和中国一重都拥有大型电渣重熔炉，用于制造核电站的重要部件，如压力壳和筒体锻件。

2.3 空心钢锭

空心钢锭的出现大大提高了大型缸体锻件的生产效率和质量。空心钢锭壁厚较薄，内外表面同时冷却，冷却速度快，能有效抑制偏析，提高材料的均匀性和内表面的质量。例如，川崎制钢所曾制造过世界上最大的空心铸锭，用于制造1300MW压水堆压力壳。

3. 铸造工艺

3.1 粗锻工艺

锻造工艺的主要作用是确定产品外观的初始形状，破碎铸造组织、消除内部气孔缺陷，并防止新的内部裂纹出现，同时使晶粒细化和均匀化。大型缸体锻件的锻造一般采用以下工艺流程：

粗镦切除冒水管

镦粗冲孔

芯棒拉拔

芯棒扩孔

精锻成形

精锻

通过这些工艺步骤，可以有效控制产品的外观尺寸和内部质量，确保锻件具有优良的力学性能。

3.2 精细化与大型化

在大型化方面，随着应用需求的不断提升，缸体尺寸规格也不断增加，挑战液压机制造的极限。世界各大锻件制造商不断研发新的成型技术，以适应更大外径尺寸产品的需求。例如，中国二重集团通过增加液压机柱套的方法，成功生产出尺寸为312mm×508mm的压力容器缸体锻件。

在精细化方面，通过物理模拟与数值模拟相结合的研究方法，锻造技术水平得到了快速提升。例如，采用DEFORM等商业软件进行精细组织模拟，可以预测锻造过程中材料的内部微观组织变化，优化工艺参数以获得最佳的晶粒组织。

大型缸体锻件的质量和性能直接影响重大技术装备的运行可靠性和使用寿命。通过采用双真空熔炼、电渣重熔和空心钢锭等先进熔炼工艺，以及粗锻、精锻和精细化等铸造工艺，可以显著提高缸体锻件的内部质量和力学性能。这些工艺不仅满足了核电、石化和水电等领域对高质量锻件的需求，还体现了一个国家在重大技术装备制造方面的综合实力。推进这些工艺的国产化，对于提升我国重大技术装备的制造水平具有重要意义。