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1、镇静钢钢锭结构示竟圏1-细小等轴晶带：2-柱状晶带；3-过渡晶带： 中粗大晶带；5-负偏析沉积锥体；形偏析;7刃形偏析；申缩乳下正偏析区；亠缩孔大锻件锻造方法简介1. 钢锭的结构特点1.1钢的冶炼和浇注大型钢锭用钢的冶炼一般在碱性电炉中进行。通过电炉冶炼，获得所需要的化学成分， 控制好S、P等杂质含量。对于重要的锻件，钢水还要经过精炼。精炼多在精炼炉中进行，精炼的主要任务是微调 化学成分和真空除气，还可以调整钢水的温度。钢锭的浇注有上注法和下注法两种，大型钢锭以上注法为多。对于重要的锻件，在钢锭 浇注时往往有特殊的要求，如真空浇注、真空碳脱氧等等。在精炼炉中真空，和在浇注时真空，都需要有专门的
2、，巨大的真空系统。真空的目的是 尽可能排除钢中所含的氢、 氧等有害气体。提高钢的纯净度，并为缩短锻件第一热处理周期 创造条件。1.2大型钢锭的宏观组织：钢锭内部的组织结构，主要取决于钢锭浇注时 钢水过冷与传热条件。锭身表面层冷却速度快，为细小的等轴晶； 锭身中间带为柱状晶，距中心愈近晶粒愈粗 大；锭心区为粗大等轴晶，晶间夹杂较多，组织 较疏松。钢锭底部：冷却速度快晶粒细，但该区在钢 锭凝固过程中形成一锥形沉积堆，含有大量夹杂物。冒口：钢水因有保温帽保温，冷却速度最慢。 该区组织结构极松，存在有收缩孔、收缩疏松等 大量缺陷。因此在大锻件的订货技术条件中往往规定水 冒口的最小切除量。 在锻造工艺中
3、也要确定水冒 口的实际切除量。1.3大型钢锭内部的主要缺陷：大型钢锭的主要缺陷是偏析、气体、夹杂和 疏松。它们是冶金过程中固有的缺陷，只能减少,不能消除。偏析：指的是结晶过程造成钢锭的不同部位的 化学成分不一样。气体：在熔炼过程中钢水大量地吸收氢（还有氮）。当钢中的氢含量超过一定值时，锻造后冷却时就可能产生白点而使锻件报废。比如国外某公司在核岛锻件订购技术条件中规定钢包分 析氢含量不得超过 0.8ppm（1ppm=百万分之一）。含氢量高的钢锭在锻成锻件后，要在锻后热处 理中花费大量的时间来扩散氢气以避免白点。夹杂：夹杂的来源有来自熔炼过程和脱氧产物的，也有来自出钢槽、盛钢桶等外来夹杂。缩孔和疏
4、松：液态钢和固态钢，都随温度降低而发生体积收缩；从液态变为固态时，也 有体积收缩。钢液在锭模（或砂型）中凝固时，先凝固成与注入钢液差不多高的外壳，中 间随着凝固收缩就会向下凹下去。于是在头部形成大的空洞，即开放缩孔。如果上部比下部先凝固而发生所谓搭桥现象时，还会形成封闭缩孔，又叫二次缩孔。封闭在枝状晶格架 内的一点点钢液凝固时，因无钢液补充收缩，而形成细小的孔隙，也就是疏松。钢的凝固、 冷却过程中的总收缩量为： V总= V液+A V凝+ V固 此中 V液为液态下冷却的收缩量； V凝为金属凝固时收缩量，即金属从从液相点降到固相点中的收缩量；V固为固态下冷却时收缩量。碳素钢从浇注到室温的总收缩量可
5、以达到1014%，其中约3.5%5.7%的液态收缩和凝固收缩，对缩孔和疏松起作用，使得锻造钢锭必须带有供补缩的待切除的冒口；2. 锻造的基本任务：2. 1自由锻造成有两个基本任务：一是使锻件经济地获得所需的形状，另一是使锻件具有良好的内部质量。一般中小型锻件的锻造以成形为主；大型锻件（尤其是重要锻件）和特殊钢的锻造以改善内部质量为主。2. 2自由锻对金属组织及性能的作用铸锭（带有许多在浇注、凝固过程中形成的冶金缺陷）经过锻造后：在足够的变形程度下，可将铸锭中的粗大的铸造组织打碎，分散其非金属夹杂及异相质点；在正确选择变形方案的条件下，可使锻件的金属纤维在其截面上有正确的分布。在较好的应力状态和
6、一定的变形量下，可锻合其内部缺陷， 提高金属的致密性； 这反映在最后的结果上， 大大提高 了金属的机械性能（尤其是韧塑性指标）和综合的使用性能。近几十年以来，随着电力（火电、水电、核电）工业、石化工业、冶金工业、造船工业 等的迅猛发展，发电机转子、汽轮机转子、工作辊、支承辊、压力容器、管板等越做越大， 质量要求越来越高。随着无损检测技术的不断完善，对锻件内部致密性的探测愈益精微。比如300MW汽轮机转子UT要求单个缺陷不超过 $ 1.6等；管板的UT要求分三个方面：单个 缺陷、密集区面积百分比和底波衰减量，过去管板锻件UT合格率一般只能达 60%左右。如果说一般大型锻件对锻造的要求更多地着眼于
7、以上的两点的话，那么对于这些高要求的锻件，比如大型发电机、汽轮机转子，蒸发器管板等来说， 第点的要求则是研究的重心。为此，包括我公司的工程技术人员在内，世界的锻造行业一直在努力开发各种特殊的锻造方法，来作到“将锻件的每一个立方厘米锻透”。为了达到破碎钢锭的铸态组织、锻合钢锭内部的疏松、孔穴等缺陷的目的， 必须具备以下的基本条件：有足够大的变形程度或局部锻比；缺陷周围为静水压（三向压应力）状态； 高的锻造温度和一定的保压时间；疏松、孔穴的表面未被氧化。当然，为了提高锻件的综合砧子力学性能，同时还需要采用其它适当的锻造方法。迄今为止，已有不少行之有效的特殊锻造方法被 广泛采用。除了最基本的拔长、镦
8、粗以外，最主要的 有：FM法、KD法、WHF法、JTS法等等。下面扼 要进行介绍。此外，从这些基本方法又衍生出一些锻 造方法，本文不多赘述。3. 几种锻造方法简介3. 1. FM法图1曼尼斯曼效应FM 是 Free from mannesmann effect 的缩写，意思 是“免除了曼尼斯曼效应的锻造方法”。那么什么是曼尼斯曼效应呢？曼尼斯曼效应说的是：当一个矩形截 面的毛坯在压机上锻造时，当压机砧子的宽度在锻造方法的论文中，都把砧子的厚度称作为宽度。这已经是一个定式了w小于锻坯高度h的0. 3倍时，在坯料高度的中间会产生纵向的拉应力。所谓的FM法，就是毛坯变形区中心不出现轴向拉应力，即免除
9、曼尼斯曼效应的锻造方法。2。也就是在锻件的心部产生三向压图M Fbl法示盍冒FM法使用的锻造工具是上用普通平砧，下用大平台。锻造时锻件经受的是不对称变形。 当砧宽比w/h 0. 4时，保证轴向应力是压应力。见图 应力，从而提供孔隙性缺陷焊合的条件。日本用116T钢锭锻成汽轮机转子，用 330T钢锭锻成发电机转子，都取得了良好的效果。我公司曾以 FM法用100T钢锭不经镦 粗，只采用拔长变形工艺锻制 $ 1400 X 2800 X 5765mm大型支承辊（锻比仅为 2. 25） 获得成功。选用工具为30003000mm平台和 1200mm 上平砧，砧宽坯高比 w/h=0.6。以 FM法经四个道次
10、互成 90翻转操作而成。每 个锻件只经过两个火次即完成锻造。经机械性能、无损检测金相等的检验，表明FM法可有效地锻合大型钢锭的内部疏松、孔洞等缺陷。3.2.KD 法内容引自谢云岫：我厂转子锻件锻造工艺的演变和发展一一重技术：D为“大”字的拉丁拼音da的第一个字母。KD为我公司工程技术人员经十余年努力量，与后来传入中国的日本锻造技术的 生产。高温扩散加热，宽平砧（后来发展为上、下宽V型砧），大压下WHF法几乎完全相同，而我公司则比日本早应用于K为“宽”字的拉丁拼音kuan的第一个字母, KD法意为“使用宽砧子，大压下量的锻造方法” 所创立并完善。其要点为：我公司从五十年代末六十年代初开始试制5万
11、KW以下汽轮发电机转子锻件，至1963年以前未能试制成功 2。5万KW扩以上的产品。 1964年我公司设计制造了 1200mm宽的平砧（以前只有 850 mm宽的平砧），并于1966 年创立了高温扩散，宽砧，大压下量的锻造方法，简称KD法。压下量：研究表明，金属内部缺陷的锻合分为两个阶段：第一个阶段为闭合；第二个阶 段为焊合，这就要求压机的单次压下有较大的压下量。原来有12500吨水压机拔长锻造压下量不得超过200 mm的规定，对这条规定作了修改，对不同容量的转子在镦粗后拔长的压下 量分别作出规定如下：表1。压实锻造大压下量之规定转子容量（KW）2. 55102030镦粗后直径（mm）1900
12、2200240026002800单次压下量（mm）250300300400400500延长加热保温时间：为缺陷的焊合保证高温的条件。将镦粗拔长一火的加热保温时间延 长为普通锻件加热保温时间的二倍以上或更多。于1966年初结合KD锻造法进行由两次镦粗减为一次镦粗的试验，锻造8支2. 5万KW转子获得成功。后来又于1975年以上、下V型宽砧代替上平下 V宽砧，发展了 KD锻造法。上下 V型 砧锻造的优点在于变形对称，有利于保持锻件中心线与钢锭中心线的重合；此外也有利于改善钢锭的锻造性能，减少表面裂纹的发生。1986。 3从85年以来又开始制订大压下量锻造的压下操作规程，试用于生产，收到了良好的效果
13、。KD法逐步趋向完善。现在的 KD法的内容是：高温扩散加热，上、下宽V型砧，大压下量。3.3.WHF法：WHF法即宽平砧强压法。其原理与上面所讲的早期的KD法是一样的。但是在砧宽料高比和布砧方式上规定更为细致严密。另外我公司也已配备了比1200mm更宽的砧子。WHF法常与JTS法配合使用，锻造重要的大型锻件。34 JTS法：JTS法即中心压实法。是日本于上世纪六十年代开发的一种大锻件锻造方法。其原理仍 然是建立有利于缺陷闭合和焊合的三向压应力的应力场；其手段则是与传统的“趁热打铁” 的理念背道而驰：将钢锭 （坯料）加热到始锻温度后不直接加压锻造，而是用鼓风机吹风或喷水雾的方法，使其表面快速冷却
14、，形成一个硬壳。使用较窄的（与锻坯纵轴线平行的）砧 子施以强力锻压，金属所受到的锻压犹如在一个封闭的模膛内一样，完全处于一种三向压应力的状态之下。因此又叫“硬壳锻造法”。又因为在锻造时，钢锭（坯）被人为地降温，造成了内外达 250C 350 C的温差，因此又叫“差温锻造法”，“降温锻造法” 。JTS法锻造的变形是不对称的，因此须要压2道或4道。JTS法是一种公认的行之有效的压实锻件中心缺 陷的锻造方法。我公司于七十年代对JTS法的应用进行了大量的试验研究工作。曾用87吨钢锭未经镦粗，经由中心压实后直接锻至成品，总锻比仅为2.4 4,而锻件粗加工和出厂前的超声波检查均未发现大于 $ 2当量的缺陷
15、.至1978年，我公司采用中心压实法共生产了31根转子锻件。随着时间的推移，在万吨水压机两旁支起两排鼓风机来降温的作法，难以持续。后来在我公司就演变成了钢锭（坯）在加热后出炉空冷，然后用窄砧子强力锻压的工艺。3.5盘形锻件中心压实法：盘形锻件的中心压实过程见右图所示， 这是我们一重的广大工人群众与工程技术 人员智慧的结晶。与日本的圆盘锻件JTSd2II圆盘JT5法先压中间部位II面.h2H2D2法不同，圆盘中心压实法是先压边后压平， JTS法是锻件加热并预冷后，先将中心部 位压出凹档（两面同时压 ，见下图），然后 压平。圆盘中心压实法操作更为简便。但 圆盘JTS法在锻造有凹档的管板时可将凹 档锻造出来。在压实效果上应该说是殊途 而同归。结束语4.1.对于锻造方法的研究开发，各国工1面亠D圆盘中心压实过程厂、院校、研究所一直在进行中，各种新 的思路、方法不断涌现，上面所介绍的只 是其中最为主要且在已广泛应用的。42对于一个具体的锻件，所采用的锻造工艺，往
