直径15.6米 核电站上的巨型环是怎么造出来的?

直径15.6米 核电站上的巨型环是怎么造出来的?
2019年03月29日 10:08 新浪科技综合

  来源:科学大院

  世界最大无焊缝奥氏体不锈钢整体环形锻件于3月12日10时整在济南成功轧制。它将作为我国第四代核电机组核心部件的支承环,不但是压力容器边界、安全屏障,而且结构上需承受7000吨重量,堪称整个堆容器的“脊梁”。

Φ15.6米堆容器支承环锻坯 (图片来源:作者提供)Φ15.6米堆容器支承环锻坯 (图片来源:作者提供)

  我们先看一下这个巨型环的成功研制打破了哪些世界纪录吧。

  1、世界首创金属构筑成形技术,实现了200吨级金属钢坯分级构筑成形。

  2、创造了世界最重单体不锈钢坯料的世界纪录(150吨)。

  3、创造了世界最大直径不锈钢环形锻件的世界纪录(直径15.6米)。

  这个巨型环到底牛在哪里?

  大铸锭是大锻件的基础。传统大锻件制造通常使用“以大制大”的方法,即锻造母材一定要大于成型工件,按照这种测算方法,本次制造的大锻件至少需要浇铸一个单重250吨的钢锭。

  但是,大断面钢锭的凝固过程存在明显的“尺寸效应”,即钢锭尺寸越大,凝固时间越长,冷却速度越慢,钢锭偏析、疏松、粗晶现象越严重。之前,单重250吨级不锈钢钢锭的冶炼在世界上是前所未有的,可见其冶炼难度之大。

  受特种冶金设备能力的限制,传统上制造这种巨型环锻件,国内外都是采用分段制造,然后拼焊完成。对于这么大的环形锻件,上面就要有7-8条焊缝,焊缝这个位置材料性能是非常薄弱的,在构件服役过程中就会存在一些安全隐患,这也就是我们所说的“木桶效应”。

  为了攻克这一难题,中国科学院金属研究所李依依院士团队独辟蹊径在全球率先提出了“以小制大”的金属构筑成形技术,通过使用数十块小型板坯,经分组封焊,多次构筑,成功制造了200吨级原料钢坯,并整体轧制成形。在这个巨型环上,根本不存在所谓的焊缝,整体性能得到了显著提升。

Φ15.6米不锈钢整体轧制 (图片来源:作者提供)Φ15.6米不锈钢整体轧制 (图片来源:作者提供)

  钢铁行业颠覆性技术:炼钢也像盖房子

  那到底什么是金属构筑成形技术呢?

  金属构筑成形技术是由李依依院士团队在国际上率先提出的。这项技术突破了金属构件的母材只能比其更大的传统思维,巧妙地借鉴建筑领域的“砌墙”原理,将多块均质化板坯通过表面清洁处理、真空封装后,在高温下大变形实现固态冶金连接,充分愈合界面,实现界面与基体完全一致的“无痕”连接。核心思想是“化整为零,以小制大”,能够以较低的成本实现高品质均质化大锻件的制备,是增材制造技术在大构件制造领域的新突破。

一砖一瓦构建的长城(图片来源:Veer图库)一砖一瓦构建的长城(图片来源:Veer图库)
金属构筑成形技术示意图(图片来源:作者提供)金属构筑成形技术示意图(图片来源:作者提供)

  通俗地说,万里长城是由一砖一瓦构建而成,类似地,金属构筑成形技术也是受到建筑学的启发,将多块金属板通过某种技术“构建”成一个大钢锭,然后通过后续成形处理,得到我们想要的形状。也就是说想盖多大的房子就用多少砖,完全不用考虑材料浪费的问题,更不用考虑盖出来的房子不同位置材质是否存在差异,真是可称之为钢铁行业颠覆性技术。

  金属构筑技术如何实现无痕连接

  在传统方法冶炼大铸锭时,除了“以大制大”的困难,冶金缺陷问题也是铸锻件制造领域的世界性难题。

  李依依院士团队曾解剖100吨核电转子用模铸钢锭,钢锭表面未发现明显缺陷,但解剖后钢锭中心存在宽度20mm、长度1700mm的缩孔缺陷,大范围的宏观偏析,以及长度达500mm的树枝晶,这种冶金缺陷将严重影响构件的力学性能,内部组织更是存在着严重的问题。国内外众多学者半个世纪以来曾尝试通过加快冷却、添加内冷元、电磁搅拌等方式改善大型铸锭的内在质量,但一直收效甚微。

大型钢锭内部的冶金缺陷 (a)法国克鲁索公司解剖的65t钢锭,(b)中科院金属所解剖的100t钢锭(图片来源:作者提供)  大型钢锭内部的冶金缺陷 (a)法国克鲁索公司解剖的65t钢锭,(b)中科院金属所解剖的100t钢锭(图片来源:作者提供)

  金属构筑技术则另辟蹊径,采用比较成熟稳定的连铸技术生产的连铸坯或高质量的小型钢锭作为基元,通过表面清洁加工处理后,将多块板坯真空封装,然后通过高温高压锻造将界面充分焊合,使界面与基体融为一体,实现无痕界面的冶金连接,成功突破了大钢锭冶炼存在的成分偏析、疏松、缩孔、夹杂物超标等技术瓶颈。

金属构筑成形钢坯 (图片来源:作者提供)金属构筑成形钢坯 (图片来源:作者提供)

  说到这,你一定会问构筑出来的钢锭真的能够达到铸锭的性能吗?界面真能够实现无痕连接吗?

  其实中科院金属所的科学家们早就对多种材质的构筑钢锭进行了数千次的性能试验,包含原始界面各方向的拉伸性能、疲劳性能甚至是冲击功都能够达到与基体一致,而且数据稳定,完全可以达到甚至高于铸锭产品的性能,实现了金属的无痕连接。这下大家可以放心了吧。

拉伸性能测试结果(图片来源:作者提供)拉伸性能测试结果(图片来源:作者提供)

  构筑技术将走向何方

  目前,金属构筑成形技术已经在示范快堆支承环及大口径压力管、水轮机转轮主轴、船用艉轴毂、核电用不锈钢特厚板等能源电力、海洋工程领域实现了大锻件的构筑成形,涉及的材质包括316H不锈钢、S03、925A、SA508-3钢、20SiMn、9Ni、Ti80、无氧铜等,并取得了阶段性的成果,已经得到了多位院士专家及企业的认可,并被评价为大构件制造领域的一项变革性技术。

构筑技术应用实例 (图片来源:作者提供)构筑技术应用实例 (图片来源:作者提供)

  该技术具有低成本、高品质、质量稳定及绿色环保等优势,成为当前大锻件制造的一种重要新兴方法。然而,虽然金属构筑技术能够制造高品质大型锻件钢坯,但由于该技术需要采用真空电子束封焊,对于一些难焊、不可焊金属,采用构筑技术就有些为难了。

  金属构筑技术对于钢铁行业来说是一项全新的事物,因此想要让其在行业内得到广泛认可还有很长的路要走。但是随着技术的发展,在锻造加工中,金属构筑技术终将替代大铸锭这也是不争的事实。未来,这项技术有望解决舰船、核电、航天等战略性装备核心部件制造的难题,使我国工业发展实现质的飞跃。

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