日本利用自由锻生产大型锻钢件

       近年，为了防止地球变暖，制定温室气体CO2减排规则并落实具体措施已成为世界各国的当务之急。在此形势下，传统锻造技术的重要性不断增加。在全球电力需求高涨的情况下,发电厂在防止地球气候变暖方面起着至关重要的作用，而且与锻造技术（特别是大型锻钢件的质量与性能）密切相关。迄今为止，发电厂单机大规模生产，提高了发电效率，这得益于发电用轮机的大型锻件的自由锻大型化技术的支撑。
       在自由锻造件中，重量50t~250t的超大型锻钢件所占比率虽然较少（约为15%），但这些大型锻件有6成以上都被用于发电、钢铁、造船、重化工业、大型土木基础建设等重要行业与项目。
       具体而言，这些超大型锻钢件都被用作机械装置和结构的心脏部位，故须确保其在使用中有绝对高的安全性与可靠性。然而，在这些超大型锻件的制造过程中也会出现很多特有的问题：首先是钢锭-大型化，其内部的偏析、非金属夹杂物及微小空隙（又称孔隙或疏松）就会显著增加，故制造性状优良的钢锭变得更为困难。而且，在锻造工程中，重量达数百吨的钢锭的传动设备要快速操作，并将之锻造成所需形状，而且使其内部也达到充分锻造效果，这确属不易。因此，为了稳定供应这样高品质的大型锻钢件，进行了包括炼钢（精炼和铸钢）、锻造及热处理的独特技术开发。          
       以下概要介绍日本制钢所利用自由锻造工艺技术生产超大型锻钢件的过程。
       1 锻钢件大型变化
        锻钢件大型化的发展历程与火（力发）电.核电厂单机（发电）功率的大型化步伐是一致的。最近30年间，电厂的单机功率，因追求大规模生产的优越性（更低的消耗与成本、更高的效率）而显著增加。随之以所用压力容器为首的相关设备也加速实现了大型化。另一方面，发电机和蒸汽透平机（又称轮机）叶轮轴直径也增大了。特别是1969年功率突破1100MW，其透平叶轮轴的结构也从原来的轮盘热压配合型变更为整体型，其锻造重量也大幅增加了。为了满足这些要求，开发了用400t重的大型钢锭锻造成120t重的整体型叶轮轴。1973年进一步成功开发发电功率1300MW的重200t透平轴。而且，最近又开发了功率1250MW改进沸水型核电用整体低压透平轴；紧接着又锻造成功了直径约2.9m、重约340t的巨型锻件，所用巨型钢锭单重超过600t。至今为止，日本制钢所制作了200根以上的超大型低压透平轴，供应给全世界的大型和超大型火电及核电厂。
        2 超大型钢锭的制造技术
        首先介绍日本炼钢技术在自由锻造业方面的进步和发展动向。
        在能源产业和钢铁生产领域所使用的大型锻件的质量要求极为严格，而且其质量、性能在很大程度上都与制造大型钢锭的炼钢工序密切相关。炼钢工序的主要工艺技术包括钢液和钢锭中磷、硫等杂质元素的去除、夹杂物（如氧化物、硫化物及复合夹杂物等）的减少、成分偏析的抵制与减轻、氢系缺陷（如HIC即氢致裂纹）的避免等。由于针对这些要求进行的技术开发和应用，最近即使重量达600t的超大型钢锭，也完全可以确保其达到高质量要求。
        特别是在钢液的精炼工序中利用LF（钢包精炼）法和VLF（真空钢包精炼）法，大幅度改善了原来的杂质元素，夹杂物含量和氢系缺陷，从而确保大型钢锭性状能满足超大型锻件的质量要求。
        现在，在单重超过500t的大型钢锭的制造技术和生产能力方面，韩国已有赶上来的趋势，但在世界上日本仍具有压倒性优势，其具有整体型低透平叶轮轴和核电用压力容器的开发和制造能力。
        近年LF和VLF技术已基本成熟，加之开发了钢液氢含量的快速分析法，在解决氢系缺陷方面取得了实质性进展。而且，在大型钢锭的模铸工程中，广泛利用了包括滴流脱气法的高效真空模铸技术，具有降低生产成本和钢锭表层氧化夹杂的效果。
        3 超大型钢锭的基本锻造技术
        为了确保核电用整体型低压叶轮轴大型锻件的质量，锻造时需要多次镦粗和伸锻，以获得充分的锻造比。因此，在一般锻造工程中有必要在伸锻之前将单重数百吨的巨大钢锭用1万t级的压力机直接镦粗。
        在超大型钢锭的镦粗中，由于钢锭温度下降而引起变形抗力的增大及断面积的增加，故所需的压下载荷需缓慢增加，在一定的锻造压力条件下，压下速度会显著减小。然而巨大的钢锭出炉后，即使经过1h以上冷却，在距表层约600mm深处的轴心部仍有1200℃以上的高温。因此，若降低压下速度，由于与之对应的变形速度也会变得极小，故钢锭整体的平均变形抗力也会相应变得极小。即锻压力平衡于变形抗力的压缩变形，的确是以蠕变速度进行的。这样一来，巨大的钢锭经过长时间变形也能被镦粗到所要求的高度。
         另一方面，在大型钢锭的轴心部，伴随钢液凝固时的收缩，不可避免会产生大量的孔隙。发电用叶轮轴因高速旋转会在中心部产生大的应力，如果轴心部有孔隙缺陷，在运转中有可能发生致命的损坏事故。在轴材的锻造过程中，不是简单地将之变形，而是要向超大型钢锭的中心部施加充分的压缩力，使之产生充分的应变，还要将粗大的锻造组织致密化，并压合中心部的孔隙缺陷，以获得良好的内部性状。
        为了利用锻造将超大型钢锭内部的孔隙压合，施加大的压缩静水压应力，产生充分的应变是十分重要的。为此，各个自由锻造厂为适应产品大小和压力设备容量，有效开发并实施了各种各样压合孔隙的方法。其中“中温锻造法”是不直接压下出炉钢锭，而是将之空冷一段时间以在其表面形成冷却层后，再以较小的铁砧进行锻造的方法。利用实验和FEM（有限元）解析法可以定量查明钢锭轴心部静水压增大效果。并且，在“FM锻造法”、“强压下宽幅拘束锻造法”中，用1万t级锻压机向钢锭施加大的压下量压合了中心部的孔隙。这些锻造法在超大型轴材的制造中得到了广泛应用，然而，对于轧辊等较小直径的产品，也采用V字形铁砧锻造法。