一种9Ni大锻件构筑成型的设计方法与流程

本发明属于锻造领域，具体地说就是一种9Ni大锻件构筑成型的设计方法，它 适用于大截面锻件的成形以及提升大锻件的质量可靠性。

背景技术：

主轴材料设计上通常选用9Ni钢，该钢种主要以钢板的形式应用于液化石油天 然气储罐，较少用于锻件。而制备净重35吨且锻件最大截面处达到1600mm的大 锻件需要100～120吨钢锭，冶金难度极大，存在的主要问题为：

1)钢锭制备难度大。9Ni钢固液两相区较宽，钢水粘度大，易形成缩孔疏松； 同时冷却过程发生马氏体转变，应力较大，易产生表面龟裂和中心裂纹；大钢锭 易产生通道偏析，百吨级9Ni钢电渣锭国内外无相关制造经验。

2)成分与组织均匀度控制难。9Ni钢可变形温度窄，锻件易产生表面裂纹， 成形过程多次回炉加热易造成粗晶和混晶；同时，9Ni钢大钢锭的头尾偏析、A偏 析和中心V偏析会使相邻部位组织混乱，严重影响性能稳定性。

3)传统大锻件制造工艺

a)电渣锭

电渣重熔是利用电流通过熔渣时产生的电阻热作为热源进行熔炼的方法，其 特点是浅熔池凝固，能获得洁净、组织均匀、致密的钢锭。

大型电渣锭的主要缺点：

1)结晶器的横截面积大，对铸锭中心的冷却效果变差，控制顺序凝固作用减 弱，钢锭中心的缩孔、疏松的控制成为难题。

2)在大型铸锭的重熔过程中，需要多次更换电极，造成电流、电压的工艺波 动，对最终铸锭的质量稳定性有重大影响。

3)大型电渣锭重熔时间长，渣系中的元素挥发和烧损，需要不断地补充、调 整渣系组分。同时，大电渣锭重熔时增氢、增氧严重，气密保护技术不完善。

b)双真空锭

双真空钢锭是在钢水精炼过程除气的同时，浇注过程也在真空下进行，避免 钢水在凝固时氧化和吸气，其特点是氢和氧的含量较低。

大型双真空钢锭的主要缺点：

1)钢锭模直径大，钢锭冷却速度慢，树枝晶发达，顶部正偏析、底部负偏析、 中心V偏析、两侧A偏析严重，成分均匀性较差。

2)大钢锭顺序凝固效果差，钢锭中心难以被补缩，易产生严重的缩孔疏松缺 陷，钢锭致密性较差。

3)大钢锭在浇注过程需要加保护渣，控制不好易在钢锭内部形成大块夹杂物， 导致钢锭纯净度较差。

综上所述，研究一种新型的大锻件制造方案来解决以上难题很必要。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种简单且高效的用于9Ni大锻件构筑成形的设计方法， 解决现传统工艺制造钢锭的内部冶金质量极难保障，宏观偏析、中心疏松和晶粒 粗大等严重问题，并且在经济上成本较低。

本发明的技术方案是：

一种9Ni大锻件构筑成型的设计方法，包括冶炼、洗削连铸坯表面、真空封装、 高温加热、高压锻焊、锻造成形，具体步骤如下：

1)在立弯式连铸机上生产处230mm厚度9Ni钢连铸坯，并进行800℃±10℃ 保温4h达到退磁目的；

2)在9Ni钢连铸坯进行消磁后，对9Ni钢连铸坯表面进行铣磨加工处理；

3)将6块9Ni钢连铸坯堆垛在一起，放入真空电子束焊接中进行封焊，该组合 9Ni钢连铸坯将作为后续锻坯的原材料；

4)将焊接好的9Ni钢连铸坯在真空室内高温加热到1200℃±10℃，在140MN 油压机上进行锻造。

所述的9Ni大锻件构筑成型的设计方法，9Ni大锻件按照JB/T 5000.15质量等级 I级要求进行无损探伤。

所述的9Ni大锻件构筑成型的设计方法，9Ni大锻件的净重27t，大截面处直 径为1600mm。

本发明的设计思想是：

金属构筑成形技术突破了锻件的母材只能比其更大的传统思维，提出使用品 质优、质量稳、成本低的板坯构筑制备尺寸大、要求高的大锻件。通过表面加工、 预硬化和清洁处理后，将多块板坯真空封装，然后在高温下施加以保压锻造、多 向锻造为特点的锻焊工艺，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。金属无痕构筑思想：将多块均质化母材经表面清洁与真空封装 后，在高温下大变形实现金属固态连接，充分愈合界面。核心思想是“化整为零， 以小制大”，变革了大构件均质化制备技术，突破构件制造极限，提升大锻件的质 量可靠性。

本发明的优点及有益效果是：

1)安全性高

9Ni锻件作为在特使条件下服役的转动件，不但承受一定的扭矩和振动，而且 要求50年不出事故，因此对锻件性能的均匀性和一致性提出了极高的要求。若采 用传统模铸钢锭或大型电渣锭生产，将不可避免地产生缩孔疏松、宏观偏析等缺 陷，造成锻件上不同位置组织、性能的差别，破坏了部件材料性能的一致性，使 其在服役过程中容易发生偏载，产生应力集中而失效。而采用构筑成形方法可则 以避免这些缺陷产生。

2)质量可靠

影响的锻件质量的主要冶金缺陷是偏析、疏松和夹杂。构筑成形技术采用的 连铸坯(或小型电渣锭)作为构筑的基础单元，从偏析角度看，由于凝固速度快， 其成分均匀性远远好于模铸钢锭；从疏松角度看，构筑单元的组织致密，不存在 中心疏松，焊合界面经保温、保压和多向锻造后，可完全愈合，与基体无异；从 夹杂物水平看，连铸坯采用RH炉脱气，有害气体含量低于VD炉脱气，全氧含量 低，夹杂物水平也较低，优于模铸锭。

3)成本较低

采用连铸坯作为锻件母材，下料重量可以精确计算，而若是采用模铸钢锭作 为锻件母材，受切割冒口、水口，以及锭型规格限制，有20～30％的材料浪费。 同时，连铸坯存在规模化生产优势，吨钢成本仅为模铸钢锭成本的70％，电渣锭 的50％。总体估算，采用构筑成形和采用大型电渣锭制造的成本差在30％以上。

附图说明

图1为9Ni大锻件生产流程。

图2为鞍钢生产的230mm厚度9Ni连铸坯。

图3为表面加工处理后的钢坯。

图4为堆垛后的9Ni钢连铸坯。

图5为封焊好的9Ni钢坯组。

图6～9为9Ni大锻件锻造过程。

图10为10MW火电转子锻件构筑成形的解剖图。

图11～16为钠冷快堆支承环的用构筑成形法制作过程。

具体实施方式

下面结合附图及实施例详述本发明。

在具体实施过程中，本发明开发一种9Ni大锻件构筑成型的设计方法，包括冶 炼、洗削连铸坯表面、真空封装、高温加热、高压锻焊、锻造成形等工艺，工艺 流程为图1所示，实施例具体步骤如下：

1)首先在鞍钢立弯式连铸机上生产出230mm厚度9Ni钢连铸坯(图2)，并进 行800℃±10℃保温4h退火处理以达到消磁目的。

2)对9Ni钢连铸坯进行消磁后，对9Ni钢连铸坯表面进行铣磨加工处理(图3)。

3)将6块9Ni钢连铸坯堆垛在一起(图4)，放入真空电子束焊接中进行封焊， 该组合9Ni钢连铸坯将作为后续锻坯的原材料，封焊好的9Ni钢坯组见图5。

4)将焊接好的锻坯在真空室内高温加热到1250℃，在140MN油压机上进行 锻造，锻造过程为图6～9。

5)按照JB/T 5000.15质量等级I级要求进行无损探伤。

实施例

本发明的构筑技术为已成功应用在火电转子(图10)、管板、大型水轮机转轮 大轴和钠冷快堆不锈钢支承环锻件的制造。如图11～16所示，通过钠冷快堆支承 环的用构筑成形法制作过程。从而可以看出，本发明将多块均质化母材经表面清 洁与真空封装后，在高温下大变形实现金属固态连接，充分愈合界面，变革了大 构件均质化制备技术，突破构件制造极限，提升大锻件的质量可靠性。