直径15.6米,核电站上的巨型环是怎么造出来的?

中国核电站巨型环是怎样炼成的

文章来自“科学大院”公众号

■赵龙哲

作者:赵龙哲

它是世界最大直径不锈钢环形锻件;它创造了世界最重单体不锈钢坯料;它创造了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……它的冶炼难度,史无前例。

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”。

近日,世界最大无焊缝奥氏体不锈钢整体环形锻件在济南成功轧制。作为我国第四代核电机组核心部件的支承环,它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)

创造这次世界之最所使用的技术就是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的“以小制大”的金属构筑成形技术。

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。

“以小制大”克服“木桶效应”

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。

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形工件,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。

2.创造了世界最重单体不锈钢坯料的世界纪录。

然而,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。

3.创造了世界最大直径不锈钢环形锻件的世界纪录。

此外,受特种冶金设备能力的限制,传统上制造这种巨型环锻件,国内外通常采用分段制造然后拼焊完成。这意味着上面要有7-8条焊缝,由于焊缝这个位置材料性能非常薄弱,在构件服役过程中会存在一些安全隐患,这也就是我们所说的“木桶效应”。

这个巨型环到底牛在哪里?

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。

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。

巧借盖房“砌墙”原理

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。

那么,什么是金属构筑成形技术?

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”。

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。

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,整体性能得到了显着提升。

这种“化整为零,以小制大”的核心思想,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。

Φ15.6米不锈钢整体轧制 (图片来源:作者提供)

通俗而言,万里长城是由一砖一瓦构建而成,类似的,金属构筑成形技术便是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,这可谓是钢铁行业颠覆性技术。

钢铁行业颠覆性技术:炼钢也像盖房子

另辟蹊径克服“冶金缺陷”

那到底什么是金属构筑成形技术呢?

除了“以大制大”的困难,传统方法冶炼大铸锭还面临冶金缺陷的世界性难题。

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。

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20毫米、长度1700毫米的缩孔缺陷,大范围的宏观偏析,以及长度达500毫米的树枝晶,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。

一砖一瓦构建的长城(图片来源:Veer图库)

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。

金属构筑成形技术示意图(图片来源:作者提供)

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