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超大型核電鍛件綠色制造技術(shù)與實踐
為了適應(yīng)核電裝備長壽期、大型化等發(fā)展需求, 超大型核電鍛件應(yīng)運而生。 長期以來,我國重主機而輕配套的發(fā)展思路, 致使超大型鍛件依賴進口供貨, 國產(chǎn)件能力與質(zhì)量難以滿足要求, 已成為重大裝備工業(yè)發(fā)展的瓶頸并受制于人。 在第三代核電技術(shù)引進中, 外方不同意轉(zhuǎn)讓大型鍛件制造技術(shù), 大型鍛件制造技術(shù)已成為我國發(fā)展重大裝備工業(yè)的瓶頸之一。 為了盡快實現(xiàn)超大型核電鍛件的自主化并達到國際先進水平, 由中國第一重型機械集團公司牽頭, 聯(lián)合國內(nèi)優(yōu)勢企業(yè)、高等院校及科研院所, 承擔(dān)了國家“十一五” 科技支撐計劃及大型先進壓水堆核電重大專項等科研課題, 開展了長達十年的超大型核電鍛件研究與制造工作。超大型核電鍛件的綠色制造具體體現(xiàn)為鍛件的胎模鍛造、仿形鍛造及近凈成形鍛造。 超大型核電鍛件的制造已很“難”, 一體化超大型核電鍛件的制造“更難”, 而近凈成形鍛造的一體化超大型核電鍛件綠色制造則是“難以想象”。 科研團隊秉承著核電鍛件超大型化和綠色化的研制理念, 不斷向“不可能” 發(fā)起挑戰(zhàn)。 在近乎“一窮二白” 的基礎(chǔ)上, 攻堅克難、“屢敗屢戰(zhàn)”, 經(jīng)過不懈努力, 取得了多項世界之最的優(yōu)異成績。目前, 全球經(jīng)濟發(fā)展進入新常態(tài), 導(dǎo)致熱加工產(chǎn)能嚴(yán)重過剩, 60MN 及以上液壓機開工率平均不足30% 。 雖然超大型核電鍛件“熱火朝天”、供不應(yīng)求的局面可能“一去不復(fù)返”了, 但能源裝備“清潔、綠色、高效” 的發(fā)展趨勢, 對超大型核電鍛件的需求是永恒的。 國家核電裝備“走出去” 戰(zhàn)略的實施, 也必將為超大型核電鍛件的發(fā)展提供更加廣闊的空間。因此, 我們將十幾年來在超大型核電鍛件研究與制造方面的經(jīng)驗、體會和教訓(xùn)編撰成冊, 對如何進行系統(tǒng)性基礎(chǔ)研究、如何進行低成本工程化試制, 以及怎樣實現(xiàn)綠色化、產(chǎn)業(yè)化、批量化生產(chǎn)進行了闡述, 對未來的發(fā)展趨勢進行了展望。本書共分8 篇33 章。 第1 篇從超大型核電鍛件的重要性、主要特點、創(chuàng)新性研發(fā)以及國內(nèi)外同類制造技術(shù)對比等方面進行了綜述; 第2 篇對超大型核電鍛件的坯料———超大型鋼錠的研制進行了論述; 第3 7 篇分別重點對各種堆型的壓力容器、蒸汽發(fā)生器、主管道等核電鍛件以及常規(guī)島鍛件研制及應(yīng)用實踐和經(jīng)驗教訓(xùn)進行了詳細(xì)闡述; 第8 篇對核電超大型鍛件研制中具有代表性的問題與不足進行了列舉, 對未來發(fā)展進行了展望。本書是工程實踐經(jīng)驗的總結(jié)與提煉, 含有直徑?4000mm 的600t 級超大型鋼錠和直徑?3000mm 的汽輪機整鍛低壓轉(zhuǎn)子鍛件解剖等大量珍貴技術(shù)資料, 希望能成為核電裝備的設(shè)計、制造、質(zhì)量管理人員, 特別是超大型鍛件研究制造工作者的技術(shù)工作指南。 此外, 由于本書涉及的內(nèi)容已突破了傳統(tǒng)論述, 亦可供高等院校及研究院所從事熱加工理論學(xué)習(xí)的人員參考。本專著采用大量工程實踐的圖表展示了超大型核電鍛件綠色制造技術(shù)的先進性, 為了保證試驗數(shù)據(jù)的真實性及完整性, 本專著少部分圖表及描述采用了機械工業(yè)出版社出版的?超大型核電鍛件綠色制造技術(shù)? 相關(guān)內(nèi)容。本書由王寶忠執(zhí)筆并統(tǒng)稿, 劉穎、聶義宏、金嘉瑜、趙德利參與了部分章節(jié)的撰寫; 劉凱泉、曹志遠、高建軍曾參與了?超大型核電鍛件綠色制造技術(shù)? 專著部分章節(jié)的撰寫。在超大型核電鍛件綠色制造技術(shù)研發(fā)工作中, 得到了上海核工程研究設(shè)計院、清華大學(xué)、燕山大學(xué)、重慶大學(xué)、東北大學(xué)、太原科技大學(xué)、中國科學(xué)院金屬研究所、鋼鐵研究總院和機械科學(xué)研究總院等單位的大力支持, 在此一并表示感謝!由于我們的水平有限, 書中不妥及疏漏的地方, 敬請讀者批評指正。著 者二○一七年十一月
序一序二前言第1 篇 緒 論第1 章 核電鍛件概述 51. 1 核電簡介 51. 2 發(fā)展核電的必要性 101. 3 核電鍛件自主化及核電裝備“走出去” 111. 4 核電鍛件的重要性 12第2 章 超大型核電鍛件特性及綠色制造 182. 1 規(guī)格超大 形狀復(fù)雜 182. 2 技術(shù)要求高 202. 3 大型化及一體化 202. 3. 1 RPV 鍛件 212. 3. 2 SG 鍛件 212. 4 綠色制造 222. 4. 1 胎模鍛造及仿形鍛造 232. 4. 2 近凈成形鍛造 252. 5 鍛件制造資質(zhì) 312. 5. 1 制造資格取證 312. 5. 2 鍛件評定 322. 5. 3 核安全許可 332. 6 制造過程控制 332. 7 產(chǎn)品質(zhì)量的可追溯性 352. 7. 1 母材見證件 352. 7. 2 焊接見證件 35第3 章 鍛件制造設(shè)備與工裝特點 363. 1 制造設(shè)備的超大型化及自動化 363. 1. 1 冶煉及鑄錠設(shè)備 373. 1. 2 鍛造設(shè)備 413. 1. 3 熱處理設(shè)備 443. 1. 4 試樣制備設(shè)備 493. 2 工裝的超大型化及復(fù)雜化 523. 2. 1 SG 水室封頭管嘴翻邊裝置 523. 2. 2 小型堆一體化頂蓋模鍛工裝 533. 2. 3 轉(zhuǎn)子中心孔超聲波探傷裝置 533. 2. 4 鋼錠抬梁及吊鉗 533. 2. 5 鍛造起重機及翻鋼機 563. 2. 6 坯料翻轉(zhuǎn)機 573. 2. 7 回轉(zhuǎn)裝置 593. 2. 8 非對稱鎖緊式半球體夾緊裝置 603. 2. 9 雙端不對稱變截面筒體同步變形裝置 613. 2. 10 超大直徑鋼錠火焰切割機 63第4 章 核電鍛件的評定、解剖檢測及驗證 644. 1 評定 644. 1. 1 一體化頂蓋 644. 1. 2 一體化底封頭 674. 1. 3 泵殼 684. 1. 4 整鍛低壓轉(zhuǎn)子 724. 2 解剖檢測 784. 2. 1 RPV 接管段 784. 2. 2 SG 管板 794. 2. 3 SG 水室封頭 804. 3 研制及驗證 834. 3. 1 600t 級鋼錠的研制 834. 3. 2 600t 級鋼錠的驗證 864. 3. 3。遥校 接管段法蘭全截面測溫及性能檢測 87第5 章 核電鍛件制造技術(shù)對比 905. 1 冶煉及鑄錠 905. 1. 1 低硅控鋁鋼的冶煉 915. 1. 2 超大型鋼錠制造 935. 2 RPV 一體化鍛件 945. 2. 1 頂蓋 945. 2. 2 底封頭 975. 3 SG 鍛件胎模鍛造 985. 3. 1 管板 985. 3. 2 水室封頭 985. 4 近凈成形鍛造 1005. 4. 1 接管段 1005. 4. 2 錐形筒體 1005. 4. 3 主管道空心鍛造 1015. 5 整鍛低壓轉(zhuǎn)子的純凈性與均勻性 1035. 5. 1 純凈性 1035. 5. 2 均勻性 104第6 章 典型核電鍛件成形過程的數(shù)值模擬與比例試驗 1056. 1 成形工藝研究 1056_xdbc0_u56752 . 1_xdbc0_u56752 . 1 自由鍛成形工藝 1056. 1. 2 數(shù)值模擬 1076. 1. 3 物理模擬 1076. 1. 4 比例試驗 1086. 2 數(shù)值模擬軟件的選擇及邊界條件的優(yōu)化 1086. 3 物理模擬及比例試驗 1096. 3. 1 整體頂蓋物理模擬 1096. 3. 2 水室封頭管嘴翻邊比例試驗 1096. 3. 3 水室封頭近凈成形比例試驗 1106. 3. 4 主管道低熔點合金內(nèi)支撐彎曲比例試驗 111第7 章 核電鍛件制造的發(fā)展前景 1137. 1 產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定與提高 1137. 2 標(biāo)準(zhǔn)的自主化 1147. 3 鍛件的綠色制造與極端制造 115第2 篇 超大型鋼錠研制及應(yīng)用第1 章 核電用鋼化學(xué)成分設(shè)計與優(yōu)化 1211. 1 Mn-Mo-Ni 鋼 1211. 2 不銹鋼 1221. 3 Cr-Ni-Mo-V 鋼 1271. 3. 1 電爐氧化及LF 爐精煉原料成分控制 1271. 3. 2 超純轉(zhuǎn)子鋼冶煉及鑄錠要求 131第2 章 制造方法的創(chuàng)新 1332. 1 低硅控鋁鋼的冶煉 1332. 1. 1 低硅的影響 1342. 1. 2 控制鋁含量 1362. 2 保護澆注 1372. 3 二次補澆 1382. 4 空心鋼錠 1402. 4. 1 大氣澆注 1402. 4. 2 真空澆注 1432. 5 直桶型精煉鋼包底吹氬新工藝 1462. 5. 1 試驗原理及方法 1462. 5. 2 試驗結(jié)果分析與討論 1502. 5. 3 結(jié)論 1562. 6 MP 工藝研究 1562. 6. 1 研究目標(biāo)及研究內(nèi)容 1572. 6. 2 研究方案及研究過程 1572. 6. 3 結(jié)論 161第3 章 優(yōu)質(zhì)耐火材料 1623. 1 水口磚 1633. 1. 1 鎂碳磚 1633. 1. 2 復(fù)合磚 1643. 1. 3 鋯質(zhì)磚 1643. 2 導(dǎo)流管 1653. 2. 1 分體式 1653. 2. 2 整體式 1663. 3 塞棒 1673. 3. 1 分體式 1673. 3. 2 整體式 1673. 4 長水口 1693. 4. 1 試驗研究 1693. 4. 2 工程應(yīng)用 174第4 章 中間包 1784. 1 傳統(tǒng)中間包 1794. 1. 1 數(shù)值模擬 1794. 1. 2 溫度場計算結(jié)果分析 1814. 2 新型中間包 1854. 2. 1 包內(nèi)鋼液流動數(shù)值模擬研究結(jié)果分析 1854. 2. 2 工程應(yīng)用 199第5 章 超大型鋼錠的解剖 2005. 1 解剖方案 2005. 2 純凈性 2015. 3 致密性 2025. 4 制造技術(shù)對比 2025. 5 對傳統(tǒng)觀念的突破 203第3 篇 壓力容器鍛件研制及應(yīng)用第1 章 壓水堆頂蓋 2131. 1 分體式 2131. 2 整體式 2141. 2. 1 產(chǎn)品研制 2141. 2. 2 產(chǎn)品制造 2251. 3 一體化 2361. 3. 1 產(chǎn)品研制 2361. 3. 2 產(chǎn)品制造 2491. 4 制造方式對比 2501_xdbc0_u56752 . 5 經(jīng)驗教訓(xùn)及預(yù)防措施 255第2 章 壓水堆接管段 2592. 1 分體式 2602. 2 整體式 2692. 2. 1 鍛造 2692. 2. 2 熱處理 2722. 2. 3 解剖檢測 2752. 2. 4 國內(nèi)外制造方式對比 2792. 2. 5 經(jīng)驗教訓(xùn) 2802. 3 半一體化 2902. 4 一體化 292第3 章 壓水堆下封頭 2983. 1 分體式 2983. 2 一體化 2993. 2. 1 產(chǎn)品研制 2993. 2. 2 產(chǎn)品制造 3113. 2. 3 國內(nèi)外制造方式對比 315第4 章 其他鍛件 3184. 1 壓水堆其他鍛件 3184. 1. 1 筒體 3184. 1. 2 過渡段 3184. 1. 3 接管 3184. 2 沸水堆鍛件 3234. 2. 1 下封頭 3234. 2. 2 法蘭 3234. 2. 3 筒體 3244. 3 小型堆一體化頂蓋 3254. 3. 1 工藝性分析 3264. 3. 2 主要研究內(nèi)容 3264. 3. 3 滿足設(shè)計要求及保證質(zhì)量的分析 3264. 3. 4 制造工藝 3264. 4 高溫氣冷堆鍛件 331第4 篇 蒸汽發(fā)生器鍛件研制及應(yīng)用第1 章 壓水堆上封頭(橢球封頭) 3411. 1 分體式 3411. 2 整體式 343第2 章 壓水堆錐形筒體與管板 3542. 1 錐形筒體 3542_xdbc0_u56752 . 1_xdbc0_u56752 . 1 覆蓋式鍛造 3542. 1. 2 仿形鍛造 3552. 1. 3 近凈成形鍛造 3562. 2 管板 3632. 2. 1 鍛造 3632. 2. 2 熱處理 3672. 2. 3 評定與解剖 3702. 3 國內(nèi)外制造方式對比 3762. 3. 1 錐形筒體 3762. 3. 2 管板 377第3 章 壓水堆下封頭(水室封頭) 3783. 1 分體式 3793. 2 整體式 3823. 3 胎模鍛造 3833. 3. 1 產(chǎn)品研制 3843. 3. 2 產(chǎn)品制造 3973. 3. 3 經(jīng)驗教訓(xùn) 4033. 4 管嘴翻邊 4173. 4. 1 產(chǎn)品研制 4173. 4. 2 產(chǎn)品制造 4193. 5 國內(nèi)外制造方式對比 4223. 5. 1 帶非向心管嘴整體水室封頭 4223. 5. 2 帶向心管嘴整體水室封頭 423第4 章 其他鍛件 4244. 1 壓水堆其他鍛件 4244. 1. 1 上部筒體 4244. 1. 2 下部筒體 4264. 2 高溫氣冷堆鍛件 428第5 篇 其他Mn-Mo-Ni 鋼鍛件研制及應(yīng)用第1 章 穩(wěn)壓器及堆芯補給水箱鍛件 4351. 1 穩(wěn)壓器鍛件 4351. 1. 1 上封頭 4351. 1. 2 下封頭 4371. 2 堆芯補給水箱鍛件 4491. 2. 1 筒體 4491. 2. 2 上封頭 4511. 2. 3 下封頭 452第2 章 主泵鍛件 4542. 1 泵殼 4542. 1. 1 自由鍛造 4542. 1. 2 仿形鍛造 4572. 1. 3 近凈成形鍛造 4662. 2 殼法蘭鍛件 4722. 2. 1 強韌性提升方案 4732. 2. 2 優(yōu)化效果 474第3 章 核廢料罐鍛件 4783. 1 工藝性分析 4783. 2 滿足設(shè)計要求和保證質(zhì)量的分析 4783. 3 制造工藝 4793. 4 性能結(jié)果 481第6 篇 不銹鋼鍛件研制及應(yīng)用第1 章 基礎(chǔ)研究 4861. 1 主管道用不銹鋼材料介紹 4861. 2 材料特性及成分優(yōu)化 4861. 2. 1 321 不銹鋼 4861. 2. 2 316LN 不銹鋼 5011. 3 冶煉及鑄錠 5051. 3. 1 雙真空 5061. 3. 2 ESR 5061. 4 晶粒度影響因素研究 5061. 5 晶粒細(xì)化及均勻化比例試驗 5201. 6 不銹鋼的防污染研究 526第2 章 主管道鍛件管坯鍛造 5302. 1 實心鍛件 5302. 2 空心鍛件 5322. 3 近凈成形鍛件 5332. 4 國內(nèi)外制造方式對比 542第3 章 主管道彎制、機加工及熱處理 5453. 1 彎制方式 5453. 2 內(nèi)部支撐 5493. 3 機械加工 5523. 4 固溶熱處理 553第4 章 其他不銹鋼鍛件 5604. 1 CENTER 5604. 1. 1 超大型不銹鋼鍛件的研究內(nèi)容 5614. 1. 2 結(jié)論 5704. 2 堆內(nèi)構(gòu)件 5714. 2. 1 堆芯支撐板 5714. 2. 2 壓緊彈簧 5754. 3 快堆支撐環(huán) 5774. 3. 1 冶煉及鑄錠 5784. 3. 2 鍛造 5784. 3. 3 熱處理 578第7 篇 常規(guī)島鍛件研制及應(yīng)用第1 章 常規(guī)島轉(zhuǎn)子簡介 5831. 1 常規(guī)島汽輪發(fā)電機組 5831. 2 核電轉(zhuǎn)子的發(fā)展歷程 5831. 3 核電轉(zhuǎn)子工況及要求 5851. 3. 1 轉(zhuǎn)子工況 5851. 3. 2 核電轉(zhuǎn)子材料 5851. 3. 3 核電轉(zhuǎn)子要求 585第2 章 核電轉(zhuǎn)子制造技術(shù)及裝備研究 5862. 1 核電轉(zhuǎn)子國外研究進展 5862. 2 鍛造技術(shù)研究 5872. 2. 1 鐓粗研究 5882. 2. 2 拔長方法選擇 5922. 2. 3 FM 法的優(yōu)化研究 5962. 2. 4 FM 法對水壓機振動的影響研究 6132. 2. 5 JTS 鍛造方法研究 6152. 2. 6 材料熱鍛性能及晶粒演化研究 6162. 3 熱處理技術(shù)研究 6202. 3. 1 鍛后熱處理工藝研究 6212. 3. 2 性能熱處理工藝研究 6242. 4 大型開合式熱處理裝備研制 6292. 4. 1 加熱和淬火設(shè)備形式研究 6292. 4. 2 開合式熱處理爐研制 6292. 4. 3 開合式淬火設(shè)備研制 6302. 4. 4 大型開合式熱處理裝備研制效果 632第3 章 核電轉(zhuǎn)子試制與評定 6333. 1 整鍛低壓轉(zhuǎn)子試制 6333. 1. 1 冶煉及鑄錠 6333. 1. 2 鍛造 6343. 1. 3 熱 處理 6363. 2 試制轉(zhuǎn)子的性能檢測 6383. 2. 1 化學(xué)成分分析 6393. 2. 2 力學(xué)性能分析 6403. 2. 3 組織、晶粒度、夾雜物分析 6413. 2. 4 長心棒拉伸試驗 6423. 2. 5 無損檢測 6433. 3 試制轉(zhuǎn)子解剖 6433. 3. 1 解剖方案 6433. 3. 2 解剖 6443. 3. 3 各種解剖數(shù)據(jù)分析 6473. 3. 4 解剖分析結(jié)論 651第4 章 產(chǎn)品制造 6524. 1 汽輪機整鍛低壓轉(zhuǎn)子 6524. 1. 1 冶煉及鑄錠 6534. 1. 2 鍛造 6554. 1. 3 熱處理 6634. 2 汽輪機焊接轉(zhuǎn)子 6654. 2. 1 輪盤 6654. 2. 2 軸頭 6674. 3 汽輪機低壓轉(zhuǎn)子整鍛與分鍛的對比 6704. 4 發(fā)電機轉(zhuǎn)子 6724. 4. 1 冶煉及鑄錠 6724. 4. 2 鍛造 6724. 4. 3 熱處理 6734. 4. 4 產(chǎn)品主要技術(shù)指標(biāo) 674第8 篇 存在的問題與未來發(fā)展設(shè)想第1 章 問題與不足 6851. 1 鍛件質(zhì)量不穩(wěn)定 6851. 2 現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的不適應(yīng)性 6851. 2. 1 M310SG 水室封頭 6851. 2. 2 M310SG 管板 6851. 3 熱處理余量的不合理性 6881. 4 特殊性能試驗的不完整性 6901. 4. 1 輻照環(huán)境下性能試驗 6901. 4. 2 冷卻劑環(huán)境下性能試驗 6901. 5 材料的潛力有待挖掘 6901. 6 模擬軟件邊界條件需要不斷優(yōu)化 6921. 6. 1 超大型鋼錠的凝固模擬 6921. 6. 2 鍛件成形模擬中成形力偏差 6921. 7 取樣位置的代表性有待探討 6931. 7. 1 RPV 封頭 6941. 7. 2 SG 管板 695第2 章 設(shè)想與展望 6982. 1 材料的挖潛與研發(fā) 6982. 1. 1 原有材料的挖潛 6982. 1. 2 新材料的研發(fā) 6982. 2 制造工藝的創(chuàng)新 6992. 2. 1 鋼錠/制坯 6992. 2. 2 成形 7012. 2. 3 晶粒與應(yīng)力 7032. 3 設(shè)備與工裝能力進一步加大 7052. 3. 1 200 1000MN 液壓機 7052. 3. 2 1200MN 鍛擠壓機 7062. 3. 3 超大直徑鍛件測量裝置 7082. 4 團隊建設(shè) 7082. 4. 1 學(xué)習(xí)型團隊 7082. 4. 2 綜合型人才 709參考文獻 710索引 715
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