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超大型核電鍛件綠色制造技術(shù)與實(shí)踐
為了適應(yīng)核電裝備長(zhǎng)壽期、大型化等發(fā)展需求, 超大型核電鍛件應(yīng)運(yùn)而生。 長(zhǎng)期以來(lái),我國(guó)重主機(jī)而輕配套的發(fā)展思路, 致使超大型鍛件依賴進(jìn)口供貨, 國(guó)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(jìn)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(guó)發(fā)展重大裝備工業(yè)的瓶頸之一。 為了盡快實(shí)現(xiàn)超大型核電鍛件的自主化并達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平, 由中國(guó)第一重型機(jī)械集團(tuán)公司牽頭, 聯(lián)合國(guó)內(nèi)優(yōu)勢(shì)企業(yè)、高等院校及科研院所, 承擔(dān)了國(guó)家“十一五” 科技支撐計(jì)劃及大型先進(jìn)壓水堆核電重大專項(xiàng)等科研課題, 開(kāi)展了長(zhǎng)達(dá)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(tuán)隊(duì)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(jiān)克難、“屢敗屢戰(zhàn)”, 經(jīng)過(guò)不懈努力, 取得了多項(xiàng)世界之最的優(yōu)異成績(jī)。目前, 全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)入新常態(tài), 導(dǎo)致熱加工產(chǎn)能嚴(yán)重過(guò)剩, 60MN 及以上液壓機(jī)開(kāi)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(shì), 對(duì)超大型核電鍛件的需求是永恒的。 國(guó)家核電裝備“走出去” 戰(zhàn)略的實(shí)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(lái)在超大型核電鍛件研究與制造方面的經(jīng)驗(yàn)、體會(huì)和教訓(xùn)編撰成冊(cè), 對(duì)如何進(jìn)行系統(tǒng)性基礎(chǔ)研究、如何進(jìn)行低成本工程化試制, 以及怎樣實(shí)現(xiàn)綠色化、產(chǎn)業(yè)化、批量化生產(chǎn)進(jìn)行了闡述, 對(duì)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)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(diǎn)、創(chuàng)新性研發(fā)以及國(guó)內(nèi)外同類制造技術(shù)對(duì)比等方面進(jìn)行了綜述; 第2 篇對(duì)超大型核電鍛件的坯料———超大型鋼錠的研制進(jìn)行了論述; 第3 7 篇分別重點(diǎn)對(duì)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(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)進(jìn)行了詳細(xì)闡述; 第8 篇對(duì)核電超大型鍛件研制中具有代表性的問(wèn)題與不足進(jìn)行了列舉, 對(duì)未來(lái)發(fā)展進(jìn)行了展望。本書是工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)與提煉, 含有直徑?4000mm 的600t 級(jí)超大型鋼錠和直徑?3000mm 的汽輪機(jī)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(jì)、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(shí)踐的圖表展示了超大型核電鍛件綠色制造技術(shù)的先進(jìn)性, 為了保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的真實(shí)性及完整性, 本專著少部分圖表及描述采用了機(jī)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(yuǎn)、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(jì)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(guó)科學(xué)院金屬研究所、鋼鐵研究總院和機(jī)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(qǐng)讀者批評(píng)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(jiǎn)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(píng)定 322. 5. 3 核安全許可 332. 6 制造過(guò)程控制 332. 7 產(chǎn)品質(zhì)量的可追溯性 352. 7. 1 母材見(jiàn)證件 352. 7. 2 焊接見(jiàn)證件 35第3 章 鍛件制造設(shè)備與工裝特點(diǎn) 363. 1 制造設(shè)備的超大型化及自動(dòng)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(jī)及翻鋼機(jī) 563. 2. 6 坯料翻轉(zhuǎn)機(jī) 573. 2. 7 回轉(zhuǎn)裝置 593. 2. 8 非對(duì)稱鎖緊式半球體夾緊裝置 603. 2. 9 雙端不對(duì)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(jī) 63第4 章 核電鍛件的評(píng)定、解剖檢測(cè)及驗(yàn)證 644. 1 評(píng)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(cè) 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(yàn)證 834. 3. 1 600t 級(jí)鋼錠的研制 834. 3. 2 600t 級(jí)鋼錠的驗(yàn)證 864. 3. 3。遥校 接管段法蘭全截面測(cè)溫及性能檢測(cè) 87第5 章 核電鍛件制造技術(shù)對(duì)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(guò)程的數(shù)值模擬與比例試驗(yàn) 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(yàn) 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(yàn) 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(yàn) 1096. 3. 3 水室封頭近凈成形比例試驗(yàn) 1106. 3. 4 主管道低熔點(diǎn)合金內(nèi)支撐彎曲比例試驗(yàn) 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(jì)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(hù)澆注 1372. 3 二次補(bǔ)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(yàn)原理及方法 1462. 5. 2 試驗(yàn)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?jī)?nèi)容 1572. 6. 2 研究方案及研究過(guò)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(zhǎng)水口 1693. 4. 1 試驗(yàn)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(chǎng)計(jì)算結(jié)果分析 1814. 2 新型中間包 1854. 2. 1 包內(nèi)鋼液流動(dòng)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(duì)比 2025. 5 對(duì)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(duì)比 2501_xdbc0_u56752 . 5 經(jīng)驗(yàn)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(cè) 2752. 2. 4 國(guó)內(nèi)外制造方式對(duì)比 2792. 2. 5 經(jīng)驗(yàn)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(guó)內(nèi)外制造方式對(duì)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(guò)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?jī)?nèi)容 3264. 3. 3 滿足設(shè)計(jì)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(píng)定與解剖 3702. 3 國(guó)內(nèi)外制造方式對(duì)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(yàn)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(guó)內(nèi)外制造方式對(duì)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(bǔ)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(bǔ)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(qiáng)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(jì)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(yàn) 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(shí)心鍛件 5302. 2 空心鍛件 5322. 3 近凈成形鍛件 5332. 4 國(guó)內(nèi)外制造方式對(duì)比 542第3 章 主管道彎制、機(jī)加工及熱處理 5453. 1 彎制方式 5453. 2 內(nèi)部支撐 5493. 3 機(jī)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?jī)?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(jiǎn)介 5831. 1 常規(guī)島汽輪發(fā)電機(jī)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(guó)外研究進(jìn)展 5862. 2 鍛造技術(shù)研究 5872. 2. 1 鐓粗研究 5882. 2. 2 拔長(zhǎng)方法選擇 5922. 2. 3 FM 法的優(yōu)化研究 5962. 2. 4。疲 法對(duì)水壓機(jī)振動(dòng)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(kāi)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(kāi)合式熱處理爐研制 6292. 4. 3 開(kāi)合式淬火設(shè)備研制 6302. 4. 4 大型開(kāi)合式熱處理裝備研制效果 632第3 章 核電轉(zhuǎn)子試制與評(píng)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(cè) 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(zhǎng)心棒拉伸試驗(yàn) 6423. 2. 5 無(wú)損檢測(cè) 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(jī)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(jī)焊接轉(zhuǎn)子 6654. 2. 1 輪盤 6654. 2. 2 軸頭 6674. 3 汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子整鍛與分鍛的對(duì)比 6704. 4 發(fā)電機(jī)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(wèn)題與未來(lái)發(fā)展設(shè)想第1 章 問(wèn)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(yàn)的不完整性 6901. 4. 1 輻照環(huán)境下性能試驗(yàn) 6901. 4. 2 冷卻劑環(huán)境下性能試驗(yàn) 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(jìn)一步加大 7052. 3. 1 200 1000MN 液壓機(jī) 7052. 3. 2 1200MN 鍛擠壓機(jī) 7062. 3. 3 超大直徑鍛件測(cè)量裝置 7082. 4 團(tuán)隊(duì)建設(shè) 7082. 4. 1 學(xué)習(xí)型團(tuán)隊(duì) 7082. 4. 2 綜合型人才 709參考文獻(xiàn) 710索引 715
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