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增材制备技术与装备


  目前国内制备大构件、大单重锻件时普遍采用的工艺技术是铸坯+锻造,但在制备过程中经常会出现材料心部疏松,夹杂和高合金偏析严重、组织性能不均匀、以及难变形易开裂等现象。为避免上述情况的发生,本公司创新性的提出薄料连铸+增材制造工艺技术,将大构件分解为均质小件进行分层设计,通过增加小件材料的层数得到大构件,利用真空电子束焊接技术将各层进行焊接封装成为一个整体构件,再通过锻造、轧制、挤压等工艺流程制备大型锻件、厚板、型材、管材等成品(简称增材制大)。增材制备技术可有效降低合金含量,降低生产成本,提升构件的综合性能。工艺过程如图1所示。

图1 增材制备技术工艺简图
  本公司利用增材制备技术制备了高性能、高品质的特厚板、复合轧辊和复合钢筋等复合材料,掌握了具有国际先进水平的特厚板真空制坯复合轧制技术(VRC)全流程工艺与装备,可基于真空电子束或搅拌摩擦焊的轧制复合完成钢、钛、铝、铜、镁等材料的增材制造,并具备制备特厚铝板等高附加值材料的能力。
相关技术成果形成多项发明专利,并应用到国内多家大、中型企业。
1、特厚板制备技术与装备
  随着我国基础结构建设项目的不断增加,设备的大型化和对安全要求的不断提高,在海洋工程、电力、核能、军工、模具等众多重大技术装备领域对特厚钢板的需求旺盛。高强度、高等级、高技术含量和高附加值品种的特厚板逐渐成为钢厂的主打产品。特厚钢板一般应用于一些特殊的领域,这就要求钢板具有高致密度、高纯净度、高均匀性和低缺陷率,保证其良好的内部质量和厚度方向性能。真空制坯热轧复合技术是一种国际上运用比较成熟的金属复合技术,该技术不但可以对同质的钢板进行复合以制备特厚钢板,还可以对异质金属进行复合来制备异质金属复合板,具有极其优异的工艺适应性。与其他生产方法相比,真空制坯热轧复合法制备复合板的生产效率和成材率均很高,复合界面也具有极为优异的结合性能,非常适合现代化的工业生产。真空轧制复合特厚板的工艺技术流程如图2所示。

图2 真空轧制复合特厚板的工艺流程
  真空轧制复合技术(VRC)是一项国际先进的高性能特厚钢板制备技术。东北大学-轧制技术及连轧自动化国家重点实验室(简称RAL)于2005年在国内率先开展了VRC技术的研究和开发工作,掌握了具有国际先进水平的特厚板真空制坯复合轧制技术(VRC)全流程工艺与装备,并于2017年将该项技术通过专利成果转化的方式授予我公司使用。目前该项技术已成功应用到了济钢、鞍钢、南钢、番禺珠江钢管、舞阳、文丰等国内大型企业,为企业开发出了不同成分体系和尺寸规格的特厚钢板。 本公司现承接特厚坯制备产线的全套交钥匙工程,包括用于制坯产线全部装备的设计、制造、安装及调试;为特厚板的真空制坯复合轧制生产工艺及装备提供解决方案;同时可为难焊接(高碳当量、高合金)、大单重的特厚板提供新的工艺路径和解决方案。


图3 特厚板生产现场
(a)VRC特厚板制坯车间;(b)真空电子束焊机封装后的坯料; (c)VRC工艺生产的220mm特厚板
2、复合轧辊的研制
  轧辊作为轧机的主要的消耗部件,其消耗成本约为轧钢成本的5%-10%,如果考虑到因轧辊消耗而带来的生产停机、降产和设备维修增加等方面因素,则其所占生产成本的比重会更高。轧辊质量不仅关系到轧钢生产成本和轧机生产作业率,还在很大程度上影响轧材质量。随着轧钢技术的发展,轧钢技术和自动化程度不断提高,对轧辊质量特别是轧辊的耐磨性、强度和韧性等提出了更高的要求。
  目前我国轧辊的生产,研究与使用水平,与发达国家相比,仍有一定的差距,为了满足轧钢生产的实际需要,我国依然每年需要花费大量外汇从国外进口轧辊。为了满足轧辊在高温、强载荷、高耐磨、腐蚀和放射性等恶劣环境中长期工作,通常采用高合金钢、高耐磨钢、有色金属、难熔金属或上述材料的合金做轧辊,不仅价格昂贵,而且不能同时满足工业使用中各方面的特殊要求。所以复合轧辊的研究与应用越来越引起国内外轧辊研究和制造部门的重视。
  目前制造复合轧辊工艺方法有冲洗铸造法、离心铸造法、连续浇注外层成形法、电渣重熔法、热等静压法等,但这些制造复合轧辊有其自身无法解决的问题。制造复合碳化物会产生严重的偏析现象。W、Cr、Mo、V等合金元素及其碳化物的偏析存在导致铸坯的组织性能不均匀,且在后续的锻造过程中,使复合轧辊铸坯变形为轧辊的工艺主要分为铸坯和锻造两个阶段。在铸坯过程中,为了使复合轧辊表面具有良好的耐磨性、红硬性和高硬度,往往在铸坯中添加了大量W、Cr、Mo、V等合金元素,在铸坯凝固过程中,由于冷却速度快,这些化学元素来不及扩散,易形成心部偏析,产生开裂。一旦开裂,轧辊就会报废,会造成很大的经济损失。
  真空叠加复合轧辊是一种将VRC增材复合技术应用在复合轧辊制造,利用均质小(薄)件、分层设计、增材制大的思路设计的一种新型复合轧辊。它是指在真空状态下将辊芯与快速凝固得到的偏析小的薄规格辊环实现端部密封(可以加中间层也可以不加中间层),再通过后续的高温高压形变及相应的工艺技术使工作层与工作层及芯部与工作层实现冶金结合的一种冶金机械零件。工艺流程如图4所示。我公司目前正在与某钢厂进行此项技术的应用与推广,已开展了多轮中试试验,现场照片如图5所示。此项技术已申请国家发明专利。

图4 应用VRC增材复合技术制备轧辊的新工艺思路

图5 与邢台轧辊合作正开展复合轧辊实验室研究
  增材制备技术与装备以其技术独创性,降低生产成本,提升构件的综合性能。目前,本公司掌握的增材制备技术与研发装备已创造了近亿元的项目应用成果,具有广泛的应用前景。

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