超大型核电锻件绿色制造技术

本书是包括华龙一号珍贵资料在内的无数工程技术人员的心血结晶，以作者王宝忠为首的团队实现了三代核电核岛及常规岛锻件全部自主化，并将中国大型锻件制造技术带到国际领先水平。本书是核电装备设计、制造、监管者以及从事核电装备制造的学习者们的良师益友。 

本书通过大量翔实的试验数据，重点介绍了超大型核电锻件在从自由锻造向绿色制造（胎模锻造、近净成形）发展过程中的先进制造技术及工程应用，对研制过程中的经验教训进行了深入剖析。针对核电装备向大型化、长寿期的发展趋势，对超大型核电锻件未来的发展进行了展望。本书含有1300余幅图表，内容包括所描述的超大型核电锻件1:1评定、解剖、制造等珍贵技术资料，是一代工程技术人员心血的结晶。在全球装备制造业因产能严重过剩而导致价格恶性竞争的新形势下，对稳定和提高超大型核电锻件质量具有很高的参考价值。本书可供从事锻造行业的生产、技术与研发人员使用，也可供高等院校相关方向的研究生和教师参考。

王宝忠，工学博士、研究员级高级工程师、博士研究生兼职导师。现兼任国家核安全与环境专家委员会委员、国家能源行业标准化技术委员会委员、全国大型铸锻件标准化技术委员会副主任委员等职务。
为了改变我国装备制造业“短板”之一的大型锻件制造技术落后于发达国家的状况，作者四十年如一日坚守在集苦、脏、累、险于一身的热加工生产和科研线，在边干边学中增长才干，创造性地将传统的大型锻件自由锻造技术提升为绿色制造技术。
作为课题负责人承担了十余项*科研课题，获“国家科学技术进步奖”二等奖两项、省部级科技进步特等奖三项、一等奖四项，拥有发明专利12项。
作为作者，通过连续3届在国际锻造师年会上宣读6篇论文，提升了中国大型锻件的国际地位。为了培养人才、传承技术，将亲身经历的理论创新与工程实践总结与提炼，撰写出数十篇（册）论文与专著。现虽已年过花甲，仍痴心不改地继续从事心爱的大型锻件科研、标准的制订、修订及热加工人才培养等工作，为大型锻件行业的发展贡献着力量。

序
前言

第1篇综述
第1章核电站与核电堆型简介3
1.1核电站种类及构成3
1.2核电的堆型4
1.2.1压水堆4
1.2.2沸水堆4
1.2.3重水堆5
1.2.4石墨水冷堆5
1.2.5高温气冷堆5
1.2.6快堆5
1.3发展核电的目的与方向6
1.4核电装备自主化及“走出去”6
第2章核电锻件的重要性8
2.1核电锻件在核电装备中的地位与作用8
2.2历史重任及殷切期望8
2.3不辱使命9
第3章超大型核电锻件的主要特点及制造要求12
3.1规格巨大且形状复杂12
3.1.1核电常规岛整锻低压转子12
3.1.2核电常规岛发电机转子13
3.1.3核电一体化封头13
3.2技术要求高14
3.3锻件向大型化及一体化方向发展14
3.3.1压力容器锻件的大型化及一体化15
3.3.2蒸汽发生器锻件的大型化及一体化15
3.4绿色制造16
3.4.1胎模锻造17
3.4.2近净成形19
3.5制造资质评定与生产许可22
3.5.1取证23
3.5.2评定23
3.5.3核安全许可25
3.6制造过程控制要求25
3.6.1评定/制造大纲25
3.6.2质量计划25
3.6.3无损检测规程26
3.6.4先决条件检查26
3.7产品质量的可追溯性26
3.7.1母材见证件26
3.7.2焊接见证件26
第4章设备与工装特点27
4.1制造设备的大型化27
4.1.1超大型冶炼及铸锭设备27
4.1.2超大型锻造设备27
4.1.3超大型热处理设备28
4.2工装的大型化及复杂化29
4.2.1二代加SG水室封头管嘴翻边装置29
4.2.2改进型一体化顶盖模锻工装30
4.2.3超大型锻件坯料翻转装置31
4.2.4转子中心孔超声波检测装置31
4.2.5超大型筒体锻件一次性浸水淬火装置31
第5章创新性评定及验证33
5.1一体化锻件创新性验证33
5.1.1CAP1400RPV一体化顶盖锻件评定33
5.1.2CAP1400RPV一体化底封头锻件评定34
5.2超大型锻件的大数据积累37
5.2.1CAP1400RPV接管段1∶1解剖试验37
5.2.2CAP1400SG管板1∶1解剖试验38
5.2.3AP1000SG水室封头1∶1解剖检验39
5.2.4华龙一号泵壳1∶1解剖评定41
5.2.5AP1000RPV接管段法兰全截面测温及性能检验45
5.3600t级钢锭的试验验证46
5.3.1600t级钢锭的研制46
5.3.2600t级钢锭的解剖验证48
5.4常规岛汽轮机整锻低压转子评定50
5.4.1锻造50
5.4.2热处理51
5.4.3解剖评定52
第6章核电锻件的先进制造技术56
6.1冶炼及铸锭56
6.1.1低Si控Al钢的冶炼及铸锭57
6.1.2超大型钢锭58
6.2压力容器（RPV）一体化锻件59
6.2.1RPV顶盖59
6.2.2RPV底封头61
6.3蒸汽发生器（SG）锻件胎模锻造61
6.3.1SG管板61
6.3.2SG水室封头62
6.4近净成形63
6.4.1RPV接管段63
6.4.2SG锥形筒体63
6.5主管道空心锻造64
6.6核电常规岛汽轮机整锻低压转子66
6.6.1锻件内部质量的纯净性66
6.6.2锻件性能的均匀性67
第7章理论与实践的反复完善69
7.1模拟软件的选择及边界条件的优化69
7.2物理模拟及比例试验70
7.2.1整体顶盖物理模拟70
7.2.2水室封头管嘴翻边比例试验70
7.2.3水室封头近净成形比例试验70
7.2.4主管道低熔点合金内支撑弯曲比例试验72
第8章核电锻件制造的走向73
8.1产品质量稳步提高73
8.2锻件标准的自主化74
8.3实现锻件的制造75
8.3.1RPV一体化接管段75
8.3.2CAP1700常规岛汽轮机整锻低压转子75
8.3.3600MW快堆支撑环76
8.3.4沸水堆封头76

第2篇超大型核电锻件绿色制造的基础
第1章主要设备与工装79
1.1冶炼设备79
1.1.1电弧炉（EAF）79
1.1.2钢包精炼炉（LRF）79
1.1.3电渣重熔炉（ESR）80
1.1.4真空感应熔炼炉（VIM）81
1.2铸锭设备81
1.2.1上注81
1.2.2下注82
1.2.3真空吸注82
1.3液压机83
1.3.1水压机85
1.3.2油压机87
1.3.3自由锻水压机与油压机的比较88
1.3.4自由锻液压机未来发展方向90
1.4热处理设备90
1.4.1电炉91
1.4.2燃气炉91
1.4.3淬火冷却设备91
1.4.4热稳定试验机94
1.4.5起吊吊具94
1.5试样制备设备95
1.5.1拉伸试样加工专机95
1.5.2冲击试样加工专机95
1.5.3落锤试样制备设备97
1.6无损检测设备98
1.6.1超声波检测（UT）98
1.6.2射线检测（RT）99
1.6.3渗透检测（PT）99
1.6.4磁粉检测（MT）99
1.7超大直径钢锭火焰切割设备100
1.8特殊工装100
1.8.1钢锭抬梁及吊钳100
1.8.2锻造起重机与翻钢机102
1.8.3坯料翻转机103
1.8.4坯料回转装置105
1.8.5水室封头管嘴翻边定位装置107
1.8.6双端不对称变截面筒体同步变形装置108
第2章研究方法与研究手段110
2.1材料基础研究110
2.1.1化学成分设计与优化110
2.1.2热物性参数测试115
2.1.3热加工图制定118
2.1.4相图与特性曲线测绘119
2.2工艺研究方法与手段121
2.2.1冶炼与铸锭工艺研究121
2.2.2成形工艺研究123
2.2.3热处理工艺研究126
第3章超大型钢锭研究与制造130
3.1冶炼及铸锭工艺方法的创新130
3.1.1低Si控Al钢的冶炼130
3.1.2保护浇注135
3.1.3钢锭二次补浇136
3.1.4空心钢锭137
3.2优质耐火材料141
3.2.1水口砖142
3.2.2塞棒144
3.2.3导流管145
3.3中间包146
3.3.1传统中间包147
3.3.2新型中间包153
3.4长水口166
3.4.1实验研究166
3.4.2工程实践171
3.5超大型钢锭浇注与脱模171
3.5.1保护浇注171
3.5.2脱模172
3.6超大型钢锭的解剖172
3.6.1

为了适应核电装备长寿期、大型化等发展需求，超大型核电锻件应运而生。长期以来，我国重主机而轻配套的发展思路，致使超大型锻件依赖进口供货，国产件能力与质量难以满足要求，已成为重大装备业发展的瓶颈并受制于人。在第三代核电技术引进中，外方始终不同意转让大型锻件制造技术。为了突破国外的技术封锁，尽快实现超大型核电锻件生产的自主化并达到国际先进水平，在国家“十一五”科技支撑计划及大型先进压水堆核电重大专项等项目的资助下，由中国重型机械集团公司牵头，联合国内优势企业及科研院所，开展了长达十年的超大型核电锻件的研究与制造工作。
超大型核电锻件的绿色制造具体体现为锻件的近净成形与一体化锻造。超大型核电锻件的制造已很“难”；一体化超大型核电锻件的制造“更难”；而近净成形的一体化超大型核电锻件绿色制造难度则是“难以想象”。近乎“一穷二白”的超大型核电锻件研究与制造工作近乎“赤膊上阵”，为了对研制方案进行验证和积累大数据投制了大量1∶1的试验解剖锻件，攻坚克难、屡败屡战。经过不懈努力，取得了水平的好成绩。
目前，全球经济发展进入新常态，导致了热加工产能严重过剩，根据国际锻造师年会资料统计，60MN及以上液压机开工率平均不足30%。虽然超大型核电锻件热火朝天、供不应求的局面可能一去不复返了，但能源装备清洁、绿色、高效的发展趋势，对超大型核电锻件的需求是永恒的。国家核电装备“走出去”战略的实施，也必将为超大型核电锻件的发展提供更加广阔的空间。因此，作者们利用热加工开工不足的“闲暇”时间，将十几年来在超大型核电锻件研究与制造方面的经验、体会和教训编撰成册，对如何进行系统性基础研究、如何进行低成本工程化试制以及怎样实现绿色化、产业化、批量化生产进行了阐述，对未来的发展趋势进行了展望。
本书共分8篇32章。第1篇从超大型核电锻件的重要性、主要特点、创新性研发以及国内外同类技术先进性对比等方面进行了综述；第2篇从设备与工装、研究方法与手段以及超大型钢锭三个方面介绍了研制超大型核电锻件应具备的基础；第3~7篇分别对各种堆型的压力容器、蒸汽发生器、主管道等核岛锻件以及常规岛锻件研制进行了详细阐述；第8篇对超大型核电锻件研制中具有代表性的经验教训进行了介绍，对未来发展进行了展望。
本书是工程实践经验的总结与提炼，含有直径4000mm的600t级超大型钢锭和直径3000mm的汽轮机整锻低压转子锻件解剖等大量珍贵技术资料，希望能成为核电装备的设计、制造、质量管理人员，特别是超大型锻件研究制造工作者的技术工作指南。此外，由于本书涉及的内容突破了传统论述，亦可供高校及研究院所从事热加工理论学习的人员参考。
本书由王宝忠执笔并统稿，刘颖（第1，2，3，4，5，6，8篇）、刘凯泉（第3，4，6篇）、曹志远（第7，8篇）、高建军（第2，7，8篇）、聂义宏（第2，5，8篇）、赵德利（第2，6，8篇）、金嘉瑜（第7篇）参与了部分章节的撰写；张文辉对初稿进行了审核。
在超大型核电锻件绿色制造技术研发工作中，得到了上海核工程研究设计院、清华大学、燕山大学、重庆大学、东北大学、太原科技大学、中科院金属研究所、钢铁研究总院、机械科学总院、中国第二重型机械集团公司、上海重型机器厂等院所和企业的大力支持，在此一并表示感谢！
本书由王宝忠执笔并统稿，由刘颖（第1，2，3，4，5，6，8篇）、刘凯泉（第3，4，6篇）、曹志远（第7，8篇）、高建军（第2，7，8篇）、聂义宏（第2，5，8篇）、赵德利（第2，6，8篇）郭义（第5篇）、金嘉瑜（第7篇）参与了部分章节的撰写；张文辉对初稿进行了审核。
在超大型核电锻件绿色制造技术研发工作中，得到了清华大学、燕山大学、重庆大学、东北大学、钢铁研究总院、中国第二重型机械集团公司、上海重型机器厂等院所和企业的大力支持，在此一并表示感谢！
由于我们的水平有限，书中难免存在缺点和错误，敬请读者批评指正。
编者