Состояние исследований и тенденции развития технологий ковки и контроля дефектов крупногабаритных поковки 

1 Введение
Крупногабаритные отливки и поковки являются ключевыми базовыми компонентами для энергетического, нефтехимического, судостроительного, военного, аэрокосмического и другого критически важного оборудования и приоритетных проектов. Уровень технологий их производства напрямую определяет возможности страны в области производства тяжелого оборудования и является одним из основных показателей промышленной мощи и уровня национальной обороны. Китай на протяжении более сорока лет глубоко развивает сферу производства крупногабаритных поковок, постоянно инвестируя человеческие и материальные ресурсы для создания и постепенной модернизации отрасли. Однако по сравнению с высшим мировым уровнем отечественные крупногабаритные поковки все еще имеют заметное отставание в таких аспектах, как прецизионное производство и стабильность продукции высокого класса. Таким образом, проведение исследований ключевых технологий оптимизации процессов ковки и контроля дефектов крупногабаритных поковок имеет важное практическое значение для повышения уровня локализации производства комплектного тяжелого оборудования в нашей стране.

2 История развития производства крупногабаритных поковок в Китае и за рубежом
2.1 Развитие производства крупных поковки в Китае
Отрасль производства крупных поковок в Китае зародилась в 1953 году с вводом в эксплуатацию ковочного гидравлического пресса усилием 20 МН на Шэньянском заводе тяжелого машиностроения. С тех пор она прошла через несколько этапов развития: восстановление и строительство, реформу системы, решение ключевых технических проблем и модернизацию за счет локализации производства. Кузнечно-прессовое оборудование мощностью более 10 000 тонн является основным аппаратным обеспечением для производства крупных поковок. В 2006 году компания China First Heavy Industries (CFHI) ввела в эксплуатацию самостоятельно разработанный тяжелый гидравлический пресс для свободной ковки усилием 150 000 кН, что заполнило пробел в отечественном высокотехнологичном тяжелом ковочном оборудовании. Внедрение разработанного компанией CITIC Heavy Industries сверхмощного масляного гидравлического пресса для свободной ковки усилием 185 000 кН позволило производить крупные свободные поковки весом 350–400 тонн и максимальным диаметром 5000 мм, что значительно повысило производственные мощности страны в области сверхкрупных поковок.
В настоящее время Китай достиг значительных успехов в индустриализации производства крупных поковок. Налажен серийный выпуск таких ключевых компонентов, как роторы и рабочие колеса для всей линейки тепловых энергоблоков мощностью от 300 до 800 МВт. Самостоятельно освоено серийное производство крупных поковок для гидроэнергетических установок мощностью 700 МВт, при этом технологии производства поковок для гидроэнергетики приблизились к передовому мировому уровню. Успешная ковка конического корпуса испарителя для атомной электростанции AP1000 компанией CFHI ознаменовала выход Китая в число мировых лидеров по производству ключевых поковок для атомной энергетики третьего поколения. В то же время в стране освоены технологии производства опорных валков серий Cr3, Cr4, Cr5, более тысячи видов литых стальных опорных валков, а также технологии ковки и сварки сверхмощных реакторов гидрогенизации. Китай способен поставлять полные комплекты поковок для океанских судов водоизмещением 70 000 тонн, а производственные мощности по выпуску судовых поковок занимают третье место в мире. Однако в области высокотехнологичных прецизионных поковок в Китае все еще сохраняются слабые места: цельнокованые опорные валки большого диаметра, валки из быстрорежущей стали, а также специальные поковки для аэрокосмической и высокотехнологичной военной промышленности пока не могут полностью удовлетворить потребности высокого сегмента. Отрасль вступила в фазу трансформации, направленную на повышение качества и оптимизацию.

2.2 Состояние развития производства крупных поковок за рубежом
Зарубежная отрасль производства крупногабаритных поковок завершила технологическую модернизацию и промышленную интеграцию в 1960-х и 1970-х годах, сформировав зрелую промышленную систему за счет обновления оборудования, оптимизации процессов и реструктуризации мощностей. Япония долгое время удерживает лидерство в области производства крупногабаритных поковок: еще в 1974 году она могла ковать цельнокатаные роторы большого диаметра из 500-тонных слитков и наладить серийное производство полых стальных слитков массой 320 тонн, при этом точность и стабильность продукции являются одними из лучших в мире. Германия прочно занимает первое место в Европе по мощностям производства крупногабаритных поковок, за ней следуют США и Россия. Другие промышленно развитые страны, такие как Италия, Великобритания и Южная Корея, также сформировали комплексные системы производства крупногабаритных поковок, способные полностью удовлетворить спрос на различные виды высокотехнологичных крупногабаритных литых и кованых изделий.

3 Исследование процессов ковки крупногабаритных поковок
Для устранения внутренних дефектов стальных слитков и повышения общего качества поковок необходимо опираться на крупное кузнечно-прессовое оборудование и научные методы ковки. Осадка и протяжка являются основными операциями при производстве крупногабаритных поковок, а также ключевыми этапами для заварки дефектов и оптимизации структуры металла.
3.1 Осадка
Традиционная теория осадки гласит, что под воздействием трения сердцевина поковки всегда находится в состоянии трехосного сжимающего напряжения, что позволяет заваривать внутренние дефекты. Однако производственная практика показывает, что при недостаточном коэффициенте осадки легко возникает проблема расширения внутренних дефектов, что указывает на ограниченность традиционной теории. Профессор Лю Чжубай из Яньшаньского университета предложил новую теорию осадки цилиндра, разграничив механическую модель растягивающих напряжений при отношении высоты к диаметру более 1 и механическую модель сдвиговых напряжений при отношении менее 1. Он доказал, что чрезмерное трение на торцах приводит к возникновению растягивающих напряжений в сердцевине поковки, что препятствует заварке дефектов. На основе этой теории была разработана инновационная технология осадки конусными плитами, которая путем изменения граничных условий оптимизирует распределение жестких зон, формируя в сердцевине поковки стабильное трехосное сжатие и эффективно улучшая эффект заварки внутренних дефектов.
3.2 Протяжка
Технология протяжки напрямую определяет качество формовки крупных поковок, а ее основная роль заключается в устранении пустот в сердцевине слитка и повышении пластичности матрицы. Отрасль постепенно перешла от протяжки на плоских бойках к ряду отработанных технологий, таких как протяжка в V-образных бойках, методы FM, WHF, JTS и другие, которые широко применяются в промышленном производстве. Последующие исследования усовершенствовали систему параметров процесса протяжки, добавив ключевой параметр отношения ширины бойка к высоте заготовки и определив рациональные диапазоны параметров для метода ковки LZ и модифицированного метода FM, что позволяет эффективно избегать возникновения внутренних растягивающих напряжений в поковке.
В 2007 году разработанная в Китае технология протяжки на вогнутых бойках обеспечила технологический прорыв. По сравнению с традиционными методами, ковка на вогнутых плоских бойках позволяет увеличить гидростатическое напряжение на 30% и сократить величину обжатия на 33,5%, а ковка на вогнутых V-образных бойках — увеличить гидростатическое напряжение на 50% и сократить обжатие на 26,5%. Данный метод отличается простотой в эксплуатации и широкой применимостью. В настоящее время, в связи с постоянным ростом требований к размерам и точности крупных поковок, необходимо углублять понимание коэффициента ковки и оптимизировать технологические процессы с помощью численного моделирования для дальнейшего повышения качества продукции и эффективности производства.

4 Дефекты крупных поковок: причины возникновения и методы контроля
Процесс производства крупных поковок отличается сложностью и высокой трудностью формообразования, что способствует возникновению различных специфических дефектов. В основном они делятся на металлургические дефекты, возникающие при плавке и разливке, и технологические дефекты, образующиеся в процессе ковки и термообработки. Точное понимание причин возникновения дефектов и реализация мер контроля являются ключом к повышению выхода годной продукции и увеличению срока службы поковок.
4.1 Неметаллические включения
Неметаллические включения представлены преимущественно сульфидами и оксидами, возникающими на этапе плавки; ковка способна лишь рассредоточить их, но не может полностью устранить. Основой контроля является управление на источнике: за счет оптимизации процессов плавки и разливки снижается образование включений и стимулируется всплытие их остатков. На этапе ковки применяются такие методы, как большие обжатия бойками на всю ширину и технология ковки широкими бойками, что позволяет оптимизировать напряженное состояние, рассредоточить скопления включений и снизить их негативное влияние на механические свойства поковки.

4.2 Остаточные усадочные раковины и пористость
Усадочные раковины и пористость нарушают непрерывность металлической матрицы и легко вызывают концентрацию напряжений и образование трещин, что относит их к категории опасных дефектов. В процессе производства необходимо точно контролировать температуру и скорость заливки, использовать экзотермические или теплоизоляционные прибыли для усиления эффекта подпитки, чтобы локализовать усадочные дефекты в зоне прибыли. Также следует строго контролировать норму обрезки головной части слитка для полного удаления зон пористости и применять рациональную ковочную деформацию для уплотнения пор в матрице.

4.3 Пустоты
Пустоты являются типичными металлургическими дефектами крупных стальных слитков. Из-за их крайне малого размера относительно изделия и разнообразия форм заготовок их точный анализ и контроль представляют собой сложную задачу. На основе принципа Сен-Венана и теории механики повреждений в отрасли определены ключевые условия закрытия пустот: состояние всестороннего сжатия является оптимальной средой для их уплотнения и заварки. Эффект закрытия пустот можно прогнозировать в режиме реального времени через параметры нагрузки ковочного оборудования и величину обжатия, что обеспечивает теоретическую поддержку для регулирования технологического процесса.

4.4 Трещины
Кузнечные трещины возникают под воздействием множества факторов, таких как дефекты исходного сырья, выделение примесей, скорость изменения температуры и напряженное состояние. Существующие методы контроля, включающие использование чистой стали, оптимизацию охлаждения слитков, гомогенизирующий отжиг, горячую посадку на ковку и технологию центрального уплотнения, позволяют эффективно подавлять зарождение трещин. Однако основные методы ковки имеют свои недостатки: метод WHF характеризуется неравномерным распределением деформации и выраженной анизотропией поковки; метод JTS отличается большим градиентом деформации и склонностью к образованию поверхностных трещин; в методе FM локально возникают растягивающие напряжения, что может привести к неравномерному распределению структуры. На данном этапе необходимо сочетать механику повреждений с технологиями численного моделирования для оптимизации параметров процесса, предотвращения дефектов и устранения повреждений.

5 Текущее состояние применения технологии конечно-элементного численного моделирования в процессе ковки крупных поковок
5.1 Конечно-элементное численное моделирование
Численное моделирование методом конечных элементов позволяет точно воспроизводить закономерности механических изменений в процессе ковки и является ключевым технологическим средством оптимизации процессов. Текущие исследования в основном сосредоточены на влиянии отношения ширины бойка к высоте заготовки, отношения ширины заготовки к высоте и величины обжатия на закрытие дефектов, что позволило определить рациональные интервалы базовых параметров. Однако механизмы точного сопряжения этих трех факторов и схемы адаптации для различных поковки все еще требуют углубленного изучения; универсальная и систематизированная система параметров пока не сформирована.
5.2 Моделирование микроструктуры
Численное моделирование эволюционировало от макроскопического механического анализа до моделирования изменений микроструктуры. С помощью такого программного обеспечения, как DEFORM, можно точно прогнозировать закономерности рекристаллизации и роста зерен в процессе ковки. В настоящее время исследования в основном сосредоточены на механизмах разупрочнения при горячей штамповке и моделировании размера зерен, что может служить ориентиром для разработки технологических процессов. Однако большинство существующих моделей являются эмпирическими и имеют ограниченную универсальность. Они не могут полностью адаптироваться к исследованию сложных механизмов, таких как устранение разнозернистости и заварка пустот в условиях сопряжения нескольких физических полей. Существует острая необходимость в создании интегрированной системы моделирования, объединяющей макро- и микроуровни.

6 Исследование технологий повреждения материалов
Механика повреждений, предложенная в 1958 году, постепенно нашла применение в инженерной сфере. Ее суть заключается в анализе всего процесса — от зарождения и развития микродефектов в материале до макроскопического разрушения — с помощью переменных повреждения и определяющих моделей. В настоящее время теория механики повреждений все теснее интегрируется с технологиями численного моделирования, однако существующие определяющие модели обладают недостаточной адаптивностью и практичностью, что затрудняет их точное применение в сценариях ковки крупногабаритных поковки. В дальнейшем необходимо оптимизировать расчетные модели повреждений и, в сочетании с технологией конечно-элементного моделирования, реализовать интеграцию прогнозирования дефектов, предварительной оценки повреждений и оптимизации технологических процессов, чтобы повысить качество поковок непосредственно на этапе производства.

7 Заключение и перспективы
Оптимизация технологии ковки и контроль дефектов являются ключевыми факторами для преодоления узких мест в производстве крупногабаритных поковок и повышения уровня локализации высокотехнологичного оборудования. На данный момент отрасль достигла определенных промежуточных результатов в области технологий ковки, устранения дефектов и численного моделирования, однако все еще сохраняются пробелы в ключевых технологиях. Во-первых, отсутствует совершенный критерий определения трещин для крупногабаритных поковок, что не позволяет точно прогнозировать и контролировать дефекты трещинообразования при ковке. Во-вторых, разработка технологических регламентов по-прежнему опирается на традиционный опыт и метод проб и ошибок, при этом отсутствует научная и систематизированная система проектирования. В будущем необходимо внедрять передовые технологии, такие как системы автоматизированного проектирования (CAD), численное моделирование и робастная оптимизация, чтобы выстроить стандартизированную и научную систему процессов ковки, усовершенствовать механизмы определения трещин и контроля повреждений, а также способствовать развитию производства крупногабаритных поковок в направлении высокой точности, высокого качества и высокой эффективности.