3.6萬噸垂直擠壓機如何「擠」出火炮和飛機渦輪盤？

出品| 網易新聞

作者| 甘亞平

　　看到上面這幅圖中的鋼管，可能很多人會感到陌生，不過，它可是跟我們日常使用的一種重要能源——電能，有著非常密切的關係。

　　我們都知道，中國目前主要的電力來源是火電，而當前世界上火力發電站的發展趨勢是建設60萬千瓦以上超臨界、超超臨界發電機組，中國自然也不例外，這一切都離不開圖片中的這種鋼管——耐高溫高壓的厚壁特種鋼管。要製造這種鋼管，就要用到一種特殊的裝備：大型垂直金屬擠壓機。

（一）什麼是金屬垂直擠壓機？

　　鋼製品的生產方式通常有軋制、鍛造、拉拔、擠壓等，其中擠壓是通過施加強大機械壓力使被加工鋼坯產生變形從模孔中擠出規定尺寸、形狀成品的過程。而我們文章開頭提到的垂直金屬擠壓機，就是用來擠壓金屬的大型設備。

　　垂直擠壓工藝以鑄造的鋼錠為原材料，鋼錠經加熱，去除氧化皮後首先在鐓粗穿孔制坯機上面進行坯料的閉式鐓粗，穿孔製取管坯，然後空心管坯經過二次加熱後，送入垂直擠壓機進行擠壓成型獲得管材或者其他型材。

　　（鋼管擠壓原理圖。擠壓之前需要在穿孔制坯機上完成坯料鐓粗穿孔工序，二次加熱後由垂直擠壓機擠壓成最終產品）

　　在工業生產中，鐵合金是用得最多的黑色金屬，不過製造特種厚壁鋼管要滿足高溫高壓的使用環境，所以必須使用添加了大量鈷，鎳，錳，釩等合金元素的高合金鋼材料。

　　高合金成分的引入使得本來就不好的流動性變得更差，軟化溫度更高，超過1100攝氏度，技術難度比有色金屬鋁，銅等材料的擠壓要高得多，因此對擠壓機的噸位、模具材料、模具設計、高溫潤滑劑等選用都是不小的挑戰。

（二）垂直擠壓機製造的厚壁無縫鋼管，用處多多

　　文章開頭我們已經提到，金屬垂直擠壓機製造的特殊厚壁無縫鋼管是火力發電站中非常重要的材料。其實不光火電站要用到這種鋼管，核電站同樣如此，而發電站要提高能源利用率，總是伴隨著高溫高壓的極端工作狀態。目前世界上發電機機組的主蒸汽壓力為25~31MPa，主蒸汽和再熱蒸汽溫度為580～610℃。規劃中的下一代汽輪機發電機組的蒸汽溫度甚至接近700℃，壓力接近35MPa。

　　沒有建成大型垂直擠壓機之前，大口徑厚壁無縫鋼管在中國傳統的製造工藝是先將鋼材鍛造成棒料後鑽孔加工。這種工藝材料浪費大，加工效率低，加工成本非常高，沒有競爭優勢。而且，由於鍛造過程中棒料芯部不容易壓透，造成鋼管機械性能受限，只能用在中小型汽輪機組上面，並不能滿足超超臨界機組的使用要求。

　　超超臨界發電機組必須使用厚壁擠出無縫鋼管才能滿足更高的耐高溫高壓的使用要求。

　　無縫鋼管的另一個使用大戶是石油化工行業和煤化工行業。100萬噸級乙烯裝置、大型煉油裝置、大型煤制油裝置都需要高溫高壓的反應環境才能提高反應速率和產率。這些大型裝置的管道同樣需要大口徑厚壁無縫鋼管，中國重化工行業的飛速發展面臨供應瓶頸。

（三）3.6萬噸垂直擠壓機打破美德日壟斷

　　萬噸以上黑色金屬垂直擠壓機，主要用於大型電站、石油化工行業急需的大口徑厚壁無縫鋼管製造，屬於世界先進位造技術的極端領域，是一個國家製造能力的標誌。

　　此前，世界上最大的垂直擠壓機是美國威曼·高登公司花費7年時間研製的3.15萬噸擠壓機組，加上德國曼內斯曼公司、日本住友公司，這三家公司幾乎壟斷了世界全部耐高溫高壓厚壁成型材料。

　　由於國外長期技術封鎖，中國高性能大口徑厚壁無縫鋼管不得不從國外大量高價進口，每噸鋼管要價2萬美金，不僅如此，購買還需要面臨各種審查，採購周期非常長，基本上不可控。而中國發電設備製造每年需此類鋼管約10多萬噸。進口材料使電站的建設成本始終降不下來，限制了中國核電、火電的發展。

　　既然直接買鋼管價格高昂又手續繁瑣，那麼有沒有可能跟國外公司合作呢？大型垂直擠壓機具有顯著的戰略意義，而且還能夠擠壓航空發動機的高溫合金渦輪盤，具有軍用潛力，合作在中國建廠的道路被美國的出口管制法規堵死。而在德國，由於對方開出了高達1億歐元的設計費，合作計劃也宣告終止。

　　為打破國外高端材料的壟斷，中國在充分調研論證的基礎上啟動研動36000噸黑色金屬垂直擠壓機項目。

　　（黑色金屬垂直擠壓機之王，3.6萬噸黑色金屬垂直擠壓機。大家可以根據參考尺寸想像一下整機的大小，妥妥的大國重器。）

　　3.6萬噸垂直擠壓機項目包括1台垂直擠壓機及一台1.5萬噸穿孔制坯機和相關輔助設備63台套的熱擠壓生產線項目，共歷時3年，突破了很多製造及工藝難題，最終獲得成功。

（四）「垂直擠壓機之王」有何過人之處？

　　3.6萬噸垂直擠壓機是目前世界上最大最先進的黑色金屬垂直擠壓機，噸位和主油缸工作行程都優於美國威曼·高登公司的3.15萬噸壓機。 除此之外，它還有很多過人之處。

1、使用預應力鋼絲纏繞結構，整機重量由14000噸縮減到4000噸

　　3.6萬噸垂直擠壓機使用了清華大學開發的預應力鋼絲纏繞結構，在擠壓機結構牌坊、擠壓筒和液壓油缸上都使用了這種結構，整機重量不足4000噸，傳統結構的同等噸位垂直擠壓機重量則接近1.4萬噸。

　　（清華大學開發的2000噸快速鍛壓機結構示意圖。可以看到主結構牌坊外面纏繞的鋼絲預應力增強層。3.6萬噸垂直擠壓機主結構牌坊的鋼絲纏繞預應力增強層和這個非常類似，一母同胞。）

　　大型鍛壓機的結構一般採用鑄鋼鑄造後加工，一般鑄鋼的許用強度不超過300MPa，而鋼絲的許用強度可以輕鬆超過800MPa。使用高強度鋼絲纏繞，工作時的載荷可以由鋼絲纏繞結構承擔，可以大幅降低結構重量，降低製造難度和成本，同時也降低了運輸和安裝的難度和成本。

　　為了降低結構重量，保證擠壓過程的穩定，研製團隊在擠壓套上面也是下足了功夫，採用了複合結構。內襯由於要承受坯料的高溫和擠壓過程中金屬流動的摩擦，採用耐高溫的熱作模具鋼材料。為了改善擠壓過程中溫度場的穩定，整機增加了一個帶加熱裝置的中襯層，使得預加熱後的坯料進入擠壓筒後能夠維持溫度穩定，不至於散熱冷卻而降低材料的流動性。外襯使用鑄鋼材料，中襯和外襯之間增加石棉隔熱層，既能保溫，又防止最外層鋼絲纏繞增強層溫度上升而導致許用強度下降。

2、使用預應力剖分坎合結構，降低了加工製造難度和成本

　　鋼絲纏繞預應力結構可分為組合結構和坎合結構，對比見下表：

　　坎合結構可以保證更強的承載剪切載荷的能力，在滿足設計強度的前提下，擠出機的主結構可以分成更小的子零件製造，再組合起來進行鋼絲預應力纏繞。子零件變小了，製造、運輸、安裝等全部過程都變得更容易，成本更低。

3、使用玻璃做潤滑劑，降低摩擦力的同時還能形成保護層防止氧化

　　（鋼管擠壓原理圖）

　　有色金屬，比如鋁合金和銅合金由於高溫流動性非常好，擠壓過程一般不需要潤滑劑。而鋼鐵本身流動性就不好，在加上添加的難熔合金元素，這對於流動性更是雪上加霜，因此對於黑色金屬的高溫擠壓來說，潤滑劑的使用是工藝能否成功實施的核心要素之一。

　　一般的鋼鐵鍛造工藝由於只是一個很短的過程，使用礦物油混合石墨就可以滿足潤滑的要求，但厚壁無縫特殊鋼管的擠壓過程是一個很長的過程，礦物油會在高溫下揮發燃燒，石墨長時間的高溫也會被氧化，因此不能作為鋼管擠壓的潤滑劑使用，這時候需要使用玻璃潤滑劑。

　　擠壓過程中，將玻璃墊置於擠壓模具前端，高溫坯料（1150~1250攝氏度）會使玻璃墊軟化，熔融，在擠壓軸的作用下，隨著流動的金屬而流出，在坯料和模具之間形成20~40微米左右的玻璃膜，起到潤滑和隔熱作用。而且，玻璃膜附著在鋼管上面，還能防止高溫的鋼管和空氣接觸氧化，提高了鋼管的表面質量，一舉兩得。而當鋼管冷卻的時候，由於玻璃和鋼的膨脹係數不同，再加上玻璃本身是脆性材料，玻璃潤滑保護層會自動破碎剝落，省掉了去除的麻煩。

　　玻璃潤滑劑的使用能夠大幅降低擠出過程中的摩擦力，降低模具的磨損，提高擠出零件的表面質量。同時，由於擠出過程中摩擦消耗占擠出力的30%以上，玻璃潤滑劑的使用能夠大幅降低能耗。

　　（3.6萬噸垂直擠壓機將穿孔預製坯料擠壓出一根根直徑1.3米，壁厚300mm的大口徑無縫鋼管）

　　4、使用新一代的高壓直驅泵控系統，易用又節能

　　此前，在萬噸級鋁擠出機上，中國首次用到30Mpa壓力的液壓系統，首次使用變數泵和伺服閥。調速依靠變數泵流量控制，油缸換向依靠閥門換向。

　　而3.6萬噸黑色金屬垂直擠壓機使用的是42MPa的雙向變數泵直驅液壓系統，完全取消了閥。液壓缸的調速依靠變數泵的流量控制，液壓缸換向則直接依靠雙向變數泵直接換向，完全杜絕了閥門的節流損失和壓力損失，而且系統簡單，使用維護方便。

　　對於大型液壓系統來說，泵直接傳動和直接泵控已成為發展趨勢，對於系統的節能降耗有著巨大的意義。

結語

　　中國截止目前百萬千瓦級超超臨界火力發電機組建設已經超過100座，大型化工項目，煤制油項目和沿海核電項目密集上馬， 僅厚壁無縫鋼管一項，每年就能節省採購成本幾十億元人民幣。3.6萬噸黑色金屬垂直擠壓機建成投產，標誌著中國重型金屬加工設備取得突破性發展。

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編輯| 史文慧