淺談坦克炮電渣重熔技術和身管自緊技術

07-22

淺談坦克炮電渣重熔技術和身管自緊技術

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關於坦克炮的介紹中常常聽到電渣重熔技術和身管自緊技術，這兩個技術究竟是什麼，很少有詳細的介紹，本期小毛研究所就來說說電渣重熔技術和身管自緊技術。受本人水平和所用參考資料的限制，可能存在錯誤，歡迎指正。本文謝絕一切形式的轉載，敬請諒解。

現代坦克高性能大口徑厚壁火炮身管要求再更高的膛壓和溫度下使用，新一代高強度炮鋼除需要更高的強度外，還要求有更好的塑韌性配合。如僅使用傳統高強度鋼則會發生炸膛事故。人們認識到，為了適應現代大口徑火炮高初速、高射速、高膛壓及高壽命的要求，必須採用特種冶煉方法煉製出有害雜質元素和氣體含量少、回火韌性小、強韌性高、均勻性好的優質炮鋼。電渣重熔是當代提高冶金質量的有效手段之一，七十年代迅速取代平爐雙聯法冶煉強度炮鋼。

電渣重熔（Electro-slag remelting），利用電流通過高電阻熔渣產生的熱能對金屬進行再熔煉的方法。其目的是提高金屬純度，改善鑄錠結晶。其原理非常簡單，就是將原料鋼錠（Mold）裝在電極下端，浸埋在熔融的熔渣（Slag）中，交流電流通過高電阻渣池時產生大量熱量，它把浸埋在熔融的熔渣中的原料鋼錠熔化，熔化產生的金屬熔滴穿過渣池滴入金屬熔池（Pool），然後被水冷結晶器（Water cooled ingot mold stood）冷卻後凝結成成品鋼錠（Ingot）。

雖然原理很簡單，但實際上熔化的金屬熔滴穿過渣池滴入金屬熔池並冷卻是非常複雜的過程，金屬熔滴與高溫高鹼度的熔渣充分接觸，產生強烈的冶金化學反應，使金屬得到了精鍊。所以電渣重熔爐的關鍵技術是熔渣系統。熔渣一般具有較高的電阻率，再熔煉過程中能產生足夠的熱量，以保證金屬熔化；同時具有一定的鹼度，所以其脫氧和脫硫效果好；還具有良好的流動性，以保證高溫下的對流熱交換和液態物理化學反應充分進行。

成品鋼錠是逐步冷卻成型的，圖為不同時間點成品鋼錠的液相率（Liquid Fraction）、溫度（Temperature，單位是K， 0 K = - 273.15℃）、流線（Streamline）示意圖。金屬熔池由下而上的單向順序凝固方式也有利於氣體、夾雜與硫、磷等雜質元素從鋼種排除，所以電渣重熔顯著的降低了金屬被非金屬夾雜沾污的程度，且顆粒更細小，分布更均勻。同時電渣炮鋼組織緻密、化學成分均勻、各相異性小。

電渣重熔成品鋼錠實物圖。電渣鋼的低倍斷口組織非常緻密，無任何不允許的缺陷。電渣重熔可改善炮鋼的一般力學性能，尤其是橫向性能有很大改善，橫向拉伸強度和塑性均有很大提高。炮鋼強度、斷裂韌性、疲勞性、爆破性能和承壓能力也均有明顯提高。

圖為電渣重熔爐，電渣重熔爐不僅可以用來生產炮鋼，也可以用於生產航空軸承鋼、高溫合金、精密合金和某些有色金屬等。

大型電渣重熔爐，可使用多根吊臂/原料鋼錠進行再熔煉。

採用電渣重熔技術，可以冶煉出高強度、塑韌性的炮鋼，用於高膛壓坦克炮，但是身管壁厚仍然較厚，而身管自緊技術可以在同等身管技術性能水平下允許身管壁厚減薄，而且能大大提高身管的疲勞壽命。

身管自緊（Autofrettage），在火炮身管進行最後精加工之前，對身管內膛施加超高壓力，使在管壁中產生預先計算的殘餘應力（Residual stress）。施加壓力之後，炮管內徑變大，內壁組織緻密。

通過機械或液壓的方法，使炮管內壁的金屬產生塑性變形（圖中Plastic Zone 區域），而外壁的金屬仍處於彈性極限以內（圖中Elastic Return Zone區域），這樣當自緊過程結束後，炮管內壁產生殘餘壓應力（High compressive hoop stress），外壁產生殘餘拉應力（Moderate tensile hoop stress）。經過自緊的炮管在承受發射產生的高膛壓時，炮管內壁的殘留壓應力將部分抵消火藥氣體帶來的巨大拉應力，從而改善火炮內層金屬的受力狀況。如果內層金屬中有細微裂紋存在，由於殘留應力的存在，可延緩其發展過程，從而提高疲勞性能。