近年，為了防止地球變暖，制定溫室氣體CO2減排規(guī)則并落實具體措施已成為世界各國的當(dāng)務(wù)之急。在此形勢下，傳統(tǒng)鍛造技術(shù)的重要性不斷增加。在全球電力需求高漲的情況下,發(fā)電廠在防止地球氣候變暖方面起著至關(guān)重要的作用，而且與鍛造技術(shù)（特別是大型鍛鋼件的質(zhì)量與性能）密切相關(guān)。迄今為止，發(fā)電廠單機(jī)大規(guī)模生產(chǎn)，提高了發(fā)電效率，這得益于發(fā)電用輪機(jī)的大型鍛件的自由鍛大型化技術(shù)的支撐。

    在自由鍛造件中，重量50t~250t的超大型鍛鋼件所占比率雖然較少（約為15%），但這些大型鍛件有6成以上都被用于發(fā)電、鋼鐵、造船、重化工業(yè)、大型土木基礎(chǔ)建設(shè)等重要行業(yè)與項目。

    具體而言，這些超大型鍛鋼件都被用作機(jī)械裝置和結(jié)構(gòu)的心臟部位，故須確保其在使用中有絕對高的安全性與可靠性。然而，在這些超大型鍛件的制造過程中也會出現(xiàn)很多特有的問題：首先是鋼錠-大型化，其內(nèi)部的偏析、非金屬夾雜物及微小空隙（又稱孔隙或疏松）就會顯著增加，故制造性狀優(yōu)良的鋼錠變得更為困難。而且，在鍛造工程中，重量達(dá)數(shù)百噸的鋼錠的傳動設(shè)備要快速操作，并將之鍛造成所需形狀，而且使其內(nèi)部也達(dá)到充分鍛造效果，這確屬不易。因此，為了穩(wěn)定供應(yīng)這樣高品質(zhì)的大型鍛鋼件，進(jìn)行了包括煉鋼（精煉和鑄鋼）、鍛造及熱處理的獨特技術(shù)開發(fā)。

    以下概要介紹日本制鋼所利用自由鍛造工藝技術(shù)生產(chǎn)超大型鍛鋼件的過程。

1 鍛鋼件大型變化

    鍛鋼件大型化的發(fā)展歷程與火（力發(fā)）電.核電廠單機(jī)（發(fā)電）功率的大型化步伐是一致的。最近30年間，電廠的單機(jī)功率，因追求大規(guī)模生產(chǎn)的優(yōu)越性（更低的消耗與成本、更高的效率）而顯著增加。隨之以所用壓力容器為首的相關(guān)設(shè)備也加速實現(xiàn)了大型化。另一方面，發(fā)電機(jī)和蒸汽透平機(jī)（又稱輪機(jī)）葉輪軸直徑也增大了。特別是1969年功率突破1100MW，其透平葉輪軸的結(jié)構(gòu)也從原來的輪盤熱壓配合型變更為整體型，其鍛造重量也大幅增加了。為了滿足這些要求，開發(fā)了用400t重的大型鋼錠鍛造成120t重的整體型葉輪軸。1973年進(jìn)一步成功開發(fā)發(fā)電功率1300MW的重200t透平軸。而且，最近又開發(fā)了功率1250MW改進(jìn)沸水型核電用整體低壓透平軸；緊接著又鍛造成功了直徑約2.9m、重約340t的巨型鍛件，所用巨型鋼錠單重超過600t。至今為止，日本制鋼所制作了200根以上的超大型低壓透平軸，供應(yīng)給全世界的大型和超大型火電及核電廠。

2 超大型鋼錠的制造技術(shù)

    首先介紹日本煉鋼技術(shù)在自由鍛造業(yè)方面的進(jìn)步和發(fā)展動向。

在能源產(chǎn)業(yè)和鋼鐵生產(chǎn)領(lǐng)域所使用的大型鍛件的質(zhì)量要求極為嚴(yán)格，而且其質(zhì)量、性能在很大程度上都與制造大型鋼錠的煉鋼工序密切相關(guān)。煉鋼工序的主要工藝技術(shù)包括鋼液和鋼錠中磷、硫等雜質(zhì)元素的去除、夾雜物（如氧化物、硫化物及復(fù)合夾雜物等）的減少、成分偏析的抵制與減輕、氫系缺陷（如HIC即氫致裂紋）的避免等。由于針對這些要求進(jìn)行的技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用，最近即使重量達(dá)600t的超大型鋼錠，也完全可以確保其達(dá)到高質(zhì)量要求。

    特別是在鋼液的精煉工序中利用LF（鋼包精煉）法和VLF（真空鋼包精煉）法，大幅度改善了原來的雜質(zhì)元素，夾雜物含量和氫系缺陷，從而確保大型鋼錠性狀能滿足超大型鍛件的質(zhì)量要求。

現(xiàn)在，在單重超過500t的大型鋼錠的制造技術(shù)和生產(chǎn)能力方面，韓國已有趕上來的趨勢，但在世界上日本仍具有壓倒性優(yōu)勢，其具有整體型低透平葉輪軸和核電用壓力容器的開發(fā)和制造能力。

近年LF和VLF技術(shù)已基本成熟，加之開發(fā)了鋼液氫含量的快速分析法，在解決氫系缺陷方面取得了實質(zhì)性進(jìn)展。而且，在大型鋼錠的模鑄工程中，廣泛利用了包括滴流脫氣法的高效真空模鑄技術(shù)，具有降低生產(chǎn)成本和鋼錠表層氧化夾雜的效果。

3 超大型鋼錠的基本鍛造技術(shù)

    為了確保核電用整體型低壓葉輪軸大型鍛件的質(zhì)量，鍛造時需要多次鐓粗和伸鍛，以獲得充分的鍛造比。因此，在一般鍛造工程中有必要在伸鍛之前將單重數(shù)百噸的巨大鋼錠用1萬t級的壓力機(jī)直接鐓粗。

在超大型鋼錠的鐓粗中，由于鋼錠溫度下降而引起變形抗力的增大及斷面積的增加，故所需的壓下載荷需緩慢增加，在一定的鍛造壓力條件下，壓下速度會顯著減小。然而巨大的鋼錠出爐后，即使經(jīng)過1h以上冷卻，在距表層約600mm深處的軸心部仍有1200℃以上的高溫。因此，若降低壓下速度，由于與之對應(yīng)的變形速度也會變得極小，故鋼錠整體的平均變形抗力也會相應(yīng)變得極小。即鍛壓力平衡于變形抗力的壓縮變形，的確是以蠕變速度進(jìn)行的。這樣一來，巨大的鋼錠經(jīng)過長時間變形也能被鐓粗到所要求的高度。

    另一方面，在大型鋼錠的軸心部，伴隨鋼液凝固時的收縮，不可避免會產(chǎn)生大量的孔隙。發(fā)電用葉輪軸因高速旋轉(zhuǎn)會在中心部產(chǎn)生大的應(yīng)力，如果軸心部有孔隙缺陷，在運轉(zhuǎn)中有可能發(fā)生致命的損壞事故。在軸材的鍛造過程中，不是簡單地將之變形，而是要向超大型鋼錠的中心部施加充分的壓縮力，使之產(chǎn)生充分的應(yīng)變，還要將粗大的鍛造組織致密化，并壓合中心部的孔隙缺陷，以獲得良好的內(nèi)部性狀。

    為了利用鍛造將超大型鋼錠內(nèi)部的孔隙壓合，施加大的壓縮靜水壓應(yīng)力，產(chǎn)生充分的應(yīng)變是十分重要的。為此，各個自由鍛造廠為適應(yīng)產(chǎn)品大小和壓力設(shè)備容量，有效開發(fā)并實施了各種各樣壓合孔隙的方法。其中“中溫鍛造法”是不直接壓下出爐鋼錠，而是將之空冷一段時間以在其表面形成冷卻層后，再以較小的鐵砧進(jìn)行鍛造的方法。利用實驗和FEM（有限元）解析法可以定量查明鋼錠軸心部靜水壓增大效果。并且，在“FM鍛造法”、“強(qiáng)壓下寬幅拘束鍛造法”中，用1萬t級鍛壓機(jī)向鋼錠施加大的壓下量壓合了中心部的孔隙。這些鍛造法在超大型軸材的制造中得到了廣泛應(yīng)用，然而，對于軋輥等較小直徑的產(chǎn)品，也采用V字形鐵砧鍛造法。