一个世界最大的金属呼啦圈,凭什么被称为“国之重器”?
2020-10-27 08:39

一个世界最大的金属呼啦圈,凭什么被称为“国之重器”?

本文来自公众号:格致论道讲坛(ID:SELFtalks),作者:孙明月,原文标题:《我们不光做了世界上最大的金属呼啦圈,更重要的是解决了一个世界性难题 | 孙明月》,题图来自:格致论道讲坛


“我们不光是做了一个世界上最大的金属呼啦圈,更重要的是这项技术打破了沿袭了数千年以来锻造领域的用大钢锭做大锻件这种思想。”



各位老师,各位同学,各位朋友,大家好!


我是来自中国科学院金属研究所的孙明月。金属研究所,顾名思义就是研究金属材料的,我是做锻造成形的。


有朋友就问了,锻造这个行业,这就是打铁的呀!


它是一个传统的夕阳行业,理论和技术都已经很成熟了。还有什么可以创新的呢?


那么今天,就由我这个铁匠来讲述,我们是如何在传统领域老树开新花,实现原始创新的。


一、什么是国之重器


首先我解释解释,什么是国之重器。


这有一个大的背景,当夜色降临的时候,在繁华的城市当中,依然是一片灯火辉煌,这是人类在地球上创造的奇迹。


我们每一个人生活当中,当前都离不开一种重要的能源形式,那就是电能。


据统计,建国以来,我们国家的用电量增长了1650倍。而且未来还有很大的缺口,那么从某种程度上来讲,用电量是反映一个国家或者地区经济活跃程度的一个重要的风向标。


既然电能这么重要,我们就得加快电站的建设。电站主要有火电、核电、风电、水电等等几种形式。


那么电站里面长得什么样呢?我们走进去参观一下就可以看到,里面有很多金属的大家伙。



比如说直径5米,长度20多米重达五六百吨的核电的压力容器。


它是核反应堆的安全屏障,直径达到500毫米,长度将近20米的主蒸汽管道。


它是核电站的主动脉,直径达到2.5米,重达350吨的转子。


它是火电站的心脏,而这个直径达到11米,重达450吨的水轮机转轮,它是整个水电的脊梁。


这些金属的大家伙,它们有着共性的特点,一个是重量大,另外一个就是特别重要。


它们往往是在高温、高压、辐照、重载、腐蚀等等极端环境下来服役的。对材料的性能有极高的要求。它们常常被誉为是国之重器。


我们大家以往在央视上可能看到过《大国重器》这样一个纪录片,讲述了我们国家在装备制造领域的发展历程。


那么我们这里面就有很多电站里的金属大构件。


在《大国重器》里面,我们就能看得到这些金属的大家伙。


它们是怎么做出来的呢?我来告诉大家,它们都是锻造出来的。


锻造是一个早在4000多年前就已经有了的一个古老的技艺。以往锻造都是靠人工的,是个重体力活。


俗话讲,世间有三苦。撑船、打铁、卖豆腐。可以说,道出了这个行业的艰辛,当然现在都不是靠人工打铁,而是靠机器来打铁。


前面我们讲的那些国之重器,都是在万吨级压机上进行变形锻造得到的。在万吨压机上,锻造这个百吨级的钢锭就像揉面团一样轻松。


二、金属锻造的好处


那么为什么要对金属进行锻造呢?锻造有什么好处呢?


锻造是通过对金属在高温下进行反复变形,可以使其获得更致密,更细小的组织。同时提升材料的强度和韧性。


我们有句成语,叫千锤百炼始成钢。说的就是这个道理。



我们这幅图看到的,是世界上最大的锻件,是重量达到350吨的汽轮机的低压转子。


那么这个大锻件的制造过程跟蛋糕的制作过程,是很相似的。


非常有趣,要想把蛋糕做好,首先就得把面团做好。同样地,要想把这个大锻件做好,首先就需要优质的大钢锭。那钢锭是怎么做的呢?它是将铁水浇铸到一个钢锭模里,冷却凝固之后就得到了这个钢锭。



右面那幅图我们看到的是世界上重量最大的,达到750吨的大钢锭。


这个家伙看起来黑不溜秋的,好像也没什么难度。不就是大一点嘛?多准备点铁水不就可以了嘛?好像没什么高科技含量。


这就像我们做大蛋糕一样,缺水了需要加面,缺面了就需要加水,蛋糕才会越做越大。一不小心就能创造一个世界纪录。


但实际情况,钢锭可不是说想做多大就能做多大的。


钢水的凝固过程,它是一个结晶的过程。就像水冷却到低温的时候,它会结冰一样。钢水凝固的时候,会有像雪花一样的树枝晶,从液体当中析出。


晶体在析出过程中有一个重要的现象,叫溶质再分配。结晶的这个瞬间,这个晶体上的溶质含量跟母液当中的溶质含量,是存在差别的。


就像妈妈生宝宝一样,两个人的基因和长相,是不可能完全一样的。


三、偏析的危害


那么这种溶质再分配现象,就会造成先凝固的金属和后凝固的金属,在成分上存在着差别,这种差别我们称之为偏析。


那一般来讲,凝固的时间越长,凝固的历程越长,这种偏析就越严重。



右面两幅图中,不同的颜色代表钢锭里不同元素的含量。可以看出来,这个偏析还是很严重的。


那么偏析,宏观上表现出来的是在钢锭里面,一条一条的黑道道就像一个人运动完之后,脸没洗干净一样。


一条一条的实际上是里面的元素严重地偏离了正常的水平,而且还富含夹杂物,这是一种冶金缺陷。


那么这种偏析有什么危害呢?



毫不夸张地来比喻,它就像人体里的癌细胞一样会破坏正常的机体组织,恶化材料的性能,而且最重要的是它会缩短材料的使用寿命。


举一个例子,2015年4月份的时候,我们国家南方一个核电站在安装从法国进口的蒸汽发生器的顶盖大锻件的时候,就发现在管嘴部位存在严重的碳超标这种现象。


实际上就是碳偏析这个位置的力学性能,显著低于预期值。那么这个大锻件在核电站上还能不能用,国内外的专家存在着很大的争议。


直到2019年的9月份这个电站才获批装料使用,耽误了整整四年的时间,每天的经济损失,就高达1000万元。



所以说这个材料的偏析危害有多大,从这个数字上就能够看得出来。为了解决这个偏析问题,国际上的众多冶金学者开展了大量的研究工作。


他们通过改变钢水的凝固过程试图改善这种偏析,但是由于这个钢锭尺寸实在是太大了,凝固速度极其缓慢,每个小时只能冷却一度。



在这个极其缓慢的冷却条件下,按照美国麻省理工学院弗莱明斯教授的凝固理论,他认为材料是有尺寸效应的,规格越大的材料它里面的偏析越严重。规格越小的,这种偏析就越轻。


那么按照这种理论的话,这个偏析问题是一个无解的问题。


但是工程上,我们又特别需要材料里面没有偏析,希望它是均匀的。以往我们研究团队也跟着国际上这些大牛做一些修修补补的研究工作。


但是后来我们发现,这个不能彻底解决问题。要想真正解决这个问题,还得另辟蹊径。


四、以小制大构筑成形


如果我们跳出大锻件用大钢锭制造,这种以大制大思路的局限,到建筑领域去看一看,就能够获得一些灵感。



所有宏伟的建筑物,都不是用一块大石头雕刻而成的,而是一砖一瓦地构建而成的。


那么类似地,我们这些国之重器这些大锻件是否也可以用这种方法来成形呢?


受这一思路的启发,我们在国际上率先提出了一种全新的材料加工技术叫金属构筑成形技术,这项技术是采用尺寸相对比较小冷速比较快的金属坯。



这种小尺寸的金属坯作为构筑的基元就像盖房子的砖一样,然后一层一层地把它叠起来,叠成一个宝塔。


然后将这个宝塔的层与层之间,通过真空的方式把它封装起来。使层与层之间处于一个高真空的状态。


加热到高温进行反复的大变形,就像揉面一样使层与层之间的界面,完全结合在一起,这样就可以得到一个大尺寸的材料。


这种材料和传统的钢锭比起来,表面看起来是一样的,但是内部的均匀性要好很多倍。这项工作是国际上前所未有的。


通过这种以小制大构筑成形,就能有望解决大锻件里面存在着偏析这样一个世界性的难题。


那么显然,大家最关注的是这么多层,层与层之间能不能结合好啊?


一开始提出这个思想,很多人反对。曾经有位资深专家说,你这个方法界面根本没有熔化。它不可能很可靠地连接在一起,即使连上了也是虚连。


用的时候就像千层饼一样,一撕就撕开了。你这个可都是在国之重器上应用啊,将来出事了,你能担起这个责任吗?我看你还是早点迷途知返吧!


当时我们虽然受了点打击,但是我们也下定决心,一定要证明我们自己是对的。



所以做了大量的基础性研究工作,总结起来就是我们提出了两项界面愈合的机制。


第一项机制是界面的再结晶机制,就是在高温大变形作用下,这个界面处会发生剧烈的动态再结晶,生成了很多新的晶粒。它跨越界面生长就能够将两部分金属牢固地结合在一起。


第二个机制是界面的氧化膜分解机制。这个氧化膜不是个好东西,它会阻碍界面的连接。但是我们发现这种氧化膜在高温大变形作用下它会发生破碎,然后又会发生解离。


既有物理过程,又有化学过程。生成的离子态物质会向远处去扩散。


经过长时间保温之后,界面处的成分组织性能,可以达到与基体完全一致的这种程度。


这个过程就跟我们人体伤口的愈合过程是高度相似的,如果我们有了一个伤口怎么处理呢?



先要清创,然后缝合,缝合完之后就静养休息。等它长好之后这个位置就不太好用了。


我们还要做恢复性的训练,那么相应地,这个金属构筑成形过程中,界面的结合也是类似的。


在高温大变形的作用下,这个界面处会积累大量的形变储能,它会激发剧烈的原子的扩散和动态再结晶。从而将两部分本来分离的金属牢固地结合在一起,而且成为血脉相通的浑然的一体。


当然了,光有思想和理论还不够。


一个新思想,新技术要想服人的话,必须一竿子捅到底要把东西做出来。


所以说我们花了将近十年的时间,把这项技术推向工程应用,目前这项技术已经在核电、水电、风电等领域初步获得了应用,取得了比较好的效果。


五、从思想提出到工程应用


下面我就以一个具体的案例来介绍,我们是如何把这项技术从思想推向工程应用的。


四代核电工程是我们国家核能的重大专项。对于实现核燃料的闭式循环促进核能的可持续发展,具有重大的意义。


这个四代核电里面的堆容器,就像一个大热水瓶一样,里面装了很多堆内的构件还有核燃料。



这其中有一个最关键的部件就是直径达到15.6米的,一个巨型的不锈钢的支承环。这个环本身它要支承着堆容器7000多吨的重量,是7000多吨啊!


而且,它本身也是压力边界的一部分,还要承受中子辐照。还有疲劳载荷,以及液态金属钠的腐蚀。


所以说,它是一个极端环境下服役的构件,被誉为是整个堆容器的脊梁。以往国外都是把它做成6瓣或者8瓣分别制造,然后再组焊在一起。


但是,在焊缝位置就存在着安全隐患,我们大胆提出了一个一体化的成形思想,就是整个构件没有一条焊缝。


这样做有两点好处,一个是提升安全性、可靠性。另外一个,减少了复杂的焊接操作,可以降低制造成本。


在工程上来讲,一体化的制造是一个有重大意义的事情。可以说,这是一个国外不敢想,我们敢想;国外没有做过,我们先做了的一个事情。


说起来是雄心万丈,做起来却是困难万千哪!


这个大环重量是150吨,它的价值跟150公斤的黄金是一样的。我算了一下我的收入,我干五辈子赚的钱也买不起这一个环。


所以,一旦做废了,做坏了,那我的责任就太大了。好在,我们有各级领导的关爱支持和鼓励,尤其是我们的研究部主任李殿中老师,给了我们很大的支持。


我们就稳扎稳打,从两米的小环开始制作,一直到5米、15米。我们做了很多的模拟试验件。



最终经过1000多个日日夜夜的攻关努力,终于固化了工艺形成了成熟可靠的工艺方案。


在2019年3月12日的时候,我们团队在著名的铁匠之乡,山东章丘,完成了这个直径15.6米的巨型的不锈钢支承环的研制。



我们是采用58块优质的连铸坯作为构筑的基元,就像盖房子的砖一样先把它表面加工、打磨干净,露出新鲜金属,然后像小孩叠积木一样一层一层地叠起来。


叠到多高呢?叠到四层楼这么高。比这个房顶还要高。


然后把这个宝塔推到真空室里面进行电子束封焊,使层与层之间处于一个高真空的状态,然后加热到1250摄氏度的高温,进行大的变形。使层与层之间界面结合在一起,最后进行多向锻造,使内部的组织更加的均匀,最终就是成形的工序——冲孔、扩孔还有最后的轧环。我们在一个超大型的轧环机上进行轧环成形。


这轧环的过程,就跟我们做兰州拉面差不多的。一点一点地这么抻,越抻越长,越抻越长,最后就变成16米这一个大环了。


这个大环加工完之后,还是非常壮观的,按照我们现在的疫情防控规定,每隔1.5米站一个人,里面装了150个人还绰绰有余。



这个事情的意义在于我们不光是做了一个世界上最大的金属呼啦圈,更重要的是这项技术打破了沿袭了数千年以来锻造领域的用大钢锭做大锻件这种思想。


我们是通过奇思妙想,以小制大,解决了大锻件存在偏析这样一个世界性的难题,在项目的实施过程当中,团队成员都付出了巨大的努力。


我们的李依依院士八十几岁了,还工作在科研生产一线。她给我们讲,做大工程就要有四气精神,要有勇气、有骨气、有底气、要有人气。



在她的表率作用下,很多单位都自发地,聚集在我们这个团队周围。大家不计得失,全力以赴,以举国之力,来做成大事。


锻造的现场也是很艰苦的,俗话讲要趁热打铁,那这个150吨的大锻件,那可是真热啊!它一翻过来的时候,你站在面前感觉就像站在一个太阳前面一样的。



我们的团队成员冒着1000多度的高温冲在前面,衣服烤糊了、手机烤坏了、鞋底烫掉了,这都是常有的事情。


但是,我们大家都非常开心,因为我们是在国之重器的制造领域,从事一项前所未有的伟大的事业。


金属研究所的老所长两院院士师昌绪先生曾经说过,我一生经历很复杂,但是,始终有一个目标,这个目标就是中国的强大。



这是每个中国人的梦,这个梦的实现不是靠投机取巧,必须是实干。师先生是我们学界的楷模,我们作为新一代的铁匠,更加要坚定这种爱国的思想。


因为我相信,对一个科学家来讲,只有爱国,他做科研工作才会更加有底气,更加有动力。


最后,以这个大环的运输过程的视频,作为我演讲的结束。




这个国之重器的运输过程,也是非常拉风的,从山东章丘一直运到辽宁大连,采用陆海联运的方式。


运输的规格也很高,前后都有警车来护送,我们越过了十几座立交桥,钻过了几个桥洞子,又跨过了几个收费站,越过了茫茫大洋。


最终一路高歌,到达了我们的目的地,助力了我们国家核能重大装备的建设实施。


我要特别感谢陈嘉庚科学奖基金会对我们研究工作的资助。感谢来自中国科学院金属研究所、中国原子能科学研究院、山东伊莱特重工股份有限公司以及山西太钢不锈钢股份有限公司的各位团队成员的支持。


这辈子能与你们共同奋斗,是我的这一生当中最荣耀的事情。


谢谢大家!


本文来自公众号:格致论道讲坛(ID:SELFtalks),作者:孙明月

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