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超大型盾构机终于用上中国轴承 !聊聊高端轴承制造背后的真空工艺

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近日,由李殿中研究员、李依依院士团队牵头攻关的超大型盾构机用直径8米主轴承研制成功。该主轴承重达41吨,是目前我国制造的首台套直径最大、单重最大的盾构机用主轴承。

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该主轴承将安装在直径16米级的超大型盾构机上,用于隧道工程挖掘。该主轴承的研制成功,标志着我国已掌握盾构机主轴承的自主设计、材料制备、精密加工、安装调试和检测评价等集成技术。

卡住脖子的高端轴承

盾构机是国民经济建设的重大装备。我国已实现了盾构机的国产化,但其核心部件——主轴承却一直依赖进口。世界轴承市场70%以上的份额,被十大跨国轴承集团公司所占据轴承钢刀,其中美国占23%、欧盟占21%、日本占19%。同时,世界轴承行业的高端市场被上述企业所垄断。

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作为机械设备中不可或缺的核心零部件,轴承不仅要以每分钟上万转的速度长时间高速运转,还要承受着各种形式的应力挤压、摩擦与超高温。比如上文提到的超大型盾构机,主轴承是盾构机刀盘驱动系统的核心关键部件,直径8米的主轴承在运转过程中承载的最大轴向力达到105千牛(大约相当于轴向受到2500头亚洲象重力的作用)、径向力达104千牛、倾覆力矩达105千牛·米。

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在航空航天、高速公路、高档轿车、大型盾构机等行业,轴承因质量和技术附加值要求高,因此高端轴承仍需大量进口。在2018年5月25日《科技日报》“卡脖子”技术的系列报道中,高端轴承被列为我国35项“卡脖子” 技术之一。

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▲每一列从生产车间走出来的高铁,只要时速超过每小时140公里,用的基本上是进口轴承。航空、高铁等高科技领域采用的是P4等级轴承。现今我国高铁所用的高端轴承主要是从SKF、德国FAG、美国TIMKEN等公司引进。

真空脱气打造轴承钢

“高端轴承依赖进口,为什么我们自己造不出来?”在调研了东三省、浙江、山东等五六个省份之后,中科院山东技术转化中心常务副主任王东升找到了答案:最大的问题出在材质上,“没有好钢,永远造不出高端轴承”。

决定轴承性能的关键因素,在于其材质。要制造高纯净、高均质、高强韧、高耐磨的轴承钢材料,一定要从源头解决材料制造的问题。氧是钢中非金属夹杂物的主要来源,所以氧含量是衡量轴承钢质量的重要指标。炉外精炼是国内生产高纯净轴承钢的不二选择,通过使用铝作为精炼过程中重要的脱氧元素,利用还原渣法进行钢液脱氧,同时在冶炼过程中可以脱硫和细化晶粒。钢包精炼及真空脱气法(LF-VD)被国内主要轴承钢厂家应用。

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目前我们虽然能造轴承钢,但质量和纯度还有待提高,而国外采用的真空脱气冶炼技术打造的超高纯轴承钢,是我们下一步的目标。

山阳特钢和Ovako是世界一流的轴承钢生产企业,山阳特钢开发了一种超纯钢冶炼工艺SNRP(Sanyo New Refining Process)。SNRP精炼工艺(大功率电炉 → LF精炼炉 → RH 真空脱气精炼炉 → 大断面垂直型连铸机)可控制夹杂物尺寸的同时降低夹杂物的聚集度,钢中的夹杂物进一步降低,疲劳寿命大幅度提高,满足高端领域轴承长寿化和可靠性的需求。

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▲真空循环脱气精炼法(RH)示意

随着炉外精炼的发展,真空循环脱气精炼法(RH)逐渐普及。RH精炼是将真空室直接通过插入管插入钢液,利用真空泵和氩气上升形成推力,从而使钢液周而复始地在真空室内循环。RH 脱气处理能够脱气、脱氧、调节化学成分等,处理速度快、反应效率高、操作简单,可以满足钢材多样化和高质量化的严格要求。而真空脱气法(VD)由于渣层覆盖钢液,脱气主要在“渣眼”处进行,VD的脱气速度要比RH慢得多。且VD处理过程中,由于渣层依然保留在真空室内,渣中的氧还会被钢液反吸收,出现回氧现象。所以对轴承钢质量指标要求极高的企业,RH法是冶炼特优级轴承钢的关键,经过RH法处理后,钢中溶解氧可以控制到 2×10-6以下。目前,国内生产轴承钢企业可以将钢中全氧控制到 5×10-6以下,与国际先进水平接近。

盾构机上的“中国心”

中国科学院于2020年启动了“高端轴承自主可控制造”战略性先导科技专项,中国科学院兰州化学物理研究所等7家院内科研单位组成建制化团队,联合20余家单位进行协同攻关轴承钢刀,先后解决了主轴承材料制备、精密加工、成套设计中的12项核心关键技术问题,如今已开发出直径从3米级到8米级的盾构机高端主轴承共10套。

为发挥我国稀土资源优势,解决轴承领域的重大需求,研究团队历经十多年的研究,发现稀土钢性能波动、浇口堵塞问题的根源在于氧含量。经过大量的实验、计算和表征,他们揭示了稀土在钢中的主要作用机制,开发出“低氧稀土钢”关键技术。该团队通过控制氧含量,制备出性能优越、稳定性好的低氧稀土钢,研制出的稀土轴承钢拉压疲劳寿命提高40多倍,滚动接触疲劳寿命提升40%,相关基础研究成果于今年发表在国际著名期刊《自然材料》(Nature Materials)上。

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同时,有效解决了稀土轴承钢工业生产时遭遇的浇口严重堵塞的问题及加入稀土性能不稳定的问题,牵头制订了多项稀土钢标准。目前由相关合作企业生产的稀土轴承钢综合力学性能优异,好于进口产品。

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