02.26 核潛艇耐壓殼體鋼材是怎樣生產出來的?

王瑜瑜


因為潛艇耐壓殼體所用鋼板要具有極高的屈服強度,耐腐蝕性,易焊接性,抗爆炸性,韌性等性能,就要在裡面添加一些其他金屬。要比水面艦艇所用鋼材的性能高的多,所以不能用艦艇鋼板所用的“轉爐+LH爐外精煉”的方法冶煉,為了使鋼板裡面其他難容金屬較好的溶解在鋼水裡,以達到所鍊鋼板的成分均勻分佈的目的只能採用“電弧爐+爐外精煉爐”聯合的方式進行冶煉。

一般來說,潛艇耐壓艇殼用鋼中加有錳,鎳,鉻,鉬等金屬元素。而這些元素的融點極高,錳的熔點是1246℃,鎳的融點是1455℃,鉻的融點是1907℃,鉬的融點是2623℃,相對而言鐵的融點僅為1535℃。想要使各種元素均勻分佈,就必須將其完全融化。為了達到較高的溫度,也必須使用電弧爐了,當電弧加熱時其周邊可以產生高達6000℃的高溫足以將鉬,鉻等元素徹底融化。以達到讓各種成分均勻分佈,以避免鋼材出現“偏析”這樣缺陷。


美國等西方國家一般使用“電爐或轉爐+真空精煉”方法生產潛艇用鋼,而俄羅斯則使用“電渣重熔”法生產潛艇用鋼,是的電渣重熔也就是現在生產坦克炮管的方法,只不過在此之前,要使用轉爐法鑄造出所用的電極。

而冶煉的具體步驟是:選材——鋼在電弧爐內融化冶煉完成後——再到VOD爐內進行二次冶煉與合金化,到了這裡才是鋼坯而已,隨後還要進行軋製,熱處理,探傷等等。可以說,潛艇鋼板冶煉過程中的每一步都極為繁瑣。



選材

潛艇艇殼所的鋼材在選擇原材料時也比較有考究,一般選擇有害元素極低廢鋼或者事先經過預先處理的低硫磷的高爐鐵水。

鋼坯的軋製

說到軋製就要用到冷軋機了,還是日本新日鐵的厲害。我國著名的某鋼鐵公司就是在80年代全套引進日本的技術,以至於到了今天依然不差。由此可知,在金屬材料行業,還是日本比較領先。

熱處理

潛艇用鋼的一般都要經過“淬火+回火”的調質熱處理,淬火加熱保溫的時間大概在2分鐘——3分鐘,溫度為900℃,回火保溫時間在5分鐘——8分鐘。

在經過一系列的步驟之後,就製造出了潛艇耐壓艇殼所用的鋼板。(圖片來自網絡)


江山何沉


蟹妖

這是俄羅斯拆解就核潛艇的圖片,這是一個分段最裡面那層包裹各種各樣的設備和裝置的殼體就是潛艇的耐壓殼體。

潛艇耐壓殼體的生產流程與高檔一些的合金鋼是一樣,先由電弧爐將廢鋼+鐵水熔化後,採用(氧化法)去除裡面的鋼液裡的磷硫和其它夾雜、有害氣體,在完成基本合金化、出鋼溫度合適之後→將鋼水傾倒入鋼水罐當中,再將鋼水罐放進“爐外精煉爐”當中進行第二次鍊鋼,這個工段要進一步去除鋼水內的有害成本,對合金成分進行微調,使用惰性氣體對鋼水進行清洗,使鋼水更加的純淨。


圖片上就是電弧爐初步鍊鋼、出鋼的過程,電弧爐是目前鋼鐵工業大規模鍊鋼的主要冶煉設備之一,使用量和裝備量僅次於轉爐鍊鋼,電弧爐一般採用三相交流式供電,電流通過三根石墨電極形成高溫電弧將爐料熔化,圖片中最右側就是電弧爐上面三根棒狀物就是“石墨電極”;中間的是“盛鋼桶”,鋼水冶煉完成後就傾倒進盛鋼桶內;左邊是電弧爐出鋼示意圖。

一般來說潛艇耐壓殼體用鋼都要使用電弧爐進行初步冶煉,因為電是“二次能源”不像氧氣或者煤氣那樣有雜質,用它來加熱爐料不會產生任何有害物。


冶煉流程當中的第二個關鍵設備就是VOD“爐外精煉爐”,鋼水罐裡的鋼水要在這裡進一步的去除有害物和鋼牌號最終合金化,在“二次鍊鋼”過程中要使用小顆粒狀的:石灰、瑩石…等造渣材料,同時要進行“吹氬氣工作”,就是讓造渣材料和氬氣進一步的與鋼液混合,達到洗滌、純淨鋼水的目的!VOD“爐外精煉爐”是目前先進的鍊鋼設備,也是大型鋼鐵聯合企業必備的設備,各種高檔鋼材要用它去二次冶煉。
表格裡的HY-80、HY-100、HY-130就是目前潛艇耐壓殼體所使用的鋼牌號,

從化學成分上來說,它的合金成分並不高,屬於中合金高強度鋼…戰艦和潛艇所用的鋼材合金成分不能高,也不能成分過於複雜,因為都是大規模生產的鋼牌號,合金成分越複雜、含量越高也越難以冶煉!同時也給後續的冷彎、焊接帶來極大的麻煩,理論上來說:合金含量越高的鋼冷加工越困難,因為是強度太高了,甚至是缺乏韌性;對於焊接工序來說合金成分含量複雜越是難以焊接,因為焊縫要與所焊接的材料在化學成分要一致,但是合金成分複雜在焊接過程中有可能某一個成分被“燒損”…成分不相符也就達不到技術要求了!所以,潛艇耐壓殼體鋼的化學成分和含量要適當。
寶山鋼鐵公司的“日立”初軋機,經過“爐外精煉爐”冶煉完成的鋼水要採用“模鑄法”澆鑄成13.1噸、11.3噸大型扁錠(軋板用)和8.3噸大型方錠(型材用)模鑄工藝雖然傳統、成本高,但是與“連鑄法”相比壓縮比很大!最終出來的鋼材內部緻密,強度更高…現代潛艇的耐壓殼體和球扁鋼型材都採用模鑄法鑄錠,然後大型鋼錠通過精整、均熱後要進入到“初軋機”開坯,也就是將鋼錠初軋成適合軋板機的板坯,板坯在經過定尺、切割後才能進入軋板機軋製成各種厚度、長度、寬度的鋼板。

說過來說過去,潛艇耐壓殼體鋼板到底長啥樣?圖片上是英國皇家海軍最新的“繼承者級”戰略核潛艇的開工儀式,激光切割機上面那塊鋼板就是“耐壓殼體”鋼板,從外表來看和普通船舶用鋼板沒有區別。

潛艇耐壓殼體鋼板的生產需要一整套的鋼鐵工業產業鏈,所需的設備都是體積龐大的重工業機械設備,唯有工業基礎雄厚的國家才能製造出來:鍊鋼爐、爐外精煉爐、初軋機、軋板機/型材軋機…還需要各種吊車、火車底盤(鑄錠爐後用的)許許多多機械設備、還需要龐大的廠房、上百萬的鋼鐵從業人員,這些都需要常年累月的鉅額投資,沒有工業基礎的國家根本生產不出來潛艇耐壓殼體鋼板!

更主要的是在於怎樣將耐壓殼體鋼板的化學成分研究清楚,就拿上面表格當中的HY-80/100/130鋼來說,化學成分配方在任何專業期刊上都能找到,但是對於化學成分來說“要知其然、知其所以然”!為什麼鎳鉻鉬釩要在那個區限內?碳含量為什麼要在0.10~0.18之間?這些都需要自己去研究,要做幾千次實驗才能搞得清楚!但每一次實驗都要花錢…將鋼材性能搞清楚很可能要十幾年的時間,而且對於軍用鋼材來說外國都是技術封鎖的,已經使用幾十年甚至退役了鋼牌號都不會告訴你生產工藝。

所以,潛艇耐壓殼體鋼板和球扁鋼沒有幾個國家可以生產出來,一是鉅額的鋼鐵工業產業鏈投資、二是甚多的工藝要搞清楚,這兩隻“攔路虎”不是哪個國家就能降伏的。


皇家橡樹1972


兔哥回答;核潛艇是水下兵器,靠海水的掩護悄悄地接近目標,對目標進行狙殺,核潛艇採用了核能做為動力,可以在水下長航時隱蔽航行,減少了因浮出水面而暴露目標的危險。潛艇在水下航行,由於水的密度是空氣的800倍,而且水具有不可壓縮性的特徵,所以潛艇需要承受巨大的海水擠壓力。並且隨著潛入的深度潛艇所承受的壓強越來越大。



目前,常規潛艇所承受的潛水深度通常為300~400米左右。核潛艇通常能達到400~600米,這是可承受的安全深度。如果超過潛艇所能承受的極限潛深,巨大的海水壓力就能把潛艇壓扁壓碎。而潛艇越是潛的深就越安全,而目前的反潛武器並不能對於深度千米以上的深度進行攻擊,700米就很困難了。所以如果潛艇能夠潛的夠深就可以暢通無阻了。這也是潛艇都在極力增加潛入深度的原因。然而,想潛的深可不是說做到就能做到了,對於潛艇的主要材料,潛艇的殼體鋼板的加工製造是一個考驗。潛艇用的鋼板常規潛艇通常在500兆帕左右,而核潛艇的鋼板的屈服強度在600兆帕以上,目前的潛艇用鋼的屈服強度達到了1000兆帕級別。



核潛艇鋼板的性能特點;核潛艇用鋼除了上文兔哥闡述的屈服強度要求,就是鋼板必須能適合海水環境的影響,海水的水溫變化非常大,不但受季節變化,也受深淺度變化。海水的溫度變化值在+49°C~–34°C之間。熱漲冷縮是鋼鐵的特性,核潛艇用鋼必須要克服這種特性,變化越小越好。核潛艇長期在水下,深淺往來頻繁,受壓不等,即要求有高硬度,又要求有韌性,而硬度和韌性歷來就是一個矛盾體。而且潛艇有幾十年的服役期,這就要求潛艇的鋼材有很強的抗疲勞性能。同樣要耐海水的腐蝕。另外,鋼材在好也必須能加工成型,所以,還要有可加工性。從以上幾點也可以看出,一艘核潛艇的鋼材的性能要求多苛刻了。



核潛艇用鋼板的加工;由按金屬配料鑄造的鋼坯加工而來,加工中通常採用軋鋼工藝,反覆軋製,和製造炮管差不多,不同之處在於核潛艇的鋼板要求是平整的,鋼板的好壞決定了潛艇造好後的結構強度,因此,其工藝是嚴格保密的。不過我們從對鋼板的要求可以窺其一斑。


核潛艇殼體的製造;核潛艇的殼體首先是選用高屈服強度的合金鋼材,這種鋼板的屈服強度值代表著該國的鋼鐵製造強國的能力,配方是嚴格保密的,屬於一個國家的戰略資產。核潛艇的鋼材的好壞決定了潛艇的下潛深度,和殼體直徑的大小。鋼板並不能直接用來焊接,而是必須要進行卷壓成型,然後焊接成一圈圈的一定長度的分段,每個分段都經過滾軋,這樣強度就更高。然後把這些小段的圓筒在焊接在一起,形成大的分段。最後在把這些大的分段接合在一起,也叫總裝。這樣一艘核潛艇的耐壓殼體就造好了。造好後才能鑽出魚雷發射管安裝口,導彈安裝口等等開口。



當然以上只是從表面闡述核潛艇材料的和建造核潛艇的難度,而這還只是整個核潛艇建造的一部分而已。但不能否認,核潛艇的鋼材的好壞對於核潛艇的潛水深淺有著直接的影響,也是決定核潛艇生存能力的關鍵因素。

以上是兔哥個人的看法,歡迎大家各抒己見,探討評論,歡迎關注兔哥,兔哥將為你分享有趣的軍事文章。圖片來源網絡。


兔哥42928


問這個問題的人居心撥測。全世界能造潛艇的屈指可數,核潛艇的更少。所以懂的人千萬別賣弄,有洩密的可能。


1天涼好個


潛艇外殼在深海水中航行時需要承受水壓所造成的靜壓力,因此也被稱為耐壓殼。潛艇耐壓殼的生產首先要做的就是確定使用何種配方的鋼材原料,因為耐壓殼除了具備承受壓力的高屈服度,還要求具備各種溫差變化下承受熱脹冷縮的高韌性,耐受炸彈攻擊時衝擊波的高抗爆性,承受不同深度海水壓力變化的抗週期疲勞強度,耐受海水腐蝕的抗腐蝕性,而在滿足這些條件之下,還必須擁有良好的焊接性能以滿足大規模製造的現實要求!可以說潛艇鋼材在各項性能近乎苛刻的條件下,又人為的設置了各種限制,這是對考驗一個國家鋼鐵冶煉工業功底的最強考驗!(俄羅斯北風之神核潛艇耐壓殼,直徑13米)

現代潛艇耐壓殼鋼材多使用高強度的低碳合金鋼,合金鋼內主要添加鎳(提高低溫韌性和抗爆性)、鉻(提高耐腐蝕性和淬透性)、鉬(提高強度和冶煉時的高溫穩定性)、釩(提高韌性和抗疲勞性)、銅(提高回火時的沉澱強化性)、鈮(細化奧氏體晶粒,增加緻密度和強度)以及各類稀土元素(全屬性提升)。碳元素能夠有效提升鋼的強度,但是潛艇耐壓殼鋼中的碳元素比例一般在在0.06%—0.18%之間,最佳比例為0.1%左右,從分類上屬於低碳鋼,目的就是在保持一定強度的情況下,獲得更優良的韌性以及焊接性能!

在各種原料比例確定完畢後,就要開始選材,耐壓殼的鍊鋼原料通常相當嚴格,一般採用的是經過去硫、去磷、去除其他雜質處理後的高純度鐵水作為原料,如果原料短缺,也可以用二次回收利用的廢鋼來進行。不過廢鋼有一個壞處就是本身內部有諸多添加元素,如果把握不好,就可能對最後的成品性能造成影響。選材完畢後要開始冶煉,耐壓殼鋼一般不使用常用的轉爐冶煉,轉爐溫度過低,不適於精煉。通常採用一次電弧爐冶煉加二次精煉爐爐外精煉完成,電弧爐溫度高達6000℃,可以熔化各種高熔點金屬,而且電本身屬於清潔能源,不會產生附屬的殘渣和氣體對爐內鋼水造成汙染,並且電溫能夠進行精準把控和調節,能夠使爐內各種添加成分與鋼水本身均勻融合稀釋,不會出現結晶過程中元素分佈不均勻的偏析現象。

(小型電弧爐)

在經過電弧爐高溫冶煉得到初鍊鋼液之後,還要將鋼水倒入精煉爐進行二次精煉,如果說一次電弧爐冶煉主要是進行熔化和合金化,那麼二次冶煉則是為了去除雜質,讓鋼材進一步純淨。精煉爐通常處於內部通常會注滿還原性氣體,將鋼水反覆轉動,用還原性氣體對其中殘留的硫化物、氧化物以及各類一次冶煉的有害性氣體進行去除。如果在一次冶煉中檢測出成分出現偏差,還還可以對鋼水中的成分進行微調,最後得到配比完美的鋼水。(爐外精煉)

鋼水冶煉完成後,再將其倒入金屬模具中就能得到一個十幾噸乃至幾十噸的鋼錠,但是這個鋼釘是肯定不能直接拿去做潛艇耐壓殼的,因此需要將鋼錠在初軋機或者水壓機之下進行開坯,將其壓縮加工成更小的坯料,這些坯料在經過抗氧化處理後就可以進入二次軋製階段,使用大型軋製機進行擀麵條似的反覆軋製壓縮,內部結構不斷緊密,厚度減少,面積增加,最後就可以得到初步的尺寸合適的潛艇耐壓殼板材。

(冷軋設備)

這些板材在經過二次表面抗氧化處理和超聲波探傷等一系列程序後,就可以使用大型卷板機卷製成弧形,卷制完後再進行接縫焊接,然後才能得到合格的潛艇耐壓殼殼體。潛艇耐壓殼過程看似複雜,實際上更復雜,其中包括大型電弧爐、高壓水壓機、大型卷板機在內的一系列設備在內,目前除了幾個發達國家之外,就只有中國和俄羅斯能夠生產,印度之所以搞不出自己合格的核潛艇,和鋼材工業的落後有很大的關係!

(大型卷板機)

(潛艇耐壓殼的分段焊接)


軍武吐槽君


潛艇鋼生產是一個複雜的過程,不是我們業界外人士想象的那樣,有鍊鋼爐、有軋鋼設備……就能生產出來的,這需要在設備上有巨大的投資,還需要有豐富的冶煉工藝沉澱。

潛艇用鋼的冶煉不似水面艦艇用鋼,可以採用轉爐+LH爐外精煉工藝冶煉出來的,冶煉潛艇用鋼的設備基本上是電弧爐和爐外精煉爐雙聯才能完成。

為什麼要用電弧爐而不是通常使用的轉爐?因為電是“二次能源”本身沒有雜質,並且電供應穩定,電弧加熱方式產生的發熱值也大大高於氧氣,這樣可以更好的融化鋼水裡的其它需要加入的有色難融金屬。圖片上就是目前普遍使用的電弧爐,採用三相交流式,使用三根石墨電極,由卡頭和齒調控制它在爐內部分的高度……電弧加熱時,電極周圍產生的溫度高達6000度!任何難溶解的金屬都會被融化,這樣才能更好的與鋼水融合,使鋼材合金成分均勻而不至於出現“偏析”這樣的鍊鋼缺陷。

潛艇鋼冶煉的關鍵設備:鋼包爐外精煉爐,也叫:VOD。是目前大規模生產高檔鋼材的先進設備。

鋼水在電弧爐中溫度合適、基本合金成分在限內就可以出鋼,盛在鋼水包內的鋼水還不能直接澆鑄,需要在VOD爐內進行二次冶煉和二次合金化,也就是通常所說的爐外精煉,要將鋼水包穩定的放置在VOD爐內進行真空脫氣和去夾渣作業,就是將鋼水在電弧爐內冶煉過程中出現的有害氣體、氧化夾雜等物去除掉,使鋼水更加純淨,同時還要使用氬氣等“惰性氣體”將鋼水內的夾渣帶到鋼水面上渣面內……這是一個必要的過程,現代潛艇潛深都在300~600米,要承受極大的海水壓力!如果鋼水不純淨勢必會出現:氣泡、夾渣、白點……等冶煉缺陷,這將嚴重的影響後續的板材/型材生產,有缺陷的鋼材要是用在潛艇上會出現艇毀人亡!

潛艇用鋼材大部分都是模鑄生產工藝,而非連鑄生產。也就是說要模鑄成13.1噸的扁鋼錠(板材用)和8.3噸的方錠(球扁鋼用)模鑄鋼錠在軋製過程前需要反覆的開坯工序,這樣板坯和板材壓縮比才大,最終的鋼板內部才會更加緻密!這個道理就和我們吃的麵條一樣,機器壓出來的切面,肯定沒有擀麵杖擀出來的麵條勁道。而且模鑄錠可以進行保溫緩冷,否則會出現鋼錠冷卻溫度不均勻出現拉裂現象,潛艇鋼都是高檔鋼材,因為拉裂造成了損失將是巨大的。


漆衛東


潛艇用鋼的冶煉不似水面艦艇用鋼,可以採用轉爐+LH爐外精煉工藝冶煉出來的,冶煉潛艇用鋼的設備基本上是電弧爐和爐外精煉爐雙聯才能完成。


班飄music


很貴和航天鋼鐵那樣嚴密封鎖,休想在這裡問


分享到:


相關文章: