高溫高壓閥體的多向模鍛技術(shù)研究

·專題綜述·

高溫高壓閥體的多向模鍛技術(shù)研究

任運(yùn)來1, 3,李明權(quán)2,任杰1,劉世超3, 聶紹珉3

(1. 上海電機(jī)學(xué)院， 上海 200240;2.中國二十二冶集團(tuán)有限公司，河北 唐山 063030; 3. 先進(jìn)鍛壓成形技術(shù)與科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(燕山大學(xué))，河北 秦皇島 066004)

摘要：為使火電機(jī)組閥體滿足高蒸汽參數(shù)下的技術(shù)性能要求，進(jìn)行了高溫高壓閥體的多向模鍛研究。介紹了多向模鍛工藝的特點(diǎn)，以火電機(jī)組3吋閘閥閥體的多向模鍛為例，闡述了制定多向模鍛工藝的原則與方法，設(shè)計(jì)了3吋閘閥閥體的多向模鍛模具，采用數(shù)值計(jì)算方法，研究了多向模鍛技術(shù)特有的模具動(dòng)作順序?qū)Τ尚屋d荷的影響，得到了模具動(dòng)作順序?qū)夏Ａ?、垂直沖頭壓入載荷、水平?jīng)_頭壓入載荷以及模具溫度場的影響規(guī)律。在40MN多向模鍛液壓機(jī)上進(jìn)行了3吋閘閥閥體的多向模鍛成形試驗(yàn)，獲得了尺寸合格的鍛件，按技術(shù)要求，對3吋閘閥閥體進(jìn)行了力學(xué)性能與纖維流線檢驗(yàn)，結(jié)果表明：遠(yuǎn)優(yōu)于閥體技術(shù)要求的指標(biāo)。

關(guān)鍵詞：多向模鍛；高溫高壓閥體；塑性成形；數(shù)值計(jì)算

中圖分類號：TG316文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

收稿日期：2015-05-12；修訂日期：2015-07-05

基金項(xiàng)目：國家科技重大專項(xiàng)資助項(xiàng)目-大型多向模鍛制造共性技術(shù)研究(2012ZX04010082)；

作者簡介：任運(yùn)來(1958-)，男，上海機(jī)電學(xué)院教授，主要研究方向?yàn)榻饘偎苄猿尚卫碚摷肮に嚒?/p>

Study on multi-ram forging technology of high temperature high pressure valve body

REN Yun-lai1,3，LI Ming-quan2，REN Jie1，LIU Shi-chao3，NIE Shao-min3

(1. Shanghai Dianji University, Shanghai 200240,China;

2. China 22MCC Group Precision Forging Co., Ltd., Tangshan 063009,China;

3 .Key Laboratory of Advanced Forging & Stamping Technology and Ministry of Science Education of China

(Yanshan University), Qinhuangdao 066004,China)

Abstract：In order to make the valve body of the fossil power unit meet technical characteristics requirement under high steam parameter, the multi-ram forging technology of high temperature high pressure valve body are developed. Take the multi-ram forging technology of 3 inch sluice valve body for example, this paper expounded technical principle and method of multi-ram forging technology, a multi-ram forging die of 3 inch sluice valve body are designed. The influence of different die order on forming load is researched by numerical calculation, which is only in the technology of multi-ram forging. Then it is obtained that the influence rule of different die order by the force of up-die and down--die closing, the pressing-in load of vertical punch and horizontal punch, the temperature field of die, and so on. A multi-directional forging forming test of 3-inch sluice valve body is done in 40MN multi-ram forging hydraulic machine, and forging size is qualified. According to technical requirements, it made that the mechanical property test and the fiber flow line test for the valve body, the results showed it is far superior to the technical requirements of the national standard indicators.

Keywords：multiple-ram forging；high temperature and pressure valve；plastic deformation; numerical computation

上海市教育委員會(huì)上海高校知識服務(wù)平臺(tái)建設(shè)項(xiàng)目(ZF1225)

0引言

在經(jīng)歷了上世記70年代的二次石油危機(jī)和發(fā)現(xiàn)由SOx、NOx造成的大氣污染、CO2引起的溫室效應(yīng)給人類生存環(huán)境帶來的嚴(yán)重影響后，人們認(rèn)識到提高火力發(fā)電機(jī)組效率的重要性和緊迫性，推動(dòng)了超臨界、超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)和燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)的發(fā)展。德國Staudinger電廠500 MW機(jī)組參數(shù)為25 MPa/540℃/560℃，廠效率為42.5%；Hessler電廠700 MW機(jī)組參數(shù)為27 MPa/580℃/600℃，廠效率45%。日本東芝公司700 MW機(jī)組參數(shù)為31.l MPa/566℃/566℃，廠效率45%。俄羅斯新一代大機(jī)組采用參數(shù)為28～30 MPa/580～600℃，廠效率達(dá)44%～46%；美國GEC-Alsthom公司為丹麥制造的410 MW機(jī)組參數(shù)28.5 MPa/600℃/600℃，廠效率47%。

為滿足高蒸汽參數(shù)下的物理性能要求，除采用閥體新材料外，采用新的制造工藝也是一條有效途徑。對于在常規(guī)蒸汽參數(shù)下工作的閥體，采用鑄造工藝制坯即可滿足物理性能要求，對于在高溫高壓下工作的閥體，由于鑄造閥體具有疏松與縮孔往往造成滲漏[1]，因此超臨界以上蒸汽參數(shù)的火電機(jī)組，都必須采用鍛造閥體。閥體在鍛造過程中，經(jīng)過大的變形和高的靜水壓力作用，組織致密均勻，物理性能提高。閥體零件由于其服役條件的限制，都是空心件或腔體件，且外形較為復(fù)雜。其鍛造制坯工藝可分為自由鍛和模鍛，模鍛又分為普通模鍛和多向模鍛。自由鍛制坯后，其內(nèi)腔和復(fù)雜的外部形狀都必須采用切削加工完成，由此導(dǎo)致的高成本、低性能不可避免。普通模鍛制坯可較好地成形出閥體的外部形狀與尺寸，內(nèi)腔仍需切削加工完成，常常有流線暴露在內(nèi)腔表面，降低閥體的抗應(yīng)力腐蝕性能。采用多向模鍛方法鍛造閥體毛坯，可在一道變形工序中完成閥體外形與內(nèi)腔的成形，基本上省去了閥體外形與內(nèi)腔的切削加工，是目前最先進(jìn)的閥體鍛造制坯方法。

多向模鍛工藝是在多向模鍛壓機(jī)上，從兩個(gè)或更多個(gè)方向?qū)Π诳煞趾夏Ｇ粌?nèi)的坯料施加工藝力的模鍛方法[2-6]。為使成形后的鍛件能夠取出模腔，多向模鍛有水平分模和垂直分模，對于形狀特殊的鍛件也有多向分模。同其它模鍛方法相比，多向模鍛有如下特點(diǎn)[7]：(1)可成形中空且外表面帶有凸臺(tái)的復(fù)雜鍛件。(2)可設(shè)置多個(gè)分模面，能成形外壁具有多方向枝芽的復(fù)雜鍛件。(3)鍛件形狀尺寸更接近零件，材料利用率高，機(jī)械加工量少。(4)鍛件流線完整，抗應(yīng)力腐蝕好，疲勞強(qiáng)度高。(5)材料在強(qiáng)烈的三向壓應(yīng)力條件下成形，可顯著提高材料熱塑性，允許很大的一次性變形，對于變形溫度區(qū)間小的低塑性材料的成形具有重要意義。(6)多向模鍛工藝一般需要專門設(shè)備——多向模鍛壓機(jī)。

1高溫高壓閥體的多向模鍛工藝設(shè)計(jì)

圖1a是火電機(jī)組上的閘閥閥體，其工作壓力與溫度為27 MPa/580 ℃，材料為P91。由零件圖可知，它有三個(gè)內(nèi)腔通道，主通道直徑為106 mm、長216 mm，側(cè)通道直徑為63 mm、長106 mm，外表面由柱面及過渡曲面相連而成。由于內(nèi)腔通道尺寸大，采用多向模鍛成形除材料組織上的優(yōu)勢外，還可比普通模鍛減少約三分之一的毛坯重量。

1.1多向模鍛公藝的制定

此閥體屬于不等徑三通道零件，它的結(jié)構(gòu)形狀具有典型性，多向模鍛工藝具有代表性，多向模鍛工藝的方案確定包括選擇鍛件的分模面和毛坯的形狀尺寸，繪制鍛件圖，如圖1b所示。

多向模鍛的分模方式有水平分模、垂直分模和多向分模，確定分模面的原則是鍛件鍛前能夠?qū)崿F(xiàn)合模和鍛后易于取出。毛坯體積的確定方法與普通模鍛一樣。毛坯形狀的確定原則是：

(1)凹模合模過程中，材料不能流入分模面。

(2)在凸?？蓪?shí)現(xiàn)的動(dòng)作下，材料質(zhì)點(diǎn)的流動(dòng)路徑最短，材料能充滿模腔。

(3)毛坯易于定位。

圖1　閥體的零件和鍛件圖 Fig.1　Part and forging drawings of the valve

在滿足上述原則的條件下，對于三通類無法蘭閥體的多向模鍛，采用水平分模、柱形毛坯，垂直放置的工藝方法最為合理，這是因?yàn)殚y體左右兩側(cè)通道以主通道軸線對稱，主通道直徑大于兩側(cè)通道直徑，毛坯直徑應(yīng)根據(jù)主通道的外圓直徑選取，對于三通閥體，若采用垂直分模方式，需在設(shè)備上添加輔助合模裝置，否則兩側(cè)通道無法穿孔[8，9]。

1.2閥體多向模鍛的鍛模結(jié)構(gòu)

根據(jù)上述分析，閥體多向模鍛的鍛模結(jié)構(gòu)如圖2所示，它由上模、下模、上沖頭和左右沖頭組成。

1.方鍵　2.下?！?.水平?jīng)_頭鍵　4.水平?jīng)_頭 5.上?！?.垂直沖頭　7.垂直沖頭鍵 8.上模T形槽用螺栓　9.螺母　10.導(dǎo)柱 圖2　閥體的多向模鍛模具結(jié)構(gòu)圖 Fig.2　Die structure diagram of multiple-ram forging for valve

2凸模動(dòng)作順序的優(yōu)選

2.1模具動(dòng)作順序的組合選取

在多向模鍛壓機(jī)上進(jìn)行多向模鍛時(shí)，上模安裝在動(dòng)梁上，下模固定在下工作臺(tái)上；垂直沖頭安裝在穿孔缸活塞上，兩水平?jīng)_頭分別安裝在兩水平缸活塞上。上模及各沖頭可獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，動(dòng)作次序也可柔性調(diào)整，對于同一鍛件，不同動(dòng)作次序相應(yīng)于不同的成形結(jié)果。若將上模、垂直沖頭、水平?jīng)_頭的動(dòng)作次序和位移大小進(jìn)行調(diào)整組合，可得到多達(dá)千種不同的成形方案。這是多向模鍛工藝的特有之處，是調(diào)控材料變形及鍛件質(zhì)量最主要、最有效和最易實(shí)現(xiàn)的手段。模具動(dòng)作順序也是影響多向模鍛成形載荷大小和模具溫升最重要的因素之一。

對于此件閥體幾何形狀，將上模、垂直沖頭、水平?jīng)_頭的動(dòng)作次序組合四組具有代表性的方案，各方案中模具的位移-時(shí)間曲線如圖3所示。在多向模鍛中，必須在凹模合緊后，各沖頭才能壓入，因此，對于水平分模的工藝方案而言，當(dāng)毛坯放入下凹模后，一定是上凹模首先下行與下凹模閉合，然后各沖頭才可運(yùn)動(dòng)。在各次序的分析中，設(shè)它的運(yùn)動(dòng)速度相同。

圖3　模具不同次序下的位移-時(shí)間曲線 Fig.3　Displacement-time curves of die under different order

2.2模具動(dòng)作順序?qū)Τ尚屋d荷和模具溫度場的影響

多向模鍛中，盡管規(guī)定了模具的動(dòng)作順序，但毛坯在模腔內(nèi)的變形、材料質(zhì)點(diǎn)的流動(dòng)規(guī)律是十分復(fù)雜的，為能實(shí)現(xiàn)分析凸模動(dòng)作順序?qū)Τ尚屋d荷的影響，采用數(shù)值計(jì)算的方法進(jìn)行分析[10-14]。

采用DEFORM-3D作為計(jì)算軟件，對閥體的多向模鍛過程進(jìn)行熱力耦合計(jì)算，毛坯的始鍛溫度為1 200 ℃，終鍛溫度為800 ℃。模具初始溫度為200 ℃。由于是關(guān)于x、y軸對稱的，取四分之一進(jìn)行計(jì)算，圖4a為多向模鍛計(jì)算的力學(xué)模型。

圖4　模具不同次序下的數(shù)值模擬 Fig.4　Numerical value simulation of die under different order

2.2.1模具動(dòng)作順序?qū)Τ尚屋d荷的影響

多向模鍛中，由于在模具的分模面上不設(shè)飛邊，若選取的毛坯尺寸相同，則模鍛終了時(shí)模腔的填充程度是相同的，不同的模具動(dòng)作順序所造成的差別在于成形載荷的大小不同，消耗的能量多少不同。成形載荷包括上、下模的合模力、垂直沖頭的壓入力、水平?jīng)_頭的壓入力，它們的最大值分別用F1max、F2max、F3max表示[15-16]。圖4b為四組模具在不同動(dòng)作次序下的合模力對比，其數(shù)值見表1。

表1　不同次序下的成形載荷

2.2.2模具動(dòng)作次序?qū)δ＞邷囟鹊挠绊?/p>

多向模鍛成形過程中，高溫毛坯在封閉的模腔內(nèi)劇烈的流動(dòng)，毛坯表面與模腔表面在高壓應(yīng)力接觸并進(jìn)行滑動(dòng)摩擦，使模腔表面的溫度迅速升高，高的模腔表面溫度導(dǎo)致模腔表面回火，加速磨損，甚至模腔局部坍塌變形而報(bào)廢。因此，比較各成形順序中模腔表面的溫度高低是十分重要的，表2是各模具零件表面溫度。

表2　不同次序下的模具表面溫度

分析表1、表2可知，模具動(dòng)作的次序四，在成形載荷和模具表面溫升兩方面都比較好，選取模具動(dòng)作次序四，作為此閘閥閥體多向模鍛生產(chǎn)的模具動(dòng)作的順序。

3高溫高壓閥體的多向模鍛工藝試驗(yàn)

3.1高溫高壓閥體的多向模鍛成形試驗(yàn)

1.1.3 波里馬類型質(zhì)不育系、保持系、恢復(fù)系 華48210A、380-1B、常03、92-11、金068-4、油研10號?F10、2255C、2350C、中油116?F8、中雜8號?F6、花葉恢。全部由貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院油菜研究所提供。

高溫高壓閥體的多向模鍛試驗(yàn)在40 MN多向模鍛液壓機(jī)上進(jìn)行，圖5是多向模鍛試驗(yàn)與試驗(yàn)后的閘閥閥體。

圖5　高溫高壓閥體的多向模鍛試驗(yàn) Fig.5　Multi-ram forging test of high temperature and pressure valve

3.2多向模鍛高溫高壓閥體的物理性能分析

3.2.1拉伸和沖擊試驗(yàn)

室溫下的拉伸和沖擊試驗(yàn)是高溫高壓閥體交貨技術(shù)條件中必須進(jìn)行的試驗(yàn)，試驗(yàn)按高溫高壓閥體鍛件技術(shù)要求中規(guī)定的位置進(jìn)行拉伸與沖擊試件的切取，然后按國標(biāo)進(jìn)行試件的加工，拉伸試驗(yàn)在100 kN萬能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，拉伸后的試件如圖6a所示，拉伸試驗(yàn)結(jié)果見表3。

沖擊試驗(yàn)試件見圖6b。沖擊試驗(yàn)結(jié)果見表4。試件的平均沖擊吸收功為AKu=120.5 J，供貨狀態(tài)下的沖擊吸收功為AKu=71 J。結(jié)果表明，多向模鍛使鍛件的沖擊吸收功提高了69.72%，大大提高了鍛件的抗沖擊性能。

圖6　多向模鍛高溫高壓閥的性能試驗(yàn) Fig.6　Performance tests of high temperature and pressure valve

性能參數(shù)延伸率/%斷面收縮率/%屈服強(qiáng)度/MPa抗拉強(qiáng)度/MPa試件12662.60274471試件22563.20280470試件330.566.30313490試件42864.10293472平均值27.464.10290.0475.8供貨狀態(tài)的技術(shù)要求2555245410提高/%1016.518.416.1

表4　閥體鍛件沖擊試驗(yàn)結(jié)果

3.2.2纖維流線檢驗(yàn)

高溫高壓閥服役于惡劣條件，內(nèi)部有高溫高壓水的沖刷與侵蝕，外部有酸性氣體的侵蝕，因而閥體毛坯的纖維流線分布一方面影響疲勞壽命，更重要是影響其抗應(yīng)力腐蝕的能力。

試驗(yàn)取最具有代表性的、鍛件最大投影面的剖面做低倍實(shí)驗(yàn)，把剖面打磨、拋光，用工業(yè)酒精擦拭干凈，然后用10%左右的硝酸水溶液腐蝕幾秒鐘，剖面就會(huì)出現(xiàn)纖維流線。圖6c為閥體鍛件整體及局部放大的纖維流線圖。從圖中可以看出，鍛件剖面的纖維流線呈連續(xù)封閉狀態(tài)，應(yīng)具有較高的疲勞強(qiáng)度和抗應(yīng)力腐蝕性能。

4多向模鍛的經(jīng)濟(jì)效益分析

目前，高溫高壓閥體仍采用普通開式模鍛進(jìn)行生產(chǎn)，其工藝流程是：鋸床下料-加熱-鐓粗后豎起制坯-加熱-預(yù)鍛-終鍛-切邊，多向模鍛工藝流程是鋸床下料-加熱-多向模鍛。圖7a、7b分別是普通開式模鍛切邊前的鍛件圖和多向模鍛后的鍛件圖，由上可知，采用多向模鍛工藝鍛制閥體，不僅工序少，而且可鍛出內(nèi)孔。采用普通開式模鍛，工序多不能鍛出內(nèi)孔，還需增加飛邊。若不計(jì)火耗，采用多項(xiàng)模鍛的毛坯重量為33.74 kg，采用普通開式模鍛的毛坯重量為55.22 kg，每件節(jié)約鋼材近22 kg。

除此之外，普通開式模鍛的實(shí)心鍛件還需要更多的機(jī)械切削加工。

圖7　高溫高壓閥體的不同模鍛方法比較 Fig.7　High temperature and pressure valve made using open-die forging and multi-ram forging

5結(jié)論

(1)多向模鍛是閥體等中空類件鍛造制坯的最佳技術(shù)，可節(jié)材、提高性能、提高生產(chǎn)效率。

(2)本文提出的高溫高壓閥體的多向模鍛制造工藝是可行的。

(3)本文提出的通過合理制定模具的動(dòng)作順序，減小多向模鍛載荷、降低模具溫度的工藝原理是正確可行的。

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