CAP1400主管道整體鍛造成形和晶粒度控制研究

余江山 石玉萍 陳紅宇 司晨亮

(中國第二重型機械集團公司，四川618000)

生產(chǎn)技術(shù)

CAP1400主管道整體鍛造成形和晶粒度控制研究

余江山 石玉萍 陳紅宇 司晨亮

(中國第二重型機械集團公司，四川618000)

在分析CAP1400主管道制造難點的基礎(chǔ)上，提出一種主管道熱段A彎管管坯整體鍛造成形和晶粒度控制的方法，取得了較好的效果。

CAP1400；主管道；鍛造工藝

CAP1400型壓水堆核電機組是在消化、吸收、全面掌握我國引進的第三代先進核電AP1000非能動技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過再創(chuàng)新開發(fā)出具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)、功率更大的非能動大型先進壓水堆核電機組。CAP1400核電站的核島蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)堆芯熱能通過主管道輸出，而冷卻后的蒸汽通過主管道返回堆芯?？梢?，主管道是CAP1400核電站的重要部件。從強度、耐蝕性、焊接性以及輻照敏感性等要求綜合考慮，CAP1400主管道采用了超低碳奧氏體不銹鋼材料316LN。目前對于第三代核電主管道的制造主要有冷彎和熱彎兩種彎制方法。本文針對冷彎制造路線進行研究，冷彎制造路線為：鋼錠→直管坯鍛造→機械加工→模具冷彎。在理論研究和實踐相結(jié)合的基礎(chǔ)上，提出了一種CAP1400熱段A彎管管坯整體鍛造成形和晶粒度控制的方法，經(jīng)過實踐，取得了良好的效果。

1 制造難點

316LN化學(xué)成分要求見表1。

表1 316LN化學(xué)成分要求(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

316LN只有單一的奧氏體相，無法通過固溶熱處理進行晶粒細化，只能采用熱變形或冷變形的方法，通過動態(tài)再結(jié)晶和靜態(tài)再結(jié)晶來獲得均勻細小的晶粒組織。此外，以CAP1400熱段A彎管為例，管坯鍛件尺寸非常大且?guī)в行螤顝?fù)雜的一體化管嘴，其長度約8000 mm，直徑約1100 mm，因此，CAP1400主管道整體鍛造成形及晶粒度控制難度極大。管坯示意圖見圖1。

圖1 CAP1400熱段A彎管管坯示意圖

2 解決方案

要在控制好CAP1400主管道整體鍛造成形時尺寸形狀的同時，并保證晶粒度達到技術(shù)條件要求的細于2級，就要在一定實驗數(shù)據(jù)和理論分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)已有的生產(chǎn)設(shè)備和工具能力，選擇合適的分料方法，給出合理的溫度、變形量等工藝參數(shù)，才能制定出能保證鍛件質(zhì)量的鍛造工藝。

2.1 必要的實驗數(shù)據(jù)和理論分析

2.1.1 316LN鋼鍛造裂紋產(chǎn)生原因分析

316LN在高溫下的組織為奧氏體，其變形抗力很大，高溫塑性較差。實踐中發(fā)現(xiàn)，如果鋼錠或坯料中含有夾渣，在鍛造過程中很容易造成擴展的、足以至廢的大裂紋。普通控制澆注的鋼錠比電渣重熔鋼錠的裂紋敏感性更強。另外，裂紋很容易出現(xiàn)在與錘頭或下砧接觸的表面以及棱邊和棱角位置。

含有夾渣的鋼錠或坯料，由于夾渣一般是脆性的，一旦受力，在夾渣物內(nèi)部或夾渣物與合金基體之間就會產(chǎn)生大裂紋。

普通控制澆注鋼錠的均一性差，內(nèi)部缺陷較電渣重熔鋼錠要多得多，這些不均一性或缺陷的存在，使坯料內(nèi)部有了不同的相，這些相屈服強度不同，變形過程中相界面發(fā)生足夠的相對剪切位移時會導(dǎo)致宏觀裂紋的產(chǎn)生。

坯料表面、棱邊和棱角部位由于跟溫度較低的工裝輔具接觸以及散熱的原因，溫度很快會降下來，材料屈服強度增大，當(dāng)其與坯料高溫部位發(fā)生足夠的相對剪切位移時也會導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生。

在組織成分均勻的奧氏體不銹鋼坯料內(nèi)部也會產(chǎn)生裂紋，這是因為：奧氏體不銹鋼在顯微組織中，奧氏體(γ相)是基體，鐵素體(α相)是過剩相，由于鋼中的α相屈服強度比γ相要低得多，在鍛造時，γ相與α相晶粒的變形不一致，而且γ相的加工硬化比α相快，兩者再結(jié)晶的速度也不同。所以，當(dāng)兩相同時發(fā)生塑性變形時，就要引起坯料內(nèi)部明顯的不均勻流動，出現(xiàn)裂紋。

奧氏體鋼中的α相數(shù)量首先決定于化學(xué)成分。實驗表明，當(dāng)鋼中Cr含量與Ni含量之比為1.8時，α相數(shù)量適中，奧氏體鋼的塑性最好。另外，在1150～1200℃溫度范圍內(nèi)加熱，α相發(fā)生細化并形成球狀，使鋼的塑性得以提高。

2.1.2 鍛前加熱時間與晶粒度關(guān)系研究

將初始晶粒度為4～5級的試樣分別在900～1250℃之間的不同溫度保溫不同時間后檢測其晶粒度，晶粒在不同溫度下隨著保溫時間的變化情況如圖2所示。

2.1.3 熱變形應(yīng)力-應(yīng)變曲線測試

利用熱力模擬試驗機測定試樣在以不同應(yīng)變速率、不同溫度下歷經(jīng)不同應(yīng)變的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，根據(jù)曲線可以研究材料的動態(tài)再結(jié)晶規(guī)律，估測鍛造時所需壓力，選擇合適的設(shè)備。

圖2 晶粒隨溫度和時間的變化情況

2.2 鍛造工藝措施

通過實施必要的物理實驗，對已有經(jīng)驗和數(shù)據(jù)進行總結(jié)分析，可以確定工藝參數(shù)。然后，結(jié)合生產(chǎn)設(shè)備能力，制定既能滿足復(fù)雜外形，又能保證內(nèi)部組織的直管坯鍛造工藝。

2.2.1 鍛件圖的制定

在制定鍛件圖時，根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗和設(shè)備能力，我廠采用的是實心鍛造方案。如果能夠控制芯棒拔長時坯料上產(chǎn)生的裂紋，空心管坯鍛造也具有可行性。

2.2.2 鋼錠選擇

選擇鋼錠時，控制澆鑄的普通鋼錠和電渣重熔鋼錠均具有可行性。實際生產(chǎn)發(fā)現(xiàn)，電渣重熔鋼錠由于均一性好，內(nèi)部缺陷少，鍛造時裂紋控制相對較為容易。

2.2.3 制坯和分料

為了使鋼錠內(nèi)部缺陷和偏析得到改善，提高工件性能，采用鐓粗拔長的制坯手段。為了保證兩個軸線空間夾角為～45°的管嘴的形狀，將坯料截面拔長為八方后分料。八方制坯后，拔長主管基圓時，可按照使得主管基圓與八邊形一條邊的中點相切來控制形狀，如圖3(a)所示，或者按照使主管基圓與八邊形的兩條邊同時相切來控制形狀，如圖3(b)所示。

按照主管基圓與八邊形一條邊的中點相切來

圖3 主管基圓與八邊形位置示意圖

控制的情況下，在拔長兩個管嘴之間的主管部分時，務(wù)必調(diào)整找正使最終鍛件成品主管基圓與兩個互成45°角的管嘴端面的背面相切。

按照主管基圓與兩條邊同時相切來控制的情況下，在拍扁兩個管嘴時，可利用不同的上下砧來促使兩個側(cè)面不對稱變形，從而保證最終鍛件成品主管基圓與兩個互成45°角的管嘴端面的背面相切。

2.2.4 出成品

出成品前，鍛件各部位都需有大于臨界應(yīng)變的變形，保證再結(jié)晶的發(fā)生并且避免晶粒異常長大。鍛造時，要控制單次變形量，合理分配每火次的工作量。

2.2.5 加熱溫度

關(guān)于鍛前加熱溫度，大變形前將鋼錠長時間加熱到1個較高的溫度，保證大變形的順利執(zhí)行，同時，在較高溫度下較長時間保溫，有利于減少α相，提高材料的塑性。出成品前，考慮到晶粒度的技術(shù)要求，加熱溫度稍微降低，保溫時間適當(dāng)縮短。

2.2.6 工裝輔具準(zhǔn)備

在每火次出爐前，對與坯料接觸的工裝輔具進行預(yù)熱或采取保溫隔熱措施，比如包裹陶瓷纖維，可以減少裂紋的產(chǎn)生，避免不均勻變形。

3 結(jié)論

CAP1400核電站熱段A彎管鍛造成形的主要難點在于尺寸大且?guī)в行螤顝?fù)雜的一體化管嘴，采用的材料不能通過熱處理來細化晶粒，高溫塑性差。針對其結(jié)構(gòu)特點和材料特性，通過必要的物理實驗并結(jié)合已有生產(chǎn)經(jīng)驗和數(shù)據(jù)進行總結(jié)分析，可以確定其鍛造工藝參數(shù)。在制定直管坯鍛造工藝時，要考慮合理的成形順序、制坯分料以及管嘴成形方法。為了避免嚴(yán)重的裂紋，要控制單次變形量，合理分配每火次的工作量。鍛前加熱溫度和時間要兼顧坯料的均勻熱透、減少α相以及避免晶粒粗大。目前，二重已經(jīng)成功的鍛造出CAP1400熱段A彎管管坯。

致謝

誠摯的感謝中國二重所有為CAP1400主管道付出努力的員工們。我們是緊密相連的團隊，而這么大難度產(chǎn)品的成功制造也是集體努力的結(jié)果。我們在完成這篇論文過程中得到了團隊的大力支持和幫助。

編輯 杜青泉

Research on Controlling the Integral Forging and the Grain Size of CAP1400 Main Pipes

Yu Jiangshan，Shi Yuping，Chen Hongyu，Si Chenliang

Basing on analyzing the manufacture difficulties of CAP1400 main pipes, introduces a method controlling the integral forging and the grain size of tube blank of A elbow at the hot section of main pipes, and it obtains a considerable effectivenss.

CAP1400, main pipes, forging process

2017—03—03

余江山(1984—)，男，工程師，碩士，從事三代核電主管道鍛造工藝研發(fā)工作。

TG316.2

B