超大型加氫反應(yīng)器過渡段筒體綠色制造技術(shù)

文／周巖，劉凱泉，展培培·天津重型裝備工程研究有限公司

超大型加氫反應(yīng)器過渡段由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，是加氫反應(yīng)器中制造難度最大，鋼水收得率最低的大型鍛件。本文開創(chuàng)性地提出了將加氫反應(yīng)器過渡段與鄰近筒體合鍛，通過筒節(jié)軋機(jī)軋制后用水壓機(jī)旋轉(zhuǎn)鍛造收口的方法進(jìn)行制造，并通過有限元數(shù)值模擬及工程化等比例試驗(yàn)的方法進(jìn)行論證，實(shí)現(xiàn)了加氫反應(yīng)器過渡段筒體的綠色制造及近凈成形。

傳統(tǒng)制造方式

針對加氫反應(yīng)器過渡段的鍛造成形，中國一重近幾年做了大量嘗試，但并未擺脫傳統(tǒng)的自由鍛造理念。目前，鍛造加氫過渡段的方法主要有三種，以下分別對三種方式進(jìn)行論述。

直圈覆蓋式鍛造

直圈覆蓋式鍛造(圖1)是將加氫過渡段設(shè)計(jì)為一直筒，用截面輪廓覆蓋過渡段外形輪廓的方法，成形工藝最為方便簡單，但此方法鍛件凈液比最低，是最不經(jīng)濟(jì)的鍛造方式，同時(shí)由于設(shè)計(jì)鍛件截面壁厚較厚，最后一火鍛造成形過程中，截面心部難以鍛透，易出現(xiàn)混晶的問題，除此之外，在后續(xù)精加工過程中，由于切斷了鍛件的纖維流線，導(dǎo)致鍛件的性能降低，不能夠體現(xiàn)鍛件的優(yōu)勢，因此這種方式目前已被淘汰。

過渡段沖形工藝

圖1 直圈覆蓋式鍛造

將過渡段首先預(yù)制為一直筒坯料，然后用沖頭及下模沖形的方式實(shí)現(xiàn)過渡段的仿形鍛造，也是較為常見的鍛造成形方法之一，如圖2所示。這種方法凈液比相對有所提升，但沖形后無法實(shí)現(xiàn)坯料與沖頭的整體貼合，因此必須在壁厚方向預(yù)留一定的鍛造余量，同時(shí)，所投輔具較多，且沖形后過渡段難以脫模，只能將沖頭及過渡段一同返爐短時(shí)間加熱后使過渡段膨脹實(shí)現(xiàn)脫模，不能夠?qū)崿F(xiàn)過渡段的連續(xù)生產(chǎn)。除此之外，此方法只適合于不帶裙座的上過渡段制造，對于含有法蘭裙座的變壁厚過渡段則不能適用。

圖2 過渡段沖形工藝成形原理

兩件過渡段合鍛仿形擴(kuò)孔成形

將兩個(gè)上過渡段或兩個(gè)下過渡段合鍛成一個(gè)燈籠形，最后切開成為過渡段，這種方法是近年來中國一重生產(chǎn)大型加氫反應(yīng)器過渡段的主要方式，如圖3所示。這種方式鍛件材料收得率高，纖維流線分布合理。但與此同時(shí)，該成形方式仍存在著嚴(yán)重不足，即不同型號(hào)的加氫反應(yīng)器球半徑不同，導(dǎo)致每套產(chǎn)品必須配合制造與其配套的擴(kuò)孔輔具，不僅造成了制造成本的增加，同時(shí)由于需重新制作輔具，延長了項(xiàng)目的交貨期。鍛件最終通過水壓機(jī)擴(kuò)孔出成品，鍛件周身存在錘棱，因此鍛造余量較大，不能稱之為近凈成形。

綠色鍛造技術(shù)

圖3 兩件過渡段合鍛仿形擴(kuò)孔成形原理

超大型鍛件的綠色制造是當(dāng)下大型鍛件生產(chǎn)企業(yè)所追求的變革性生產(chǎn)理念，它主要體現(xiàn)為大型鍛件的一體化鍛造和近凈成形，使鍛件既能夠得到鑄件所擁有的復(fù)雜形狀，同時(shí)也具備鍛件的致密性和組織均勻性，不僅如此，通過鍛件的一體化鍛造使超大型設(shè)備的焊縫數(shù)量明顯減少，提高了設(shè)備的服役穩(wěn)定性。

綠色鍛造技術(shù)在核電超大型鍛件的制造領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用（圖4)。加氫反應(yīng)器的上下過渡段結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成形難度較大，目前是加氫反應(yīng)器中鍛造余量最大，鋼水收得率最低的主鍛件。在某項(xiàng)目加氫產(chǎn)品的制造中，中國一重首次獨(dú)創(chuàng)性地將加氫過渡段與鄰近筒體進(jìn)行一體化處理，同時(shí)借助一重自主設(shè)計(jì)的筒節(jié)成形機(jī)，實(shí)現(xiàn)了鍛件的近凈成形和一體化制造，開創(chuàng)了加氫產(chǎn)品綠色制造技術(shù)的新局面。

技術(shù)論證

成形工藝方案

傳統(tǒng)的加氫反應(yīng)器分段方式(圖5)為容器上下封頭，筒體，以及封頭與筒體之間的過渡段三類鍛件，由于加氫反應(yīng)器體積龐大，按現(xiàn)有水壓機(jī)設(shè)備能力無法制作超大型板坯，因此無法將封頭和過渡段進(jìn)行合鍛處理，若實(shí)現(xiàn)加氫反應(yīng)器鍛件的一體化鍛造，達(dá)到減少焊縫的目的，只能尋求將過渡段與鄰近筒體一體化鍛造的成形方法。上下過渡段分別與鄰近筒體合鍛后，整個(gè)容器可減少兩道焊縫，具體分段形式如圖6所示。

圖4 綠色制造技術(shù)在核電產(chǎn)品上的應(yīng)用

圖5 加氫反應(yīng)器傳統(tǒng)分段方式

以此方案分段后，整個(gè)容器同樣分為三類鍛件，包括上下封頭，上下過渡段筒體及直筒節(jié)，其中上下過渡段筒體為一直筒節(jié)端部帶一收口段鍛件，為減少加工量，在實(shí)現(xiàn)鍛件一體化鍛造的同時(shí)，必須還要實(shí)現(xiàn)仿形鍛造，合鍛后的鍛件成形方案設(shè)計(jì)為經(jīng)鐓沖，芯棒拔長，馬杠擴(kuò)孔，筒節(jié)成形機(jī)軋制后制成直筒坯料，然后在水壓機(jī)上收口成形成收口筒節(jié)，方案示意圖如圖7所示，以這種成形方式進(jìn)行鍛件的制造，由于采用了筒節(jié)成形機(jī)進(jìn)行軋制，很大程度地減小了鍛件的加工余量。

圖6 采用一體化鍛造后反應(yīng)器的分段方案

⑴鍛造過渡段筒體鋼錠選用雙聯(lián)法冶煉上注24棱鋼錠，鋼錠冶煉前精選煉鋼用原材料，確保As、Sb、Sn、Co、Cu、B等有害元素的含量不超標(biāo)，采用電爐和精煉爐雙聯(lián)法煉鋼降低鋼中的P、S含量，并對其進(jìn)行嚴(yán)格把控。對鍛件所需的大型鋼錠，采用多包MP合澆技術(shù)控制鋼中C、Mo等元素成分的偏析，從而控制合澆后大型鋼錠的成分偏析。采用真空澆注、鋼水注流保護(hù)和新型中間包技術(shù)，降低鋼渣的卷入和鋼水二次氧化，提高鋼水的純凈度，提高鋼錠質(zhì)量。

⑵鋼錠經(jīng)保溫，脫模熱送后進(jìn)行鍛造，首先氣割水冒口，保證鋼錠兩端均有一定比例的切除量，從而有效切除水口沉積堆及冒口端的二次縮孔和偏析嚴(yán)重區(qū)域，保證鍛件質(zhì)量。

⑶切除兩端棄料后，鋼錠經(jīng)長時(shí)間保溫后進(jìn)行鐓粗沖孔，利用長時(shí)間的高溫?cái)U(kuò)散，配合一定的鐓粗比，既實(shí)現(xiàn)了鋼錠內(nèi)部的成分均勻化，也保證了凝固枝晶破碎，并向等軸狀態(tài)轉(zhuǎn)變。鋼錠沖孔進(jìn)一步將鋼錠心部疏松區(qū)域去除，同時(shí)也是成形過程的需要。

⑷然后進(jìn)行芯棒拔長，預(yù)擴(kuò)孔，完成筒節(jié)成形機(jī)軋制前的直筒坯料制備，經(jīng)一定軋制比的軋制后將筒體成形至成品直徑尺寸，隨后空冷，降溫后利用全自動(dòng)氣割機(jī)將筒體收口端氣割一定尺寸的倒角，最終在水壓機(jī)上，利用收口錘頭，配合回轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)鍛造收口，完成最終成形。此火由于鍛件局部不變形，因此始鍛溫度適當(dāng)降低，既要保證鍛件的晶粒不發(fā)生異常長大，也要保證鍛件的韌性指標(biāo)滿足技術(shù)條件要求。

圖7 加氫過渡段筒體成形過程示意圖

⑸鍛件在收口過程中采用上收口異形錘頭，下回轉(zhuǎn)臺(tái)。坯料過渡段一側(cè)朝上，擺放于回轉(zhuǎn)臺(tái)上，通過回轉(zhuǎn)臺(tái)帶動(dòng)坯料旋轉(zhuǎn)，按0°，90°，45°，90°，再旋轉(zhuǎn)22.5°按0°，90°，45°，90°，再旋轉(zhuǎn)11.25°對稱壓4錘，再旋轉(zhuǎn)22.5°對稱壓4錘的方式步錘。按上述方式壓下一道次完成整個(gè)收口過程。

數(shù)值模擬結(jié)果

根據(jù)以上對鍛件成形最后一火收口的敘述，用DEFORM-3D進(jìn)行了有限元數(shù)值模擬，材料模型用JmatPro，根據(jù)材料的化學(xué)成分利用材料熱力學(xué)原理進(jìn)行計(jì)算，得到不同溫度的應(yīng)力應(yīng)變曲線和熱物性參數(shù)進(jìn)行建模，材料與模具之間的摩擦選擇剪切摩擦，摩擦系數(shù)設(shè)定為0.4，坯料與模具之間的熱傳導(dǎo)系數(shù)為1N/(sec·mm·℃)，與環(huán)境之間換熱為0.02N/(sec·mm·℃)。坯料網(wǎng)格設(shè)置為四面體網(wǎng)格，既保證了計(jì)算精度，同時(shí)保證在大變形過程中良好的自適應(yīng)性。

模擬結(jié)果如圖8所示，其中圖8(a)為數(shù)值模擬過程，圖8(b)為模擬結(jié)果，模擬結(jié)果中，灰色部分為零件圖尺寸，黃色部分為模擬后的鍛件輪廓，可以看出，采用本發(fā)明中所述的加氫反應(yīng)器過渡段與鄰近筒體整體鍛造技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)加氫反應(yīng)器過渡段與鄰近筒體的一體化鍛造。

典型鍛件鍛造過程

采用以上方式對鍛件的成形過程進(jìn)行了工程化試驗(yàn)，即采用氣割鋼錠兩端棄料→鐓粗、沖孔→芯棒拔長→預(yù)擴(kuò)孔、平端面→筒節(jié)成形機(jī)擴(kuò)孔→氣割倒角→水壓機(jī)旋轉(zhuǎn)鍛造收口的成形方式進(jìn)行筒節(jié)過渡段的成形，圖9為收口后鍛件和精加工后狀態(tài)。

結(jié)束語

⑴采用加氫過渡段與鄰近筒體一體化鍛造成形方法進(jìn)行鍛件制造，不僅能夠減少焊縫數(shù)量，在提高設(shè)備可靠性的同時(shí)，大幅降低了產(chǎn)品的制造成本，縮短了制造周期，在減少能源消耗的同時(shí)，也大幅減少了制造過程中溫室氣體的排放量，降低了由制造活動(dòng)帶來的環(huán)境污染。

圖8 過渡段筒體收口成形數(shù)值模擬結(jié)果

圖9 典型產(chǎn)品的制造過程

⑵一體化鍛造最大程度地減小了鍛造余量，保留了鍛造成形流線，在保證鍛件力學(xué)性能的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了鍛件的近凈成形和綠色制造。