海上風(fēng)電法蘭鍛件低溫沖擊穩(wěn)定性研究

文/聶新林，王敬偉，林乙丑，劉夢飛·洛陽中重鑄鍛有限責(zé)任公司

本文重點(diǎn)探討了影響海上風(fēng)電設(shè)備用樁頂法蘭低溫沖擊波動因素，并設(shè)計(jì)了兩種試驗(yàn)方案，研究表明：控制夾雜物等級，鍛造開坯+軋環(huán)成形以及強(qiáng)制冷卻，有利于樁頂法蘭的低溫沖擊穩(wěn)定性，該方案經(jīng)驗(yàn)證有效。

海上風(fēng)電法蘭服役環(huán)境惡劣，承載應(yīng)力復(fù)雜，其長期安全運(yùn)行面臨極大的挑戰(zhàn)。風(fēng)電法蘭需要在規(guī)定時間內(nèi)保證可靠運(yùn)行，這對法蘭產(chǎn)品的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)，特別是在溫度為-40℃、-50℃環(huán)境下的沖擊韌性提出極高要求。我公司簽訂了多件直徑達(dá)7000mm，單件重11330kg的樁頂法蘭產(chǎn)品。

法蘭鍛件常用材料為Q355NE+Z35鋼，是綜合力學(xué)性能、焊接性能及切削加工性能均較好的低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，多用于風(fēng)電、船舶、車輛、大型容器、大型鋼結(jié)構(gòu)和建筑等行業(yè)。環(huán)鍛件的熱處理工藝一般是正火或正火+回火，但存在強(qiáng)韌性不足的現(xiàn)象，所以環(huán)鍛件熱處理工藝逐漸轉(zhuǎn)為調(diào)質(zhì)工藝。熱處理過程中，通過強(qiáng)制冷卻，對熱加工后的法蘭鍛件本體取樣分析，發(fā)現(xiàn)沖擊韌性數(shù)據(jù)波動較大，夾雜物等級與技術(shù)要求有偏差。

通過工藝試驗(yàn)及產(chǎn)品試制，我們發(fā)現(xiàn)，夾雜物、晶粒度、冷卻方式等均對沖擊韌性數(shù)據(jù)有一定影響，且沖擊韌性波動較大，為此我們展開了進(jìn)一步的研究。

技術(shù)要求

樁頂法蘭是環(huán)鍛件，有如下技術(shù)要求：

⑴法蘭采用Q355NE+Z35鍛造，滿足JB/T 11218-2020標(biāo)準(zhǔn)要求，化學(xué)成分檢測按GB/T 1591-2018標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，具體成分見表1。

表1 Q355NE+Z35鋼化學(xué)成分要求(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

⑵法蘭Z向性能滿足GB/T 5313-2010標(biāo)準(zhǔn)的要求，原材料使用鋼錠或連鑄圓坯，嚴(yán)禁使用連鑄板坯。

⑶法蘭采用整體鍛造成形，符合NB/T 47009-2017標(biāo)準(zhǔn)，鍛件級別(Ⅲ級)合格。

⑷鍛造成形應(yīng)在有足夠能力的鍛壓機(jī)上實(shí)現(xiàn)，保證鍛透。

⑸鍛件需進(jìn)行正火+回火處理。

⑹法蘭的最低屈服強(qiáng)度應(yīng)不小于315MPa，根據(jù)DNVGL-OS-B101進(jìn)行材料認(rèn)證測試，在-50℃最低沖擊值為27J。

法蘭沖擊值波動影響因素分析

依據(jù)樁頂法蘭的結(jié)構(gòu)特性，其熱加工制造流程一般為：冶煉→鐓拔、沖孔和擴(kuò)孔、平整端面→擴(kuò)孔(或軋環(huán))成形→熱處理。其影響因素分別涉及各工序的材料成分和冶煉控制、鍛造成形方法及熱處理過程中的冷卻方法。

研究表明，冶煉過程的鋼水純凈度將直接影響鍛件夾雜物等級,而夾雜物影響沖擊穩(wěn)定性。當(dāng)A類夾雜物(硫化物)增多時，在后續(xù)鍛造過程中，硫化物夾雜物會沿著鍛造方向延展，使得工件產(chǎn)生各向異性，從而降低材料的橫向性能。另外，從微觀角度來看，晶界位置相對形成析出相，造成合金元素在晶界偏聚，夾雜物也往往存在于此，析出相、元素偏析和夾雜物的存在均對晶界的強(qiáng)度造成一定的不良影響，低溫下，夾雜物成為應(yīng)力集中源，將直接導(dǎo)致法蘭鍛件的低溫沖擊波動變大。為此，在冶煉過程中需合理控制S和P的含量。

大型環(huán)類鍛件的成形方法主要為自由鍛和軋環(huán)。自由鍛和軋環(huán)的主要區(qū)別在于，自由鍛鍛制環(huán)類鍛件時，擴(kuò)孔和平整端面的工序是分開的，而軋環(huán)則是擴(kuò)孔與平整端面同時實(shí)現(xiàn)，兩者對法蘭的成形條件存在一定差別(法蘭在鍛造過程中，自由鍛是兩向鍛造，而軋環(huán)是四向鍛造)。

從鍛造角度講，大型自由鍛和軋環(huán)均可實(shí)現(xiàn)環(huán)類鍛件的鍛造，且可完成鍛造的基本任務(wù)(鍛造方法能夠鍛合鋼錠缺陷，擊碎鋼錠或連鑄圓坯的粗大鑄造樹枝晶，增加金屬致密度)。另外，自由鍛由于操作效率相對較低，已經(jīng)變形的部分受自身溫度的影響，會在后續(xù)鍛造道次到來之前得到一定程度的再結(jié)晶回復(fù)，加上各道次變形量相對較小，存在較大的晶粒長大風(fēng)險。而軋環(huán)不同，由于鍛造效率高，使得已變形部分來不及再結(jié)晶回復(fù)，且整圈變形均勻，軋環(huán)鍛造成形更加有利于法蘭鍛件的成形及性能的穩(wěn)定。

熱處理工藝直接影響法蘭鍛件的強(qiáng)韌性，通過充分再結(jié)晶細(xì)化原奧氏體晶粒＋快速冷卻相結(jié)合，可獲得細(xì)小的鐵素體與貝氏體組織，且具有低溫韌性好、性能波動小等優(yōu)點(diǎn)，是高附加值H形鋼發(fā)展的方向。新一代TMCP方法的核心是通過控制形變與控制冷卻相結(jié)合，獲得細(xì)小均勻的鐵素體與貝氏體復(fù)合組織，以實(shí)現(xiàn)鋼的強(qiáng)韌化，其冷卻強(qiáng)度與均勻性的控制對最終產(chǎn)品的性能起著決定性的作用。由此，在熱處理過程中，通過控制冷卻，可以達(dá)到細(xì)化組織、提高低溫韌性、減小性能波動性等目的。

試驗(yàn)方案及結(jié)果分析

法蘭材料成分設(shè)計(jì)

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)文獻(xiàn)，對樁頂法蘭成分進(jìn)行了設(shè)計(jì)，如表2所示。

表2 Q355NE+Z35鋼化學(xué)成分設(shè)計(jì)(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

鍛造及熱處理試驗(yàn)方案

在保證冶煉純凈度的基礎(chǔ)上，初步提出兩種試驗(yàn)方案，如圖1所示。方案一：自由鍛開坯+自由鍛成形，即整個過程從鋼錠到毛坯成品的所有工序均在自由鍛壓機(jī)上進(jìn)行，熱處理采用強(qiáng)制冷卻方式。方案二：自由鍛開坯+軋環(huán)機(jī)成形，即在自由鍛壓機(jī)上制坯，然后在軋環(huán)機(jī)上軋環(huán)成形，熱處理采用強(qiáng)制冷卻方式。

圖1 樁頂法蘭兩種鍛造方案

為控制法蘭升溫過程中由熱應(yīng)力導(dǎo)致的變形，熱處理工藝中增加了350℃和650℃的保溫臺階，650℃保溫結(jié)束以后快速升溫，以便迅速通過相變溫度，增加鋼在相變時的過熱度，提高奧氏體的形核率，從而達(dá)到細(xì)化奧氏體晶粒的目的。880～910℃保溫結(jié)束后出爐，快速轉(zhuǎn)至圓形水槽，并執(zhí)行冷卻工藝。法蘭鍛件冷卻過程如圖2所示。

圖2 樁頂法蘭冷卻

結(jié)果分析與討論

不同方案的法蘭鍛件在相同的位置取樣，并對處理后的試樣進(jìn)行機(jī)械性能試驗(yàn)和金相檢驗(yàn)。熱處理后的沖擊韌性數(shù)據(jù)見表3、表4。

表3 兩種方案法蘭鍛件試樣熱處理后常溫沖擊值

表4 兩種方案法蘭鍛件試樣熱處理后低溫沖擊值

兩種方案的沖擊試驗(yàn)結(jié)果表明，方案一和方案二中，試樣的常溫沖擊整體平均值非常好，而低溫沖擊方面，自由鍛成形的沖擊性能數(shù)據(jù)不如軋環(huán)機(jī)成形的沖擊性能。法蘭鍛件強(qiáng)制冷卻后回火，縱、橫向的金相組織均為均勻細(xì)小的珠光體+鐵素體組織，晶粒度為7級，沒有明顯夾雜物及帶狀組織，兩種方案法蘭鍛件的金相組織相近，如圖3所示。綜合來看，通過控制冶煉成分，采用軋環(huán)成形方法并采用強(qiáng)制冷卻，有利于樁頂法蘭沖擊值的穩(wěn)定。

圖3 法蘭金相組織

進(jìn)一步試驗(yàn)驗(yàn)證

通過兩種試驗(yàn)方案的數(shù)據(jù)對比，鍛造開坯+軋環(huán)成形的試驗(yàn)方案的沖擊數(shù)據(jù)有明顯優(yōu)勢，為此，專門針對該方案進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，以便后續(xù)方案的推廣。

法蘭鍛件鍛制軋壓成形后，在井式電阻爐中進(jìn)行加熱，如圖4所示。井式電阻爐布置為芯體式，有利于環(huán)形法蘭受熱均勻。加熱溫度由890℃降低至880℃，保溫時間為10.5h，出爐后迅速移至圓形水槽，浸入冷卻劑強(qiáng)制冷卻，為使工件冷卻均勻，工件在圓形水槽內(nèi)上下竄動，直到冷卻結(jié)束。

圖4 井式電阻爐加熱

對驗(yàn)證方案試樣進(jìn)行金相組織檢驗(yàn)，縱、橫向的金相組織均為均勻細(xì)小的珠光體+鐵素體組織，晶粒度為7.5級，沒有明顯夾雜物及帶狀組織，金相組織如圖5所示。

圖5 驗(yàn)證方案金相組織

驗(yàn)證方案試樣的沖擊平均值顯示，無論是常溫沖擊還是低溫沖擊，數(shù)據(jù)波動均較小，最大最小值相差僅為0.7J和30.9J，且整體數(shù)值遠(yuǎn)高于技術(shù)要求。該數(shù)據(jù)表明，鍛造開坯+軋環(huán)成形及強(qiáng)制冷卻方案有利于樁頂法蘭的沖擊穩(wěn)定性。

表5 驗(yàn)證方案法蘭鍛件試樣沖擊性能

結(jié)論

法蘭鍛件要求強(qiáng)度和韌性均較高，這就要求制定熱加工工藝時需要嚴(yán)格把控各個環(huán)節(jié)。試驗(yàn)方案及驗(yàn)證方案的研究結(jié)果表明：

⑴控制冶煉質(zhì)量有利于法蘭鍛件的低溫沖擊穩(wěn)定性，尤其是控制S、P含量，可以有效減少金屬材料中的夾雜物，降低夾雜物等級。

⑵鍛造開坯+軋環(huán)成形的鍛造方案有利于低溫沖擊穩(wěn)定性。

⑶熱處理過程中加熱均勻并強(qiáng)制冷卻，有利于沖擊韌性的提高及低溫沖擊的穩(wěn)定。