球缺過渡段的鍛軋成形技術(shù)研究

文/趙興明，銀偉，鄭永強(qiáng)，劉蘭瀟·伊萊特能源裝備股份有限公司

隨著核電、鍋爐、石油煉化等裝備制造業(yè)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，壓力容器和高壓鍋爐等過渡段與筒體連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化研究日益深入，出現(xiàn)了越來越多的非標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的球缺過渡段設(shè)計(jì)，且產(chǎn)品越來越往大型化發(fā)展，給球缺過渡段成形帶來很大困難。由于球缺過渡段的形狀特殊，現(xiàn)有工藝大多采用自由鍛造矩形截面坯料后加工成形，且鍛造余量大、加工周期長(zhǎng)、生產(chǎn)成本高、材料消耗大，而且切斷了球缺過渡段鍛件金屬的纖維流線，外層相對(duì)致密的金屬層也被加工掉了；同時(shí)受設(shè)備限制，無法完成一些大型化的球缺過渡段整體整形?，F(xiàn)以某SR2700mm×190mm非標(biāo)準(zhǔn)球缺過渡段(以下簡(jiǎn)稱：球缺過渡段)為例，通過技術(shù)改進(jìn)和科技創(chuàng)新研究，應(yīng)用“大型環(huán)鍛件徑軸向軋制成形技術(shù)”，提出了“利用模具在16米軋環(huán)機(jī)上整體異形軋制、近凈成形”的創(chuàng)新技術(shù)工藝方案，以消除球形過渡段軸向焊縫，降低材料消耗，減少加工周期，提高球形過渡段的產(chǎn)品質(zhì)量和成形技術(shù)水平。

球缺過渡段的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

球缺過渡段選用材料為Q355NE，凈重25573kg,其半徑為R2700mm，壁厚為190mm，總高度830mm,焊接環(huán)縫到中心距離為617mm。如圖1所示。

圖1 球缺過渡段的成品尺寸

球缺過渡段成形方案的比較

球缺過渡段的傳統(tǒng)成形方案

球缺過渡段的傳統(tǒng)成形方案是鍛成矩形截面，采用自由鍛造成形或軋制成形，主要工藝流程為：加熱→下料→鐓粗→沖孔→多次擴(kuò)孔→平整→鍛后熱處理→尺寸檢查等工序，產(chǎn)品余量大，多消耗了原材料和燃料能源等，增加了制造企業(yè)的生產(chǎn)成本；增加了產(chǎn)品的加工工時(shí)，影響了產(chǎn)品的制造周期。同時(shí)在加工過程中，切斷了金屬纖維流線，影響了產(chǎn)品的質(zhì)量，見圖2。

圖2 球缺過渡段的傳統(tǒng)鍛件圖

技術(shù)改進(jìn)和工藝創(chuàng)新

鑒于上述成形方案的諸多不利因素，我公司進(jìn)行了技術(shù)改進(jìn)和工藝創(chuàng)新，主要內(nèi)容如下：

(1)按照球缺過渡段的輪廓及取樣要求，內(nèi)外徑加余量計(jì)算產(chǎn)品的下料重量并繪制鍛件毛坯圖。

(2)按照球缺過渡段的輪廓及取樣要求，制造軋環(huán)機(jī)主輥和芯輥模具。

(3)在13500噸壓機(jī)上開坯制造出異形截面的坯料。

(4)應(yīng)用“大型環(huán)鍛件徑軸向軋制成形技術(shù)”，在16米軋環(huán)機(jī)上采用模具異形軋制成球缺過渡段坯料。

(5)異形軋制方案的鍛件圖詳見圖3。

圖3 異形軋制鍛件毛坯圖

不同工藝方案下料重量對(duì)比

通過表1對(duì)比可看出，對(duì)球缺過渡段制造的異形軋制成形比自由鍛造成形可節(jié)省原材料50%以上，比矩形環(huán)軋制可節(jié)省原材料45%以上，原材料成本大大降低。

球缺過渡段的規(guī)格尺寸越來越大型化，給球缺過渡段成形帶來很大困難。由于球缺過渡段的形狀特殊，采用自由鍛造坯料后加工成形，受設(shè)備限制，無法完成一些大型化的球缺過渡段整體成形，且材料消耗大，加工余量大，即增加了制造企業(yè)的生產(chǎn)成本，又增加了加工周期，影響產(chǎn)品的制造周期。通過異形軋制能有效的減少產(chǎn)品的加工余量，保證了產(chǎn)品流線，減少產(chǎn)品的制造成本及周期且模具可多次重復(fù)使用或用于軋制尺寸類似的產(chǎn)品。

表1 不同工藝方案下料重量對(duì)比

異形軋制方案

軋制工藝(輾環(huán))是國(guó)際上公認(rèn)的近凈成形的先進(jìn)制造工藝，適用于環(huán)類、盤類、筒體類鍛件的成形，與傳統(tǒng)自由鍛工藝相比，具有節(jié)能、高效、材料利用率高的特點(diǎn)，而且軋制后的工件內(nèi)部組織致密、晶粒細(xì)小，流線完整，對(duì)于提高工件的強(qiáng)度、耐磨性、疲勞壽命具有非常重要的意義。

工藝流程

球缺過渡段采用鋼錠進(jìn)行制作，主要有加熱、下料、鐓粗、沖孔、擴(kuò)孔、平整、軋制成形(異形模具)、鍛后熱處理、尺寸檢查等工序。

原材料冶煉

球缺過渡段用原材料要求采用電爐或轉(zhuǎn)爐冶煉、爐外精煉和真空脫氣等冶煉工藝生產(chǎn)的細(xì)晶粒鋼。化學(xué)成分及力學(xué)性能除應(yīng)符合GB/T 1591-2018的規(guī)定外，還應(yīng)符合P、S不大于0.010%、Cu不大于0.20%；試樣取自T/2處，力學(xué)性能符合標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定外，-20℃的沖擊功不小于54J。

鍛件中夾雜物按 GB/T 10561-2005進(jìn)行評(píng)定，檢驗(yàn)方法B、評(píng)級(jí)圖 II，A、B、C、D夾雜物均不大于1.5級(jí)，A＋B、C＋D均不大于2.0級(jí)，四者之和不大于4級(jí)為合格。根據(jù)以上較高的技術(shù)要求，我們對(duì)原材料冶煉提出了內(nèi)控要求，見表2。

表2 Q355NE的內(nèi)控化學(xué)成分

鍛造開坯

鋼錠加熱后，在13500噸的液壓機(jī)上進(jìn)行鍛造開坯。由于球缺過渡段形狀特殊，上端面截面積與下端面截面積差距較大，鍛造開坯時(shí)必須按照截面積進(jìn)行合理分料。具體操作過程如下：

(1)鋼錠加熱后先將鋼錠的冒口、水口切除，切除量至少為鋼錠總重量的20%，以減少鋼錠的縮孔、夾渣、偏析等冶金缺陷。

(2)下料后將坯料增加一次鐓粗、拔長(zhǎng)，提高鍛件的鍛造比，壓實(shí)心部，減少鍛件的各向異性，提高坯料致密性及內(nèi)部組織均勻性。

(3)將坯料鐓粗到工藝要求的高度，采用空心沖頭沖孔，將坯料心部的缺陷進(jìn)一步去除，確保鍛件內(nèi)部質(zhì)量合格。

(4)球缺過渡段形狀特殊，上下截面積差距較大，需要在軋環(huán)前將坯料制作成一個(gè)上小下大，等壁厚的錐形環(huán)。根據(jù)體積不變定律的鍛造基本原理，考慮鍛件擴(kuò)孔時(shí)的展寬量很小，擴(kuò)孔前后的高度變化可忽略不計(jì)，通過軋環(huán)前后同一高度處橫截面近似相同原理計(jì)算得出此工藝參數(shù)，根據(jù)此參數(shù)制定合理的鍛造工藝。同時(shí)考慮燒損及操作問題引發(fā)的形狀誤差，讓金屬在擴(kuò)孔過程中沿圓周方向流動(dòng)，形成一個(gè)圓錐環(huán)。因此我們?cè)跀U(kuò)孔前將其中一個(gè)馬架墊高進(jìn)行擴(kuò)孔，得到一個(gè)外徑平直，內(nèi)孔帶錐度的坯料，再去除馬架墊塊，用操作機(jī)將坯料按內(nèi)孔角度夾持進(jìn)行擴(kuò)大孔，平整直徑較大一面得到一個(gè)內(nèi)外徑都帶錐度的、等壁厚的鍛件坯料(圖4)。

圖4 鍛件坯料

軋制成形

過渡段在16米的軋環(huán)機(jī)上最終軋制成形。為減少機(jī)加工余量，縮短加工周期，降低制造成本，根據(jù)過渡段鍛件(圖5)毛坯尺寸及軋環(huán)機(jī)芯輥尺寸，制作內(nèi)外徑仿形模具及模具芯輥等工裝；在軋環(huán)機(jī)上采用模具異形軋環(huán)、近凈成形的軋制方式。毛坯入模簡(jiǎn)圖見圖6。

圖5 鍛件圖片

圖6 毛坯入模簡(jiǎn)圖

過程控制要點(diǎn)

(1)鍛造前采用三維繪圖軟件繪制鍛件圖，確定鍛件坯料的實(shí)際重量，確保坯料滿足鍛件制造要求。

(2)鍛造前采用Deform軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，以確定坯料尺寸形狀的合理性及軋制過程的工藝參數(shù)。

(3)為得到組織均勻、各項(xiàng)性能均勻的鍛件，除了嚴(yán)格控制材料的利用率外，還應(yīng)嚴(yán)格按照鍛造工藝規(guī)定進(jìn)行操作，鐓粗拔長(zhǎng)的過程壓下量要均勻，盡量保持鍛件軸線與鋼錠的原始軸線重合，減少材料偏心，以便能有效去除鋼錠心部缺陷。

(4)擴(kuò)孔前提前計(jì)算好馬架的高度差和擴(kuò)孔量的大小，以便得到一個(gè)合適錐度的坯料，根據(jù)坯料的形狀確定平整坯料時(shí)兩端的壓下量。

(5)嚴(yán)格計(jì)算開坯尺寸，確保軋制比大于2.0，以保證整個(gè)截面軋透、變形均勻及成形良好。

(6)軋制過程中應(yīng)及時(shí)進(jìn)行除鱗，盡量將氧化鐵皮清除干凈，保證鍛件表面無氧化皮硌的凹坑，確保鍛件余量及外觀質(zhì)量。

結(jié)束語

在國(guó)家提倡環(huán)保型、節(jié)約型和創(chuàng)新型社會(huì)背景下，通過大型非標(biāo)準(zhǔn)球缺過渡段產(chǎn)品制造工藝的推陳出新，應(yīng)用“大型環(huán)形鍛件徑軸向軋制成形技術(shù)”成果，采用13500噸壓機(jī)開坯，利用模具在16米軋環(huán)機(jī)上整體異形軋制、近凈成形的工藝方案，成功的完成了大型非標(biāo)準(zhǔn)球缺過渡段成形的技術(shù)創(chuàng)新，既降低了材料消耗，又減少了產(chǎn)品的軸向焊縫，提高了容器產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，為今后類似球缺過渡段制造提供了參考和借鑒，能滿足國(guó)家先進(jìn)制造領(lǐng)域?qū)Υ笮颓蛉边^渡段鍛件的需求，提升我國(guó)大型鍛造極限制造產(chǎn)業(yè)整體競(jìng)爭(zhēng)力，推動(dòng)我國(guó)大型環(huán)鍛件極限制造的加工水平，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，屬于綠色環(huán)保近凈成形制造。