壓力容器用大型管板的鍛造新工藝

文/劉賀，趙艷敏，李晶晶·沈陽(yáng)鑄鍛工業(yè)有限公司

壓力容器用大型管板的鍛造新工藝

文/劉賀，趙艷敏，李晶晶·沈陽(yáng)鑄鍛工業(yè)有限公司

劉賀，技術(shù)部工藝員，工程師，主要從事鍛件和發(fā)電機(jī)護(hù)環(huán)鍛造工藝的編制和新材料、新產(chǎn)品和新技術(shù)的開發(fā)工作，主持完成的項(xiàng)目多次獲得公司獎(jiǎng)勵(lì)。

大型厚管板鍛件超聲波探傷合格率低的質(zhì)量問題，長(zhǎng)期困擾國(guó)內(nèi)大鍛件生產(chǎn)廠家。雖然進(jìn)行了多年的研究，他們也各自提出了內(nèi)部缺陷的原因及相應(yīng)的補(bǔ)救措施。但在實(shí)際操作過程中，內(nèi)部質(zhì)量還是不太穩(wěn)定，大型厚管板鍛件廢品率較高，一次探傷合格率不到70%，返修后合格率能達(dá)到80%。為了提高大型厚管板的內(nèi)部質(zhì)量，我們對(duì)管板傳統(tǒng)鍛造成形工藝變形過程應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行分析，找出影響管板內(nèi)部質(zhì)量的變形因素，提出變向鍛造工藝方案，使坯料在有利的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生塑性變形，使大型厚管板的內(nèi)部質(zhì)量，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，具有較高的操作可靠性及質(zhì)量穩(wěn)定性。

工藝實(shí)施

我公司與哈爾濱某大型國(guó)企一次性簽訂了9件壓力容器專用管板鍛件的合同（圖1），材質(zhì)為20MnMo，每個(gè)管板的鍛件重6280kg，交貨尺寸為φ1510mm×360mm，常規(guī)工藝設(shè)計(jì)鍛件尺寸為φ1565mm×415mm，采用新工藝方案后鍛件尺寸為φ1560mm×410mm，鍛件要求按NB/T 47008-2010標(biāo)準(zhǔn)Ⅳ級(jí)制造、驗(yàn)收，超聲波探傷按JB/T 4730.3-2005標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

圖1 壓力容器專用管板鍛件

如果按傳統(tǒng)常規(guī)工藝方案進(jìn)行鍛造，出現(xiàn)超聲波探傷不合格幾率較高，存在二次返修可能。通過對(duì)工期和費(fèi)用進(jìn)行詳細(xì)研究和工藝實(shí)施方案比選后，決定本次管板鍛造采用新工藝進(jìn)行嘗試，即由鐓粗成形改為拔長(zhǎng)成形，保證鍛造比在5以上，這種方法是在變向鍛造的基礎(chǔ)上進(jìn)行大壓下率走扁方拔長(zhǎng)，然后切料，滾圓平整出成品的鍛造方法。

原方案采用9t真空精煉鋼錠，共需要5火次。第一火次壓鉗口、倒棱、剁水口。第二火次鐓粗為φ1400mm的坯料。第三火次走扁方，拔長(zhǎng)坯料。①800mm寬砧預(yù)拔方至1300mm；②滿砧進(jìn)給,壓下率20%,開始第一次走扁方拔長(zhǎng),以180°翻轉(zhuǎn)壓至截面1580mm×830mm；③翻轉(zhuǎn)90°,開始第二次走扁方拔長(zhǎng),以180°翻轉(zhuǎn)壓至截面1300mm×740mm；④翻轉(zhuǎn)90°壓至截面800mm；⑤換500mm寬砧,拔長(zhǎng)下料6520kg(φ800mm×1670mm)。第四火次開邊鐓粗為φ1600mm×420mm的坯料。第五火次滾圓、平整至成品。

新方案采用8.5t真空精煉鋼錠，共需要三火次。第一火次壓鉗口、倒棱、不剁水口。第二火次鐓粗φ1400mm（不允許開邊鐓粗，防止錘印給下道壓扁工序造成局部開裂影響），上下800mm寬砧滿砧進(jìn)給壓下率30%拔長(zhǎng)，在一個(gè)方向上壓至截面1560mm×420mm，剁掉水口（約400kg）及鉗口。壓扁拔長(zhǎng)時(shí)控制砧寬比為A/H=0.8～1（根據(jù)剛塑性力學(xué)模型的拉應(yīng)力理論）。第三火次滾圓、平整至成品。

理論依據(jù)

根據(jù)剛塑性力學(xué)模型的拉應(yīng)力理論對(duì)鍛造工藝方案進(jìn)行分析，管板為寬板類鍛件，成形過程為兩次鐓拔成形。理論認(rèn)為鐓粗體在鐓粗時(shí)由于鐓粗體受上下表面摩擦力的影響，在整個(gè)變形過程中各部分應(yīng)力、應(yīng)變是不均勻的，應(yīng)力的大小、方向也是不斷變化的。我們借助剛塑性拉應(yīng)力力學(xué)模型，對(duì)坯料鐓粗后的拔長(zhǎng)過程簡(jiǎn)略分析如下：

根據(jù)剛塑性拉應(yīng)力力學(xué)模型及靜水應(yīng)力切應(yīng)力力學(xué)模型（圖2）可看出，變形體在平板間鐓粗，拉應(yīng)力引起的萌生與擴(kuò)展的裂紋都存在于被動(dòng)塑性變形Ⅲ區(qū)內(nèi)。當(dāng)砧寬比在0.5到1之間時(shí)，在鐓粗體的被動(dòng)變形區(qū)（Ⅲ區(qū)）中心存在軸向和橫向拉應(yīng)力。隨著鐓粗體由圖2a變形到圖2c的狀態(tài)，此時(shí)A/H=1，進(jìn)入到靜水應(yīng)力區(qū)，有利于塑性變形。當(dāng)鐓粗過程中達(dá)到圖2d所示狀態(tài)A/H＞1時(shí)，坯料內(nèi)部的上下兩剛性區(qū)Ⅰ區(qū)相遇，由于上下剛性Ⅰ區(qū)相交的公共區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生附加橫向拉應(yīng)力，從而引起剪切變形。隨著A/H數(shù)值的不斷增大，在靜水應(yīng)力區(qū)內(nèi)引起剪切變形強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，當(dāng)剪切應(yīng)力超過材料的抗剪強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)在剪切變形劇烈處出現(xiàn)剪切裂紋，鍛件中就會(huì)出現(xiàn)內(nèi)部裂紋性缺陷，即產(chǎn)生剛性滑動(dòng)撕裂效應(yīng)（RST效應(yīng)）。表1為各變形區(qū)域的應(yīng)力狀態(tài)。

圖2 剛塑性拉應(yīng)力力學(xué)模型及靜水應(yīng)力切應(yīng)力力學(xué)模型

由表1可以看出，鋼錠的鍛透程度、內(nèi)部裂紋的萌生和鍛件成形質(zhì)量，均與變形坯料的尺寸變化直接有關(guān)。各變形區(qū)域的應(yīng)力狀態(tài)反映在拔長(zhǎng)工序中，就要對(duì)相對(duì)送進(jìn)量（砧寬比）、料寬比和壓下量等方面進(jìn)行有效地控制。管板在成形出成品過程中，寬高比逐漸增大，采取工藝措施，壓扁拔長(zhǎng)時(shí)控制砧寬比為A/H=0.8～1，保證其最優(yōu)的壓實(shí)效果。

表1 各變形區(qū)域的應(yīng)力狀態(tài)

實(shí)際生產(chǎn)效果驗(yàn)證

大型管板鍛件，不僅原材料（鋼錠）節(jié)省4.5噸，而且鍛造過程每件減少2個(gè)火次，直接節(jié)省18火次的燃?xì)庀摹Ｗ詈螅?jīng)超聲波探傷檢查其內(nèi)部質(zhì)量，9件管板全部合格。該項(xiàng)目采用變向鍛造，保證管板內(nèi)部質(zhì)量的工藝方法，在我公司大型餅類鍛件的鍛造中得到廣泛應(yīng)用，成品鍛件的內(nèi)部質(zhì)量?jī)?yōu)于標(biāo)準(zhǔn)要求，UT探傷合格率、生產(chǎn)效率及材料利用率得到大幅提高，積累了大量的經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)，為公司取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

結(jié)論

⑴將鐓粗后的坯料沿橫斷面進(jìn)行橫(徑)向的走扁方拔長(zhǎng),最后沿軸向鐓拔出鍛件。此方法結(jié)合了軸向走大扁方拔長(zhǎng)和徑向十字鐓拔鍛造方法的優(yōu)點(diǎn),技術(shù)要點(diǎn)明確,便于實(shí)際操作中掌握。

⑵現(xiàn)按照新方案鍛造出的大型管板鍛件，鋼錠利用率比傳統(tǒng)工藝方案大幅提高。

⑶鍛造過程每件減少2個(gè)火次，節(jié)省了燃?xì)庀暮退畨簷C(jī)工時(shí)。

⑷最后經(jīng)檢查其內(nèi)部質(zhì)量，9件管板一次探傷合格率達(dá)到100%，等級(jí)均優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)要求，經(jīng)生產(chǎn)實(shí)踐證明，采用這種新的工藝方法，可以大大提高大型餅類鍛件的內(nèi)部質(zhì)量，滿足超聲波探傷標(biāo)準(zhǔn)要求，還可以降低生產(chǎn)成本。