不同成形方式對(duì)封頭質(zhì)量的影響

中國(guó)二重集團(tuán)（德陽(yáng)）重型裝備股份有限公司 杜軍毅，段紅玲，鄧正華，金 楊

不同成形方式對(duì)封頭質(zhì)量的影響

中國(guó)二重集團(tuán)（德陽(yáng)）重型裝備股份有限公司 杜軍毅，段紅玲，鄧正華，金 楊

封頭是壓力容器中的主要承壓零部件，其質(zhì)量對(duì)壓力容器的安全運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。就目前國(guó)內(nèi)外封頭制造來看，封頭通常采用拉深成形、回轉(zhuǎn)模壓成形等方式進(jìn)行生產(chǎn)。本文講述兩種半球形核電封頭鍛件的制造方式—拉深成形和回轉(zhuǎn)成形，并從鋼錠冶煉、鍛造、熱處理、鍛件取試及性能檢驗(yàn)等方面對(duì)兩種制造方式進(jìn)行了對(duì)比，為后續(xù)類似封頭鍛件的生產(chǎn)，提供了技術(shù)參考。

封頭的品質(zhì)直接關(guān)系到壓力容器的長(zhǎng)期安全可靠運(yùn)行。根據(jù)幾何形狀的不同，可分為球形、橢圓形、碟形、球冠形、錐殼和平蓋等幾種，其中球形、橢圓形、碟形、球冠型封頭又統(tǒng)稱為凸形封頭。按壁厚可分為超厚壁、厚壁、中厚壁、薄壁封頭。隨著我國(guó)核電、石化重型容器的發(fā)展，要求采用高等級(jí)的整體鍛造成形滿足封頭技術(shù)要求，目前主要有熱拉深成形、旋壓回轉(zhuǎn)成形等工藝方法。

但熱拉深成形需要制造板坯，凸模旋壓回轉(zhuǎn)整體鍛造成形，常常超出企業(yè)已有壓機(jī)設(shè)備的噸位或立柱間距尺寸。因此，封頭的均質(zhì)性、主加工方向及其對(duì)質(zhì)量的影響一直是業(yè)界關(guān)注的問題。通過對(duì)SR2216mm，壁厚200mm，材質(zhì)為SA508Gr.3Cl.1的球形封頭鍛件，從鋼錠冶煉、鍛造、熱處理、鍛件取試、化學(xué)成分、力學(xué)性能及性能檢驗(yàn)等方面的數(shù)據(jù)對(duì)比分析研究，全面分析了板坯拉深成形與回轉(zhuǎn)成形兩種成形方法對(duì)封頭內(nèi)在質(zhì)量的影響。

1. 制造過程

文中封頭鍛件制造工藝流程包括冶煉鋼錠、鍛造、粗加工、化學(xué)成分和力學(xué)性能檢測(cè)、無損探傷和精加工至成品等，主要制造工藝如下所述。

（1）鋼錠冶煉 拉深成形封頭所用鋼錠錠型為340t，一錠制造兩件封頭；回轉(zhuǎn)成形封頭所用鋼錠錠型為180t，一錠制造一件封頭。兩種方法采用的鋼錠均為電弧爐粗煉鋼水，鋼包爐精煉，真空澆注制得。通過這種雙真空處理的鋼錠可以有效去除鋼錠中的P、S及其他雜質(zhì)元素，鋼錠質(zhì)量及其熱加工性可以得到保證。但一般來說，在鋼錠制造中，隨鋼錠錠型增大，鋼水量增加，制造過程中對(duì)夾雜物、偏析、疏松縮孔等缺陷的控制難度越大，不同等級(jí)的鋼錠存在不同的制造難度。

（2）鍛造 拉深成形法。拉深成形法鍛造工藝過程如圖1所示，首先經(jīng)鋼錠制坯并下料，然后通過鐓粗、拔長(zhǎng)、輾平得到板坯，最后通過拉深板坯得兩件封頭鍛件毛坯。鋼錠利用率59%，水口切除7%，冒口切除20%，總鍛造比14。

拉深成形主要特點(diǎn)：①一般必須采用一錠兩件模式生產(chǎn)，輾平得到板坯最先為矩形，然后通過氣割得圓形（見圖1）。但也不排除在板坯直徑和厚度允許的前提下，采用一錠一件模式生產(chǎn)，由鐓粗展平方式制得板坯。②在鐓粗、拔長(zhǎng)、輾平過程中，鋼錠得到充分壓實(shí)，最大限度保留鍛造致密組織，保證了良好的坯料基礎(chǔ)。③由于鍛件在制造過程中，沿縱向、橫向成形，鍛造比皆大于4，最終封頭在各方向的變形引起的各向異性較為不明顯。④拉深成形中，板坯可為純平板，也可為局部帶凸臺(tái)的平板，板坯尺寸大小不超過設(shè)備能力開檔尺寸的封頭都可以采用拉深成形法進(jìn)行生產(chǎn)。

圖1 拉深成形工藝過程

圖2 回轉(zhuǎn)成形工藝過程

回轉(zhuǎn)成形。回轉(zhuǎn)成形是利用金屬坯料局部鐓粗變形原理來成形封頭鍛件的一種方法，通過回轉(zhuǎn)上模在坯料上的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)坯料由上向下，由中心向四周的轉(zhuǎn)移，最終得到所需鍛件形狀。回轉(zhuǎn)工藝過程如圖2所示，鋼錠首先預(yù)切尾部，然后通過鐓粗及拔長(zhǎng)制坯得中間坯，最后通過特制上下模具進(jìn)行回轉(zhuǎn)成形。鋼錠利用率54%，水口切除7%，冒口切除22%，總鍛造比10。

回轉(zhuǎn)成形主要特點(diǎn)：①回轉(zhuǎn)成形法的鍛件圖屬于包絡(luò)型，可以解決形狀復(fù)雜不宜拉深成形封頭的成形問題，同時(shí)對(duì)于那些拉深板坯尺寸超過設(shè)備空間的封頭，往往也必須采用回轉(zhuǎn)成形法鍛造成形。②回轉(zhuǎn)成形不沖孔，鋼錠心部的固有缺陷無法去除，將隨鍛件一起變形，并最終變小和彌散。因此冶煉、制坯工序尤為重要，通常需采用高純凈鋼、多次鐓粗+WHF法聯(lián)合操作達(dá)到鍛合心部缺陷，破碎中心夾雜的目的。在后續(xù)的模具回轉(zhuǎn)成形中，坯料將受到良好的三向壓力作用，可進(jìn)一步對(duì)坯料中的殘余缺陷進(jìn)行鍛透壓實(shí)，進(jìn)而達(dá)到減少缺陷，密實(shí)組織的目的。③回轉(zhuǎn)成形法最終成形工序決定了坯料的鍛造方向主要為封頭經(jīng)向，有明確的主鍛造方向。④回轉(zhuǎn)成形時(shí)封頭位于模具之中，鍛造時(shí)的接砧、氧化皮堆積等情況將無法觀測(cè)，很容易在鍛件內(nèi)部形成折傷和氧化皮嵌入，該問題目前尚無有效的解決辦法，往往通過增加封頭內(nèi)外壁余量來減輕上述缺陷的影響。⑤回轉(zhuǎn)成形涉及成形力和坯料走向預(yù)測(cè)問題，一般情況下需要通過計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬實(shí)現(xiàn)坯料金屬的流動(dòng)轉(zhuǎn)移和成形力預(yù)計(jì)算問題（見圖3），再有針對(duì)性地進(jìn)行模具和坯料的改進(jìn)，進(jìn)而為封頭回轉(zhuǎn)成形奠定理論基礎(chǔ)。

對(duì)比兩種封頭成形方法，可以認(rèn)為：兩種成形方法通過設(shè)置合理的鍛造過程和參數(shù)，都可以鍛合內(nèi)部缺陷，密實(shí)組織，提高力學(xué)性能；兩種成形方法的選取很大程度上取決于鍛件的形狀和尺寸，一般而言，拉深成形在球形封頭上應(yīng)用更廣泛，回轉(zhuǎn)成形則在外形復(fù)雜和尺寸超大的封頭上更具優(yōu)勢(shì)；回轉(zhuǎn)成形過程中會(huì)伴隨一定程度的折傷和氧化皮堆積問題，而這些問題在拉深成形中不會(huì)出現(xiàn)。因此，拉深成形質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)要小于回轉(zhuǎn)成形；回轉(zhuǎn)成形鍛件主鍛造方向比拉深成形明顯，對(duì)于需要依照主變形方向進(jìn)行取樣的RCCM、ASME這類標(biāo)準(zhǔn)來說更具說服力；對(duì)比兩種成形方式鍛造工藝過程，拉深成形生產(chǎn)周期長(zhǎng)于回轉(zhuǎn)成形。

（3）熱處理 為獲得滿足容器的使用要求，鍛件必須經(jīng)歷性能熱處理后，且從鍛件本體上截取的力學(xué)性能試料還需要進(jìn)行模擬消除應(yīng)力熱處理。

拉深成形封頭在封頭成形前進(jìn)行了較大的鍛造變形與機(jī)加工，因此，探傷合格率高（95%以上），成形后拋磨后，表面質(zhì)量好，可直接毛坯調(diào)質(zhì)，不再進(jìn)行機(jī)加工。而回轉(zhuǎn)成形封頭由于成形鍛件余量較大、表面質(zhì)量較差，成形后必須進(jìn)行粗加工，探傷合格后進(jìn)行性能熱處理。封頭鍛件的熱處理工藝要求如下：①性能熱處理：奧氏體化(870~930℃，保溫≥2h)后浸水淬火+回火(650~670℃，保溫≥4h)后空冷。②模擬消除應(yīng)力熱處理：610℃保溫40h，隨爐冷卻到≤425℃，然后進(jìn)行空冷。在性能熱處理中，保溫溫度偏差要求為±15℃，同時(shí)為了保證溫度能夠達(dá)到既定要求，應(yīng)該至少放置兩支熱電偶來記錄溫度變化；在模擬消除應(yīng)力熱處理中，由于是從鍛件上截取較小的試料進(jìn)行，因此保溫溫度的要求精度比較高為±5℃。

（4）取樣及性能分析 性能熱處理后對(duì)鍛件進(jìn)行化學(xué)成分分析，鍛件主要化學(xué)成分要求表1所示。經(jīng)檢驗(yàn)，拉深成形封頭和回轉(zhuǎn)成形封頭其化學(xué)成分均能滿足采購(gòu)技術(shù)條件的要求。

性能熱處理后，在封頭鍛件的延長(zhǎng)段的試環(huán)上相對(duì)180°的兩個(gè)位置取樣進(jìn)行試驗(yàn)，其取樣示意如圖4所示。

鍛件性能熱處理+經(jīng)模擬焊后熱處理后，按圖4在T*T/4（T為熱處理厚度）處取樣進(jìn)行力學(xué)性能檢驗(yàn)，其力學(xué)性能要求如表2所示。其檢驗(yàn)結(jié)果如圖5~圖8所示。

從兩種成形方法的力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果可看出，無論是拉深成形封頭還是回轉(zhuǎn)成形封頭其力學(xué)性能均滿足采購(gòu)規(guī)范的要求；兩種成形方式的封頭力學(xué)性能結(jié)果相差不大。

（5）超聲波檢驗(yàn) 鍛件在進(jìn)行最終機(jī)加工后，應(yīng)根據(jù)NB-2542、SA-508及其附加要求S2，以及SA-388/SA-388M要求對(duì)鍛件進(jìn)行直射波和斜射波的超聲波檢驗(yàn)。對(duì)于斜射波檢查，任何等于或大于20%的顯示（DAC）都應(yīng)記錄且研究確定它的性質(zhì)。經(jīng)檢驗(yàn)，以上兩種成形方式均能滿足探傷要求。

圖3 回轉(zhuǎn)成形模擬

圖4 封頭鍛件取樣示意

表1 主要化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）

拉深成形在筒體制坯時(shí)已經(jīng)沖掉了鋼錠中較壞組織，因此拉深成形的封頭無損檢測(cè)合格率高，同時(shí)鍛件成形前已經(jīng)對(duì)筒體進(jìn)行了機(jī)加工、輾平等過程，因此鍛件成形后表面質(zhì)量高，可直接進(jìn)毛坯調(diào)質(zhì)。但回轉(zhuǎn)成形，要求鋼液質(zhì)量較好，純凈度鋼，同時(shí)鋼錠中心質(zhì)量較差的部位仍然保留在鍛件中，在鍛造過程中此部分是多次變形的集合體，因此在無損檢測(cè)要求較高的情況下，其無損檢測(cè)合格率偏低。

表2 鍛件力學(xué)性能

圖5 拉深成形封頭常溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果

圖6 拉深成形封頭沖擊試驗(yàn)結(jié)果

圖7 回轉(zhuǎn)成形封頭常溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果

圖8 回轉(zhuǎn)成形封頭沖擊試驗(yàn)結(jié)果

圖9 拉深成形均勻性試驗(yàn)取樣示意

2. 筒體板坯拉深成形的均勻性分析

（1）筒體板坯力學(xué)性能分析 為分析筒體板坯拉深成形的均勻性，進(jìn)行了如下試驗(yàn)：在封頭0°、90°、180°、270°四個(gè)方位取樣分別進(jìn)行周向、軸向拉深、沖擊試驗(yàn)如圖9所示。其試樣結(jié)果如圖10~圖13所示。

通過圖10~圖13可以得出以下結(jié)論：對(duì)于每一個(gè)封頭鍛件而言，每個(gè)方位周向和軸向沖擊試驗(yàn)、拉伸試驗(yàn)結(jié)果度差別不太大；同時(shí)四個(gè)方位的沖擊試驗(yàn)、拉伸試驗(yàn)結(jié)果差別也不明顯。由此，可以說明拉深成形的封頭板坯各象限的力學(xué)性能是均勻的，這是由于拉深成形的板坯是采用筒體鍛件制坯，在鍛造過程中已經(jīng)將鋼錠中的偏析帶沖掉，坯料的偏析較小，其坯料本身的均勻性較好；同時(shí)也可以看出封頭成形后鍛件的軸向、周向的各項(xiàng)力學(xué)性能也是均勻的。這是因?yàn)榘迮骼畛尚蔚恼麄€(gè)鍛造過程中鍛件的周向和軸向變形程度相差不大；這點(diǎn)可從圖1鍛造過程發(fā)現(xiàn)即在鍛制筒體坯料時(shí)，鍛件的主變形方向即坯料的實(shí)際伸長(zhǎng)方向?yàn)橥搀w鍛件的切向（筒體周向擴(kuò)孔比為1.7）；在封頭最終“沖壓成形”時(shí)，封頭鍛件的主變形方向即坯料的實(shí)際伸長(zhǎng)方向?yàn)榉忸^的經(jīng)向（鍛造比計(jì)算約為1.1），封頭的各項(xiàng)異性較小。

（2）化學(xué)成分分析 采用340t鋼錠冶煉筒體，將筒體一分為二并展開得兩件板坯。在以往鍛件的制造經(jīng)驗(yàn)中，對(duì)類似筒體進(jìn)行了化學(xué)成分分析，其分析方案為：沿軸向由水口端向冒口端同時(shí)沿厚度方向等距離鉆取屑樣進(jìn)行C、S、Mn分析，如圖14所示。

從圖1 4分析，沿軸線方向wC=0.176%~0.208%，wMn=1.3 8%~1.4 3%，wS=0.0021%~0.0030%，可以看出從水口端到冒口端C、S、Mn元素分布相對(duì)較為均勻。由此可推斷，采用筒體制坯的方式拉深成形的封頭化學(xué)成分沿軸向分布也是均勻的。

圖10 周向拉伸試驗(yàn)結(jié)果

圖11 周向沖擊試驗(yàn)結(jié)果

圖12 軸向拉伸試驗(yàn)結(jié)果

圖13 軸向沖擊試驗(yàn)結(jié)果

圖14 340t鋼錠制筒體剖面A碳、硫、錳分布

3. 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，可以得出以下結(jié)論：

（1）拉深成形通常是先將鋼錠鍛造成拉深前板坯，然后在一定溫度下通過專用模具對(duì)板坯進(jìn)行拉深并得到封頭毛坯。回轉(zhuǎn)成形則是先通過鋼錠制得符合工藝要求的坯料，然后將之置于專用的成形下模中，并通過回轉(zhuǎn)上模對(duì)其進(jìn)行成形，進(jìn)而得到所需的封頭毛坯。從生產(chǎn)數(shù)據(jù)表明，拉深成形和回轉(zhuǎn)成形通過設(shè)置合理的鍛造過程和鍛造參數(shù)，都可以鍛合內(nèi)部缺陷，密實(shí)組織，提高力學(xué)性能，均能達(dá)到純凈性、致密性高的封頭產(chǎn)品。制造廠采用哪種制造方式需要結(jié)合鍛件形狀、設(shè)備能力、加工周期、制造標(biāo)準(zhǔn)等多方面因素來選擇。

（2）采用筒體板坯的拉深成形工藝方法因沖掉了鋼錠中冶金質(zhì)量較差的疏松和偏析帶，并經(jīng)過鍛造，從化學(xué)成分分布、力學(xué)性能結(jié)果和探傷合格率等分析，制造后采用筒體板坯的拉深成形工藝獲得的鍛件各項(xiàng)異性小，表現(xiàn)出更為優(yōu)良的均質(zhì)性、更為良好的表面質(zhì)量和更為穩(wěn)定探傷質(zhì)量。

（3）回轉(zhuǎn)成形在外形復(fù)雜和尺寸超大的封頭上更具優(yōu)勢(shì)，從取試結(jié)果看，仍然表現(xiàn)出良好的均質(zhì)性，但該工藝對(duì)鋼水純凈度和鍛造操作要求高，需要有成熟的制造經(jīng)驗(yàn)做支撐。

20150920