淺談超大型環(huán)鍛件、筒體鍛件軋制成形技術(shù)

文/任秀鳳，牛余剛，曲在文·山東伊萊特重工股份有限公司

本文主要介紹了大型環(huán)形鍛件、筒體鍛件生產(chǎn)的新工藝——徑軸向軋制技術(shù)，并介紹了當(dāng)今世界上最大的軋環(huán)機(jī)的設(shè)備能力，以及直徑15.45m超大環(huán)件和直徑6m的筒體軋制成形過(guò)程。

超大型環(huán)鍛件、筒體鍛件是大型裝備必不可少的關(guān)鍵零部件，在海上風(fēng)電、核電、水電、石油煉化、航空航天等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。隨著我國(guó)裝備制造業(yè)的高速發(fā)展，受國(guó)內(nèi)制造工藝水平和能力的限制，大型環(huán)鍛件、筒體鍛件的供需矛盾日益顯現(xiàn)，有些裝備制造廠家不得不將目光轉(zhuǎn)向國(guó)外進(jìn)口。

當(dāng)前直徑超過(guò)10m的大型環(huán)鍛件多采用分段拼焊工藝或鑄造工藝生產(chǎn)，如大型混凝土回轉(zhuǎn)窯輪帶多采用鑄造工藝生產(chǎn)，由于工件直徑大，不得不設(shè)置多個(gè)澆冒口，不僅材料利用率低，而且砂眼、縮孔、冷隔等鑄造缺陷很難避免。而大型環(huán)鍛件的分段拼焊工藝則存在焊縫與本體組織狀態(tài)不一致的顯著缺陷。

當(dāng)前國(guó)內(nèi)直徑4m以上的大型筒體鍛件多采用自由鍛方式生產(chǎn)，主要生產(chǎn)廠家有中國(guó)一重、二重、上重、中信重工等大型鍛造企業(yè)，2015年中信重工用185MN油壓機(jī)鍛造出直徑6.72m，高3.95m，重202t的超大型筒體，受油壓機(jī)凈空高度、開(kāi)檔尺寸等限制，該尺寸的筒體鍛件基本已達(dá)到設(shè)備的極限。

此外，大型自由鍛件鍛造時(shí)間一般較長(zhǎng)，始鍛部位與終鍛部位的鍛造溫度和變形量很難均勻一致，因此鍛件內(nèi)部組織和晶粒度會(huì)差異較大，尤其像奧氏體不銹鋼這類不能通過(guò)后續(xù)熱處理細(xì)化晶粒的鍛件，其差異性更為明顯。

大型環(huán)鍛件、筒體鍛件的生產(chǎn)無(wú)論是拼焊工藝、鑄造工藝還是自由鍛工藝均存在生產(chǎn)效率低、均質(zhì)性差、材料消耗大的共性問(wèn)題。

徑軸向軋制技術(shù)（輾環(huán)）是國(guó)際上公認(rèn)的近凈成形先進(jìn)制造工藝技術(shù)，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。

圖1 大型環(huán)件鑄造圖(左)、自由鍛筒體圖(右)

山東伊萊特配備的RAW2500/1250～16000/3000軋環(huán)機(jī)是當(dāng)今世界上最大的徑軸向軋環(huán)機(jī)，該設(shè)備徑向軋制力2500t；軸向軋制力1250t；最大軋制直徑16m，最大軋制高度3m，軋制坯料重量達(dá)200t，能夠生產(chǎn)直徑16m的超大型無(wú)縫環(huán)件、高度3m的筒體類鍛件，能夠解決當(dāng)前大型環(huán)鍛件、筒體鍛件的生產(chǎn)制造難題，為我國(guó)大型裝備的研發(fā)制作提供有力保障。

該設(shè)備不僅軋制力能大，而且配備精確的控制系統(tǒng)（圖2），具有多功能和精確的執(zhí)行用戶期望的能力，可自動(dòng)設(shè)定軋制變量，自動(dòng)控制軋制流程，自動(dòng)監(jiān)控工件長(zhǎng)大過(guò)程，并具備先進(jìn)的異形軋制功能。高精度控制不僅提高鍛件外觀質(zhì)量，更能夠進(jìn)一步降低鍛件余量，降低材料消耗。

圖2 自動(dòng)操控面板

2018年5月，該軋環(huán)機(jī)及配套135MN油壓機(jī)、熱處理設(shè)備、機(jī)加工設(shè)備實(shí)現(xiàn)全線投產(chǎn)，先后生產(chǎn)出直徑15.45m的大型環(huán)形鍛件以及直徑6m、高度3m的筒體鍛件，以下分別做介紹。

超大型環(huán)形鍛件軋制

環(huán)件目標(biāo)尺寸：外徑15.45m、壁厚285mm、高度645mm，材質(zhì)Q345E，鋼錠重量105t。采用油壓機(jī)開(kāi)坯，開(kāi)坯尺寸：外徑5300mm、內(nèi)徑3400mm、高度850mm。

工藝流程：鋼錠滾圓—拔長(zhǎng)—下料—鐓粗—沖孔—擴(kuò)孔—第一火軋制—第二火軋制—鍛后冷卻。（圖3）

圖3 超大型環(huán)形鍛件軋制過(guò)程

直徑15.45m環(huán)鍛件軋制第一火從外徑5.3m軋制至7m，軋制僅需7分鐘；第二火軋制從7m至15.45m，用時(shí)10分32秒，終軋溫度不低于900℃。軋環(huán)后毛坯經(jīng)測(cè)量，測(cè)量結(jié)果列入表1。從表1中數(shù)據(jù)可知，毛坯外徑橢圓58mm；內(nèi)徑橢圓54mm，平面平整度≤5mm，鍛件外觀平整，無(wú)凹槽、凹坑、折疊等缺陷。

表1 15.45m環(huán)鍛件毛坯尺寸測(cè)量結(jié)果 單位（mm）

大型筒體鍛件軋制

筒體目標(biāo)尺寸：外徑6000mm；內(nèi)徑5500mm；高度3000mm；材質(zhì)：Q345E，鋼錠重量158t。鍛坯尺寸：外徑4290mm；內(nèi)徑3500mm；高度3035mm。

工藝流程：鋼錠滾圓—拔長(zhǎng)—下料—鐓粗—沖孔—芯棒拔長(zhǎng)—擴(kuò)孔—軋制—鍛后冷卻。(圖4）

直徑6m，高度3m的大型筒體軋制用時(shí)4分52秒，毛坯冷卻后的尺寸檢測(cè)結(jié)果列入表2，由表2數(shù)據(jù)可見(jiàn)，筒體軋制成形良好，橢圓度≤20mm，上下錐度≤12mm，外觀質(zhì)量?jī)?yōu)良。

圖4 大型筒體鍛件軋制過(guò)程

軋制環(huán)鍛件性能檢測(cè)

2018年6月我公司承接某項(xiàng)目整體螺栓拉伸機(jī)支承環(huán)的制作任務(wù)，該產(chǎn)品材質(zhì)30Cr2Ni2Mo，外徑5262mm；內(nèi)徑4210mm；高度371mm，鋼錠重量41t，性能檢測(cè)要求從三個(gè)螺栓孔P1、P2、P3內(nèi)取樣，三個(gè)螺栓孔位置相隔120°，成品形狀及取樣要求如圖5所示。

圖5 螺栓拉伸機(jī)支承環(huán)

制作工藝流程：鋼錠滾圓—熱切水冒口—開(kāi)坯鍛造—軋環(huán)—鍛后熱處理—粗加工—UT檢測(cè)—調(diào)質(zhì)處理—取樣檢測(cè)—精加工。(圖6）

力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果列入表3：

由表3所列數(shù)據(jù)可見(jiàn)，軋制環(huán)鍛件熱處理后的力學(xué)性能檢測(cè)指標(biāo)均滿足技術(shù)要求，P1、P2、P3三處檢測(cè)結(jié)果橫向拉伸性能相差10MPa，軸向拉伸性能相差16MPa，鍛件表層至中心的硬度差僅為16HB，鍛件各部性能均勻，差異性很小。充分驗(yàn)證大型軋環(huán)機(jī)鍛透能力，體現(xiàn)了軋制環(huán)鍛件的均質(zhì)化特點(diǎn)。

表2 筒體毛坯尺寸測(cè)量記錄 單位（mm）

表3 支承環(huán)鍛件力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果

圖6 支承環(huán)工藝流程

結(jié)語(yǔ)

徑軸向軋制工藝是環(huán)形鍛件特有的成形工藝，以成形精度高，余量小，生產(chǎn)效率高而被認(rèn)可，歐美國(guó)家早已將筒體軋制技術(shù)廣泛應(yīng)用于石化、核電等關(guān)鍵能源裝備領(lǐng)域，但是他們的軋制工藝技術(shù)對(duì)外封鎖。山東伊萊特致力于環(huán)鍛件行業(yè)40余年，積累了豐富的軋制經(jīng)驗(yàn)，軋制工藝技術(shù)是山東伊萊特的核心競(jìng)爭(zhēng)力。RAW2500/1250～16000/3000軋環(huán)機(jī)以其優(yōu)越的軋制功能給軋環(huán)工藝帶來(lái)更多可能性，將山東伊萊特的軋制能力提升至世界領(lǐng)先地位。

山東伊萊特將以深厚的軋制技術(shù)實(shí)力和先進(jìn)的設(shè)備能力，為國(guó)內(nèi)外風(fēng)電、水電、核電、石油石化、工程機(jī)械、軸承齒圈等各行各業(yè)的設(shè)計(jì)者們提供更廣闊的思路，提供更完美的高性能環(huán)件制造解決方案。