超大型加氫反應器過渡段筒體綠色制造技術

文／周巖，劉凱泉，展培培·天津重型裝備工程研究有限公司

超大型加氫反應器過渡段由于結構復雜，是加氫反應器中制造難度最大，鋼水收得率最低的大型鍛件。本文開創性地提出了將加氫反應器過渡段與鄰近筒體合鍛，通過筒節軋機軋制后用水壓機旋轉鍛造收口的方法進行制造，并通過有限元數值模擬及工程化等比例試驗的方法進行論證，實現了加氫反應器過渡段筒體的綠色制造及近凈成形。

傳統制造方式

針對加氫反應器過渡段的鍛造成形，中國一重近幾年做了大量嘗試，但并未擺脫傳統的自由鍛造理念。目前，鍛造加氫過渡段的方法主要有三種，以下分別對三種方式進行論述。

直圈覆蓋式鍛造

直圈覆蓋式鍛造(圖1)是將加氫過渡段設計為一直筒，用截面輪廓覆蓋過渡段外形輪廓的方法，成形工藝最為方便簡單，但此方法鍛件凈液比最低，是最不經濟的鍛造方式，同時由于設計鍛件截面壁厚較厚，最后一火鍛造成形過程中，截面心部難以鍛透，易出現混晶的問題，除此之外，在后續精加工過程中，由于切斷了鍛件的纖維流線，導致鍛件的性能降低，不能夠體現鍛件的優勢，因此這種方式目前已被淘汰。

過渡段沖形工藝

圖1 直圈覆蓋式鍛造

將過渡段首先預制為一直筒坯料，然后用沖頭及下模沖形的方式實現過渡段的仿形鍛造，也是較為常見的鍛造成形方法之一，如圖2所示。這種方法凈液比相對有所提升，但沖形后無法實現坯料與沖頭的整體貼合，因此必須在壁厚方向預留一定的鍛造余量，同時，所投輔具較多，且沖形后過渡段難以脫模，只能將沖頭及過渡段一同返爐短時間加熱后使過渡段膨脹實現脫模，不能夠實現過渡段的連續生產。除此之外，此方法只適合于不帶裙座的上過渡段制造，對于含有法蘭裙座的變壁厚過渡段則不能適用。

圖2 過渡段沖形工藝成形原理

兩件過渡段合鍛仿形擴孔成形

將兩個上過渡段或兩個下過渡段合鍛成一個燈籠形，最后切開成為過渡段，這種方法是近年來中國一重生產大型加氫反應器過渡段的主要方式，如圖3所示。這種方式鍛件材料收得率高，纖維流線分布合理。但與此同時，該成形方式仍存在著嚴重不足，即不同型號的加氫反應器球半徑不同，導致每套產品必須配合制造與其配套的擴孔輔具，不僅造成了制造成本的增加，同時由于需重新制作輔具，延長了項目的交貨期。鍛件最終通過水壓機擴孔出成品，鍛件周身存在錘棱，因此鍛造余量較大，不能稱之為近凈成形。

綠色鍛造技術

圖3 兩件過渡段合鍛仿形擴孔成形原理

超大型鍛件的綠色制造是當下大型鍛件生產企業所追求的變革性生產理念，它主要體現為大型鍛件的一體化鍛造和近凈成形，使鍛件既能夠得到鑄件所擁有的復雜形狀，同時也具備鍛件的致密性和組織均勻性，不僅如此，通過鍛件的一體化鍛造使超大型設備的焊縫數量明顯減少，提高了設備的服役穩定性。

綠色鍛造技術在核電超大型鍛件的制造領域得到了廣泛應用（圖4)。加氫反應器的上下過渡段結構復雜，成形難度較大，目前是加氫反應器中鍛造余量最大，鋼水收得率最低的主鍛件。在某項目加氫產品的制造中，中國一重首次獨創性地將加氫過渡段與鄰近筒體進行一體化處理，同時借助一重自主設計的筒節成形機，實現了鍛件的近凈成形和一體化制造，開創了加氫產品綠色制造技術的新局面。

技術論證

成形工藝方案

傳統的加氫反應器分段方式(圖5)為容器上下封頭，筒體，以及封頭與筒體之間的過渡段三類鍛件，由于加氫反應器體積龐大，按現有水壓機設備能力無法制作超大型板坯，因此無法將封頭和過渡段進行合鍛處理，若實現加氫反應器鍛件的一體化鍛造，達到減少焊縫的目的，只能尋求將過渡段與鄰近筒體一體化鍛造的成形方法。上下過渡段分別與鄰近筒體合鍛后，整個容器可減少兩道焊縫，具體分段形式如圖6所示。

圖4 綠色制造技術在核電產品上的應用

圖5 加氫反應器傳統分段方式

以此方案分段后，整個容器同樣分為三類鍛件，包括上下封頭，上下過渡段筒體及直筒節，其中上下過渡段筒體為一直筒節端部帶一收口段鍛件，為減少加工量，在實現鍛件一體化鍛造的同時，必須還要實現仿形鍛造，合鍛后的鍛件成形方案設計為經鐓沖，芯棒拔長，馬杠擴孔，筒節成形機軋制后制成直筒坯料，然后在水壓機上收口成形成收口筒節，方案示意圖如圖7所示，以這種成形方式進行鍛件的制造，由于采用了筒節成形機進行軋制，很大程度地減小了鍛件的加工余量。

圖6 采用一體化鍛造后反應器的分段方案

⑴鍛造過渡段筒體鋼錠選用雙聯法冶煉上注24棱鋼錠，鋼錠冶煉前精選煉鋼用原材料，確保As、Sb、Sn、Co、Cu、B等有害元素的含量不超標，采用電爐和精煉爐雙聯法煉鋼降低鋼中的P、S含量，并對其進行嚴格把控。對鍛件所需的大型鋼錠，采用多包MP合澆技術控制鋼中C、Mo等元素成分的偏析，從而控制合澆后大型鋼錠的成分偏析。采用真空澆注、鋼水注流保護和新型中間包技術，降低鋼渣的卷入和鋼水二次氧化，提高鋼水的純凈度，提高鋼錠質量。

⑵鋼錠經保溫，脫模熱送后進行鍛造，首先氣割水冒口，保證鋼錠兩端均有一定比例的切除量，從而有效切除水口沉積堆及冒口端的二次縮孔和偏析嚴重區域，保證鍛件質量。

⑶切除兩端棄料后，鋼錠經長時間保溫后進行鐓粗沖孔，利用長時間的高溫擴散，配合一定的鐓粗比，既實現了鋼錠內部的成分均勻化，也保證了凝固枝晶破碎，并向等軸狀態轉變。鋼錠沖孔進一步將鋼錠心部疏松區域去除，同時也是成形過程的需要。

⑷然后進行芯棒拔長，預擴孔，完成筒節成形機軋制前的直筒坯料制備，經一定軋制比的軋制后將筒體成形至成品直徑尺寸，隨后空冷，降溫后利用全自動氣割機將筒體收口端氣割一定尺寸的倒角，最終在水壓機上，利用收口錘頭，配合回轉臺旋轉鍛造收口，完成最終成形。此火由于鍛件局部不變形，因此始鍛溫度適當降低，既要保證鍛件的晶粒不發生異常長大，也要保證鍛件的韌性指標滿足技術條件要求。

圖7 加氫過渡段筒體成形過程示意圖

⑸鍛件在收口過程中采用上收口異形錘頭，下回轉臺。坯料過渡段一側朝上，擺放于回轉臺上，通過回轉臺帶動坯料旋轉，按0°，90°，45°，90°，再旋轉22.5°按0°，90°，45°，90°，再旋轉11.25°對稱壓4錘，再旋轉22.5°對稱壓4錘的方式步錘。按上述方式壓下一道次完成整個收口過程。

數值模擬結果

根據以上對鍛件成形最后一火收口的敘述，用DEFORM-3D進行了有限元數值模擬，材料模型用JmatPro，根據材料的化學成分利用材料熱力學原理進行計算，得到不同溫度的應力應變曲線和熱物性參數進行建模，材料與模具之間的摩擦選擇剪切摩擦，摩擦系數設定為0.4，坯料與模具之間的熱傳導系數為1N/(sec·mm·℃)，與環境之間換熱為0.02N/(sec·mm·℃)。坯料網格設置為四面體網格，既保證了計算精度，同時保證在大變形過程中良好的自適應性。

模擬結果如圖8所示，其中圖8(a)為數值模擬過程，圖8(b)為模擬結果，模擬結果中，灰色部分為零件圖尺寸，黃色部分為模擬后的鍛件輪廓，可以看出，采用本發明中所述的加氫反應器過渡段與鄰近筒體整體鍛造技術可以實現加氫反應器過渡段與鄰近筒體的一體化鍛造。

典型鍛件鍛造過程

采用以上方式對鍛件的成形過程進行了工程化試驗，即采用氣割鋼錠兩端棄料→鐓粗、沖孔→芯棒拔長→預擴孔、平端面→筒節成形機擴孔→氣割倒角→水壓機旋轉鍛造收口的成形方式進行筒節過渡段的成形，圖9為收口后鍛件和精加工后狀態。

結束語

⑴采用加氫過渡段與鄰近筒體一體化鍛造成形方法進行鍛件制造，不僅能夠減少焊縫數量，在提高設備可靠性的同時，大幅降低了產品的制造成本，縮短了制造周期，在減少能源消耗的同時，也大幅減少了制造過程中溫室氣體的排放量，降低了由制造活動帶來的環境污染。

圖8 過渡段筒體收口成形數值模擬結果

圖9 典型產品的制造過程

⑵一體化鍛造最大程度地減小了鍛造余量，保留了鍛造成形流線，在保證鍛件力學性能的同時，實現了鍛件的近凈成形和綠色制造。