球缺過渡段的鍛軋成形技術研究

文/趙興明，銀偉，鄭永強，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的不斷發展和進步，壓力容器和高壓鍋爐等過渡段與筒體連接結構設計優化研究日益深入，出現了越來越多的非標準規格的球缺過渡段設計，且產品越來越往大型化發展，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、生產成本高、材料消耗大，而且切斷了球缺過渡段鍛件金屬的纖維流線，外層相對致密的金屬層也被加工掉了；同時受設備限制，無法完成一些大型化的球缺過渡段整體整形。現以某SR2700mm×190mm非標準球缺過渡段(以下簡稱：球缺過渡段)為例，通過技術改進和科技創新研究，應用“大型環鍛件徑軸向軋制成形技術”，提出了“利用模具在16米軋環機上整體異形軋制、近凈成形”的創新技術工藝方案，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品質量和成形技術水平。

球缺過渡段的結構特點

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

球缺過渡段的傳統成形方案

球缺過渡段的傳統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→多次擴孔→平整→鍛后熱處理→尺寸檢查等工序，產品余量大，多消耗了原材料和燃料能源等，增加了制造企業的生產成本；增加了產品的加工工時，影響了產品的制造周期。同時在加工過程中，切斷了金屬纖維流線，影響了產品的質量，見圖2。

圖2 球缺過渡段的傳統鍛件圖

技術改進和工藝創新

鑒于上述成形方案的諸多不利因素，我公司進行了技術改進和工藝創新，主要內容如下：

(1)按照球缺過渡段的輪廓及取樣要求，內外徑加余量計算產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，制造軋環機主輥和芯輥模具。

(3)在13500噸壓機上開坯制造出異形截面的坯料。

(4)應用“大型環鍛件徑軸向軋制成形技術”，在16米軋環機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比

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

球缺過渡段的規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，即增加了制造企業的生產成本，又增加了加工周期，影響產品的制造周期。通過異形軋制能有效的減少產品的加工余量，保證了產品流線，減少產品的制造成本及周期且模具可多次重復使用或用于軋制尺寸類似的產品。

表1 不同工藝方案下料重量對比

異形軋制方案

軋制工藝(輾環)是國際上公認的近凈成形的先進制造工藝，適用于環類、盤類、筒體類鍛件的成形，與傳統自由鍛工藝相比，具有節能、高效、材料利用率高的特點，而且軋制后的工件內部組織致密、晶粒細小，流線完整，對于提高工件的強度、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行制作，主要有加熱、下料、鐓粗、沖孔、擴孔、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爐冶煉、爐外精煉和真空脫氣等冶煉工藝生產的細晶粒鋼。化學成分及力學性能除應符合GB/T 1591-2018的規定外，還應符合P、S不大于0.010%、Cu不大于0.20%；試樣取自T/2處，力學性能符合標準的規定外，-20℃的沖擊功不小于54J。

鍛件中夾雜物按 GB/T 10561-2005進行評定，檢驗方法B、評級圖 II，A、B、C、D夾雜物均不大于1.5級，A＋B、C＋D均不大于2.0級，四者之和不大于4級為合格。根據以上較高的技術要求，我們對原材料冶煉提出了內控要求，見表2。

表2 Q355NE的內控化學成分

鍛造開坯

鋼錠加熱后，在13500噸的液壓機上進行鍛造開坯。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，鍛造開坯時必須按照截面積進行合理分料。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，提高鍛件的鍛造比，壓實心部，減少鍛件的各向異性，提高坯料致密性及內部組織均勻性。

(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一步去除，確保鍛件內部質量合格。

(4)球缺過渡段形狀特殊，上下截面積差距較大，需要在軋環前將坯料制作成一個上小下大，等壁厚的錐形環。根據體積不變定律的鍛造基本原理，考慮鍛件擴孔時的展寬量很小，擴孔前后的高度變化可忽略不計，通過軋環前后同一高度處橫截面近似相同原理計算得出此工藝參數，根據此參數制定合理的鍛造工藝。同時考慮燒損及操作問題引發的形狀誤差，讓金屬在擴孔過程中沿圓周方向流動，形成一個圓錐環。因此我們在擴孔前將其中一個馬架墊高進行擴孔，得到一個外徑平直，內孔帶錐度的坯料，再去除馬架墊塊，用操作機將坯料按內孔角度夾持進行擴大孔，平整直徑較大一面得到一個內外徑都帶錐度的、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米的軋環機上最終軋制成形。為減少機加工余量，縮短加工周期，降低制造成本，根據過渡段鍛件(圖5)毛坯尺寸及軋環機芯輥尺寸，制作內外徑仿形模具及模具芯輥等工裝；在軋環機上采用模具異形軋環、近凈成形的軋制方式。毛坯入模簡圖見圖6。

圖5 鍛件圖片

圖6 毛坯入模簡圖

過程控制要點

(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軟件進行數值模擬，以確定坯料尺寸形狀的合理性及軋制過程的工藝參數。

(3)為得到組織均勻、各項性能均勻的鍛件，除了嚴格控制材料的利用率外，還應嚴格按照鍛造工藝規定進行操作，鐓粗拔長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)擴孔前提前計算好馬架的高度差和擴孔量的大小，以便得到一個合適錐度的坯料，根據坯料的形狀確定平整坯料時兩端的壓下量。

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

(6)軋制過程中應及時進行除鱗，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量。

結束語

在國家提倡環保型、節約型和創新型社會背景下，通過大型非標準球缺過渡段產品制造工藝的推陳出新，應用“大型環形鍛件徑軸向軋制成形技術”成果，采用13500噸壓機開坯，利用模具在16米軋環機上整體異形軋制、近凈成形的工藝方案，成功的完成了大型非標準球缺過渡段成形的技術創新，既降低了材料消耗，又減少了產品的軸向焊縫，提高了容器產品的結構強度，為今后類似球缺過渡段制造提供了參考和借鑒，能滿足國家先進制造領域對大型球缺過渡段鍛件的需求，提升我國大型鍛造極限制造產業整體競爭力，推動我國大型環鍛件極限制造的加工水平，具有明顯的經濟效益和社會效益，屬于綠色環保近凈成形制造。