大直径圆钢成型工艺探讨

2011-10-28河北钢铁集团舞阳钢铁公司锻造厂王兵方立

河南科技 2011年3期

河北钢铁集团舞阳钢铁公司锻造厂王兵方立

大直径圆钢成型工艺探讨

河北钢铁集团舞阳钢铁公司锻造厂王兵方立

圆钢是机械制造行业广泛使用的坯料，国内目前能轧制的圆钢最大直径在200mm以下，而对于直径超过200mm的圆钢，则需要经过锻压成型。

钢锭或连铸坯经过锻打后，可使组织内部微裂纹焊合，粗大晶粒细化，消除组织内部的疏松缺陷现象，使组织更加致密，纤维流线和外形轮廓一致，材料的综合性能大大提高。圆钢成型中，为保证产品表面光滑，无凸凹，需要一种专用的成型模具，模具设计合理与否将对产品质量和生产效率产生重大影响。本文，笔者就圆钢成型使用原料、成型模具方面阐述自己的观点。

一、原材料选用

1.原材料选用合适与否关系到成材率高低，将直接影响经济效益。舞阳钢铁公司于2008年10月投产了25MN快锻生产线，生产ϕ200～ϕ800圆钢。在投产伊始，所生产ϕ300以下圆钢全部采用舞钢公司第一炼钢厂钢锭投料，产品的力学性能均高于相应标准，探伤合格率在98%以上，但因钢锭成材率偏低，无形中造成生产成本过高，在激烈的市场竞争中没有价格优势。

为降低生产成本，增加经济效益，结合舞钢公司自身实际，我们生产ϕ200～ϕ300圆钢，拟采用第二炼钢厂生产的连铸板坯，连铸板坯的厚度为200～330mm，宽度为1200～2100mm，长度任意。

2.可行性分析。钢锭的基本结构如下图1，其冒口约占锭身比重的15～17%，底部占锭身比重的3～5%以此计算，钢锭加热的氧化烧损为2%～3%，切头为1%～2%，则使用钢锭锻制圆钢的成材率在73%～79%之间。

而连铸板坯由于没有冒口、底部，理论上连铸坯除去烧损、切头，其余部分可全部成材，成材率在90%以上。

图1 钢锭基本结构

锻造工艺中材料的塑性变形不但是成型的必要前提，而且也是破坏铸态组织、锻合内部缺陷，使组织均匀化的必要条件。塑性变形程度不同，锻合的效果也就很不一样。锻比就是衡量锻件塑性变形程度的指标。锻比大小直接影响材料内部组织的锻合效果，从而影响锻件的机械性能。一般认为：钢锭拔长时，随着锻比的增加，产生不同程度的组织变化。当锻比为1.5～3时，铸态组织得到破碎，气孔和疏松得到焊合，使钢锭组织致密。同时，锻件中心产生沿轴向延伸的流线即出现锻造纤维。这时，正如图2所表明的使纵向和横向韧性性指标获得显著提高，一般达50%～200%。但当锻比大于3以后，锻造纤维越来越明显，数量越来越多，与此相应横向塑性和韧性指标随锻比的增加而逐渐降低，而纵向的塑性和韧性指标则保持不变。锻件的轴向、径向和切向性能差别越来越大。即出现明显的异向性。至于强度极限，当锻比增加到3以上时也稍有提高，但并不明显。同时，锻比过大，也意味着生产效率降低，成本增加。

针对连铸板坯，结合舞钢公司的冶金水平，我们认为最适宜的锻比为2.5～3.5。

图2 锻比对机械性能的影响

3.生产实践效果。舞钢公司锻造厂使用的钢种为中碳低合金结构钢，厚度330mm，生产流程为：板坯热送——带温切割——加热——锻造——热处理。原料的切割规格及锻制成品如表1：

表1 原料的切割规格及锻制成品

从2009年4月开始尝试使用连铸坯锻制圆钢，与之前使用钢锭投料相比，成材率可以稳定在85%以上，经济效益明显。

二、成型模具的改进

1.在锻制时，当上砧座压下下时，在圆弧内腔内的坯料受到挤压产生径向收缩和纵向延伸变形，外表面形状为类似圆形，当上砧复位后，坯料随之旋转一定角度并送进一段距离，然后重复上述过程。这样，坯料通过锻打成型，直到外形和尺寸达到要求为止。其基本结构如图3所示，该结构只要更换镶块I和镶块II，就可以生产不同规格的圆钢，基本满足圆钢生产要求。

图3 圆钢成型模具结构

锻造厂投产时，月产量不足500t，随着市场的开拓，月产量稳定在1500t以上，模具使用频率迅速增加，上述结构的模具的缺陷逐渐暴露出来，主要表现在以下几个方面：

（1）镶块易变形或断裂，寿命短。

（2）上砧座与下砧座配合部分磨损快，一旦磨损导向性极差，两镶块很难对正，严重影响生产效率。

（3）圆钢表面容易产生折叠，表面不光洁。

由于该结构成型模具存在以上问题，造成圆钢合格率低，模具损坏快、更换频繁，生产成本高。

2.原因分析。根据锻造圆钢成型模具的作用机理，对造成模具损坏、影响产品质量的原因作如下分析：

（1）该结构的导向主要依靠上砧座1与下砧座5之间的配合部分导向，在使用过程中，该配合部分随上砧作往复动作，使用一段时间后，由于摩擦作用，该配合部分的间距增大，使镶块I和镶块II很难对正，容易造成圆钢弯曲，给后续工作带来麻烦。而且，一旦没有对正就施压，压力将作用到上砧座1的侧壁上，容易掰断侧壁或使侧壁变形，导向性更差。采用这种结构的导向是不合理的。

（2）模具圆弧部分设计的不尽合理。该套模具的成型部分依靠圆弧部分完成，该端圆弧为正圆的一部分，在生产中，进入模具前的坯料上存在明显的棱角，压下量稍有不慎，金属就被挤到型腔之外，翻转90°以后形成折叠，如图4，这是折叠产生的重要原因。

图4 改进前的圆弧部分

3.改进措施。

（1）原来模具的导向仅仅依靠上下砧座的配合导向，改进后的模具添加了导向柱，其基本结构如右图5：

图5 改进前的成型模具

导向柱直径为ϕ120mm，以保证有足够的强度，这样整个模具的导向由4根在两侧分布的导向柱控制，由于4根弹簧起到平面支撑的作用，避免了上砧在复位时倾斜，基本上保证了模具的定位精度。如果长期使用后，上砧定位孔发生磨损，只用更换导柱即可，而不用更换整个上砧。

（2）根据受力情况，坯料进入弧形部分时是由点接触逐渐变为面接触的，模具弧形部分大部分为无用圆弧。因此将弧形部分应为圆弧和与之相切的直线L1、L2组成，如图6。这样的弧形同时具备V型砧的特点，集弧形砧与V型砧的特点于一身，其特点如下：进入砧子前的坯料截面可以适当放大，此时的拔长似V型砧锻造，有效地避免了折叠产生，可以提高拔长效率，接近成品尺寸时靠圆弧部分成形；V形侧壁在一定程度上也起到了导向作用，减少导向柱的磨损。