核电站用217吨起重双钩产品的开发研制（上）

2017-06-05赵艳敏刘贺王重鑫沈阳铸锻工业有限公司

锻造与冲压 2017年5期

文/赵艳敏，刘贺，王重鑫·沈阳铸锻工业有限公司

文/赵艳敏，刘贺，王重鑫·沈阳铸锻工业有限公司

核电站对环吊的要求是重载、精确、安全，这样就对环吊的各组成部件提出了更高的要求。217t吊钩是217/10+190+5t环吊的必用、关键部件，材质为DG34CrNiMo，起重吨位大，吊钩本身的使用工况多样化，形状不同于以往常规吊钩。采用的检验标准为德国KTA3903《核电厂用起重设施的检验与使用》，并具体规定了检验项目和具体指标，相对我公司以往生产的吊钩的检验标准，检验项目不仅有常温的屈服强度和应变时效冲击，还有抗拉强度、延伸率以及0℃低温冲击性能要求。

217t吊钩设计、制造技术在国外已经相当成熟，国内使用一直依赖进口。随着我国核电能源建设的发展，核电起重机呈批量化投入和使用，对217t吊钩国产化的研制时机也日渐成熟。为此，我们开展了核电217吨吊钩国产化研制课题研究，并一次试制成功，填补了国内生产空白。

图1 217吨吊钩零件图

核电217t吊钩尺寸及技术要求

217t吊钩尺寸如图1所示，交货重量2400kg，材质为DG34CrNiMo。钩头部分厚度为260mm，钩头至钩尾的长度为944mm，均大于以往生产的吊钩的尺寸。

力学性能指标：σs＞590MPa、σb＞800MPa、δ5＞13%、AkU＞34J（-20℃、0℃）。

超声波探伤技术标准：按德国KTA3903《核电厂用起重设施的检验与使用》中B4.2.2要求执行。单个缺陷最大当量为φ4，缺陷在任一方向上不允许有延伸，缺陷底波降低量＜6dB，不允许有密集区缺陷。另外，除采用直探头外，还要求对钩杆及钩腔部位采用斜探头检测。

研制过程

小试棒试验

由于首次锻制DG34CrNiMo材料的吊钩，针对如此大吨位的吊钩的低温冲击性能检验能否满足要求，国内既没有可用标准可循，也没有成形的经验可供参考。为了掌握DG34CrNiMo材料是否能满足所需的强度要求，并且满足低温冲击性能要求，我们首先从小试棒的试验开始进行探索。

该试验模拟吊钩在胎模锻造时的工艺和闷制火次的n频次和n＋2频次，按闷制时的加热温度及锻后回火温度，在5MN水压机上锻制材质为DG34CrNiMo、尺寸与217t吊钩钩杆直径相同的试棒锻件3件。

小试棒经等温退火后取其中2件分别进行了低温-20℃和0℃的力学性能检验和金相分析。第1个试件在-20℃时的冲击功平均值Ak=119J，0℃时的冲击功平均值Ak=141.67J，晶粒度7级，金相组织为回火索氏体。第2个试件在-20℃时的冲击功平均值Ak=132J，0℃时的冲击功平均值 Ak=145J，晶粒度7级，金相组织同为回火索氏体。

小试棒的锻制过程及检验结果证明，DG34CrNiMo材料的锻造工艺和低温机械性能均符合要求。至此，材料上的初步试验成功为后续的217t吊钩制造提供了良好的数据支持，确定了进一步生产的可行性。

胎模设计与制造

采用胎模锻制吊钩，有钢锭投料小、吊钩实体呈纤维分布等优点，纤维方向的性能要优于垂直（横切）方向的性能，有利于保证工件的强度，还可以减少机械加工量。本次试制生产217t吊钩使用的上、下胎模由我公司自行设计、制造，为我公司首例，从而也增大了217吨吊钩锻件生产的难度。

吊钩的锻制胎模图纸的设计，需要考虑材料在锻造过程中不同尺寸的热收缩率、各部分的热收缩对其余部位的影响、分型面材料的滞留尺寸、去除氧化皮及打磨成形的难易程度、加工余量、制造顺序的合理设置以及吊钩批量化生产时胎模的寿命等诸多因素，而最终胎模模腔内尺寸要保证吊钩坯料经加热、闷制、冷却收缩后的尺寸应满足图纸及制造公差要求。参照100吨双钩的模具图纸，最终确定了国内最大吨位的吊钩胎模设计图样，轮廓尺寸为2120mm×1760mm×500mm、材质为ZG310-570、主体壁厚500mm。吊钩胎模采用铸造成形。

图2 217t吊钩锻造工艺卡第一页

图3 胎模锻锻造工艺卡第二页

图4 胎模锻锻造工艺卡第三页

217吨双钩锻造工艺

217t吊钩钩头部分投影面积大，厚度尺寸大，其坯料成形过程内部质量达标较为困难。用常规的锻造成形方法锻造，虽然锻造比、坯料截面变换等锻造工艺参数符合锻造通用技术标准，但由于217t双钩锻件尺寸形状的特殊性，按传统工艺方法由于受到水压机锻造特点及冶金辅具使用的束缚，很容易忽略了横向料宽比对锻件锻造成形过程的影响。横向料宽若控制不当，会影响吊钩的内部质量，满足不了超声波探伤及机械性能要求。因此结合该双钩锻件成形过程中坯料尺寸、变形参数的瞬时变化，采取工艺措施，通过对纵向砧宽比、横向料宽比两个主要变形参数进行优化控制，同时兼顾成形过程中锻造比、温度、压下量等其他技术参数控制，制定出坯料锻造工艺方案。

图5 胎模锻吊钩交货图

表1 各变形区应力状态

(1）钩坯锻造工艺方案分析。

217t吊钩钩坯为宽板类锻件，成形过程为两次镦拔成形。锻件的内部质量是由合理的工艺过程来保证的，坯料变形过程归根结底是镦粗过程。近年来提出的刚塑性力学模型的拉应力理论认为镦粗体在镦粗时由于受上下表面摩擦力的影响，在整个变形过程中各部分应力、应变是不均匀的，应力的大小、方向也是不断变化的，有利于塑性变形的应力状态随着变形过程的进行变得不利。

为此我们借助刚塑性拉应力力学模型，对坯料镦粗后的拔长过程分析如下：

根据刚塑性拉应力力学模型及静水应力切应力力学模型（详见图6）可看出，变形体在平板间镦粗，拉应力引起的萌生与扩展的裂纹都存在于被动塑性变形Ⅲ区内。当尺寸0.5＜A/H＜1时，在镦粗体的被动变形区（Ⅲ区）中心存在二向拉应力σx（轴向）和σy（横向）。随着镦粗体由图6a）变形到图6c）状态，此时A/H=1，进入到静水应力区，有利于塑性变形。当镦粗过程中达到图6d）所示状态A/H＞1时，坯料内部的死区（刚性区Ⅰ区）相遇，由于上下刚性Ⅰ区相交的公共区域内产生附加横向拉应力，从而引起剪切变形，导致大锻件内裂层缺陷形成机理。随着A/H数值的不断增大，在静水应力区内引起剪切变形强度急剧增强。此剪切应力超过材料的抗剪强度，就会在剪切变形剧烈处引起呈层状出现、平行于接触面的剪切裂纹，锻件中就会出现内部夹层裂纹性缺陷，产生刚性滑动撕裂效应（RST效应）。