核电站用217吨起重双钩产品的开发研制（下）

文／赵艳敏，刘贺，王重鑫·沈阳铸锻工业有限公司

核电站用217吨起重双钩产品的开发研制（下）

文／赵艳敏，刘贺，王重鑫·沈阳铸锻工业有限公司

《核电站用217吨起重双钩产品的开发研制（上）》见《锻造与冲压》2017年第5期

⑵工艺过程确定。

根据217t吊钩零件图各截面尺寸，核算出该吊钩锻件重量2400kg，采用9.6t钢锭生产，每支钢锭出两件成品。锻造温度范围为1220～750℃。

基于上述分析，我们依据刚塑性力学模型的拉应力理论确定出217t吊钩钩坯锻造工艺过程：

①一火。压钳口，倒棱，错水口。

该火次要求钢锭放在垫铁上加热。压钳口温度可在1180℃，但仍然要有一定的保温时间，以保料温均匀，这样可保证所压钳口不宜偏斜，减小下一火次镦粗变形时钢锭轴心歪斜程度，从而保证钢锭的轴心不至于在后续变形过程中发生较大偏斜，避免大钢锭中心部位冶金质量较差部分流动到危险截面。

②二火至三火。镦粗φ1400mm，然后采用宽砧走扁方拔长锻造方法进行下料。

为了使钩坯的综合性能指标得到提升，故增加镦粗工序。坯料在始锻温度下经过充分保温进行镦粗。本工艺选用的9.6t钢锭最大镦粗为φ1400mm，镦后锭身高度1000mm左右，此时平均高径比接近1，应力状态较好，有利于金属塑性变形。但这种有利变形没有进行彻底，这是因为变形速度较快，坯料内部温度仍较高。据资料介绍，高温阶段，刚性区缩小，易变形区扩大，即使继续变形一定程度，也不至于上下刚性区相交，产生附加横向拉应力，当然若变形时间较长，坯料截面较扁，从而造成温度下降较快，就应考虑附加横向拉应力对锻件内部质量的影响，这种情况是我们以下着重讨论的内容。另外即使有附加横向拉应力产生，但由于这一火次坯料温度较高，截面仍较大，因而附加横向拉应力的危害不是很大，而且坯料内部随着变形程度的增大，内部的冶金缺陷得到压实、焊合。因而很有必要突破传统标准限制，生产过程中这一火次最大镦粗确定为φ1500mm，使锻后坯料高度800mm左右，这也使下一火次加热保温时间缩短，原子扩散距离缩短，有利于化学成分均匀化。

镦粗后增加保温时间，以增加下道工序的压实效果。合理的加热温度是保证钢锭在塑性变形过程中，焊合内部缺陷的必要条件之一。提高加热温度并在高温下较长时间保温，有利于金属元素扩散均匀和改善偏析程度，同时也为锻造时焊合大截面锻件心部的空隙缺陷创造了有利条件。因此在镦粗后，用宽砧拔长前严格控制保温温度，并将保温时间增加50%。较高的始锻温度、坯料良好的均匀加热状态为宽砧走扁方拔长、进行中心压实、焊合坯料中心疏松，创造了必要条件。该火次工艺参数的合理确定，对钩坯的中心压实，保证其内部质量具有重要意义。

平砧拔长矩形截面坯料，其实质就是矩形毛坯进行局部镦粗加刚端影响的结果。由于直接处于砧子作用下的变形区要受到与其毗邻自由端（不变形端）的作用，故与平砧单独镦粗方柱体相比：当砧宽比A/ H＜0.5时，会增大变形体中心的轴向拉应力σx，同时坯料心部变形量小，不利于中心压实。而砧宽比A/H＞0.5时，会减小变形体中心的轴向拉应力σx。当A/H≥0.6～0.8时，轴向会作用着压应力，此时坯料心部受力状态良好，变形区出现侧面单鼓形，坯料中间区域变形量大，有利于焊合冶金缺陷。

宽砧走扁方拔长法，就是为保证拔长变形体的内部质量，而采用大送进量，即满砧进给，A=W(W为上砧宽度）；大压下量，每次压下率εH1和εH2都在20%左右。在拔长过程中，控制纵向砧宽比W/H在0.6～0.8之间，绝大部分拔长变形时间内，瞬时砧宽比在一个方向，即轴向可以达到最佳参数值0.7；控制横向料宽比0.5＜B/H＜2（如图7所示）。经过90°翻转，确保坯料在不同方向上均产生压缩变形，翻转180°可使坯料在一个方向上变形十分充分，达到锻件内部组织和性能比较均匀的效果。拔长过程中，坯料一直呈扁方状态，在横向截面表现为压扁。根据刚塑性力学拉应力理论，这种条件下，坯料的变形主要在坯料中心部分，压下量增大，易变形区扩大。再由于坯料心部受与其毗邻自由端（不变形端）的限制，轴向受压，从而增强了心部压实效果，使钢锭心部的疏松、夹杂物被充分打碎压合。故宽砧走扁方拔长法，既可保证坯料心部的充分变形，使钢锭内部不可避免的孔隙提前焊合，又可避免产生RST效应及表面变形不均匀。

宽砧走扁方拔长法就是用上、下宽平砧（砧宽800mm），按照WHF法压下程序，根据具体的变形数据，在高温下对坯料进行拔长锻造。按照WHF法中的展宽系数公式：α=0.78-0.14H-3 、△b=α△H（α：展宽系数；H：压下前高度；△H：高度压下量；△b：宽度展宽量），确定每一次变形的工艺参数，计算出该拔长各过程的截面尺寸。

图7 宽砧走扁方拔长法的纵向砧宽比及横向料宽比示意图

③四火。将坯料立镦至高度350mm后拔长。

用上500mm砧，将钩板坯料在镦粗台内立镦至高350mm、截面1300mm×700mm，此时料宽比B/ H=0.27＜1。此时虽然上下刚性区相交，可能会产生附加横向拉应力，但由于此时坯料截面仍较大，变形速度较快，热效应明显，坯料内部温度较高，因此刚性区比理论上要小，而主动塑性变形区相应变大。同时由于与上砧接触的端部温度较高，存在滑动松驰作用，因而坯料内部引起附加横向拉应力现象不会很明显。因此此时不对横向料宽比控制，有利于中心压实效果。

该火次的钩板拔长成形是导致该钩板最终探伤能否合格关键之所在，因而对锻造参数要严格控制，不仅要控制纵向砧宽比，也要控制横向料宽比。用上平砧、下旋转镦粗台、垫块，进行最终钩板成形，具体如图8所示。

对横向料宽比的锻造控制在我公司水压机自由锻造技术上是一个突破，具体操作步骤如下：纵向砧宽比W/H是一个很重要的工艺参数，也就是锻造工艺学所讲述的相对送进量的概念。我公司水压机上砧砧宽500mm，相对于现坯料高度700mm，完全可以将瞬时砧宽比控制在最佳参数0.8。从纵向拔长过程的内部应力分析来看，由于拔长过程中，不变形部位即刚端影响，而使交接部的心部应力状态也为压应力，这样从纵向拔长角度，对纵向砧宽比的控制达到中心压实的目的。

如同控制纵向砧宽比一样，钩坯在横向的变形区也分为变形区和不变形区。横向料宽比B/H，这个参数也是随着坯料变形的瞬时参数。控制横向料宽比的方法如图8所示，在坯料中部下面垫一450mm宽、长1200mm的垫块，压下量为瞬时高度10%。这样从横向的角度来看，起始的横向料宽比450mm/700mm=0.65，接近0.8。如前分析，可以看作在横向上钩坯的变形符合图6d所示的静水压力状态，而且在横向上的变形为坯料中部进行变形，这样坯料受到两个不变形的刚端的作用，从而使坯料此时的变形区域具有真正意义上的三向压应力状态。为了保证变形均匀，翻转180°，再按上述方法锻造变形，达到工艺所要求的尺寸。料宽比由开始的0.6变为最终成形时的1.45，远低于传统工艺方案不对横向料宽比加以控制时的数值3.9。

由于对纵向砧宽比和横向料宽比这两个瞬时变形参数进行了有效地控制，使瞬时变形区域内部应力状态为压应力，有利于钩板塑性变形。同时根据最小阻力定律，这样也有利于钩板展宽。同时，使坯料内部附加横向拉应力的破坏作用受限，不至于使钩板中间区域有产生内裂层的危险。而且由于变形区面积变小，使水压机的锻造能力相对应变大，不像以前工艺，即费水压机，压实效果又不好，容易形成内裂而使超声波探伤结果不合格。事实证明，这种成形方法是行之有效的。

钩坯锻后进行了等温退火。出炉后尺寸交检，确保构板部分尺寸、形状满足工艺要求，且杆部中心不偏移。尺寸交检合格后对钩板部分打磨，进行UT探伤，合格后执行后续工艺，即在胎模中闷制成形。

图8 钩板成形时的纵向砧宽比及横向料宽比示意图

在胎模内闷制工艺制定

由于217t吊钩材质为DG34CrNiMo，其闷制成形过程中变形抗力大，热锻塑性较差，而且闷模内钩头部分投影面积较大，闷制成形比较困难，故闷制工艺定为压印一火、粗闷两火、精闷一火。

1）对胎模的要求。

钩坯在每一火闷制前，均应对胎模进行预热至200～300℃处理，以防止钩坯因温度骤降而引起温度应力开裂；胎模出炉后在上、下模腔及模腔周边100mm范围内的表面上均匀涂抹润滑剂，以减小钩坯闷制时的变形阻力；每次闷制吊钩前，应用压缩空气彻底清除模具下模膛内的氧化皮，防止将模具内的钩体硌出凹坑，影响吊钩表面质量。

2）闷制。

吊钩闷制时应先压模具中间，再压两侧；除吊钩最后一火精闷以外，应保证吊钩每火闷制的飞边挤出长度均≥20mm，如飞边挤出长度＜20mm，须入炉加热，再闷，直至飞边挤出长度≥20mm。用模具压印后，应进行去应力退火处理。

3）氧化皮清理。

在闷制的前二火，即粗闷后的吊钩出炉时，须用气焊烤其表面，把表面氧化皮清理干净。第三火精闷装炉前，需对吊钩闷制表面的氧化皮彻底清理干净，以保证吊钩交货时的表面质量。

4）气割飞边。

如后续还有吊钩高温闷制工序，气割飞边时，将飞边长度保留10mm，不全气割掉。最后一火精闷后气割飞边时，将飞边全气割掉。

5）低温精闷。

吊钩在模具内的尺寸达到锻件图尺寸后，即可停止高温闷制工序，执行“低温精闷”工序。加热至料温900～1100℃后，保温2h，出炉闷制，闷后进行锻后热处理。

吊钩毛坯在胎模中实施闷制工序主要经历了胎模预热、钩坯加热、压力机施压、氧化皮去除、飞边切割、锻坯去应力退火等多个工序后，根据尺寸状态，再重复循环此过程，最终形成吊钩毛坯。经用胎模闷制后的吊钩毛坯，在3t空气锤上摔杆、矫直、修光。

锻后热处理工艺制定

217t吊钩锻后需进行双重正、回火处理。由于该吊钩成形过程火次较多，内部晶粒难免粗化，既影响探伤效果，又影响性能指标，因此锻后非常有必要进行双重正、回火。第一次正火温度为880℃，温度较高，主要调整晶粒形态，初步细化晶粒，减轻纤维组织状态。第二次正火加回火后获得较为理想的组织和性能要求。

对经过双重正、回火处理后的吊钩清除表面氧化皮，打磨至表面光洁圆滑、无明显的坑凹不平后，对其用样板进行了尺寸检测，符合公称尺寸及偏差要求。尺寸检验合格后对其进行UT探伤检测，结果符合KTA 3903《核电站用起重设施的检验与使用》中B4.2.2要求。

217t吊钩锻件毛坯交货后，订货厂家经过机械加工、调质热处理工序后对217t吊钩成品进行了力学性能检验，结果优于技术条件要求，至此成功制造出217/10+190+5t环吊关键部件—217t吊钩。

结论

⑴采用合理的胎模锻造工艺方案，完全可以满足217/10+190+5t环行起重机设备对217t吊钩的超声波探伤及强度和低温冲击韧性指标要求。

⑵217t吊钩制造成功，实现了国内最大吨位的胎模锻吊钩制造，为以后制造大装机容量的核电站的吊装设备的国产化制作奠定了基础。

⑶217t吊钩的国产化研制成功摆脱了关键部件受制于外国状况，填补国内空白，替代进口，属国内首创。