球缺过渡段的锻轧成形技术研究

文/赵兴明，银伟，郑永强，刘兰潇·伊莱特能源装备股份有限公司

随着核电、锅炉、石油炼化等装备制造业的不断发展和进步，压力容器和高压锅炉等过渡段与筒体连接结构设计优化研究日益深入，出现了越来越多的非标准规格的球缺过渡段设计，且产品越来越往大型化发展，给球缺过渡段成形带来很大困难。由于球缺过渡段的形状特殊，现有工艺大多采用自由锻造矩形截面坯料后加工成形，且锻造余量大、加工周期长、生产成本高、材料消耗大，而且切断了球缺过渡段锻件金属的纤维流线，外层相对致密的金属层也被加工掉了；同时受设备限制，无法完成一些大型化的球缺过渡段整体整形。现以某SR2700mm×190mm非标准球缺过渡段(以下简称：球缺过渡段)为例，通过技术改进和科技创新研究，应用“大型环锻件径轴向轧制成形技术”，提出了“利用模具在16米轧环机上整体异形轧制、近净成形”的创新技术工艺方案，以消除球形过渡段轴向焊缝，降低材料消耗，减少加工周期，提高球形过渡段的产品质量和成形技术水平。

球缺过渡段的结构特点

球缺过渡段选用材料为Q355NE，净重25573kg,其半径为R2700mm，壁厚为190mm，总高度830mm,焊接环缝到中心距离为617mm。如图1所示。

图1 球缺过渡段的成品尺寸

球缺过渡段成形方案的比较

球缺过渡段的传统成形方案

球缺过渡段的传统成形方案是锻成矩形截面，采用自由锻造成形或轧制成形，主要工艺流程为：加热→下料→镦粗→冲孔→多次扩孔→平整→锻后热处理→尺寸检查等工序，产品余量大，多消耗了原材料和燃料能源等，增加了制造企业的生产成本；增加了产品的加工工时，影响了产品的制造周期。同时在加工过程中，切断了金属纤维流线，影响了产品的质量，见图2。

图2 球缺过渡段的传统锻件图

技术改进和工艺创新

鉴于上述成形方案的诸多不利因素，我公司进行了技术改进和工艺创新，主要内容如下：

(1)按照球缺过渡段的轮廓及取样要求，内外径加余量计算产品的下料重量并绘制锻件毛坯图。

(2)按照球缺过渡段的轮廓及取样要求，制造轧环机主辊和芯辊模具。

(3)在13500吨压机上开坯制造出异形截面的坯料。

(4)应用“大型环锻件径轴向轧制成形技术”，在16米轧环机上采用模具异形轧制成球缺过渡段坯料。

(5)异形轧制方案的锻件图详见图3。

图3 异形轧制锻件毛坯图

不同工艺方案下料重量对比

通过表1对比可看出，对球缺过渡段制造的异形轧制成形比自由锻造成形可节省原材料50%以上，比矩形环轧制可节省原材料45%以上，原材料成本大大降低。

球缺过渡段的规格尺寸越来越大型化，给球缺过渡段成形带来很大困难。由于球缺过渡段的形状特殊，采用自由锻造坯料后加工成形，受设备限制，无法完成一些大型化的球缺过渡段整体成形，且材料消耗大，加工余量大，即增加了制造企业的生产成本，又增加了加工周期，影响产品的制造周期。通过异形轧制能有效的减少产品的加工余量，保证了产品流线，减少产品的制造成本及周期且模具可多次重复使用或用于轧制尺寸类似的产品。

表1 不同工艺方案下料重量对比

异形轧制方案

轧制工艺(辗环)是国际上公认的近净成形的先进制造工艺，适用于环类、盘类、筒体类锻件的成形，与传统自由锻工艺相比，具有节能、高效、材料利用率高的特点，而且轧制后的工件内部组织致密、晶粒细小，流线完整，对于提高工件的强度、耐磨性、疲劳寿命具有非常重要的意义。

工艺流程

球缺过渡段采用钢锭进行制作，主要有加热、下料、镦粗、冲孔、扩孔、平整、轧制成形(异形模具)、锻后热处理、尺寸检查等工序。

原材料冶炼

球缺过渡段用原材料要求采用电炉或转炉冶炼、炉外精炼和真空脱气等冶炼工艺生产的细晶粒钢。化学成分及力学性能除应符合GB/T 1591-2018的规定外，还应符合P、S不大于0.010%、Cu不大于0.20%；试样取自T/2处，力学性能符合标准的规定外，-20℃的冲击功不小于54J。

锻件中夹杂物按 GB/T 10561-2005进行评定，检验方法B、评级图 II，A、B、C、D夹杂物均不大于1.5级，A＋B、C＋D均不大于2.0级，四者之和不大于4级为合格。根据以上较高的技术要求，我们对原材料冶炼提出了内控要求，见表2。

表2 Q355NE的内控化学成分

锻造开坯

钢锭加热后，在13500吨的液压机上进行锻造开坯。由于球缺过渡段形状特殊，上端面截面积与下端面截面积差距较大，锻造开坯时必须按照截面积进行合理分料。具体操作过程如下：

(1)钢锭加热后先将钢锭的冒口、水口切除，切除量至少为钢锭总重量的20%，以减少钢锭的缩孔、夹渣、偏析等冶金缺陷。

(2)下料后将坯料增加一次镦粗、拔长，提高锻件的锻造比，压实心部，减少锻件的各向异性，提高坯料致密性及内部组织均匀性。

(3)将坯料镦粗到工艺要求的高度，采用空心冲头冲孔，将坯料心部的缺陷进一步去除，确保锻件内部质量合格。

(4)球缺过渡段形状特殊，上下截面积差距较大，需要在轧环前将坯料制作成一个上小下大，等壁厚的锥形环。根据体积不变定律的锻造基本原理，考虑锻件扩孔时的展宽量很小，扩孔前后的高度变化可忽略不计，通过轧环前后同一高度处横截面近似相同原理计算得出此工艺参数，根据此参数制定合理的锻造工艺。同时考虑烧损及操作问题引发的形状误差，让金属在扩孔过程中沿圆周方向流动，形成一个圆锥环。因此我们在扩孔前将其中一个马架垫高进行扩孔，得到一个外径平直，内孔带锥度的坯料，再去除马架垫块，用操作机将坯料按内孔角度夹持进行扩大孔，平整直径较大一面得到一个内外径都带锥度的、等壁厚的锻件坯料(图4)。

图4 锻件坯料

轧制成形

过渡段在16米的轧环机上最终轧制成形。为减少机加工余量，缩短加工周期，降低制造成本，根据过渡段锻件(图5)毛坯尺寸及轧环机芯辊尺寸，制作内外径仿形模具及模具芯辊等工装；在轧环机上采用模具异形轧环、近净成形的轧制方式。毛坯入模简图见图6。

图5 锻件图片

图6 毛坯入模简图

过程控制要点

(1)锻造前采用三维绘图软件绘制锻件图，确定锻件坯料的实际重量，确保坯料满足锻件制造要求。

(2)锻造前采用Deform软件进行数值模拟，以确定坯料尺寸形状的合理性及轧制过程的工艺参数。

(3)为得到组织均匀、各项性能均匀的锻件，除了严格控制材料的利用率外，还应严格按照锻造工艺规定进行操作，镦粗拔长的过程压下量要均匀，尽量保持锻件轴线与钢锭的原始轴线重合，减少材料偏心，以便能有效去除钢锭心部缺陷。

(4)扩孔前提前计算好马架的高度差和扩孔量的大小，以便得到一个合适锥度的坯料，根据坯料的形状确定平整坯料时两端的压下量。

(5)严格计算开坯尺寸，确保轧制比大于2.0，以保证整个截面轧透、变形均匀及成形良好。

(6)轧制过程中应及时进行除鳞，尽量将氧化铁皮清除干净，保证锻件表面无氧化皮硌的凹坑，确保锻件余量及外观质量。

结束语

在国家提倡环保型、节约型和创新型社会背景下，通过大型非标准球缺过渡段产品制造工艺的推陈出新，应用“大型环形锻件径轴向轧制成形技术”成果，采用13500吨压机开坯，利用模具在16米轧环机上整体异形轧制、近净成形的工艺方案，成功的完成了大型非标准球缺过渡段成形的技术创新，既降低了材料消耗，又减少了产品的轴向焊缝，提高了容器产品的结构强度，为今后类似球缺过渡段制造提供了参考和借鉴，能满足国家先进制造领域对大型球缺过渡段锻件的需求，提升我国大型锻造极限制造产业整体竞争力，推动我国大型环锻件极限制造的加工水平，具有明显的经济效益和社会效益，属于绿色环保近净成形制造。