核電站用217噸起重雙鉤產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)研制（下）

文／趙艷敏，劉賀，王重鑫·沈陽(yáng)鑄鍛工業(yè)有限公司

核電站用217噸起重雙鉤產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)研制（下）

文／趙艷敏，劉賀，王重鑫·沈陽(yáng)鑄鍛工業(yè)有限公司

《核電站用217噸起重雙鉤產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)研制（上）》見(jiàn)《鍛造與沖壓》2017年第5期

⑵工藝過(guò)程確定。

根據(jù)217t吊鉤零件圖各截面尺寸，核算出該吊鉤鍛件重量2400kg，采用9.6t鋼錠生產(chǎn)，每支鋼錠出兩件成品。鍛造溫度范圍為1220～750℃。

基于上述分析，我們依據(jù)剛塑性力學(xué)模型的拉應(yīng)力理論確定出217t吊鉤鉤坯鍛造工藝過(guò)程：

①一火。壓鉗口，倒棱，錯(cuò)水口。

該火次要求鋼錠放在墊鐵上加熱。壓鉗口溫度可在1180℃，但仍然要有一定的保溫時(shí)間，以保料溫均勻，這樣可保證所壓鉗口不宜偏斜，減小下一火次鐓粗變形時(shí)鋼錠軸心歪斜程度，從而保證鋼錠的軸心不至于在后續(xù)變形過(guò)程中發(fā)生較大偏斜，避免大鋼錠中心部位冶金質(zhì)量較差部分流動(dòng)到危險(xiǎn)截面。

②二火至三火。鐓粗φ1400mm，然后采用寬砧走扁方拔長(zhǎng)鍛造方法進(jìn)行下料。

為了使鉤坯的綜合性能指標(biāo)得到提升，故增加鐓粗工序。坯料在始鍛溫度下經(jīng)過(guò)充分保溫進(jìn)行鐓粗。本工藝選用的9.6t鋼錠最大鐓粗為φ1400mm，鐓后錠身高度1000mm左右，此時(shí)平均高徑比接近1，應(yīng)力狀態(tài)較好，有利于金屬塑性變形。但這種有利變形沒(méi)有進(jìn)行徹底，這是因?yàn)樽冃嗡俣容^快，坯料內(nèi)部溫度仍較高。據(jù)資料介紹，高溫階段，剛性區(qū)縮小，易變形區(qū)擴(kuò)大，即使繼續(xù)變形一定程度，也不至于上下剛性區(qū)相交，產(chǎn)生附加橫向拉應(yīng)力，當(dāng)然若變形時(shí)間較長(zhǎng)，坯料截面較扁，從而造成溫度下降較快，就應(yīng)考慮附加橫向拉應(yīng)力對(duì)鍛件內(nèi)部質(zhì)量的影響，這種情況是我們以下著重討論的內(nèi)容。另外即使有附加橫向拉應(yīng)力產(chǎn)生，但由于這一火次坯料溫度較高，截面仍較大，因而附加橫向拉應(yīng)力的危害不是很大，而且坯料內(nèi)部隨著變形程度的增大，內(nèi)部的冶金缺陷得到壓實(shí)、焊合。因而很有必要突破傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)限制，生產(chǎn)過(guò)程中這一火次最大鐓粗確定為φ1500mm，使鍛后坯料高度800mm左右，這也使下一火次加熱保溫時(shí)間縮短，原子擴(kuò)散距離縮短，有利于化學(xué)成分均勻化。

鐓粗后增加保溫時(shí)間，以增加下道工序的壓實(shí)效果。合理的加熱溫度是保證鋼錠在塑性變形過(guò)程中，焊合內(nèi)部缺陷的必要條件之一。提高加熱溫度并在高溫下較長(zhǎng)時(shí)間保溫，有利于金屬元素?cái)U(kuò)散均勻和改善偏析程度，同時(shí)也為鍛造時(shí)焊合大截面鍛件心部的空隙缺陷創(chuàng)造了有利條件。因此在鐓粗后，用寬砧拔長(zhǎng)前嚴(yán)格控制保溫溫度，并將保溫時(shí)間增加50%。較高的始鍛溫度、坯料良好的均勻加熱狀態(tài)為寬砧走扁方拔長(zhǎng)、進(jìn)行中心壓實(shí)、焊合坯料中心疏松，創(chuàng)造了必要條件。該火次工藝參數(shù)的合理確定，對(duì)鉤坯的中心壓實(shí)，保證其內(nèi)部質(zhì)量具有重要意義。

平砧拔長(zhǎng)矩形截面坯料，其實(shí)質(zhì)就是矩形毛坯進(jìn)行局部鐓粗加剛端影響的結(jié)果。由于直接處于砧子作用下的變形區(qū)要受到與其毗鄰自由端（不變形端）的作用，故與平砧單獨(dú)鐓粗方柱體相比：當(dāng)砧寬比A/ H＜0.5時(shí)，會(huì)增大變形體中心的軸向拉應(yīng)力σx，同時(shí)坯料心部變形量小，不利于中心壓實(shí)。而砧寬比A/H＞0.5時(shí)，會(huì)減小變形體中心的軸向拉應(yīng)力σx。當(dāng)A/H≥0.6～0.8時(shí)，軸向會(huì)作用著壓應(yīng)力，此時(shí)坯料心部受力狀態(tài)良好，變形區(qū)出現(xiàn)側(cè)面單鼓形，坯料中間區(qū)域變形量大，有利于焊合冶金缺陷。

寬砧走扁方拔長(zhǎng)法，就是為保證拔長(zhǎng)變形體的內(nèi)部質(zhì)量，而采用大送進(jìn)量，即滿砧進(jìn)給，A=W(W為上砧寬度）；大壓下量，每次壓下率εH1和εH2都在20%左右。在拔長(zhǎng)過(guò)程中，控制縱向砧寬比W/H在0.6～0.8之間，絕大部分拔長(zhǎng)變形時(shí)間內(nèi)，瞬時(shí)砧寬比在一個(gè)方向，即軸向可以達(dá)到最佳參數(shù)值0.7；控制橫向料寬比0.5＜B/H＜2（如圖7所示）。經(jīng)過(guò)90°翻轉(zhuǎn)，確保坯料在不同方向上均產(chǎn)生壓縮變形，翻轉(zhuǎn)180°可使坯料在一個(gè)方向上變形十分充分，達(dá)到鍛件內(nèi)部組織和性能比較均勻的效果。拔長(zhǎng)過(guò)程中，坯料一直呈扁方狀態(tài)，在橫向截面表現(xiàn)為壓扁。根據(jù)剛塑性力學(xué)拉應(yīng)力理論，這種條件下，坯料的變形主要在坯料中心部分，壓下量增大，易變形區(qū)擴(kuò)大。再由于坯料心部受與其毗鄰自由端（不變形端）的限制，軸向受壓，從而增強(qiáng)了心部壓實(shí)效果，使鋼錠心部的疏松、夾雜物被充分打碎壓合。故寬砧走扁方拔長(zhǎng)法，既可保證坯料心部的充分變形，使鋼錠內(nèi)部不可避免的孔隙提前焊合，又可避免產(chǎn)生RST效應(yīng)及表面變形不均勻。

寬砧走扁方拔長(zhǎng)法就是用上、下寬平砧（砧寬800mm），按照WHF法壓下程序，根據(jù)具體的變形數(shù)據(jù)，在高溫下對(duì)坯料進(jìn)行拔長(zhǎng)鍛造。按照WHF法中的展寬系數(shù)公式：α=0.78-0.14H-3 、△b=α△H（α：展寬系數(shù)；H：壓下前高度；△H：高度壓下量；△b：寬度展寬量），確定每一次變形的工藝參數(shù)，計(jì)算出該拔長(zhǎng)各過(guò)程的截面尺寸。

圖7 寬砧走扁方拔長(zhǎng)法的縱向砧寬比及橫向料寬比示意圖

③四火。將坯料立鐓至高度350mm后拔長(zhǎng)。

用上500mm砧，將鉤板坯料在鐓粗臺(tái)內(nèi)立鐓至高350mm、截面1300mm×700mm，此時(shí)料寬比B/ H=0.27＜1。此時(shí)雖然上下剛性區(qū)相交，可能會(huì)產(chǎn)生附加橫向拉應(yīng)力，但由于此時(shí)坯料截面仍較大，變形速度較快，熱效應(yīng)明顯，坯料內(nèi)部溫度較高，因此剛性區(qū)比理論上要小，而主動(dòng)塑性變形區(qū)相應(yīng)變大。同時(shí)由于與上砧接觸的端部溫度較高，存在滑動(dòng)松馳作用，因而坯料內(nèi)部引起附加橫向拉應(yīng)力現(xiàn)象不會(huì)很明顯。因此此時(shí)不對(duì)橫向料寬比控制，有利于中心壓實(shí)效果。

該火次的鉤板拔長(zhǎng)成形是導(dǎo)致該鉤板最終探傷能否合格關(guān)鍵之所在，因而對(duì)鍛造參數(shù)要嚴(yán)格控制，不僅要控制縱向砧寬比，也要控制橫向料寬比。用上平砧、下旋轉(zhuǎn)鐓粗臺(tái)、墊塊，進(jìn)行最終鉤板成形，具體如圖8所示。

對(duì)橫向料寬比的鍛造控制在我公司水壓機(jī)自由鍛造技術(shù)上是一個(gè)突破，具體操作步驟如下：縱向砧寬比W/H是一個(gè)很重要的工藝參數(shù)，也就是鍛造工藝學(xué)所講述的相對(duì)送進(jìn)量的概念。我公司水壓機(jī)上砧砧寬500mm，相對(duì)于現(xiàn)坯料高度700mm，完全可以將瞬時(shí)砧寬比控制在最佳參數(shù)0.8。從縱向拔長(zhǎng)過(guò)程的內(nèi)部應(yīng)力分析來(lái)看，由于拔長(zhǎng)過(guò)程中，不變形部位即剛端影響，而使交接部的心部應(yīng)力狀態(tài)也為壓應(yīng)力，這樣從縱向拔長(zhǎng)角度，對(duì)縱向砧寬比的控制達(dá)到中心壓實(shí)的目的。

如同控制縱向砧寬比一樣，鉤坯在橫向的變形區(qū)也分為變形區(qū)和不變形區(qū)。橫向料寬比B/H，這個(gè)參數(shù)也是隨著坯料變形的瞬時(shí)參數(shù)?？刂茩M向料寬比的方法如圖8所示，在坯料中部下面墊一450mm寬、長(zhǎng)1200mm的墊塊，壓下量為瞬時(shí)高度10%。這樣從橫向的角度來(lái)看，起始的橫向料寬比450mm/700mm=0.65，接近0.8。如前分析，可以看作在橫向上鉤坯的變形符合圖6d所示的靜水壓力狀態(tài)，而且在橫向上的變形為坯料中部進(jìn)行變形，這樣坯料受到兩個(gè)不變形的剛端的作用，從而使坯料此時(shí)的變形區(qū)域具有真正意義上的三向壓應(yīng)力狀態(tài)。為了保證變形均勻，翻轉(zhuǎn)180°，再按上述方法鍛造變形，達(dá)到工藝所要求的尺寸。料寬比由開(kāi)始的0.6變?yōu)樽罱K成形時(shí)的1.45，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)工藝方案不對(duì)橫向料寬比加以控制時(shí)的數(shù)值3.9。

由于對(duì)縱向砧寬比和橫向料寬比這兩個(gè)瞬時(shí)變形參數(shù)進(jìn)行了有效地控制，使瞬時(shí)變形區(qū)域內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)為壓應(yīng)力，有利于鉤板塑性變形。同時(shí)根據(jù)最小阻力定律，這樣也有利于鉤板展寬。同時(shí)，使坯料內(nèi)部附加橫向拉應(yīng)力的破壞作用受限，不至于使鉤板中間區(qū)域有產(chǎn)生內(nèi)裂層的危險(xiǎn)。而且由于變形區(qū)面積變小，使水壓機(jī)的鍛造能力相對(duì)應(yīng)變大，不像以前工藝，即費(fèi)水壓機(jī)，壓實(shí)效果又不好，容易形成內(nèi)裂而使超聲波探傷結(jié)果不合格。事實(shí)證明，這種成形方法是行之有效的。

鉤坯鍛后進(jìn)行了等溫退火。出爐后尺寸交檢，確保構(gòu)板部分尺寸、形狀滿足工藝要求，且桿部中心不偏移。尺寸交檢合格后對(duì)鉤板部分打磨，進(jìn)行UT探傷，合格后執(zhí)行后續(xù)工藝，即在胎模中悶制成形。

圖8 鉤板成形時(shí)的縱向砧寬比及橫向料寬比示意圖

在胎模內(nèi)悶制工藝制定

由于217t吊鉤材質(zhì)為DG34CrNiMo，其悶制成形過(guò)程中變形抗力大，熱鍛塑性較差，而且悶?zāi)?nèi)鉤頭部分投影面積較大，悶制成形比較困難，故悶制工藝定為壓印一火、粗悶兩火、精悶一火。

1）對(duì)胎模的要求。

鉤坯在每一火悶制前，均應(yīng)對(duì)胎模進(jìn)行預(yù)熱至200～300℃處理，以防止鉤坯因溫度驟降而引起溫度應(yīng)力開(kāi)裂；胎模出爐后在上、下模腔及模腔周邊100mm范圍內(nèi)的表面上均勻涂抹潤(rùn)滑劑，以減小鉤坯悶制時(shí)的變形阻力；每次悶制吊鉤前，應(yīng)用壓縮空氣徹底清除模具下模膛內(nèi)的氧化皮，防止將模具內(nèi)的鉤體硌出凹坑，影響吊鉤表面質(zhì)量。

2）悶制。

吊鉤悶制時(shí)應(yīng)先壓模具中間，再壓兩側(cè)；除吊鉤最后一火精悶以外，應(yīng)保證吊鉤每火悶制的飛邊擠出長(zhǎng)度均≥20mm，如飛邊擠出長(zhǎng)度＜20mm，須入爐加熱，再悶，直至飛邊擠出長(zhǎng)度≥20mm。用模具壓印后，應(yīng)進(jìn)行去應(yīng)力退火處理。

3）氧化皮清理。

在悶制的前二火，即粗悶后的吊鉤出爐時(shí)，須用氣焊烤其表面，把表面氧化皮清理干凈。第三火精悶裝爐前，需對(duì)吊鉤悶制表面的氧化皮徹底清理干凈，以保證吊鉤交貨時(shí)的表面質(zhì)量。

4）氣割飛邊。

如后續(xù)還有吊鉤高溫悶制工序，氣割飛邊時(shí)，將飛邊長(zhǎng)度保留10mm，不全氣割掉。最后一火精悶后氣割飛邊時(shí)，將飛邊全氣割掉。

5）低溫精悶。

吊鉤在模具內(nèi)的尺寸達(dá)到鍛件圖尺寸后，即可停止高溫悶制工序，執(zhí)行“低溫精悶”工序。加熱至料溫900～1100℃后，保溫2h，出爐悶制，悶后進(jìn)行鍛后熱處理。

吊鉤毛坯在胎模中實(shí)施悶制工序主要經(jīng)歷了胎模預(yù)熱、鉤坯加熱、壓力機(jī)施壓、氧化皮去除、飛邊切割、鍛坯去應(yīng)力退火等多個(gè)工序后，根據(jù)尺寸狀態(tài)，再重復(fù)循環(huán)此過(guò)程，最終形成吊鉤毛坯。經(jīng)用胎模悶制后的吊鉤毛坯，在3t空氣錘上摔桿、矯直、修光。

鍛后熱處理工藝制定

217t吊鉤鍛后需進(jìn)行雙重正、回火處理。由于該吊鉤成形過(guò)程火次較多，內(nèi)部晶粒難免粗化，既影響探傷效果，又影響性能指標(biāo)，因此鍛后非常有必要進(jìn)行雙重正、回火。第一次正火溫度為880℃，溫度較高，主要調(diào)整晶粒形態(tài)，初步細(xì)化晶粒，減輕纖維組織狀態(tài)。第二次正火加回火后獲得較為理想的組織和性能要求。

對(duì)經(jīng)過(guò)雙重正、回火處理后的吊鉤清除表面氧化皮，打磨至表面光潔圓滑、無(wú)明顯的坑凹不平后，對(duì)其用樣板進(jìn)行了尺寸檢測(cè)，符合公稱尺寸及偏差要求。尺寸檢驗(yàn)合格后對(duì)其進(jìn)行UT探傷檢測(cè)，結(jié)果符合KTA 3903《核電站用起重設(shè)施的檢驗(yàn)與使用》中B4.2.2要求。

217t吊鉤鍛件毛坯交貨后，訂貨廠家經(jīng)過(guò)機(jī)械加工、調(diào)質(zhì)熱處理工序后對(duì)217t吊鉤成品進(jìn)行了力學(xué)性能檢驗(yàn)，結(jié)果優(yōu)于技術(shù)條件要求，至此成功制造出217/10+190+5t環(huán)吊關(guān)鍵部件—217t吊鉤。

結(jié)論

⑴采用合理的胎模鍛造工藝方案，完全可以滿足217/10+190+5t環(huán)行起重機(jī)設(shè)備對(duì)217t吊鉤的超聲波探傷及強(qiáng)度和低溫沖擊韌性指標(biāo)要求。

⑵217t吊鉤制造成功，實(shí)現(xiàn)了國(guó)內(nèi)最大噸位的胎模鍛吊鉤制造，為以后制造大裝機(jī)容量的核電站的吊裝設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化制作奠定了基礎(chǔ)。

⑶217t吊鉤的國(guó)產(chǎn)化研制成功擺脫了關(guān)鍵部件受制于外國(guó)狀況，填補(bǔ)國(guó)內(nèi)空白，替代進(jìn)口，屬國(guó)內(nèi)首創(chuàng)。