介紹一種新的大型異形件核電用過(guò)渡管鍛造工藝

趙和安

摘要：對(duì)內(nèi)徑超過(guò)1m的大型異型件鋼管接頭鍛造工藝進(jìn)行分析，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際情況制定了具體合理有效的操作規(guī)程，提出了切口必須平整，控制壓下量以及改用砧子等方法以防止鍛件產(chǎn)生裂紋，為核電、火電異型鍛管件接頭鍛造提供了參考，該工藝已成功地解決了許多核電異型件的國(guó)產(chǎn)化。

Abstract： The forging process of large special-shaped steel pipe joints with an inner diameter of more than 1m is analyzed. According to the actual production situation， a specific reasonable and effective operation procedure is established. It is proposed that the incision must be leveled， controlling the amount of pressing and changing the use of anvil is to prevent cracks in the forgings， which provides a reference for the forging of nuclear power and thermal power forged pipe joints. This process has successfully solved the localization of many nuclear power shaped parts.

關(guān)鍵詞：異形件；鍛造；工藝；裂紋；芯軸

Key words： special-shaped parts；forging；process；crack；mandrel

中圖分類號(hào)：TG316 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）31-0146-03

0 引言

隨著鍋爐及核電、火電工業(yè)的迅速發(fā)展，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，對(duì)大型、復(fù)雜管接頭質(zhì)量的要求越來(lái)越高。

我單位的異型管接頭，它們用于核電、火電系統(tǒng)，使用工況特殊、復(fù)雜、惡劣，要求壽命長(zhǎng)，對(duì)可靠性要求非常高，從而對(duì)設(shè)計(jì)、工藝、制造、試驗(yàn)都有非常高的要求。核電設(shè)備對(duì)于安全性要求較高，因?yàn)橐坏┬孤叮浜蠊麑⑹菫?zāi)難性的。所以對(duì)過(guò)渡管的密封、壽命和可靠性等諸多性能有著嚴(yán)格的技術(shù)要求，其尺寸、結(jié)構(gòu)、性能直接影響管道的結(jié)構(gòu)尺寸和主要技術(shù)指標(biāo)。因此，對(duì)其外形尺寸和內(nèi)在質(zhì)量的要求很高。我們結(jié)合鍛造經(jīng)驗(yàn)，采用一些新的工藝方法，解決了過(guò)渡管在鍛造過(guò)程中產(chǎn)生的裂紋、褶皺等缺陷存在問(wèn)題，大大減少了成本。

1 工藝要求分析

大型過(guò)渡管是在8MN液壓機(jī)上進(jìn)行鍛造的。

大型過(guò)渡管是鍋爐上的重要產(chǎn)品。材質(zhì)為12CrMoV鋼（統(tǒng)一數(shù)字代號(hào)為A31122）是一種合金結(jié)構(gòu)鋼，執(zhí)行GB/T 3077-2015合金結(jié)構(gòu)鋼標(biāo)準(zhǔn)。

12CrMoV鋼是一種珠光體型耐熱鋼，此鋼主要用在管壁溫度≤570℃的各種過(guò)熱器管、導(dǎo)管和相應(yīng)的鍛件。在高溫使用下，具有高的組織穩(wěn)定性，通常在-40～560℃使用。

過(guò)渡管零件如圖1所示，重量3080kg。零件長(zhǎng)1050mm。大端外徑（D大外）為？準(zhǔn)1050mm，長(zhǎng)200mm，壁厚為（1160-990）/2=170/2=85mm；小端外徑（D小外）為？準(zhǔn)747.5mm，長(zhǎng)250mm，壁厚為（747.5-647.5）/2=100/2=50mm。過(guò)渡管中間為過(guò)渡區(qū)，壁厚由85mm過(guò)渡到50mm。

2 制定自由鍛工藝過(guò)程

2.1 繪制自由鍛鍛件圖

①加工余量設(shè)計(jì)：由于大、小兩端都需要加工，取大、小兩端外圓加工余量為A，大、小兩端內(nèi)圓加工余量為B，大端長(zhǎng)度加工余量為C，小端外圓加工余量為D。

②鍛造公差設(shè)計(jì)：由于各種因素的影響，如終鍛溫度的差異，因而允許有一定的誤差，即鍛造公差。

根據(jù)我廠的情況，我們?nèi)″懺旃畹恼顬镋，負(fù)偏差為F。

對(duì)于有特殊要求的鍛件，還需要在自由鍛鍛件的適當(dāng)位置添加試樣余塊，供檢驗(yàn)鍛件內(nèi)部組識(shí)和測(cè)試力學(xué)性能之用。

2.2 確定坯料的重量和尺寸

①坯料重量的計(jì)算。

根據(jù)鍛件圖計(jì)算坯料重量G坯（kg）

G坯=G鍛+G切（1+δ%）

式中：G鍛-鍛件重量，根據(jù)公稱尺寸計(jì)算體積，然后乘以密度，即得。

G切-鍛件拔長(zhǎng)后由于端部不平整而應(yīng)切除料頭的重量（kg），G切與鍛件拔長(zhǎng)后的直徑（內(nèi)徑和外徑）有關(guān)，可根據(jù)本廠的經(jīng)驗(yàn)確定，也可按有關(guān)資料介紹的經(jīng)驗(yàn)公式確定，如G切=（1.65～1.80）乘（外徑的平方減去內(nèi)徑的平方）。

采用鋼錠鍛造時(shí)，為保證鍛件重量，還應(yīng)考慮必須切去的鋼錠冒口和錠底的重量。

δ為鋼料的燃燒燒損率，大約為2%～4%。

②坯料尺寸的計(jì)算。

由坯料的重量除以密度，即得坯料體積。

③鋼錠規(guī)格的選擇。

通過(guò)計(jì)算，結(jié)合本單位煉鋼實(shí)際生產(chǎn)安排。最后選用長(zhǎng)1550mm的八角形鋼錠。重達(dá)6.3t。其簡(jiǎn)圖如圖2。

按照有關(guān)重量確定好下料尺寸，用鋸床下料。

為減少操作時(shí)對(duì)鍛壓設(shè)備的占用時(shí)間，在鍛造前要將鋼錠的底部去除，還要拔冒口。

2.3 確定變形工藝和鍛造比

由此，根據(jù)該過(guò)渡管為錐形管，連接兩端不同直徑的孔的情況，結(jié)合本廠生產(chǎn)其它管類件的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，采用下列工藝：（倒棱→拔長(zhǎng)）→鐓粗→沖孔→心軸拔長(zhǎng)→沖頭擴(kuò)（錐）孔→整形

在鐓粗前增加一道拔長(zhǎng)工序是為了提高鍛造比，保證產(chǎn)品質(zhì)量。

如果只對(duì)鍛件進(jìn)行拔長(zhǎng)，在鍛造比（簡(jiǎn)稱鍛比，拔長(zhǎng)鍛造比為鍛前之截面積與鍛后截面積之比）大于3時(shí)，便會(huì)出現(xiàn)纖維組織，如先鐓粗后拔長(zhǎng)，則拔長(zhǎng)鍛造比達(dá)到4～5時(shí)，才形成纖維組織。這是由于金屬塑性流動(dòng)方向的改變，影響了定向纖維的形成。

2.4 確定鍛造的噸位

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式確定。

結(jié)合本單位的情況，采用8MN液壓機(jī)組上進(jìn)行自由鍛。

過(guò)渡管件成形的主要變形工藝序是拔長(zhǎng)和擴(kuò)孔，所以鍛造關(guān)鍵是在保證管件質(zhì)量的前提下增強(qiáng)金屬的軸向流動(dòng)，減少金屬的徑向流動(dòng)。

要注意分料準(zhǔn)確，中間火次對(duì)變形工序和變形后的預(yù)制坯的形狀設(shè)計(jì)要合理，對(duì)毛坯和制坯尺寸要控制適當(dāng)。

克服壁厚不均現(xiàn)象。加熱鋼坯時(shí)，保證安放整齊加熱均勻，每隔一定時(shí)間將鋼錠（鋼坯）翻轉(zhuǎn)。

3 工藝操作

3.1 準(zhǔn)備工具：

制作Ф240，和Ф420帶錐度的芯軸兩種其（如圖3所示。工作帶錐），帶錐度的芯軸，保證斜度為1：（120～150），表面光潔并涂以石墨加油。

Ф250沖子。

3.2 按工藝規(guī)程將6.3t鋼錠加熱到1200℃。始鍛溫度1180℃，鍛造溫度控制在1180℃～850℃。要注意不能有過(guò)熱、過(guò)燒缺陷。下料時(shí)H0=0.6～0.8D。

3.3 鍛造時(shí)的注意事項(xiàng)

拔長(zhǎng)前鐓粗沖孔后，坯料端面距芯軸夾頭端留200mm間隙，保證金屬沿軸向流動(dòng)和便于取下鍛件。

3.4 用上平下V砧進(jìn)行芯軸拔長(zhǎng)，相當(dāng)于三向受壓，提高管件的致密程度，限制橫向流動(dòng)，提高軸向流動(dòng)能力，有助于提高拔長(zhǎng)效率。開(kāi)始拔長(zhǎng)時(shí)，要在高溫下先壓兩端，以防止端面在較低溫度下鍛造產(chǎn)生裂紋。

3.5 要注意分料準(zhǔn)確，中間火次對(duì)毛坯尺寸要控制適當(dāng)，既要考慮到加熱時(shí)裝爐條件，可能產(chǎn)生的彎曲，還應(yīng)考慮剩余鍛比。

3.6 具體鍛造工藝為：

第一火次：用上下平砧壓冒口，用平砧、剁刀拔長(zhǎng)下料；第二火：用鐓粗板鐓粗，用Ф250沖子沖孔；第三火：Φ240mm芯軸預(yù)擴(kuò)孔、預(yù)一次拔長(zhǎng)；第四火：用上平下V砧、Ф420芯軸拔長(zhǎng)、用錐形沖頭擴(kuò)錐孔；第五火：用上下弧砧及錐形芯軸整形至成品符合鍛件圖尺寸要求。

4 過(guò)渡管鍛造缺陷及防止措施

4.1 過(guò)渡管鍛件的外部缺陷

①壁厚不均和端頭不齊，或截面圓度不夠。壁厚不均和端頭不齊，或截面圓度不夠，是過(guò)渡管鍛件生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的常見(jiàn)的外部缺陷。

②喇叭口。大型過(guò)渡管第二個(gè)重要的外觀缺陷為喇叭口現(xiàn)象。主要由于在鍛造過(guò)程中，芯軸未放置水平，導(dǎo)致上砧在下壓鍛打過(guò)程中，在芯軸較高端下壓量較大，而芯軸較低端下壓量小，最終形成錐形截面。另外，鍛件鐓粗沖孔后直接芯軸擴(kuò)孔，沖孔導(dǎo)致鍛件下端直徑大于上端，在芯軸擴(kuò)孔過(guò)程中導(dǎo)致形成喇叭口。因而，在鍛造生產(chǎn)前，必須使芯軸支架擺放水平。鍛件鐓粗沖孔后，采用芯軸擴(kuò)孔對(duì)鍛件兩端直徑進(jìn)行調(diào)節(jié)，擴(kuò)孔過(guò)程中采用調(diào)頭成形方式。

另外，在成形過(guò)程中及時(shí)觀察兩端直徑的變化，在喇叭口不嚴(yán)重時(shí)及時(shí)將其修復(fù)。

4.2 過(guò)渡管鍛件的內(nèi)部缺陷

4.2.1 晶粒粗大

在鍛后檢查其內(nèi)部組織時(shí)，有時(shí)發(fā)現(xiàn)過(guò)渡管鍛件有晶粒粗大現(xiàn)象，其原因除鋼錠內(nèi)部質(zhì)量外，主要與加熱溫度有關(guān)。應(yīng)嚴(yán)格控制每一道加熱的加熱規(guī)范，如加熱溫度、保溫時(shí)間和鍛造溫度。另外，在保證拔長(zhǎng)相對(duì)送進(jìn)量L/D在0.6左右，也有利于消除晶粒粗大。終鍛溫度不宜過(guò)高，要嚴(yán)格控制在850℃以上。

4.2.2 端面裂紋

有時(shí)發(fā)現(xiàn)過(guò)渡管鍛件端面有裂紋，引起端面裂紋的原因大致有3個(gè)：①下料質(zhì)量差，鋸切下料時(shí)切面不必須平齊，不帶毛刺大。②在芯軸拔長(zhǎng)時(shí)操作不合理，沒(méi)有必須先壓兩端再壓中間。拔長(zhǎng)時(shí)操作先壓中間，避免因中間發(fā)生塑性變形而兩端溫度下降過(guò)快且受到拉應(yīng)力從而容易造成端面裂紋。③鐓粗時(shí)利用液壓機(jī)壓力機(jī)鐓粗板代替平砧，可擴(kuò)大接觸面積，保證鐓粗后坯料端面平整，杜絕產(chǎn)生裂紋根源。

4.2.3 內(nèi)表面裂紋

有時(shí)過(guò)渡管鍛件內(nèi)表面發(fā)生裂紋，產(chǎn)生原因?yàn)闆_孔時(shí)有毛刺沒(méi)有及時(shí)清除，在芯軸拔長(zhǎng)時(shí)存留在內(nèi)表面。所以沖孔時(shí)必須沖凈，及時(shí)清理毛刺，才能保證內(nèi)表面光潔無(wú)裂紋。

4.2.4 外表面裂紋

過(guò)渡管鍛件產(chǎn)生外表面裂紋的原因主要產(chǎn)生原因?yàn)殇撳V質(zhì)量不高和鍛造壓下量不合理。嚴(yán)格控制壓下量，避免大變形倒棱和拔長(zhǎng)，采取鋼錠倒棱時(shí)單邊壓下量不得大于20mm，和拔長(zhǎng)時(shí)單邊壓下量不得大于60mm的方法，可減少拉應(yīng)力的產(chǎn)生，達(dá)到控制裂紋的目的。主要考慮建立良好的變形應(yīng)力狀態(tài)另外，采用上平下V砧進(jìn)行拔長(zhǎng)，具備良好的變形應(yīng)力狀態(tài)，也可以克服產(chǎn)生外表面裂紋現(xiàn)象和因大壓下量造成的折疊缺陷。

除上述五種缺陷預(yù)防措施外，還需自由鍛是一種技術(shù)性極強(qiáng)的勞動(dòng)。必須嚴(yán)格按照工藝規(guī)程操作，不能粗枝大葉，更不能心存僥幸。在操作細(xì)節(jié)上加以注意，如砧子、芯軸等工具使用前應(yīng)預(yù)熱到200℃方開(kāi)始工作等。

生產(chǎn)實(shí)踐證明，在8MN液壓機(jī)上按照本工藝方案鍛造大型過(guò)渡管件是可行的，整體鍛造的方法保護(hù)了金屬的纖維流線方向，大大提高了產(chǎn)品的力學(xué)性能，同時(shí)保證了質(zhì)量。采用該工藝方案已成功地為核電站核島蒸汽發(fā)生器主給水管、一次側(cè)人孔、二次側(cè)人孔、穩(wěn)壓器的噴淋接管嘴安全端等中小型異型鍛件制造，大大地提高滿足了產(chǎn)品的綜合性能提高的要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]謝懿主編.實(shí)用鍛壓技術(shù)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003，9.

[2]呂炎.鍛造工藝學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社出版社，1983.

[3]胡亞民.鍛造工藝過(guò)程及設(shè)計(jì)[M].北京：北京大學(xué)出版社，中國(guó)林業(yè)出版社，2006，8.

[4]王亞宏，等.環(huán)形件自由鍛造缺陷分析及改進(jìn)[J].特鋼技術(shù)，1994（1）：39-45.