大型不锈钢管板锻造初探

大型奥氏体不锈钢管板锻造工艺初探1大型奥氏体不锈钢管板锻造工艺初探兰石锻热有限公司锻压车间袁旗内容摘要：本文主要介绍了大型不锈钢管板类锻件的锻造工艺，着重从工艺方法上阐述了防止产生内部夹杂物密集型缺陷的工艺方法及锻造操作要点。关键词：奥氏体不锈钢；管板；夹杂物密集型缺陷；超声波探伤；晶粒度一、目前锻热公司不锈钢管板生产的现状大型管板类锻件是重型压力容器的关键部件之一，历来是锻造厂最头疼的锻件类型，由于管板类锻件锻造过程控制困难，锻造缺陷形成机理复杂，目前对导致产生管板中心部位夹杂物密集性缺陷超标的原因不是特别清楚，超声波探伤废品率居高不下，给锻造企业造成极大的损失。本次锻热公司接兰石重装公司4件大型奥氏体不锈钢管板锻件（图号Ⅲ3563-2-1，2件；Ⅲ3561-2-1，1件；Ⅲ3562-2-1，1件。尺寸完全一样，见图一），材质S32168（0Cr18Ni10Ti），要求按NB/T47010-2010Ⅳ级制造验收，超声波探伤按JB/T4730.3Ⅰ级验收，锻件尺寸（φ1516±11）×（298±11），锻件质量4,455Kg，工艺下料规格φ680×1563，要求在3150吨压机上进行锻造。试样图一不锈钢管板锻件图尽管技术部给了锻造工艺，但由于工艺指导性不强，而且根据多年锻造奥氏体不锈钢管板的经验，仍然存在着一些奥氏体不锈钢管板（实心件）所特有的一些锻造难点，导致不锈钢管板锻件废品率极高，因此具体如何大型奥氏体不锈钢管板锻造工艺初探2干，公司迟迟下不了决心。以往锻造大型管板锻件，对于像材质为16Mn、16Mn(HIC)、20MnMo、14Cr1Mo、12Cr2Mo1等低合金钢或CrMo钢管板，存在的问题主要是中心部位（大约在R/2半径以内）密集型缺陷超标，或者锻件有粗晶现象，晶粒度超标；而对于奥氏体不锈钢管板锻件，不仅存在以上诸问题，而且还存在奥氏体不锈钢材料可锻性差、材料变形抗力大，锻造成形困难，材料表面和心部容易产生宏观裂纹，尤其是心部容易产生十字星裂纹等塑性成形缺陷（见图二、图三，为以前干过的不锈钢管板锻件缺陷），根据以往经验，客观地说，以往锻热公司锻造奥氏体不锈钢管板锻件废品率极高，技术不过关，因此本次奥氏体不锈钢管板锻造带有工艺攻关的性质，力争摸索不锈钢管板锻造规律，攻克技术难关。管板锻件已经成为锻热公司承接重装公司锻件的瓶颈，直接影响到锻热公司的声誉，如果能攻克管板锻造工艺，这将是锻热公司大型饼类锻件锻造技术里程碑式的进步。图二不锈钢坯料镦粗时发现心部呈十字星裂纹，两端已经穿孔图三十字星裂纹的局部放大图大型奥氏体不锈钢管板锻造工艺初探3二、不锈钢管板工艺方案的研究制定根据技术部下发的工艺图纸，公司召开了工艺评审会，在会议未得出最终结论的情况下，委托锻压车间制定锻造技术文件，供锻热公司领导批准后执行。锻压车间根据公司的指示，结合这些年来大型管板锻造的经验和教训，借鉴行业内新颖的锻造工艺技术，结合我公司的生产实际，制定了一套锻造工艺方案。首先对锻造整个工序进行了重新认识，特别是对从原材料→钢锭加热→锻造过程→锻后冷却全过程进行了逐项分析研究，发现以前的锻造工艺确实有不合理的地方，甚至是严重错误，因此对锻造工序再认识非常有必要。1.原材料对锻造用不锈钢钢锭要求采用电弧炉+炉外精炼，严格要求材料的纯洁度，严格控制铁素体含量以防产生带状组织，严格控制H、O、N气体元素含量，特别是H含量，防止产生白点缺陷。2.钢锭加热钢锭加热历来是极易被忽视的一个很重要的一环。我公司现已执行多年的有关国家标准规定的钢锭加热最高温度（始锻温度）明显偏低，而近些年随着钢锭冶炼水平的提高，尤其是钢锭纯洁度的提高，各锻造厂厂标有提高锻造加热温度的趋势。适当提高钢锭初始最高加热温度（有高温扩散的效果）对于钢锭减轻各种偏析（包括夹杂物）、降低H等气体元素含量十分有利，对于后序锻造焊合钢锭内部空洞型缺陷意义重大。3.锻造过程锻造过程是锻造序最主要的内容。科学合理设计锻造工艺是锻造核心技术的关键，锻造工步是锻造工艺的核心内容。首先要明确大型自由锻件需要解决的主要质量问题的核心，至少包括以下三点：①第一阶段，以彻底破碎铸造组织为主，以达到满足力学性能的要求，特别是塑性指标，是非常敏感的，因而不允许保留铸造组织。这是最基本的要求。②第二阶段，彻底锻合内部孔隙性缺陷，严防内部萌生新裂纹，以满足超声波探伤的技术要求。这是最关键的要求之一。③第三阶段，应用控制热力学参数的锻造方法（控制锻造）来控制粗晶大型奥氏体不锈钢管板锻造工艺初探4的产生。这是最关键的要求之二。后两项为解决大锻件质量问题的核心，也是难点。这三点，互相之间既有联系，又有区别。比如说，满足了第一条，达到了足够的锻比，材料也彻底变为锻造组织，但未必能满足第二条，即满足超声波探伤要求，也未必能满足第三条，即较均匀的晶粒度要求。总之，设计锻造工艺是能否锻出合格管板锻件的重点，也是难点。1.钢锭开坯拔长根据现有的实际情况，物流中心采购的是12.5t的八角型钢锭，规定一个钢锭干二件。钢锭的水口端（钢锭底部）横向截面尺寸约900mm，冒口端截面尺寸约1000mm，如果直接拔长到φ690，最小拔长比是i=(900/690)2=1.70，最大拔长比是i=(1000/690)2=2.10，这个锻比有些小，为了保证在拔料阶段就能消除铸态组织，彻底锻合心部，必须采取特殊的工艺，既要保证坯料不产生宏观裂纹，主要是心部不产生十字星裂纹，锻合心部，又要保证锻透材料，不将铸态组织遗留到镦粗序，为镦粗序创造良好的组织条件，为此开坯序要求钢锭的最高加热温度定在1220℃，保温时间足够长。钢锭在倒棱滚圆之后必须采用上平砧，下V型砧强力锻造，不允许采用平砧拔长。由于此时的砧宽比W/H=500/900=0.55，属于宽砧锻造，压下量应控制在20%左右，尽可能满砧进给，对压实心部，焊合空洞型缺陷极为有利。拔料拔至φ690mm，下料长度1520mm，控制长径比在2.2以内，为后序镦粗成形创造良好条件。2.坯料镦粗成形由于坯料的镦粗比很大，i=1520/298=5.1，因此此序要求最高加热温度为1220℃，以大变形量进行镦粗。由于温度较高，材料塑性较好，心部拉应力不是很大，因此很容易镦粗，只有当镦粗毛坯高径比H/D≈1的时候，采用平板镦粗，这时心部才变为三向压应力，对压合孔隙性缺陷有利。这时应采用旋转镦粗法进行辗压成形，应合理分配变形量，确保变形均匀，要求本工序严格控制进砧量和压下量，先压外圈，逐渐向里进砧，最后压实中心，因此心部具有很高的静水压应力，夹杂物成为片状的倾向就大大减小，压完一圈后应翻转180°压另一面，以保证锻件的均匀性。中间回炉加热适当延长保温时间，利用高温修复晶间缺陷。最后一火成形，始锻温度控制在1100℃，并保证大于临界变形程度，以获得均匀且较细的晶粒度。3.锻后冷却最后一火锻造成形，获得较细的晶粒度。由于奥氏体不锈钢是单相γ组织，没有相变，不能通过后序热处理细化晶粒，因此最后一火成形得到的晶粒度将决定最终成品的晶粒度。为了防止锻后冷却时晶粒长大，锻后应大型奥氏体不锈钢管板锻造工艺初探5立即将锻件入水冷却，既防止了晶粒继续长大，又保留了残余应变，为后序固溶处理利用残余应变细化晶粒创造了条件。三、不锈钢管板锻造工步具体锻造工步要点如下：1.第一火，钢锭开坯时，加热温度要高一些，推荐1200～1220℃，保温时间要足够长，才允许出炉锻造。2.（第一火）开坯时应先倒棱，然后将冒口拔钳口到尺寸□780；用天车吊钳将钢锭调头，操作机夹钳口。倒棱之后，将锭身滚圆一周，目的是提高钢锭表面塑性。这时就看钢锭的温度了，否则就入炉加热。推荐第一火只进行倒棱拔钳口，将锭身滚一圈，直到外径尺寸φ900，然后入炉加热，因为这时温度已经偏低，已不适合开坯。3.第二火、第三火，加热温度要比第一火略微再高一些，推荐1220℃，保温时间要足够长，才能出炉锻造。本序是关键，严禁使用平砧拔长，必须使用下V型，上平砧进行整体开坯，先小压下量整个压一趟，然后稍微加大变形量进行拔长，直到拔到规定的尺寸，然后热剁下料。本序的要点是：必须整体开坯拔料，不允许一半拔到尺寸后在调头拔另一半。如果一火拔不出来，应整体回炉加热。本序的目的是在保证一定拔长比的情况下，在高温下尽可能压实心部，减小后序锻造时将心部撕开的可能性。为了使后序镦粗易于进行，热剁料的高径比控制在2.2:1以内。4.第四火、第五火、第六火，进行镦粗。受设备能力的限制，本序加热温度也要高一些，推荐1220℃，热透。本序尽可能大压下量变形，利用此时温度高、塑性好，可以避免因心部拉应力导致裂纹；同时也有利于防止产生双鼓型，一旦出现双鼓型，必须立即滚圆，要求在V型砧里滚，不允许在平砧上滚圆，否则可能造成中心拉裂。5.后续镦粗可以采用旋转镦粗法进行辗压，最好同时配合采用球面砧进行中心压窝。采用旋转镦粗法应控制送进量在300mm左右，从外向里进砧，最后将中心压实；然后翻转180°压另一面，以保证锻件的均匀性。再配合采用球面砧进行中心压窝，然后将周围旋转辗压平整下去，目的是进一步将心部压实。6.最后一火出成品序。加热温度适当降低，控制在1100℃左右。镦粗要有一定的变形量，必须达到大于临界变形程度（约12%），才能获得均匀且较细的晶粒度。锻完之后应转热处理车间水槽入水快速冷却，以保持较细的晶粒度。7.最终锻件要转热处理车间进行固溶处理。大型奥氏体不锈钢管板锻造工艺初探6根据制定的锻造工步，锻压车间和热处理车界严格执行，密切配合，4件管板锻件一次性全部合格，超声波探伤也完全达标，事实证明工艺是合理的，成功的。四、总结本次不锈钢管板锻造是一次工艺攻关。通过之前的精心准备，研究了各种工艺方案，在总结以前经验基础上，开拓思路，使用创新方法，大胆采用新技术、新工艺，取得了可喜成果，为今后完善工艺工装打下了基础。由于受现有设备及工装的限制，本工艺方案的制定还有需要继续完善的地方，这需要后续投入新工装，还有大量的工作要做。但万事开头难，有了一个良好的开端，以后的路就比较好走了。另外需要说明的是，限于篇幅，本文主要是从解决生产当中遇到的实际问题的角度来阐述不锈钢管板的锻造技术，并没有过多地进行理论阐述，但这绝不是说理论阐述不重要，事实上，正是有了对管板锻造成形过程的正确理论分析，破解了以前对饼类自由锻的某些错误认识，才有可能找到正确有效的解决办法，也许这才是最有价值的东西。参考文献〔1〕中国锻压协会编著.特种合金及其锻造［M］.北京：国防工业出版社，2009.〔2〕时惠英，张兰湘.饼类锻件探伤缺陷解剖分析.热加工工艺，1994，（4）:43-45.〔3〕李纬明，刘国晖，刘助柏，等.饼类锻件锻造的关键技术.钢铁，1998，33（11）：43-45.〔4〕张庆，梁辰，王连东，等.圆柱体在普通平板间镦粗时应力场的数值模拟.机械工程学报，1997，33（2）：72-76.〔5〕刘助柏.大型锻件锻造理论与工艺研究成果.中国科学基金，1998，12（3）：192-194.〔6〕刘助柏，倪利勇，单锐，等.大锻件形变新理论新工艺及关键技术研究的回顾与展望.大型铸锻件，2003，（3）：48-52.作者简介：本人，袁旗，男，1991年毕业于合肥工业大学，现在锻热公司锻压车间任技术主任，锻造工程师，联系电话[phone]，电子邮箱[e-mail]，如果有问题或建议请联系我，希望与行业同仁探讨有关锻造行业的问题。