中國二重集團（德陽）重型裝備股份有限公司 杜軍毅，段紅玲，鄧正華，金 楊

不同成形方式對封頭質(zhì)量的影響

中國二重集團（德陽）重型裝備股份有限公司 杜軍毅，段紅玲，鄧正華，金 楊

封頭是壓力容器中的主要承壓零部件，其質(zhì)量對壓力容器的安全運行起著至關(guān)重要的作用。就目前國內(nèi)外封頭制造來看，封頭通常采用拉深成形、回轉(zhuǎn)模壓成形等方式進行生產(chǎn)。本文講述兩種半球形核電封頭鍛件的制造方式—拉深成形和回轉(zhuǎn)成形，并從鋼錠冶煉、鍛造、熱處理、鍛件取試及性能檢驗等方面對兩種制造方式進行了對比，為后續(xù)類似封頭鍛件的生產(chǎn)，提供了技術(shù)參考。

封頭的品質(zhì)直接關(guān)系到壓力容器的長期安全可靠運行。根據(jù)幾何形狀的不同，可分為球形、橢圓形、碟形、球冠形、錐殼和平蓋等幾種，其中球形、橢圓形、碟形、球冠型封頭又統(tǒng)稱為凸形封頭。按壁厚可分為超厚壁、厚壁、中厚壁、薄壁封頭。隨著我國核電、石化重型容器的發(fā)展，要求采用高等級的整體鍛造成形滿足封頭技術(shù)要求，目前主要有熱拉深成形、旋壓回轉(zhuǎn)成形等工藝方法。

但熱拉深成形需要制造板坯，凸模旋壓回轉(zhuǎn)整體鍛造成形，常常超出企業(yè)已有壓機設(shè)備的噸位或立柱間距尺寸。因此，封頭的均質(zhì)性、主加工方向及其對質(zhì)量的影響一直是業(yè)界關(guān)注的問題。通過對SR2216mm，壁厚200mm，材質(zhì)為SA508Gr.3Cl.1的球形封頭鍛件，從鋼錠冶煉、鍛造、熱處理、鍛件取試、化學(xué)成分、力學(xué)性能及性能檢驗等方面的數(shù)據(jù)對比分析研究，全面分析了板坯拉深成形與回轉(zhuǎn)成形兩種成形方法對封頭內(nèi)在質(zhì)量的影響。

1. 制造過程

文中封頭鍛件制造工藝流程包括冶煉鋼錠、鍛造、粗加工、化學(xué)成分和力學(xué)性能檢測、無損探傷和精加工至成品等，主要制造工藝如下所述。

（1）鋼錠冶煉 拉深成形封頭所用鋼錠錠型為340t，一錠制造兩件封頭；回轉(zhuǎn)成形封頭所用鋼錠錠型為180t，一錠制造一件封頭。兩種方法采用的鋼錠均為電弧爐粗煉鋼水，鋼包爐精煉，真空澆注制得。通過這種雙真空處理的鋼錠可以有效去除鋼錠中的P、S及其他雜質(zhì)元素，鋼錠質(zhì)量及其熱加工性可以得到保證。但一般來說，在鋼錠制造中，隨鋼錠錠型增大，鋼水量增加，制造過程中對夾雜物、偏析、疏松縮孔等缺陷的控制難度越大，不同等級的鋼錠存在不同的制造難度。

（2）鍛造 拉深成形法。拉深成形法鍛造工藝過程如圖1所示，首先經(jīng)鋼錠制坯并下料，然后通過鐓粗、拔長、輾平得到板坯，最后通過拉深板坯得兩件封頭鍛件毛坯。鋼錠利用率59%，水口切除7%，冒口切除20%，總鍛造比14。

拉深成形主要特點：①一般必須采用一錠兩件模式生產(chǎn)，輾平得到板坯最先為矩形，然后通過氣割得圓形（見圖1）。但也不排除在板坯直徑和厚度允許的前提下，采用一錠一件模式生產(chǎn)，由鐓粗展平方式制得板坯。②在鐓粗、拔長、輾平過程中，鋼錠得到充分壓實，最大限度保留鍛造致密組織，保證了良好的坯料基礎(chǔ)。③由于鍛件在制造過程中，沿縱向、橫向成形，鍛造比皆大于4，最終封頭在各方向的變形引起的各向異性較為不明顯。④拉深成形中，板坯可為純平板，也可為局部帶凸臺的平板，板坯尺寸大小不超過設(shè)備能力開檔尺寸的封頭都可以采用拉深成形法進行生產(chǎn)。

圖1 拉深成形工藝過程

圖2 回轉(zhuǎn)成形工藝過程

回轉(zhuǎn)成形?；剞D(zhuǎn)成形是利用金屬坯料局部鐓粗變形原理來成形封頭鍛件的一種方法，通過回轉(zhuǎn)上模在坯料上的運動，實現(xiàn)坯料由上向下，由中心向四周的轉(zhuǎn)移，最終得到所需鍛件形狀?；剞D(zhuǎn)工藝過程如圖2所示，鋼錠首先預(yù)切尾部，然后通過鐓粗及拔長制坯得中間坯，最后通過特制上下模具進行回轉(zhuǎn)成形。鋼錠利用率54%，水口切除7%，冒口切除22%，總鍛造比10。

回轉(zhuǎn)成形主要特點：①回轉(zhuǎn)成形法的鍛件圖屬于包絡(luò)型，可以解決形狀復(fù)雜不宜拉深成形封頭的成形問題，同時對于那些拉深板坯尺寸超過設(shè)備空間的封頭，往往也必須采用回轉(zhuǎn)成形法鍛造成形。②回轉(zhuǎn)成形不沖孔，鋼錠心部的固有缺陷無法去除，將隨鍛件一起變形，并最終變小和彌散。因此冶煉、制坯工序尤為重要，通常需采用高純凈鋼、多次鐓粗+WHF法聯(lián)合操作達到鍛合心部缺陷，破碎中心夾雜的目的。在后續(xù)的模具回轉(zhuǎn)成形中，坯料將受到良好的三向壓力作用，可進一步對坯料中的殘余缺陷進行鍛透壓實，進而達到減少缺陷，密實組織的目的。③回轉(zhuǎn)成形法最終成形工序決定了坯料的鍛造方向主要為封頭經(jīng)向，有明確的主鍛造方向。④回轉(zhuǎn)成形時封頭位于模具之中，鍛造時的接砧、氧化皮堆積等情況將無法觀測，很容易在鍛件內(nèi)部形成折傷和氧化皮嵌入，該問題目前尚無有效的解決辦法，往往通過增加封頭內(nèi)外壁余量來減輕上述缺陷的影響。⑤回轉(zhuǎn)成形涉及成形力和坯料走向預(yù)測問題，一般情況下需要通過計算機數(shù)值模擬實現(xiàn)坯料金屬的流動轉(zhuǎn)移和成形力預(yù)計算問題（見圖3），再有針對性地進行模具和坯料的改進，進而為封頭回轉(zhuǎn)成形奠定理論基礎(chǔ)。

對比兩種封頭成形方法，可以認為：兩種成形方法通過設(shè)置合理的鍛造過程和參數(shù)，都可以鍛合內(nèi)部缺陷，密實組織，提高力學(xué)性能；兩種成形方法的選取很大程度上取決于鍛件的形狀和尺寸，一般而言，拉深成形在球形封頭上應(yīng)用更廣泛，回轉(zhuǎn)成形則在外形復(fù)雜和尺寸超大的封頭上更具優(yōu)勢；回轉(zhuǎn)成形過程中會伴隨一定程度的折傷和氧化皮堆積問題，而這些問題在拉深成形中不會出現(xiàn)。因此，拉深成形質(zhì)量風險要小于回轉(zhuǎn)成形；回轉(zhuǎn)成形鍛件主鍛造方向比拉深成形明顯，對于需要依照主變形方向進行取樣的RCCM、ASME這類標準來說更具說服力；對比兩種成形方式鍛造工藝過程，拉深成形生產(chǎn)周期長于回轉(zhuǎn)成形。

（3）熱處理 為獲得滿足容器的使用要求，鍛件必須經(jīng)歷性能熱處理后，且從鍛件本體上截取的力學(xué)性能試料還需要進行模擬消除應(yīng)力熱處理。

拉深成形封頭在封頭成形前進行了較大的鍛造變形與機加工，因此，探傷合格率高（95%以上），成形后拋磨后，表面質(zhì)量好，可直接毛坯調(diào)質(zhì)，不再進行機加工。而回轉(zhuǎn)成形封頭由于成形鍛件余量較大、表面質(zhì)量較差，成形后必須進行粗加工，探傷合格后進行性能熱處理。封頭鍛件的熱處理工藝要求如下：①性能熱處理：奧氏體化(870~930℃，保溫≥2h)后浸水淬火+回火(650~670℃，保溫≥4h)后空冷。②模擬消除應(yīng)力熱處理：610℃保溫40h，隨爐冷卻到≤425℃，然后進行空冷。在性能熱處理中，保溫溫度偏差要求為±15℃，同時為了保證溫度能夠達到既定要求，應(yīng)該至少放置兩支熱電偶來記錄溫度變化；在模擬消除應(yīng)力熱處理中，由于是從鍛件上截取較小的試料進行，因此保溫溫度的要求精度比較高為±5℃。

（4）取樣及性能分析 性能熱處理后對鍛件進行化學(xué)成分分析，鍛件主要化學(xué)成分要求表1所示。經(jīng)檢驗，拉深成形封頭和回轉(zhuǎn)成形封頭其化學(xué)成分均能滿足采購技術(shù)條件的要求。

性能熱處理后，在封頭鍛件的延長段的試環(huán)上相對180°的兩個位置取樣進行試驗，其取樣示意如圖4所示。

鍛件性能熱處理+經(jīng)模擬焊后熱處理后，按圖4在T*T/4（T為熱處理厚度）處取樣進行力學(xué)性能檢驗，其力學(xué)性能要求如表2所示。其檢驗結(jié)果如圖5~圖8所示。

從兩種成形方法的力學(xué)性能試驗結(jié)果可看出，無論是拉深成形封頭還是回轉(zhuǎn)成形封頭其力學(xué)性能均滿足采購規(guī)范的要求；兩種成形方式的封頭力學(xué)性能結(jié)果相差不大。

（5）超聲波檢驗 鍛件在進行最終機加工后，應(yīng)根據(jù)NB-2542、SA-508及其附加要求S2，以及SA-388/SA-388M要求對鍛件進行直射波和斜射波的超聲波檢驗。對于斜射波檢查，任何等于或大于20%的顯示（DAC）都應(yīng)記錄且研究確定它的性質(zhì)。經(jīng)檢驗，以上兩種成形方式均能滿足探傷要求。

圖3 回轉(zhuǎn)成形模擬

圖4 封頭鍛件取樣示意

表1 主要化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)）（%）

拉深成形在筒體制坯時已經(jīng)沖掉了鋼錠中較壞組織，因此拉深成形的封頭無損檢測合格率高，同時鍛件成形前已經(jīng)對筒體進行了機加工、輾平等過程，因此鍛件成形后表面質(zhì)量高，可直接進毛坯調(diào)質(zhì)。但回轉(zhuǎn)成形，要求鋼液質(zhì)量較好，純凈度鋼，同時鋼錠中心質(zhì)量較差的部位仍然保留在鍛件中，在鍛造過程中此部分是多次變形的集合體，因此在無損檢測要求較高的情況下，其無損檢測合格率偏低。

表2 鍛件力學(xué)性能

圖5 拉深成形封頭常溫拉伸試驗結(jié)果

圖6 拉深成形封頭沖擊試驗結(jié)果

圖7 回轉(zhuǎn)成形封頭常溫拉伸試驗結(jié)果

圖8 回轉(zhuǎn)成形封頭沖擊試驗結(jié)果

圖9 拉深成形均勻性試驗取樣示意

2. 筒體板坯拉深成形的均勻性分析

（1）筒體板坯力學(xué)性能分析 為分析筒體板坯拉深成形的均勻性，進行了如下試驗：在封頭0°、90°、180°、270°四個方位取樣分別進行周向、軸向拉深、沖擊試驗如圖9所示。其試樣結(jié)果如圖10~圖13所示。

通過圖10~圖13可以得出以下結(jié)論：對于每一個封頭鍛件而言，每個方位周向和軸向沖擊試驗、拉伸試驗結(jié)果度差別不太大；同時四個方位的沖擊試驗、拉伸試驗結(jié)果差別也不明顯。由此，可以說明拉深成形的封頭板坯各象限的力學(xué)性能是均勻的，這是由于拉深成形的板坯是采用筒體鍛件制坯，在鍛造過程中已經(jīng)將鋼錠中的偏析帶沖掉，坯料的偏析較小，其坯料本身的均勻性較好；同時也可以看出封頭成形后鍛件的軸向、周向的各項力學(xué)性能也是均勻的。這是因為板坯拉深成形的整個鍛造過程中鍛件的周向和軸向變形程度相差不大；這點可從圖1鍛造過程發(fā)現(xiàn)即在鍛制筒體坯料時，鍛件的主變形方向即坯料的實際伸長方向為筒體鍛件的切向（筒體周向擴孔比為1.7）；在封頭最終“沖壓成形”時，封頭鍛件的主變形方向即坯料的實際伸長方向為封頭的經(jīng)向（鍛造比計算約為1.1），封頭的各項異性較小。

（2）化學(xué)成分分析 采用340t鋼錠冶煉筒體，將筒體一分為二并展開得兩件板坯。在以往鍛件的制造經(jīng)驗中，對類似筒體進行了化學(xué)成分分析，其分析方案為：沿軸向由水口端向冒口端同時沿厚度方向等距離鉆取屑樣進行C、S、Mn分析，如圖14所示。

從圖1 4分析，沿軸線方向wC=0.176%~0.208%，wMn=1.3 8%~1.4 3%，wS=0.0021%~0.0030%，可以看出從水口端到冒口端C、S、Mn元素分布相對較為均勻。由此可推斷，采用筒體制坯的方式拉深成形的封頭化學(xué)成分沿軸向分布也是均勻的。

圖10 周向拉伸試驗結(jié)果

圖11 周向沖擊試驗結(jié)果

圖12 軸向拉伸試驗結(jié)果

圖13 軸向沖擊試驗結(jié)果

圖14 340t鋼錠制筒體剖面A碳、硫、錳分布

3. 結(jié)語

綜上所述，可以得出以下結(jié)論：

（1）拉深成形通常是先將鋼錠鍛造成拉深前板坯，然后在一定溫度下通過專用模具對板坯進行拉深并得到封頭毛坯?；剞D(zhuǎn)成形則是先通過鋼錠制得符合工藝要求的坯料，然后將之置于專用的成形下模中，并通過回轉(zhuǎn)上模對其進行成形，進而得到所需的封頭毛坯。從生產(chǎn)數(shù)據(jù)表明，拉深成形和回轉(zhuǎn)成形通過設(shè)置合理的鍛造過程和鍛造參數(shù)，都可以鍛合內(nèi)部缺陷，密實組織，提高力學(xué)性能，均能達到純凈性、致密性高的封頭產(chǎn)品。制造廠采用哪種制造方式需要結(jié)合鍛件形狀、設(shè)備能力、加工周期、制造標準等多方面因素來選擇。

（2）采用筒體板坯的拉深成形工藝方法因沖掉了鋼錠中冶金質(zhì)量較差的疏松和偏析帶，并經(jīng)過鍛造，從化學(xué)成分分布、力學(xué)性能結(jié)果和探傷合格率等分析，制造后采用筒體板坯的拉深成形工藝獲得的鍛件各項異性小，表現(xiàn)出更為優(yōu)良的均質(zhì)性、更為良好的表面質(zhì)量和更為穩(wěn)定探傷質(zhì)量。

（3）回轉(zhuǎn)成形在外形復(fù)雜和尺寸超大的封頭上更具優(yōu)勢，從取試結(jié)果看，仍然表現(xiàn)出良好的均質(zhì)性，但該工藝對鋼水純凈度和鍛造操作要求高，需要有成熟的制造經(jīng)驗做支撐。

20150920