文/趙艷敏，劉賀，王重鑫·沈陽鑄鍛工業(yè)有限公司

核電站用217噸起重雙鉤產(chǎn)品的開發(fā)研制（上）

文/趙艷敏，劉賀，王重鑫·沈陽鑄鍛工業(yè)有限公司

核電站對環(huán)吊的要求是重載、精確、安全，這樣就對環(huán)吊的各組成部件提出了更高的要求。217t吊鉤是217/10+190+5t環(huán)吊的必用、關(guān)鍵部件，材質(zhì)為DG34CrNiMo，起重噸位大，吊鉤本身的使用工況多樣化，形狀不同于以往常規(guī)吊鉤。采用的檢驗標準為德國KTA3903《核電廠用起重設(shè)施的檢驗與使用》，并具體規(guī)定了檢驗項目和具體指標，相對我公司以往生產(chǎn)的吊鉤的檢驗標準，檢驗項目不僅有常溫的屈服強度和應變時效沖擊，還有抗拉強度、延伸率以及0℃低溫沖擊性能要求。

217t吊鉤設(shè)計、制造技術(shù)在國外已經(jīng)相當成熟，國內(nèi)使用一直依賴進口。隨著我國核電能源建設(shè)的發(fā)展，核電起重機呈批量化投入和使用，對217t吊鉤國產(chǎn)化的研制時機也日漸成熟。為此，我們開展了核電217噸吊鉤國產(chǎn)化研制課題研究，并一次試制成功，填補了國內(nèi)生產(chǎn)空白。

圖1 217噸吊鉤零件圖

核電217t吊鉤尺寸及技術(shù)要求

217t吊鉤尺寸如圖1所示，交貨重量2400kg，材質(zhì)為DG34CrNiMo。鉤頭部分厚度為260mm，鉤頭至鉤尾的長度為944mm，均大于以往生產(chǎn)的吊鉤的尺寸。

力學性能指標：σs＞590MPa、σb＞800MPa、δ5＞13%、AkU＞34J（-20℃、0℃）。

超聲波探傷技術(shù)標準：按德國KTA3903《核電廠用起重設(shè)施的檢驗與使用》中B4.2.2要求執(zhí)行。單個缺陷最大當量為φ4，缺陷在任一方向上不允許有延伸，缺陷底波降低量＜6dB，不允許有密集區(qū)缺陷。另外，除采用直探頭外，還要求對鉤桿及鉤腔部位采用斜探頭檢測。

研制過程

小試棒試驗

由于首次鍛制DG34CrNiMo材料的吊鉤，針對如此大噸位的吊鉤的低溫沖擊性能檢驗能否滿足要求，國內(nèi)既沒有可用標準可循，也沒有成形的經(jīng)驗可供參考。為了掌握DG34CrNiMo材料是否能滿足所需的強度要求，并且滿足低溫沖擊性能要求，我們首先從小試棒的試驗開始進行探索。

該試驗模擬吊鉤在胎模鍛造時的工藝和悶制火次的n頻次和n＋2頻次，按悶制時的加熱溫度及鍛后回火溫度，在5MN水壓機上鍛制材質(zhì)為DG34CrNiMo、尺寸與217t吊鉤鉤桿直徑相同的試棒鍛件3件。

小試棒經(jīng)等溫退火后取其中2件分別進行了低溫-20℃和0℃的力學性能檢驗和金相分析。第1個試件在-20℃時的沖擊功平均值A(chǔ)k=119J，0℃時的沖擊功平均值A(chǔ)k=141.67J，晶粒度7級，金相組織為回火索氏體。第2個試件在-20℃時的沖擊功平均值A(chǔ)k=132J，0℃時的沖擊功平均值 Ak=145J，晶粒度7級，金相組織同為回火索氏體。

小試棒的鍛制過程及檢驗結(jié)果證明，DG34CrNiMo材料的鍛造工藝和低溫機械性能均符合要求。至此，材料上的初步試驗成功為后續(xù)的217t吊鉤制造提供了良好的數(shù)據(jù)支持，確定了進一步生產(chǎn)的可行性。

胎模設(shè)計與制造

采用胎模鍛制吊鉤，有鋼錠投料小、吊鉤實體呈纖維分布等優(yōu)點，纖維方向的性能要優(yōu)于垂直（橫切）方向的性能，有利于保證工件的強度，還可以減少機械加工量。本次試制生產(chǎn)217t吊鉤使用的上、下胎模由我公司自行設(shè)計、制造，為我公司首例，從而也增大了217噸吊鉤鍛件生產(chǎn)的難度。

吊鉤的鍛制胎模圖紙的設(shè)計，需要考慮材料在鍛造過程中不同尺寸的熱收縮率、各部分的熱收縮對其余部位的影響、分型面材料的滯留尺寸、去除氧化皮及打磨成形的難易程度、加工余量、制造順序的合理設(shè)置以及吊鉤批量化生產(chǎn)時胎模的壽命等諸多因素，而最終胎模模腔內(nèi)尺寸要保證吊鉤坯料經(jīng)加熱、悶制、冷卻收縮后的尺寸應滿足圖紙及制造公差要求。參照100噸雙鉤的模具圖紙，最終確定了國內(nèi)最大噸位的吊鉤胎模設(shè)計圖樣，輪廓尺寸為2120mm×1760mm×500mm、材質(zhì)為ZG310-570、主體壁厚500mm。吊鉤胎模采用鑄造成形。

圖2 217t吊鉤鍛造工藝卡第一頁

圖3 胎模鍛鍛造工藝卡第二頁

圖4 胎模鍛鍛造工藝卡第三頁

217噸雙鉤鍛造工藝

217t吊鉤鉤頭部分投影面積大，厚度尺寸大，其坯料成形過程內(nèi)部質(zhì)量達標較為困難。用常規(guī)的鍛造成形方法鍛造，雖然鍛造比、坯料截面變換等鍛造工藝參數(shù)符合鍛造通用技術(shù)標準，但由于217t雙鉤鍛件尺寸形狀的特殊性，按傳統(tǒng)工藝方法由于受到水壓機鍛造特點及冶金輔具使用的束縛，很容易忽略了橫向料寬比對鍛件鍛造成形過程的影響。橫向料寬若控制不當，會影響吊鉤的內(nèi)部質(zhì)量，滿足不了超聲波探傷及機械性能要求。因此結(jié)合該雙鉤鍛件成形過程中坯料尺寸、變形參數(shù)的瞬時變化，采取工藝措施，通過對縱向砧寬比、橫向料寬比兩個主要變形參數(shù)進行優(yōu)化控制，同時兼顧成形過程中鍛造比、溫度、壓下量等其他技術(shù)參數(shù)控制，制定出坯料鍛造工藝方案。

圖5 胎模鍛吊鉤交貨圖

表1 各變形區(qū)應力狀態(tài)

(1）鉤坯鍛造工藝方案分析。

217t吊鉤鉤坯為寬板類鍛件，成形過程為兩次鐓拔成形。鍛件的內(nèi)部質(zhì)量是由合理的工藝過程來保證的，坯料變形過程歸根結(jié)底是鐓粗過程。近年來提出的剛塑性力學模型的拉應力理論認為鐓粗體在鐓粗時由于受上下表面摩擦力的影響，在整個變形過程中各部分應力、應變是不均勻的，應力的大小、方向也是不斷變化的，有利于塑性變形的應力狀態(tài)隨著變形過程的進行變得不利。

為此我們借助剛塑性拉應力力學模型，對坯料鐓粗后的拔長過程分析如下：

根據(jù)剛塑性拉應力力學模型及靜水應力切應力力學模型（詳見圖6）可看出，變形體在平板間鐓粗，拉應力引起的萌生與擴展的裂紋都存在于被動塑性變形Ⅲ區(qū)內(nèi)。當尺寸0.5＜A/H＜1時，在鐓粗體的被動變形區(qū)（Ⅲ區(qū)）中心存在二向拉應力σx（軸向）和σy（橫向）。隨著鐓粗體由圖6a）變形到圖6c）狀態(tài)，此時A/H=1，進入到靜水應力區(qū)，有利于塑性變形。當鐓粗過程中達到圖6d）所示狀態(tài)A/H＞1時，坯料內(nèi)部的死區(qū)（剛性區(qū)Ⅰ區(qū)）相遇，由于上下剛性Ⅰ區(qū)相交的公共區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生附加橫向拉應力，從而引起剪切變形，導致大鍛件內(nèi)裂層缺陷形成機理。隨著A/H數(shù)值的不斷增大，在靜水應力區(qū)內(nèi)引起剪切變形強度急劇增強。此剪切應力超過材料的抗剪強度，就會在剪切變形劇烈處引起呈層狀出現(xiàn)、平行于接觸面的剪切裂紋，鍛件中就會出現(xiàn)內(nèi)部夾層裂紋性缺陷，產(chǎn)生剛性滑動撕裂效應（RST效應）。

圖6 剛塑性拉應力力學模型及靜水應力切應力力學模型

由此可看出，鋼錠的鍛透程度、內(nèi)部裂紋的萌生和鍛件成形質(zhì)量，均與變形坯料的尺寸變化直接有關(guān)。反映在拔長工序中體現(xiàn)在對相對送進量（砧寬比）、料寬比和壓下量等方面進行有效地控制。

217噸吊鉤鉤坯成形出成品過程中，寬高比逐漸增大，若不采取工藝措施，不可避免造成由于上下剛性區(qū)相交的公共區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生附加橫向拉應力，在伴隨終鍛溫度降低的情況下，很容易造成吊鉤的質(zhì)量出現(xiàn)問題。

《核電站用217噸起重雙鉤產(chǎn)品的開發(fā)研制（下）》見《鍛造與沖壓》2017年第7期