文/聶新林，王敬偉，林乙丑，劉夢飛·洛陽中重鑄鍛有限責任公司

本文重點探討了影響海上風電設備用樁頂法蘭低溫沖擊波動因素，并設計了兩種試驗方案，研究表明：控制夾雜物等級，鍛造開坯+軋環(huán)成形以及強制冷卻，有利于樁頂法蘭的低溫沖擊穩(wěn)定性，該方案經(jīng)驗證有效。

海上風電法蘭服役環(huán)境惡劣，承載應力復雜，其長期安全運行面臨極大的挑戰(zhàn)。風電法蘭需要在規(guī)定時間內保證可靠運行，這對法蘭產(chǎn)品的相關技術指標，特別是在溫度為-40℃、-50℃環(huán)境下的沖擊韌性提出極高要求。我公司簽訂了多件直徑達7000mm，單件重11330kg的樁頂法蘭產(chǎn)品。

法蘭鍛件常用材料為Q355NE+Z35鋼，是綜合力學性能、焊接性能及切削加工性能均較好的低合金高強度結構鋼，多用于風電、船舶、車輛、大型容器、大型鋼結構和建筑等行業(yè)。環(huán)鍛件的熱處理工藝一般是正火或正火+回火，但存在強韌性不足的現(xiàn)象，所以環(huán)鍛件熱處理工藝逐漸轉為調質工藝。熱處理過程中，通過強制冷卻，對熱加工后的法蘭鍛件本體取樣分析，發(fā)現(xiàn)沖擊韌性數(shù)據(jù)波動較大，夾雜物等級與技術要求有偏差。

通過工藝試驗及產(chǎn)品試制，我們發(fā)現(xiàn)，夾雜物、晶粒度、冷卻方式等均對沖擊韌性數(shù)據(jù)有一定影響，且沖擊韌性波動較大，為此我們展開了進一步的研究。

技術要求

樁頂法蘭是環(huán)鍛件，有如下技術要求：

⑴法蘭采用Q355NE+Z35鍛造，滿足JB/T 11218-2020標準要求，化學成分檢測按GB/T 1591-2018標準執(zhí)行，具體成分見表1。

表1 Q355NE+Z35鋼化學成分要求(質量分數(shù)，%)

⑵法蘭Z向性能滿足GB/T 5313-2010標準的要求，原材料使用鋼錠或連鑄圓坯，嚴禁使用連鑄板坯。

⑶法蘭采用整體鍛造成形，符合NB/T 47009-2017標準，鍛件級別(Ⅲ級)合格。

⑷鍛造成形應在有足夠能力的鍛壓機上實現(xiàn)，保證鍛透。

⑸鍛件需進行正火+回火處理。

⑹法蘭的最低屈服強度應不小于315MPa，根據(jù)DNVGL-OS-B101進行材料認證測試，在-50℃最低沖擊值為27J。

法蘭沖擊值波動影響因素分析

依據(jù)樁頂法蘭的結構特性，其熱加工制造流程一般為：冶煉→鐓拔、沖孔和擴孔、平整端面→擴孔(或軋環(huán))成形→熱處理。其影響因素分別涉及各工序的材料成分和冶煉控制、鍛造成形方法及熱處理過程中的冷卻方法。

研究表明，冶煉過程的鋼水純凈度將直接影響鍛件夾雜物等級,而夾雜物影響沖擊穩(wěn)定性。當A類夾雜物(硫化物)增多時，在后續(xù)鍛造過程中，硫化物夾雜物會沿著鍛造方向延展，使得工件產(chǎn)生各向異性，從而降低材料的橫向性能。另外，從微觀角度來看，晶界位置相對形成析出相，造成合金元素在晶界偏聚，夾雜物也往往存在于此，析出相、元素偏析和夾雜物的存在均對晶界的強度造成一定的不良影響，低溫下，夾雜物成為應力集中源，將直接導致法蘭鍛件的低溫沖擊波動變大。為此，在冶煉過程中需合理控制S和P的含量。

大型環(huán)類鍛件的成形方法主要為自由鍛和軋環(huán)。自由鍛和軋環(huán)的主要區(qū)別在于，自由鍛鍛制環(huán)類鍛件時，擴孔和平整端面的工序是分開的，而軋環(huán)則是擴孔與平整端面同時實現(xiàn)，兩者對法蘭的成形條件存在一定差別(法蘭在鍛造過程中，自由鍛是兩向鍛造，而軋環(huán)是四向鍛造)。

從鍛造角度講，大型自由鍛和軋環(huán)均可實現(xiàn)環(huán)類鍛件的鍛造，且可完成鍛造的基本任務(鍛造方法能夠鍛合鋼錠缺陷，擊碎鋼錠或連鑄圓坯的粗大鑄造樹枝晶，增加金屬致密度)。另外，自由鍛由于操作效率相對較低，已經(jīng)變形的部分受自身溫度的影響，會在后續(xù)鍛造道次到來之前得到一定程度的再結晶回復，加上各道次變形量相對較小，存在較大的晶粒長大風險。而軋環(huán)不同，由于鍛造效率高，使得已變形部分來不及再結晶回復，且整圈變形均勻，軋環(huán)鍛造成形更加有利于法蘭鍛件的成形及性能的穩(wěn)定。

熱處理工藝直接影響法蘭鍛件的強韌性，通過充分再結晶細化原奧氏體晶粒＋快速冷卻相結合，可獲得細小的鐵素體與貝氏體組織，且具有低溫韌性好、性能波動小等優(yōu)點，是高附加值H形鋼發(fā)展的方向。新一代TMCP方法的核心是通過控制形變與控制冷卻相結合，獲得細小均勻的鐵素體與貝氏體復合組織，以實現(xiàn)鋼的強韌化，其冷卻強度與均勻性的控制對最終產(chǎn)品的性能起著決定性的作用。由此，在熱處理過程中，通過控制冷卻，可以達到細化組織、提高低溫韌性、減小性能波動性等目的。

試驗方案及結果分析

法蘭材料成分設計

依據(jù)標準及相關文獻，對樁頂法蘭成分進行了設計，如表2所示。

表2 Q355NE+Z35鋼化學成分設計(質量分數(shù)，%)

鍛造及熱處理試驗方案

在保證冶煉純凈度的基礎上，初步提出兩種試驗方案，如圖1所示。方案一：自由鍛開坯+自由鍛成形，即整個過程從鋼錠到毛坯成品的所有工序均在自由鍛壓機上進行，熱處理采用強制冷卻方式。方案二：自由鍛開坯+軋環(huán)機成形，即在自由鍛壓機上制坯，然后在軋環(huán)機上軋環(huán)成形，熱處理采用強制冷卻方式。

圖1 樁頂法蘭兩種鍛造方案

為控制法蘭升溫過程中由熱應力導致的變形，熱處理工藝中增加了350℃和650℃的保溫臺階，650℃保溫結束以后快速升溫，以便迅速通過相變溫度，增加鋼在相變時的過熱度，提高奧氏體的形核率，從而達到細化奧氏體晶粒的目的。880～910℃保溫結束后出爐，快速轉至圓形水槽，并執(zhí)行冷卻工藝。法蘭鍛件冷卻過程如圖2所示。

圖2 樁頂法蘭冷卻

結果分析與討論

不同方案的法蘭鍛件在相同的位置取樣，并對處理后的試樣進行機械性能試驗和金相檢驗。熱處理后的沖擊韌性數(shù)據(jù)見表3、表4。

表3 兩種方案法蘭鍛件試樣熱處理后常溫沖擊值

表4 兩種方案法蘭鍛件試樣熱處理后低溫沖擊值

兩種方案的沖擊試驗結果表明，方案一和方案二中，試樣的常溫沖擊整體平均值非常好，而低溫沖擊方面，自由鍛成形的沖擊性能數(shù)據(jù)不如軋環(huán)機成形的沖擊性能。法蘭鍛件強制冷卻后回火，縱、橫向的金相組織均為均勻細小的珠光體+鐵素體組織，晶粒度為7級，沒有明顯夾雜物及帶狀組織，兩種方案法蘭鍛件的金相組織相近，如圖3所示。綜合來看，通過控制冶煉成分，采用軋環(huán)成形方法并采用強制冷卻，有利于樁頂法蘭沖擊值的穩(wěn)定。

圖3 法蘭金相組織

進一步試驗驗證

通過兩種試驗方案的數(shù)據(jù)對比，鍛造開坯+軋環(huán)成形的試驗方案的沖擊數(shù)據(jù)有明顯優(yōu)勢，為此，專門針對該方案進行了試驗驗證，以便后續(xù)方案的推廣。

法蘭鍛件鍛制軋壓成形后，在井式電阻爐中進行加熱，如圖4所示。井式電阻爐布置為芯體式，有利于環(huán)形法蘭受熱均勻。加熱溫度由890℃降低至880℃，保溫時間為10.5h，出爐后迅速移至圓形水槽，浸入冷卻劑強制冷卻，為使工件冷卻均勻，工件在圓形水槽內上下竄動，直到冷卻結束。

圖4 井式電阻爐加熱

對驗證方案試樣進行金相組織檢驗，縱、橫向的金相組織均為均勻細小的珠光體+鐵素體組織，晶粒度為7.5級，沒有明顯夾雜物及帶狀組織，金相組織如圖5所示。

圖5 驗證方案金相組織

驗證方案試樣的沖擊平均值顯示，無論是常溫沖擊還是低溫沖擊，數(shù)據(jù)波動均較小，最大最小值相差僅為0.7J和30.9J，且整體數(shù)值遠高于技術要求。該數(shù)據(jù)表明，鍛造開坯+軋環(huán)成形及強制冷卻方案有利于樁頂法蘭的沖擊穩(wěn)定性。

表5 驗證方案法蘭鍛件試樣沖擊性能

結論

法蘭鍛件要求強度和韌性均較高，這就要求制定熱加工工藝時需要嚴格把控各個環(huán)節(jié)。試驗方案及驗證方案的研究結果表明：

⑴控制冶煉質量有利于法蘭鍛件的低溫沖擊穩(wěn)定性，尤其是控制S、P含量，可以有效減少金屬材料中的夾雜物，降低夾雜物等級。

⑵鍛造開坯+軋環(huán)成形的鍛造方案有利于低溫沖擊穩(wěn)定性。

⑶熱處理過程中加熱均勻并強制冷卻，有利于沖擊韌性的提高及低溫沖擊的穩(wěn)定。