文/任秀凤·山东伊莱特重工股份有限公司曲在文·第一重型机械集团公司水压机锻造厂
任秀凤,副总工兼技术研发中心总经理。负责公司技术革新项目的策划和实施,新产品研发、产品质量提升等工作。主持开发的《杀菌釜用法兰锻件项目》获章丘市科技进步三等奖,带领的《大型精密锻件成形技术与装备》被评为济南市优秀创新团队。获得实用新型专利18项,发明专利2项。
在当今装备制造业高速发展的时代,轧制技术不仅应用在轧制钢板、型材上,而且在轧制大型石化筒体锻件上取得了突飞猛进的进步,采用水压机、油压机锻造的大型石化筒体锻件大有被锻造+轧制的工艺所取代之势。目前这种大型筒体轧制设备在意大利、韩国、中国已经投入量产,并且取得了巨大的经济效益。大型筒体轧制设备主要有立式(图1)和卧式(图2)两种,立式筒体轧制设备轧出的筒体锻件有尺寸精确、表面光洁度好等特点,而卧式筒体轧制设备在筒体锻件吊装上比较方便。无论是立式还是卧式设备轧制的筒体锻件在产品质量、经济效益、生产效率上都比传统锻造的筒体锻件(图3)有了一个质的提高,锻造+轧制的工艺生产筒体锻件必然是未来的发展趋势。下面对轧制筒体锻件和锻造筒体锻件在产品质量、经济效益、生产效率等方面进行对比分析。
图1 立式筒体轧机
以外径φ6000mm、内径φ5320mm、壁厚t=340mm、长度L=2700mm、重量128t的筒体为例。
工艺流程对比
图2 卧式筒体轧机
图3 在压力机上锻造筒体
⑴锻造筒体:切割下料→I火镦粗冲孔→II火芯棒拔长→III火预扩孔、平整端面→IV预扩孔→V扩孔出成品。
⑵锻造+轧制筒体:切割下料→I火镦粗冲孔→II火芯棒拔长→III火预扩孔→IV轧制出成品。
前两火次两种方法完全一样,由于筒体轧机(立式轧机)上、下有两个轧制端面的锥辊,在轧制工作时可以起到平整端面的作用,所以筒体锻件不需要在压力机上去平整端面,这样可以节省半个火次,约1小时的锻造时间。且筒体轧机由于是机械转动,所以较压力机转动速度快、压下量均匀、筒体尺寸易于控制,因此在扩孔出成品时筒体轧机效率非常高,30分钟即可完成成品火次。而压力机锻造筒体需要两个火次才能完成扩孔锻造,特别是筒体最后接近成品尺寸时,锻造时间相对较长,一般有1个小时,而且因为每一锤压下量不同,极易产生椭圆,最后又增加一次校圆工序。
锻造余量
⑴锻造筒体:在粗加工取样图的基础上加锻造余量。粗加工图尺寸(是指筒体锻件在满足粗加工图的基础上去调质热处理,内、外径尺寸是考虑到热处理变形量,而长度则是加上检验试料尺寸)是外径φ6025mm、内径φ5285mm、壁厚t=370mm、长度L=2840mm、粗加工重147t。
筒体锻件尺寸是外径φ6105mm、内径φ5165 mm、壁厚t=470mm、长度L=3040mm。锻件重199t。所需钢锭重:306t,如图4所示。
⑵锻造+轧制筒体:外径φ6060mm、内径φ5250mm、壁厚t=405mm,长度L=2890mm。锻件重:163t。所需钢锭重:250t。
因为轧制筒体锻件(图5)表面光洁度非常好,特别是立式轧制筒体锻件表面几乎没有氧化钢皮,可以直接调质热处理,而不影响锻件的热处理性能,所以轧制筒体锻件在生产流程上可以取消粗加工,轧制筒体锻件可以直接在精加工图上加、减外、内圆余量,长度上由轧机上、下锥辊的控制,只加50mm余量。
图4 压力机锻造的筒体
图5 筒体轧机轧制的筒体
工艺流程对比
⑴锻造筒体:锻后热处理→粗加工→探伤→焊缓冲块→调质热处理→性能检验→半精加工→精加工。
⑵锻造+轧制筒体:锻后热处理→焊缓冲块→调质热处理→性能检验→半精加工→探伤→精加工。
机械性能对比
由于轧制筒体锻件最后一火次是靠轧机轧制而成,相对压力机锻造来讲,单道次压下量小,平均每道次约为3~5mm,业界对轧制筒体的性能有的持怀疑的态度,但实际上筒体锻件在前三火次都是大变形量锻造,在机理上已经完成了铸造组织的打碎、疏松的压实、晶粒的细化,完全实现的锻造纤维组织,可以通过热处理实现筒体锻件的各项理化检验。
表1 21/4Cr-1Mo-1/4V力学性能指标
技术指标 σ0.2/MPa σb/MPa σs454℃/MPa -30℃冲击/J要求 585~760 415~620 ≥338 三个试样平均值≥54,允许其中一个试样最低值≥47
表2 5件筒节力学性能对比分析
名称 工艺 壁厚/mm 常温拉伸/MPa σs454℃/MPa -30℃冲击/J 模拟状态 试料 金相σ0.2 σb 组织 晶粒度482 600 416 190/240/238 Max A 100%B 6 540 645 455 146/203/186 Min 488 605 413 265/182/178 Max B 100%B 6 535 645 453 150/67/58 Min筒节1 轧制 500 495 620 421 130/179/134 Max A 100%B 6.5 545 665 457 124/62/133 Min 505 625 421 158/157/144 Max B >90%B 6.5 555 665 459 126/140/72 Min筒节2 轧制 500 461 585 388 272/190/270 Max A 100%B 7 503 615 411 256/248/172 Min 456 585 391 98/247/266 Max B 100%B 7 497 613 416 238/243/268 Min筒节3 锻制 500 480 599 404 230/192/148 Max A 100%B 7 519 632 437 72/216/160 Min 479 600 402 184/165/223 Max B 100%B 7 497 622 437 160/50/274 Min筒节4 锻制 500 474 591 403 248/273/273 Max A >90%B 6.5 530 637 449 271/178/58 Min 488 603 410 276/280/280 Max B >90%B 6.5 538 645 450 156/261/279 Min筒节5 锻制 520
以材质21/4Cr-1Mo-1/4V为例,选取同一项目中的5件筒节(2件轧制、3件锻制)进行力学性能对比分析,详见表1,2。
⑴采用锻造+轧制的工艺方案比锻造的筒体节省材料18%。
⑵采用锻造+轧制的工艺方案比锻造的筒体生产周期可缩短10天(主要是加热时间、由于锻造余量的减少所缩短的加工时间、采用毛坯调质所减少的一次粗加工时间及锻件倒运时间)。
⑶采用锻造+轧制的工艺方案比锻造的筒体可节约大量的加热能源(由于钢锭重量减少而缩短加热保温时间)。
⑷采用锻造+轧制的工艺方案完全可满足技术条件的要求,完全可以替代锻造筒体,只是轧制筒节强度高于锻制筒节强度约1~20MPa。轧制筒节冲击平均值略低于锻制筒节冲击平均值,两者冲击值都高于技术指标54J。
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