李殿中
, 孙明月
LI Dianzhong, SUN Mingyue
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收稿日期: 2016-09-2
网络出版日期: 2016-10-27
版权声明: 2016 《金属学报》编辑部 《金属学报》编辑部
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作者简介:
作者简介: 李殿中, 男, 1966年生, 研究员, 博士
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摘要
总结了宽砧径向压实工艺(WRF法), 该工艺可使应变集中于钢锭中心区域, 并满足孔洞闭合所需的最佳高径比条件, 因此可高效愈合钢锭的中心缩孔、疏松. 基于该方法, 针对压机压力较小的情况, 提出了单向大变形压实法. 该方法通过两个道次的单方向变形将坯料锻造成扁方状, 可以使用小压力实现较大钢锭内缺陷的有效愈合. 基于界面焊合原理, 针对管板类锻件探伤合格率较低的问题, 提出了管板类锻件的锻间保温锻造法. 利用该方法成功进行了含缺陷管板的修复实验. 以上各锻造工艺均经过工业实验验证, 证明其可以顺利愈合锻件内的孔洞型缺陷, 提高锻件合格率.
关键词：
Abstract
Large forgings are the fundamental parts of many kinds of key equipment, and large ingots are the basis of large forgings. There are severe metallurgical defects in large ingots, such as porosities, shrinkage cavities and gas cavities. The continuity of material is damaged by the defects, which must be eliminated during forging process. Using FEM simulation, it is found that void shape is the most important parameter affecting void closing during hot forging. Height-diameter ratio of the void is defined to describe the effect of void shape. The simulation results show that the larger height-diameter ratio of the void, the harder it is for the void to close. Based on these results, wide anvil radial forging (WRF) method is proposed. WRF method can concentrate the strain on the center of the ingot; make the height-diameter ratio of the voids smallest and heal shrinkage cavities effectively. Another one direction heavy forging method is proposed to be used on smaller forging machines. Using this method, the billet is forged along the same direction for two passes. This method can heal defects effectively with small pressure. Based on interface healing rules, temperature dwelling forging method for forging tube plates are proposed. A tube plate with defects is repaired using this method. These forging methods have been used on industrial experiments, and have been proved to be able to heal the defects in the billets and increase qualified rate of the forgings.
Keywords：
大型锻件是国民经济建设、国防工业和现代科学事业发展所必需的各种大型关键设备与装置中的主要基础零部件. 大型锻件制造业既是国家装备制造的基础行业, 也是关系到国家安全和国家经济命脉不可或缺的战略性行业, 其发展水平是衡量一个国家综合实力的重要标志.
由于金属的凝固收缩, 大型钢锭内部不可避免地会产生一定程度的缩孔、疏松、气孔等孔洞型缺陷. 这些缺陷的存在严重破坏了材料的连续性, 影响了锻件的力学性能. 通过对100 t核电转子用钢锭的解剖发现, 钢锭中心存在长度为1700 mm, 宽度为20 mm的轴线缩孔、疏松带[1-3]. 如果不能通过锻造过程使这些缺陷有效愈合, 会造成锻件超声探伤不合格, 从而导致批量报废, 造成重大的经济损失. 为了解决这一问题, 国内外的科研人员通过改变砧型、砧宽比、坯料温度等方法, 提出了多种拔长方法, 以提高坯料心部的应变, 更有效地愈合钢锭心部的缩孔、疏松. 目前常用的方法包括宽砧强压法(WHF法)、上下V形砧法(KD法)、无拉应力法(FM法)、硬壳锻造法(JTS法)等[4]. 针对这些锻造方法, 研究人员对锻造过程中采用的砧宽比、错砧量、压下率等参数进行了大量研究[5-9].
研究表明, 孔洞形状对锻造过程中的孔洞闭合过程有重要影响, 基于此, 本工作在总结锻造过程中孔洞型缺陷的愈合规律并提出宽砧径向压实法(wide-anvil radial forging, 简称WRF法)[10]的基础上, 提出了2种全新的锻造方法: 单向大变形压实法和锻间保温锻造法. 与传统方法相比, 这些方法可以更有效地愈合钢锭中心的缩孔、疏松缺陷, 适用于不同类型的锻件. 这些方法简单、易于操作, 且无需增加设备投入和操作成本, 有望成为未来大钢锭锻造的标准方法.
锻造过程中, 钢锭中孔洞型缺陷的愈合过程可以分为孔洞闭合和闭合界面焊合2个相对独立的过程[1,11,12]. 孔洞闭合是指孔洞在锻造过程中发生变形, 最终实现上下表面完全贴合. 闭合界面焊合是指在高温下, 已经贴合的孔洞表面通过原子扩散和再结晶等方式实现焊合. 在闭合界面焊合完成后, 才实现了缺陷的完全愈合. 缺陷的愈合可以恢复材料的连续性, 提高锻件性能, 保证锻件质量. 针对这2个过程, 研究人员进行了大量研究[13-18], 并提出了孔洞闭合判据[19-22]和闭合界面焊合条件[23-26]. 但这些研究均是基于球形孔洞的, 而在钢锭中孔洞的形状非常复杂, 在进行孔洞闭合规律的研究时必须考虑孔洞形状这一因素.
对影响孔洞闭合的各种因素进行系统研究[10,27], 发现变形温度、应变速率、摩擦系数、试样尺寸和孔洞尺寸对孔洞的闭合过程基本没有影响, 而试样高径比、孔洞位置和孔洞形状对孔洞的闭合过程有较大影响. 进一步研究表明, 试样高径比和孔洞位置是通过影响孔洞周围的应力、应变条件来影响孔洞的闭合, 是间接因素. 孔洞所在位置的应变越大, 孔洞越容易闭合. 而只有孔洞形状是影响孔洞闭合的直接因素[10].
本课题组前期工作[10]通过有限元模拟对尺寸为直径300 mm×400 mm的中心含孔试样在锻造过程中的变形情况进行了研究. 在试样中心部位设计不同形状的孔洞, 来考察这种改变对孔洞临界闭合压下率(孔洞完全闭合时所需压下率)的影响. 分别设计了饼状、球形、椭球形的孔洞, 如图1[10]所示的椭球形显示了孔洞的外形(均为轴对称模型). 为了描述孔洞形状的差异, 提出了孔洞高径比的概念. 将沿压下方向孔洞的轴长定义为高h (不一定为长轴长度), 将垂直于压下方向的轴长定义为径d, h/d即为孔洞的高径比. 图1中高径比最大的椭球形孔洞其高径比为7, 高径比为1时孔洞为球形, 而高径比为0.5时孔洞为饼状. 对于不同高径比的孔洞, 通过模拟得到的孔洞临界闭合压下率如图1[10]所示. 可见, 孔洞形状对孔洞的闭合有很大的影响: 沿变形方向孔洞的高径比越大, 孔洞闭合所需的压下率越大, 孔洞越难闭合. 这是由于对高径比较大的椭球形孔洞来说, 如图2[28]所示, 其变形过程会经历由椭球形变为球形、进一步变成饼状、最终完全闭合的过程. 可以说, 椭球形孔洞的闭合过程包含了球形和饼状孔洞的闭合过程, 因此其闭合最困难、需要的临界闭合压下率最大. 可以采用沿变形方向的孔洞高径比来作为孔洞闭合难易程度的判据, 在模拟条件下, h/d与孔洞的临界闭合压下率ΔHC/H符合以下关系:
式中, H为试样原始高度, ΔHC为孔洞闭合时所需的压下量.
图1 孔洞形状对临界闭合压下率的影响[
Fig.1 Effect of void shape on critical height reduction ratio[
图2 高径比为3的椭球形孔洞在不同压下率下的变形情况和应变场分布情况[
Fig.2 Void shapes and strain distribution of samples with an ellipse void under different reduction ratios[
(a) original shape (void height-diameter ratio h/d=3)
(b) reduction ratio of 20%
(c) reduction ratio of 32.5%
(d) void closed under reduction ratio of 41.5%
综上所述, 在影响孔洞闭合的各个因素中, 只有孔洞形状是影响孔洞闭合的直接因素, 也是最本质、最重要的因素. 对于不同形状的孔洞, 其闭合难易程度有很大差异. 将各种形状孔洞归一化为具有一定高径比的椭球形后, 则沿变形方向孔洞的高径比越大, 孔洞越难闭合. 因此, 在评估锻造工艺对孔洞型缺陷的压实效果时, 必须将孔洞形状作为首要的因素考虑, 对钢锭中真实的孔洞形状进行适当简化后考虑其是否能在锻造过程中闭合, 而不应简单采用球形孔洞的闭合作为实际缩孔、疏松闭合的判据, 这种处理方法是以往绝大多数研究工作未曾考虑到的. 在评估锻造工艺对孔洞型缺陷的压实能力时, 需要将孔洞所在位置的应力应变条件和孔洞的形状特征结合起来考虑, 只有这样得到的闭合判据, 才能够有效指导生产实践.
在实际钢锭中, 由于金属的凝固顺序是从表面到中心, 因此, 钢锭中心的缩孔、疏松缺陷通常呈长条状(管状)沿轴线分布. 在镦粗过程中, 由于中心缩孔、疏松的高径比很大, 非常难以使其闭合. 根据上述模拟结果, 镦粗过程中对于h/d=7的孔洞来说, 即使在50%的压下率下仍然难以使其完全闭合. 而在真实钢锭中, 中心缩孔、疏松的高径比可能远大于7[1], 因此在锻造过程中, 镦粗对于中心缩孔、疏松的闭合作用是非常有限的, 主要依靠拔长过程来愈合钢锭的中心疏松.
为了解决传统工艺的问题, 加大钢锭中心部位的应变以压实孔洞型缺陷, 本课题组前期工作[10]基于孔洞高径比对孔洞闭合过程的重要影响这一认识, 提出了宽砧径向压实法. 此工艺使用上下大平板, 沿钢锭直径方向进行压下, 这与传统的轴向镦粗和普通拔长方法完全不同. 这种工艺的优点是可以使应变集中于钢锭中心区域, 弥补传统拔长方法应变离散的缺点, 在生产过程中更容易控制, 有利于保证工艺的稳定性. 而且由于钢锭的中心缩孔、疏松沿轴线分布, 因此沿径向的压下可以最大程度满足孔洞闭合所需高径比的最佳条件, 弥补了传统镦粗工艺的不足.
为了验证该工艺的效果, 建立了使用宽砧径向压实法锻造含孔洞钢锭的有限元模型. 锻造前钢锭外形为圆柱体, 原始尺寸为直径2230 mm×2370 mm (去除冒口), 在钢锭中心偏向冒口端存在缩孔、疏松的位置制造一个尺寸、形状与实际孔洞相类似的简化模型, 孔洞模型呈圆柱体状, 尺寸为直径12.14 mm×90 mm, 在圆柱体棱部有半径为5 mm的圆角.
使用该模型进行模拟, 模拟结果如图3a[10]所示. 可见, 该方法使钢锭沿轴线分布的应变较大, 可达0.6以上, 且分布均匀. 图3b[10]的结果显示仅需施加20%的压下率即可使孔洞完全闭合.
图3 宽砧径向压实法孔洞压实效果模拟[
Fig.3 Simulation of void crushing using wide anvil radial forging[
(a) strain distribution after wide anvil radial forging
(b) void shape after wide anvil radial forging
对于大型钢锭, 为了减轻中心缩孔、疏松缺陷, 通常其高径比较小. 在钢锭高径比小于1.2的情况下, 可以直接使用宽砧径向压实法代替第一次镦粗, 即在锻前加热后直接进行宽砧径向压实. 如果钢锭的高径比大于1.2, 可以先进行预镦粗, 将其镦粗至高径比小于1.2, 再进行宽砧径向压实. 预镦粗的目的是改变钢锭的外形, 以保证随后的宽砧径向压实可以采用较大的压下率. 此后可以使用传统的拔长工艺进行拔长, 到达预定尺寸后再进行下一次的镦粗拔长. 使用已有压机就可以实现此工艺的操作, 不需要大量的投入进行技术改造, 工艺简便易行, 有望成为未来大钢锭锻造的标准方法.
与钢锭相比, 直径600 mm的连铸圆坯由于没有冒口对其中心缩孔、疏松进行补缩, 因此, 其中心区域通常存在严重的贯穿性缩孔、疏松缺陷, 采用普通锻造工艺难以使其有效愈合, 通常只能使用其锻造筒类、管类件, 这严重限制了其使用范围. 大断面连铸圆坯的中心贯穿性缩孔、疏松与大型钢锭中心的缩孔、疏松缺陷形状和分布非常相似, 因此使用连铸坯来验证宽砧径向压实法的有效性.
本课题组前期工作[10]中使用的直径600 mm连铸圆坯在生产过程中出现了大规模质量问题, 连铸坯轴线上存在肉眼可见的缩孔、疏松缺陷(直径达1 mm), 中心区域存在大面积点状偏析, 严重影响产品质量. 之前使用WHF等方法锻造的棒材按照GB/T 6402-1991的2级探伤标准检验, 合格率不到20%. 因此, 以此连铸坯为基础, 取9支4 m长, 直径600 mm的连铸坯, 将每支连铸坯切为两段, 其中一段使用宽砧径向压实法, 另一段作为对比使用传统的KD法进行拔长. 其中一支坯料的截面照片如图4[10]所示, 其中心存在着肉眼可见的严重缩孔、疏松缺陷.
图4 连铸坯横截面照片[
Fig.4 Picture of the continuous casting billet[
(a) section of the continuous casting billet
(b) local amplification of the center of the billet
对9支直径600 mm, 长2 m的连铸坯使用宽砧径向压实法沿径向压下, 压成扁方后回炉加热, 使已闭合的孔洞有充分的时间焊合. 之后使用600 mm宽砧拔长, 摔圆至直径385 mm, 此锻造过程如图5[28]所示. 作为对比, 另取9支连铸坯, 使用600 mm宽上平砧和下V型砧直接拔长, 再摔圆至直径385 mm.
图5 连铸坯锻造过程: 锻前加热、宽砧径向压实、拔长、摔圆至最终尺寸[
Fig.5 Forging processes of the continuous casting billet[
(a) heating before forging (b) wide-anvil radial forging (c) cogging (d) rounding to final dimension
锻造结束后, 采用较为严格的GB/T 6402-1991 2级标准进行探伤. 探伤结果显示, 使用上平砧和下V型砧直接拔长的对照组9支连铸坯有5支合格, 合格率为55.6%. 观察发现, 沿坯料轴线随机分布着点状或密集状的缺陷. 这是由于拔长过程中压下率较小, 在局部接砧区域存在变形死区, 此区域内的缩孔、疏松无法有效愈合, 从而导致探伤不合格. 采用宽砧径向压实法的9支连铸坯合格率为100%. 这是由于使用宽砧径向压实工艺后, 应变均匀地沿坯料轴线分布, 不存在变形死区, 可使轴线缩孔、疏松有效愈合.
锻造完成后, 将使用宽砧径向压实法锻造的连铸坯沿径向剖开、取样, 进行低倍检测, 结果如图6[28]所示. 可见, 锻件中心部位并未发现明显的缺陷, 锻件组织均匀致密. 这表明宽砧径向压实法可以有效愈合坯料中心的孔洞.
图6 使用宽砧径向压实法锻造的连铸坯截面和截面中心区域低倍检测照片[
Fig.6 Macrostructure of forged continuous casting billet using wide anvil radial forging method[
(a) cross section of the billet (b) local amplification of the center of billet
可见, 宽砧径向压实法对愈合钢锭或连铸坯轴线缩孔、疏松缺陷有非常良好的效果, 可以提高其探伤合格率, 大大降低报废风险.
基于以上研究, 在压机压力较小, 不满足宽砧径向压实法使用条件时, 提出了单向大变形压实法. 该方法通过两个道次的单方向变形将坯料锻造成扁方状, 所需压力较小. 与宽砧径向压实法类似,该方法同样可以使应变集中于钢锭中心区域, 满足孔洞闭合所需高径比的最佳条件, 从而使用小压力实现缺陷的有效愈合. 但其缺点在于稳定性不如宽砧径向压实法, 对错砧等工艺操作要求较高.
单向大变形压实法的工艺关键在于使用上下平砧沿同一方向对坯料进行两道次的单向大变形. 所使用平砧宽度应在压机能力允许范围内尽量大. 第一道次压下量为25%, 第二道次的压下量为15%, 在两道次之间错砧量为半砧, 以保证坯料轴线上应变均匀分布. 变形结束后, 坯料呈扁方状, 此时坯料内部缺陷已顺利闭合. 将坯料回炉重新加热并长时间保温扩散, 坯料内部已闭合的缺陷会在长时间高温作用下通过扩散实现愈合.
为了验证工艺的有效性, 对直径370 mm×3700 mm长钢锭进行了锻造. 该长钢锭凝固过程中冒口补缩作用很小, 沿轴线分布着非常严重的缩孔、疏松缺陷, 尺寸可达到毫米级别, 如图7所示.
图7 长钢锭轴线处缺陷低倍检测结果
Fig.7 Macrostructures of defects in the center of the long casting ingot
使用3000 t压机、400 mm宽砧对该长钢锭进行锻造. 沿同一方向进行两个道次的变形, 第一道次压下量为90 mm, 第二道次压下量为60 mm, 变形结束后坯料为扁方状, 如图8所示. 将坯料回炉, 在1200 ℃进行长时间保温, 使坯料中已闭合的缺陷完全焊合. 保温结束后将坯料锻造至最终尺寸. 锻造后探伤结果显示锻件内无直径2 mm以上的缺陷, 内部质量良好, 表明钢锭中的严重缺陷也可以使用本方法使其完全愈合.
图8 长钢锭经过两道次相同方向的变形后的照片
Fig.8 Photo of long casting ingot after two forging passes along the same direction
该工艺已应用于多家企业的生产中, 成为其标准锻造方法. 以在某公司的应用为例, 采用单向大变形压实法后, 其锻件合格率由60.0%提高到94.2%, 为企业创造了重大的经济效益.
锻造过程中, 钢锭中孔洞型缺陷的愈合过程可以分为孔洞闭合和闭合界面焊合2个相对独立的过程[1,11,12]. 锻造过程中, 必须先使孔洞型缺陷闭合, 这通常依靠有效的锻造工艺实现. 在缺陷闭合后, 必须满足界面焊合条件, 使已闭合的缺陷界面完全焊合, 缺陷的愈合过程才全部完成. 如果缺陷闭合后锻造工艺设计不合理, 无法满足界面焊合条件, 则会有裂纹状的缺陷残留, 从而导致探伤不合格. 界面焊合主要依靠高温下的扩散过程, 温度、保温时间和应力都会对扩散过程产生影响. 温度越高、保温时间越长、压应力越大, 越有利于已闭合缺陷的界面焊合. 因此, 在制定锻造工艺时, 必须首先使缺陷闭合, 之后保证闭合界面焊合, 才能有效愈合钢锭内部的缩孔、疏松缺陷.
在生产中发现, 管板类锻件的探伤合格率远小于普通轴类或模块类锻件. 这是由于管板类锻件虽然总变形量很大, 但其变形是沿单一方向, 在锻造工艺设计不合理的情况下, 仅能使缺陷闭合, 而不能使闭合界面焊合, 造成大量片状缺陷残留. 基于此, 提出了锻间保温工艺, 可以有效地使管板中的已闭合缺陷完全焊合.
利用报废管板进行了锻件修复实验. 管板锻件如图9a[28]所示, 其探伤结果如图9b[28]所示. 管板厚度约为270 mm, 管板外圆向内360 mm和内圆向外160 mm区域内无缺陷, 其余部分均存在大面积缺陷. 在探伤过程中底波消失, 说明缺陷尺寸很大.
图9 管板锻件及其缺陷区域示意图[
Fig.9 Tube plates (a) and sketch of defect area (unit: mm) (b)[
使用锻间保温工艺对含缺陷管板锻件进行改锻, 以修复其内部缺陷. 如图10[28]所示, 使用1.7 m宽砧分3次下压, 使砧子覆盖锻件表面, 每次压下量为20~50 mm, 锻后回炉, 在1200 ℃下保温10 h. 锻后探伤发现大面积缺陷已经消除, 但在部分区域存在小面积缺陷残留. 这是由于布砧情况不理想, 部分缺陷区域没有变形, 导致了小区域缺陷残留, 但这不影响工艺的有效性, 可以通过适当调整布砧使缺陷完全消除. 通过再次锻造, 使布砧区域包含该区域后, 残留的缺陷也被完全消除. 这证明, 锻间保温工艺对缺陷的愈合是有效的, 使用合适的工艺可以消除管板中的大面积缺陷.
图10 管板锻造过程中布砧情况及缺陷区域示意图[
Fig.10 Die positioning during forging of the tube plate and its defect area[
基于以上研究, 提出了一种可以有效控制管板锻件内部缺陷的锻间保温锻造法. 其工艺关键点如下: 将坯料镦粗至压机压力极限后, 使用旋转压平法继续变形, 使坯料高度不断降低, 并通过滚圆使坯料保持圆柱形. 在倒数第二火使用旋转压平法将坯料变形至厚度为最终锻件厚度的1.1倍. 之后将坯料回炉进行长时间高温扩散, 使坯料中已闭合的缺陷有充足的时间愈合. 最后将坯料锻造至最终锻件尺寸.
管板锻件的修复实验证实了锻间保温工艺能够使已闭合缺陷的界面完全焊合. 在锻造过程中使用该工艺, 可以顺利愈合锻件内的孔洞型缺陷, 提高锻件合格率. 这对锻造工艺设计, 尤其对于管板锻件的锻造具有重要意义. 此工艺未来有望成为管板类锻件锻造的标准方法.
(1) 总结了宽砧径向压实工艺, 该工艺可使应变集中于坯料中心区域, 并使应变均匀地沿坯料轴线分布, 不存在变形死区. 同时, 可以满足孔洞闭合所需高径比的最佳条件, 能够有效愈合钢锭的中心缩孔、疏松缺陷. 模拟和实验验证了该方法的有效性.
(2) 针对压机压力较小的情况, 提出了单向大变形压实法, 使用较小压力即可保证较大锻件内部缺陷完全愈合. 并通过长钢锭的锻造实验证明了钢锭中的严重缺陷也可以使用该方法将其完全愈合.
(3) 基于界面焊合原理, 提出了锻间保温锻造法. 利用该工艺成功进行了含缺陷管板的修复实验, 使已闭合缺陷的界面实现了完全焊合. 这对锻造工艺设计, 尤其对管板锻件的锻造工艺设计具有重要意义.
The authors have declared that no competing interests exist.
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