核岛大型锻件锻造比计算方法探讨.docx

梁书华 1， 刘凯泉 2， 阚玉琦 1， 刘红伟 1（1. 苏州热工研究院有限公 司 工艺评定中心 ， 江 苏 苏 州 215004；2. 中国第一重型机械股份公 司 天津研发中心 ， 天 津300457）摘 要： 结合核岛大型锻件，介绍了各锻造工序分锻造比的计算方法；并结合核电工程实际，对总锻造比的各种计算方法进行了综合比较，对核岛大型锻件的技术准备和质量控制具有指导意义。关键词： 核岛锻件； 锻造比； 总锻造比； 质量控制中图分类号：TG302文献标识码：A文章编号：1001-3814(2011)07-0085-03Discussion on Calculation Methods of Forging Ratio of LargeForgings for Nuclear IslandLIANG Shuhua1, LIU Kaiquan2, KAN Yuqi1, LIU Hongwei1(1.Process Qualification Center, Suzhou Nuclear Power Research Institute, Suzhou 215004, China; 2.Tianjin Heavy IndustriesResearch and Development Center, China First Heavy Industry Mechanical Corp., Ltd., Tianjin 300457, China)Abstract： Based on the large forgings for nuclear island, the calculation methods of forging ratio for each forging operation procedure are introduced. Then, the calculation methods of overall forging ratio are comprehensively compared with practice in nuclear power project. This has some guiding significance for technical preparation and quality control of large forgings for nuclear island.Key words： large forgings for nuclear island; forging ratio; overall forging ratio; quality control核电站反应堆压力容器、主泵、稳压器、蒸汽发生器和相应管道组成的压力边界作为裂变产物放射 性的第二道屏障。 这些设备所用锻件的质量直接关 系到核电站运行安全， 而且直接关系到核电站的寿 命。 为了保证核电锻件质量的再现性和稳定性，按相 关标准的要求，业主会对锻件供应商进行制造工艺技 术评定。 锻件供应商在核岛用大型锻件的制造过程 中，对工艺参数的修订是受业主全面监控的，尤其对 在制造技术大纲中认定的主要参数的更改，需要经过 用户和锻件制造工艺技术评定机构的批准。 通常情况 下，炼钢、锻造、热处理等工序是影响大型锻件内部质 量的关键工艺过程，而代表变形程度的锻造比是锻造 工艺中的主要参数1。 因此作为锻件制造过程中的主 要工艺参数“锻造比”的确定也就成为供应商和业主 所关心的焦点。钢锭直接锻造而成。 钢锭的内部会存在疏松、缩孔、偏析及微裂纹等铸造缺陷， 粗大的晶界处会富集碳 化物、硫化物等非金属夹杂物。 大部分的疏松、缩孔 和微裂纹等在锻造过程中会通过较大的变形量而锻 合，并且偏析也会有所改善。 在锻造过程中，较大的 非金属夹杂物会被打碎， 晶界处的非金属夹杂物也 会随着金属的流动逐渐形成纤维组织， 这时材料开 始出现各向异性， 当这种纤维组织结构能完全表现 金属流动方向时，即使再增加锻造比（变形量），这种 纤维组织也不会发生明显的变化了， 材料的力学性 能的改变也就不再显著。一般认为， 锻造比在 1.53 之间， 对钢锭原始 组织的破碎和锻件性能的改善作用很显著， 锻造比在 46 时这种变化趋于缓和，大于 6 时几乎不再有 变化。相关数据表明，锻造比对塑性指标（冲击功、韧脆转变温度、参考无塑性转变温度、断面收缩率和断 后伸长率等）影响较为显著，而对于强度指标（屈服 强度和抗拉强度等）的影响较小1。 锻造比越大，造 成材料力学性能的各向异性越明显（对于某些材料， 随着锻造比的增加，横向的塑性会下降），反而加大 了材料的不均匀性。 因此，对每种材料而言，最佳的 锻造比都有固定的范围。锻造比对锻件内部质量的影响核岛大型锻件由于重量较重、 尺寸较大通常由1收稿日期：2010-11-01作者简介 ：梁书 华(1972- )， 男 ， 黑龙江齐齐哈尔人 ， 高 级 工 程 师 ， 学 士，主要研究方向是大型铸锻件制造工艺研究、核岛关键 部件工艺评定；电话：E-mail: 热加工工艺 2011 年第 40 卷第 7 期85金属铸锻焊技术2011 年 4 月CastingForgingWelding常用的锻造比计算方法目前， 我国核电建设所依据的标准主要是法国 RCC-M 标准和美国 ASME 标准。 RCC-M M380 中 对锻造比提出了明确的计算方法，RCC-M 在各类核 岛锻件的采购规范中也明确提出了总锻造比大于 3 的要求。目前，由于我国重机行业受前苏联的影响较 大，且有较长的生产历史，企业均有自己的锻造比的 计算体系， 在锻造比的计算过程中往往会重传统而 轻标准规范。 各锻件供应商对各锻造工序的分锻造 比计算方法没有太大的差别， 但对于总锻造比的计 算，各类标准及习惯差异较大。2.1 分锻造比的计算式中：K1 为按扩孔前后的壁厚之比计算的锻造比；K2 为按扩孔前后壁厚中位线（平均直径 ）之比计算 的锻造比；D0、D1 为变形前后坯料的外径；d0、d1 为变 形前后坯料的内径。2下面简单证明 K 、K 是相等的。12由于扩孔前后坯料截面积基本不变， 下列等式成立：2222D0 -d0 =D1 -d1即： (D0+d0)(D0-d0)=(D1+d1)(D1-d1)即： (D0-d0)/(D1-d1) =(D1+d1)/(D0+d0)即： ( D0-d0 )/( D1-d1 )=( D1+d1 )/( D0+d0 )2222上式等号左边为变形前后壁厚的比， 等号右边为变形前后壁厚中位线（也就是平均直径）之比。 因 此， 环类锻件锻造比为变形前后壁厚之比或壁厚中 位线（平均直径）之比。 即扩孔锻造比计算式如下：K=K1=K2=(D0-d0)/(D1-d1) =(D1+d1)/(D0+d0)在 RCC-M M381.2 中规定环类锻件的锻造比即 为变形前后平均直径之比。拔长工序的锻造比计算在核岛锻件中，封头板坯，管板等在锻造工艺中 都有拔长工序，其拔长锻比按下式计算。2.1.1K=F0 /F1=L1/L0(1)式中：F0、F1 为变形前后坯料的截面积；L0、L1 为变形前后坯料的长度。当变形前坯料为钢锭时，F0 一般为小（水口）端 截面积2.1.2镦粗工序的锻造比计算核岛锻件中的筒体类锻件在冲孔前，以及管板、总锻造比的计算为使总锻造比能更好地反映锻件的变形程度，2.2人们采用了各种方法进行了总结研究，造比的计算方法一直都存在较大争议，法有以下几种。2.2.1 总锻造比为各分锻造比之和K 总=K1+K2+K3+但目前总锻主要计算方封头类锻件都要进行镦粗工序，式计算：K=F1/F0=H0 /H1镦粗工序锻比按下(2)式中：F0、F1 为变形前后坯料的截面积；H0、H1 为变形前后坯料的高度。(5)当分锻造比较小时， 按各分锻造比之和计算的总锻造比不能很好地反应锻件的实际变形量，如：两 道拔长工序的分锻造比各为 1.1，按加法计算的总锻 造比却达到 2.2，而实际的变形量并没有这么大（按 拔长前后的截面之比计算的总锻造比为 1.21）。当一道工序分多火次锻造时， 按加法计算总锻造比比按乘法计算总锻造比能更好地反应锻造的真 实变形过程。如进行单纯的连续拔长时，坯料原始截面为 F0， 第一火拔长后截面为 F1， 第二火拔长后截面为 F2， 第三火拔长后截面为 F3。芯棒拔长工序的锻造比计算在核岛类锻件中筒体类锻件以及进出口接管的2.1.3锻造过程都要进行芯棒拔长工序，式如下：其锻造比计算公2222K=F0 /F1=L1/L0 =(D0 -d0 )/(D1 -d1 )(3)式中：F0、F1 为变形前后坯料的截面积；L0、L1 为变形前后坯料的长度；D0、D1 为变形前后坯料的外径；d0、d1 为变形前后坯料的内径。2.1.4 扩孔工序的锻造比计算扩孔的锻造比一般为扩孔前后的壁厚之比或壁 厚中位线（平均直径）之比，即：扩孔锻造比按下式计算：按分锻造比之和计算为： K= F0 + F1 + F2F1F2F3K1=( D0-d0 D1-d1 F0 F1 F2 F0 )/()=(D0-d0)/(D1-d1)按分锻造比之积计算为： K=FFFF22(4)1233或 K2=( D1+d1 )/( D0+d0 )=(D1+d1)/(D0+d0)从上面的计算式可以看出， 按第二种方法计算22Hot Working Technology 2011, Vol.40, No. 786上半月出版金属铸锻焊技术CastingForgingWelding的分三火次拔长的总锻造比与一火次直接从 F0 拔长到 F3 的锻造比是一样的，但实际上在总锻造比相 同的条件下， 分三火次拔长的压实效果远没有一次 拔长的好。 从这个角度来说， 用加法计算总锻造比 更科学些。粗成形的部件的总锻造比为各序锻造比和纵向锻造比的平方根之积。进行合并计算。 镦粗比和拔长比分开计算，不2.2.5锻造比按工序类别分开表示锻造各类工序的锻造比均不进行合并计算，按 工序类别分开表示， 如按 JIS G0701 规定表示的总总锻造比为各分锻造比之积这 种 总 锻 比 的 计 算 方 法 应 用 的 较 为 广 泛 ， 在 RCC-M M382 中也规定，总锻造比为纵向锻造比（各 锻造工序纵向锻造比的乘积）与横向锻造比的乘积， 计算式如下：2.2.2锻造比： 1 1.8M 2.5E ，表示镦粗锻比为 2，芯棒拔长2锻比为 1.8，扩孔锻比为 2.5 的锻造过程的锻造比。总结锻造是一项操作极为复杂的工作， 影响锻造质 量的因素非常多，如：锻造方法、始锻温度、终锻温 度、压下量、进给量、砧子类型和宽度、润滑情况等， 对锻件内部温度场和应力场以及金属的流动均有不 同程度的影响，进而影响锻件质量。因此本文中提到 的锻造比对锻件内部质量的影响是指在一般条件下 评估的， 如要更深入地研究锻件内部质量随锻造比 的变化，还要综合考虑各种锻造因素的影响。 对于核 岛大锻件锻比的计算，目前情况下我们必须严格按有 关标准、规范规定的锻造比计算方法进行锻造比的计 算。 在此基础上，才能与标准、规范所规定的锻造比要 求进行比对， 才能有效保证核岛锻件的锻造变形量， 进而保证锻件的内部质量，保障核电站的安全。3K 总 =K1K2K32.2.3按分锻造比的大小计算总锻造比(6)有关研究表明，在锻造比较小时，随着锻造比的增加，力学性能的提升很快；在锻造比大于 23 后， 随着锻造比的增加，力学性能的提升相对减缓。 所以 为了能更好地表示出锻造比对力学性能的影响程度， 有专家提出，在分锻造比小于 2 时，用乘法计算总锻 造比；在分锻造比大于 2 时，用加法计算总锻造比。2.2.4反复镦粗和拔长时总锻造比的计算 大型锻件反复进行镦粗、拔长工艺时，其总锻造比的计算： 直接将所有的镦粗比和拔长比按加法 或乘法求总锻造比。 对于轴类件，只计算拔长比。 对于饼（板）类件，只计算镦粗比。 如：RCC-M M383 中规定，如果锻件经过中间镦粗，镦粗工序的锻造比 不计入总锻造比。 将轴类件的镦粗比和饼类件的 拔长比按一定方法折算后计入总锻造比。 最常用的 方法是将轴类件的镦粗比和饼类件的拔长比开平方 后计入总锻造比。 如：RCC-M M383 中就规定通过镦参考文献：王允禧 ， 余忠蓀45 号钢锻造比的研究J 金 属 学 报 ，1965，(1)：66-691(上接第 84 页) 中材料流动状态影响并不十分明显。通过改变坯料定位方式来改善材料流动状态可有效 避免成形缺陷的产生，获得良好锻件。(4) 生产试制结果与数值模拟结果吻合较好，验 证了数值模拟结果的可靠性，研究结果对于钢质同步环精密成形缺陷控制具有较为普遍的指导意义。分析及工艺改进J热加工工艺2010，39(13)：19-22宋克兴，郜建新，周伯