大型環(huán)形鍛件、筒體鍛件近凈成形技術(shù)及裝備

任秀鳳  牛余剛  曲在文  鄭偉

摘  要:本文介紹了目前世界上超大型徑-軸向軋環(huán)機(jī)的設(shè)備能力，以及設(shè)計(jì)特點(diǎn)、軋制精度、適用領(lǐng)域。介紹了中國(guó)山東伊萊特重工股份有限公司在環(huán)形鍛件領(lǐng)域的生產(chǎn)能力，定制該設(shè)備的目標(biāo)產(chǎn)品等信息。介紹了大型環(huán)形鍛件生產(chǎn)新工藝--仿形軋制技術(shù)，介紹了筒體鍛件生產(chǎn)新工藝--鍛-軋成形技術(shù)。

關(guān)鍵詞:仿形軋制;鍛-軋成型;大型軋環(huán)機(jī)

    2016年5月，山東伊萊特重工股份有限公司從德國(guó)西馬克集團(tuán)簽訂一臺(tái)超大型徑-軸向軋環(huán)機(jī)，該設(shè)備徑向軋制力2500t；軸向軋制力1250t；最大軋制直徑16000mm，最大軋制高度3000mm，軋制坯料重量達(dá)200t，西馬克公司將該設(shè)備命名為RAW2500/1250-16000/3000。RAW2500/1250-16000/3000是目前世界上最大的軋環(huán)機(jī)，可為山東伊萊特公司生產(chǎn)世界上第一個(gè)直徑達(dá)16m的無縫環(huán)件。

該設(shè)備由德國(guó)西馬克梅爾公司設(shè)計(jì)制造，為滿足山東伊萊特生產(chǎn)超大直徑16m環(huán)件及高3m筒體的要求，西馬克公司設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)集合了公司多年軋制設(shè)備設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和先進(jìn)技術(shù)成果，     強(qiáng)大的輾環(huán)機(jī)RAW 2500/1250-16000/3000不僅僅是個(gè)“鋼鐵巨人”他也配備有聰明智慧的控制系統(tǒng)，因此它具有多功能和精確的執(zhí)行用戶的期望。以下該輾環(huán)機(jī)的優(yōu)勢(shì)代表了西馬克集團(tuán)設(shè)計(jì)師們令人驚嘆的努力和智慧。    

強(qiáng)大/ 性能極限控制

自動(dòng)設(shè)定所有工藝相關(guān)的變量

自由的自動(dòng)控制工藝流程

設(shè)備不會(huì)超負(fù)荷

先進(jìn)的技術(shù)用于異形輾環(huán)

APT-用于軸向異形環(huán)件（例如，風(fēng)電塔筒中間和底部法蘭）

RPT- 用于徑向異形環(huán)件（例如頂部法蘭/ 2 步芯軸軋制）

擴(kuò)展的控制功能：

環(huán)件監(jiān)控系統(tǒng)

所有軋制模式圖形支持（手動(dòng)，半自動(dòng)和自動(dòng)）

絕對(duì)數(shù)字測(cè)量和環(huán)件尺寸的數(shù)顯

對(duì)中力的自動(dòng)控制

環(huán)件位移的自動(dòng)控制

對(duì)中裝置的位置控制

數(shù)據(jù)記錄功能（整個(gè)軋制工藝過程的分析）

材料收縮的修正

設(shè)備彈性變形的補(bǔ)償

環(huán)件數(shù)據(jù)庫(kù)

故障顯示和監(jiān)控

遠(yuǎn)程服務(wù)- 擴(kuò)展的診斷和服務(wù)功能

工具調(diào)整的遠(yuǎn)程控制（對(duì)于異形軋制環(huán)件很有用）

o 工作臺(tái)高度

o 芯軸高度

o 主輥高度

技術(shù)支持軟件：

安全計(jì)算用于工作計(jì)劃

整個(gè)軋制過程的預(yù)分析

通過數(shù)據(jù)線的設(shè)備編程

    RAW2500/1250-16000/3000型軋環(huán)機(jī)使西馬克集團(tuán)的軋制設(shè)備制造能力提升到新的高度，而山東伊萊特重工也成為世界上唯一一家能夠軋制16米無縫環(huán)件的廠家。

軋環(huán)機(jī)將于2018年4月正式投入使用，山東伊萊特重工股份有限公司是環(huán)形鍛件的專業(yè)生產(chǎn)廠家，擁有四個(gè)鍛造分廠，5臺(tái)徑-軸向軋環(huán)機(jī)及5臺(tái)徑向軋環(huán)機(jī)，可軋制直徑從400mm到8000mm的環(huán)件,年產(chǎn)鍛件20萬噸。第一個(gè)鍛造廠成立于1975年，2007年與西班牙Forjas Iraeta合資成立第二個(gè)分廠，2011年成立第三個(gè)分廠，整個(gè)公司與西班牙Gestamp集團(tuán)合資，第四個(gè)分廠于2016年8月開工建設(shè)，RAW2500/1250-16000/3000將被安裝在這個(gè)分廠。山東伊萊特重工的主導(dǎo)產(chǎn)品為風(fēng)電法蘭、高壓輸變電管塔法蘭、管道法蘭、軸承圈、耐磨鋼球、磁性襯板等，其中風(fēng)電法蘭產(chǎn)量占中國(guó)市場(chǎng)的45%，同時(shí)為VESTAS、GAMESA、GE、SIEMENS等國(guó)際知名風(fēng)電制造商提供優(yōu)質(zhì)法蘭，山東伊萊特是第一家同時(shí)取得VESTAS和GAMESA兩家認(rèn)證資質(zhì)的廠家。

此前世界上最大的軋環(huán)機(jī)最大軋制直徑為10m,隨著海上風(fēng)電的快速發(fā)展，風(fēng)電法蘭大型化成為一種趨勢(shì)，RAW2500/1250-16000/3000軋環(huán)機(jī)可以很好的解決直徑10m以上大型海上風(fēng)電法蘭的成形工藝問題，同時(shí)充足的軋制力能大大提高了環(huán)件的鍛透性，提高鍛件性能，確保鍛件能夠承受海上惡劣的氣候條件導(dǎo)致的極端載荷，該設(shè)備將為風(fēng)機(jī)研發(fā)設(shè)計(jì)人員提供更廣闊的思路。

RAW2500/1250-16000/3000軋環(huán)機(jī)優(yōu)越的異型軋制功能給扎環(huán)工藝帶來更多可能性，環(huán)件軋制后的毛坯形狀將越來越接近成品形狀，從而有效降低環(huán)件生產(chǎn)的原材料投入、提高機(jī)加工生產(chǎn)效率。目前國(guó)內(nèi)大型風(fēng)電法蘭軋制大多采用矩形截面成型，以下圖中所示的塔底法蘭為例進(jìn)行對(duì)比：

Table 1

由表1對(duì)比可見，該法蘭的材料用量可減低12.5%，異形截面毛坯減少了材料切削量，對(duì)后續(xù)機(jī)加工非常有利，上圖中的T型法蘭毛坯機(jī)加工工時(shí)可減少4小時(shí)，加工效率大幅度提高。

另外石油煉化行業(yè)中加氫反應(yīng)器筒體目前多為自由鍛生產(chǎn)，傳統(tǒng)自由鍛工藝鍛造余量大、生產(chǎn)效率低。如應(yīng)用軋制工藝生產(chǎn)，可以提高生產(chǎn)效率，降低材料消耗，降低生產(chǎn)成本。以外徑6000mm，壁厚340mm,高2700mm，重128噸的筒體為例進(jìn)行對(duì)比。

1 鍛造工藝對(duì)比

鍛造筒體鍛造工藝流程：

下料－－Ⅰ火鐓粗沖孔－－Ⅱ火芯棒拔長(zhǎng)－－Ⅲ火預(yù)擴(kuò)孔、平整端面－－Ⅳ預(yù)擴(kuò)孔－－Ⅴ擴(kuò)孔出成品。

軋制筒體鍛軋工藝流程：

下料－－Ⅰ火鐓粗沖孔－－Ⅱ火芯棒拔長(zhǎng)－－Ⅲ火預(yù)擴(kuò)孔－－Ⅳ軋制出成品。

兩種工藝方法的前兩個(gè)火次完全相同，徑-軸向軋環(huán)機(jī)上下兩支錐輥在軋制過程中起到平整端面的作用，所以筒體鍛件不需要在壓力機(jī)上去平整端面，這樣可以節(jié)省1小時(shí)的鍛造時(shí)間；徑-軸向軋制變形速度快、筒體尺寸易于控制，軋制一次完成，僅需要20分鐘時(shí)間。而在壓力機(jī)上則需要兩個(gè)火次才能完成擴(kuò)孔鍛造，特別是筒體最后接近成品尺寸時(shí)，鍛造時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，一般有1個(gè)小時(shí)，而且因?yàn)槊恳诲N壓下量不同，極易產(chǎn)生橢圓，最后不得不增加校圓工序。 鍛軋工藝的加熱火次少，軋制時(shí)間短，鍛件生產(chǎn)時(shí)間可大幅度縮短。

2 熱處理工藝對(duì)比

鍛造筒體熱處理工藝流程：

鍛后熱處理－－粗加工－－探傷－－焊緩沖塊－－調(diào)質(zhì)熱處理－－性能檢驗(yàn)－－半精加工－－精加工。

軋制筒體熱處理工藝流程：

鍛后熱處理－－焊緩沖塊－－調(diào)質(zhì)熱處理－－性能檢驗(yàn)－－半精加工－－探傷－－精加工。

由于軋制筒體的表面成型質(zhì)量好，可以不經(jīng)過粗加工就投入調(diào)質(zhì)熱處理，因此可以取消粗加工和探傷工序，從而降低了鍛造余量，進(jìn)一步提高了生產(chǎn)效率。

軋制筒體總體生產(chǎn)制造周期較自由鍛筒體的生產(chǎn)周期可縮短10天。

軋制工藝與自由鍛工藝材料消耗方面的對(duì)比，參見表2：

表2

由于軋環(huán)機(jī)軋制精度高，鍛件規(guī)則，而且不需要輔加調(diào)質(zhì)粗加工余量，因此鍛造余量比傳統(tǒng)自由鍛工藝小40%~50%，材料消耗降低18%。

4 機(jī)械性能對(duì)比

為驗(yàn)證軋制筒體的機(jī)械性能與自由鍛筒體的差別，我公司根據(jù)現(xiàn)有的軋環(huán)機(jī)和100MN油壓機(jī)分別用軋環(huán)工藝和自由鍛工藝制作一個(gè)模擬件進(jìn)行對(duì)比，模擬件的截面尺寸與上文中提到的筒體截面相等。模擬件的尺寸為：外徑2000mm，高度800mm，熱處理狀態(tài)的截面厚度均為340mm,原材料使用同一只鋼錠，鋼錠重量45噸。試驗(yàn)結(jié)果列入表3。

表3

由上表可見，軋制筒體的機(jī)械性能完全滿足技術(shù)要求，與鍛造筒體相比，軋制筒體平均強(qiáng)度比鍛造筒體高約30MPa，沖擊平均值略低于鍛造筒體沖擊平均值，但是遠(yuǎn)高出技術(shù)要求。

綜上所述，軋制筒體比傳統(tǒng)鍛造筒體在生產(chǎn)效率上、經(jīng)濟(jì)效益上以及產(chǎn)品質(zhì)量方面都有了質(zhì)的提升，軋制筒體替代鍛造筒體是未來的發(fā)展趨勢(shì)。

RAW2500/1250-16000/3000 型軋環(huán)機(jī)落戶山東伊萊特重工后，將以其優(yōu)越的性能廣泛服務(wù)于風(fēng)電、水電、核電、石油石化、工程機(jī)械、軸承齒圈等各行各業(yè)，山東伊萊特將為更多客戶提供高性能環(huán)件的制造解決方案。