大直徑圓鋼成型工藝探討

河北鋼鐵集團舞陽鋼鐵公司鍛造廠 王兵 方立

大直徑圓鋼成型工藝探討

河北鋼鐵集團舞陽鋼鐵公司鍛造廠 王兵 方立

圓鋼是機械制造行業廣泛使用的坯料，國內目前能軋制的圓鋼最大直徑在200mm以下，而對于直徑超過200mm的圓鋼，則需要經過鍛壓成型。

鋼錠或連鑄坯經過鍛打后，可使組織內部微裂紋焊合，粗大晶粒細化，消除組織內部的疏松缺陷現象，使組織更加致密，纖維流線和外形輪廓一致，材料的綜合性能大大提高。圓鋼成型中，為保證產品表面光滑，無凸凹，需要一種專用的成型模具，模具設計合理與否將對產品質量和生產效率產生重大影響。本文，筆者就圓鋼成型使用原料、成型模具方面闡述自己的觀點。

一、原材料選用

1.原材料選用合適與否關系到成材率高低，將直接影響經濟效益。舞陽鋼鐵公司于2008年10月投產了25MN快鍛生產線，生產?200～?800圓鋼。在投產伊始，所生產?300以下圓鋼全部采用舞鋼公司第一煉鋼廠鋼錠投料，產品的力學性能均高于相應標準，探傷合格率在98%以上，但因鋼錠成材率偏低，無形中造成生產成本過高，在激烈的市場競爭中沒有價格優勢。

為降低生產成本，增加經濟效益，結合舞鋼公司自身實際，我們生產?200～?300圓鋼，擬采用第二煉鋼廠生產的連鑄板坯，連鑄板坯的厚度為200～330mm，寬度為1200～2100mm，長度任意。

2.可行性分析。鋼錠的基本結構如下圖1，其冒口約占錠身比重的15～17%，底部占錠身比重的3～5%以此計算，鋼錠加熱的氧化燒損為2%～3%，切頭為1%～2%，則使用鋼錠鍛制圓鋼的成材率在73%～79%之間。

而連鑄板坯由于沒有冒口、底部，理論上連鑄坯除去燒損、切頭，其余部分可全部成材，成材率在90%以上。

圖1 鋼錠基本結構

鍛造工藝中材料的塑性變形不但是成型的必要前提，而且也是破壞鑄態組織、鍛合內部缺陷，使組織均勻化的必要條件。塑性變形程度不同，鍛合的效果也就很不一樣。鍛比就是衡量鍛件塑性變形程度的指標。鍛比大小直接影響材料內部組織的鍛合效果，從而影響鍛件的機械性能。一般認為：鋼錠拔長時，隨著鍛比的增加，產生不同程度的組織變化。當鍛比為1.5～3時，鑄態組織得到破碎，氣孔和疏松得到焊合，使鋼錠組織致密。同時，鍛件中心產生沿軸向延伸的流線即出現鍛造纖維。這時，正如圖2所表明的使縱向和橫向韌性性指標獲得顯著提高，一般達50%～200%。但當鍛比大于3以后，鍛造纖維越來越明顯，數量越來越多，與此相應橫向塑性和韌性指標隨鍛比的增加而逐漸降低，而縱向的塑性和韌性指標則保持不變。鍛件的軸向、徑向和切向性能差別越來越大。即出現明顯的異向性。至于強度極限，當鍛比增加到3以上時也稍有提高，但并不明顯。同時，鍛比過大，也意味著生產效率降低，成本增加。

針對連鑄板坯，結合舞鋼公司的冶金水平，我們認為最適宜的鍛比為2.5～3.5。

圖2 鍛比對機械性能的影響

3.生產實踐效果。舞鋼公司鍛造廠使用的鋼種為中碳低合金結構鋼，厚度330mm，生產流程為：板坯熱送——帶溫切割——加熱——鍛造——熱處理。原料的切割規格及鍛制成品如表1：

表1 原料的切割規格及鍛制成品

從2009年4月開始嘗試使用連鑄坯鍛制圓鋼，與之前使用鋼錠投料相比，成材率可以穩定在85%以上，經濟效益明顯。

二、成型模具的改進

1.在鍛制時，當上砧座壓下下時，在圓弧內腔內的坯料受到擠壓產生徑向收縮和縱向延伸變形，外表面形狀為類似圓形，當上砧復位后，坯料隨之旋轉一定角度并送進一段距離，然后重復上述過程。這樣，坯料通過鍛打成型，直到外形和尺寸達到要求為止。其基本結構如圖3所示，該結構只要更換鑲塊I和鑲塊II，就可以生產不同規格的圓鋼，基本滿足圓鋼生產要求。

圖3 圓鋼成型模具結構

鍛造廠投產時，月產量不足500t，隨著市場的開拓，月產量穩定在1500t以上，模具使用頻率迅速增加，上述結構的模具的缺陷逐漸暴露出來，主要表現在以下幾個方面：

（1）鑲塊易變形或斷裂，壽命短。

（2）上砧座與下砧座配合部分磨損快，一旦磨損導向性極差，兩鑲塊很難對正，嚴重影響生產效率。

（3）圓鋼表面容易產生折疊，表面不光潔。

由于該結構成型模具存在以上問題，造成圓鋼合格率低，模具損壞快、更換頻繁，生產成本高。

2.原因分析。根據鍛造圓鋼成型模具的作用機理，對造成模具損壞、影響產品質量的原因作如下分析：

（1）該結構的導向主要依靠上砧座1與下砧座5之間的配合部分導向，在使用過程中，該配合部分隨上砧作往復動作，使用一段時間后，由于摩擦作用，該配合部分的間距增大，使鑲塊I和鑲塊II很難對正，容易造成圓鋼彎曲，給后續工作帶來麻煩。而且，一旦沒有對正就施壓，壓力將作用到上砧座1的側壁上，容易掰斷側壁或使側壁變形，導向性更差。采用這種結構的導向是不合理的。

（2）模具圓弧部分設計的不盡合理。該套模具的成型部分依靠圓弧部分完成，該端圓弧為正圓的一部分，在生產中，進入模具前的坯料上存在明顯的棱角，壓下量稍有不慎，金屬就被擠到型腔之外，翻轉90°以后形成折疊，如圖4，這是折疊產生的重要原因。

圖4 改進前的圓弧部分

3.改進措施。

（1）原來模具的導向僅僅依靠上下砧座的配合導向，改進后的模具添加了導向柱，其基本結構如右圖5：

圖5 改進前的成型模具

導向柱直徑為?120mm，以保證有足夠的強度，這樣整個模具的導向由4根在兩側分布的導向柱控制，由于4根彈簧起到平面支撐的作用，避免了上砧在復位時傾斜，基本上保證了模具的定位精度。如果長期使用后，上砧定位孔發生磨損，只用更換導柱即可，而不用更換整個上砧。

（2）根據受力情況，坯料進入弧形部分時是由點接觸逐漸變為面接觸的，模具弧形部分大部分為無用圓弧。因此將弧形部分應為圓弧和與之相切的直線L1、L2組成，如圖6。這樣的弧形同時具備V型砧的特點，集弧形砧與V型砧的特點于一身，其特點如下：進入砧子前的坯料截面可以適當放大，此時的拔長似V型砧鍛造，有效地避免了折疊產生，可以提高拔長效率，接近成品尺寸時靠圓弧部分成形；V形側壁在一定程度上也起到了導向作用，減少導向柱的磨損。

圖6 改進后的圓弧部分

三、經濟效益分析

1.原材料從使用鋼錠到使用連鑄坯，針對?300以下圓鋼，雖然鋼錠與連鑄坯價格幾乎相同，但成材率可提高5個百分點，成材率每提高一個百分點，成本至少可降低50元/t，按照年產?300以下圓鋼10 000t計算，則每年可降低生產成本500000元。

2.采用新型胎具后，更換的主要部件為導向柱，而不是更換上砧座和鑲塊，從而使模具消耗費用大幅度降低。

生產部分規格圓鋼所用的原材料，可以用連鑄板坯代替鋼錠；改進后的模具，可使產品的表面質量、尺寸精度得到顯著提高，并顯著提高模具使用壽命，大幅度降低生產成本。