核電站用217噸起重雙鉤產品的開發研制（上）

文/趙艷敏，劉賀，王重鑫·沈陽鑄鍛工業有限公司

核電站用217噸起重雙鉤產品的開發研制（上）

文/趙艷敏，劉賀，王重鑫·沈陽鑄鍛工業有限公司

核電站對環吊的要求是重載、精確、安全，這樣就對環吊的各組成部件提出了更高的要求。217t吊鉤是217/10+190+5t環吊的必用、關鍵部件，材質為DG34CrNiMo，起重噸位大，吊鉤本身的使用工況多樣化，形狀不同于以往常規吊鉤。采用的檢驗標準為德國KTA3903《核電廠用起重設施的檢驗與使用》，并具體規定了檢驗項目和具體指標，相對我公司以往生產的吊鉤的檢驗標準，檢驗項目不僅有常溫的屈服強度和應變時效沖擊，還有抗拉強度、延伸率以及0℃低溫沖擊性能要求。

217t吊鉤設計、制造技術在國外已經相當成熟，國內使用一直依賴進口。隨著我國核電能源建設的發展，核電起重機呈批量化投入和使用，對217t吊鉤國產化的研制時機也日漸成熟。為此，我們開展了核電217噸吊鉤國產化研制課題研究，并一次試制成功，填補了國內生產空白。

圖1 217噸吊鉤零件圖

核電217t吊鉤尺寸及技術要求

217t吊鉤尺寸如圖1所示，交貨重量2400kg，材質為DG34CrNiMo。鉤頭部分厚度為260mm，鉤頭至鉤尾的長度為944mm，均大于以往生產的吊鉤的尺寸。

力學性能指標：σs＞590MPa、σb＞800MPa、δ5＞13%、AkU＞34J（-20℃、0℃）。

超聲波探傷技術標準：按德國KTA3903《核電廠用起重設施的檢驗與使用》中B4.2.2要求執行。單個缺陷最大當量為φ4，缺陷在任一方向上不允許有延伸，缺陷底波降低量＜6dB，不允許有密集區缺陷。另外，除采用直探頭外，還要求對鉤桿及鉤腔部位采用斜探頭檢測。

研制過程

小試棒試驗

由于首次鍛制DG34CrNiMo材料的吊鉤，針對如此大噸位的吊鉤的低溫沖擊性能檢驗能否滿足要求，國內既沒有可用標準可循，也沒有成形的經驗可供參考。為了掌握DG34CrNiMo材料是否能滿足所需的強度要求，并且滿足低溫沖擊性能要求，我們首先從小試棒的試驗開始進行探索。

該試驗模擬吊鉤在胎模鍛造時的工藝和悶制火次的n頻次和n＋2頻次，按悶制時的加熱溫度及鍛后回火溫度，在5MN水壓機上鍛制材質為DG34CrNiMo、尺寸與217t吊鉤鉤桿直徑相同的試棒鍛件3件。

小試棒經等溫退火后取其中2件分別進行了低溫-20℃和0℃的力學性能檢驗和金相分析。第1個試件在-20℃時的沖擊功平均值Ak=119J，0℃時的沖擊功平均值Ak=141.67J，晶粒度7級，金相組織為回火索氏體。第2個試件在-20℃時的沖擊功平均值Ak=132J，0℃時的沖擊功平均值 Ak=145J，晶粒度7級，金相組織同為回火索氏體。

小試棒的鍛制過程及檢驗結果證明，DG34CrNiMo材料的鍛造工藝和低溫機械性能均符合要求。至此，材料上的初步試驗成功為后續的217t吊鉤制造提供了良好的數據支持，確定了進一步生產的可行性。

胎模設計與制造

采用胎模鍛制吊鉤，有鋼錠投料小、吊鉤實體呈纖維分布等優點，纖維方向的性能要優于垂直（橫切）方向的性能，有利于保證工件的強度，還可以減少機械加工量。本次試制生產217t吊鉤使用的上、下胎模由我公司自行設計、制造，為我公司首例，從而也增大了217噸吊鉤鍛件生產的難度。

吊鉤的鍛制胎模圖紙的設計，需要考慮材料在鍛造過程中不同尺寸的熱收縮率、各部分的熱收縮對其余部位的影響、分型面材料的滯留尺寸、去除氧化皮及打磨成形的難易程度、加工余量、制造順序的合理設置以及吊鉤批量化生產時胎模的壽命等諸多因素，而最終胎模模腔內尺寸要保證吊鉤坯料經加熱、悶制、冷卻收縮后的尺寸應滿足圖紙及制造公差要求。參照100噸雙鉤的模具圖紙，最終確定了國內最大噸位的吊鉤胎模設計圖樣，輪廓尺寸為2120mm×1760mm×500mm、材質為ZG310-570、主體壁厚500mm。吊鉤胎模采用鑄造成形。

圖2 217t吊鉤鍛造工藝卡第一頁

圖3 胎模鍛鍛造工藝卡第二頁

圖4 胎模鍛鍛造工藝卡第三頁

217噸雙鉤鍛造工藝

217t吊鉤鉤頭部分投影面積大，厚度尺寸大，其坯料成形過程內部質量達標較為困難。用常規的鍛造成形方法鍛造，雖然鍛造比、坯料截面變換等鍛造工藝參數符合鍛造通用技術標準，但由于217t雙鉤鍛件尺寸形狀的特殊性，按傳統工藝方法由于受到水壓機鍛造特點及冶金輔具使用的束縛，很容易忽略了橫向料寬比對鍛件鍛造成形過程的影響。橫向料寬若控制不當，會影響吊鉤的內部質量，滿足不了超聲波探傷及機械性能要求。因此結合該雙鉤鍛件成形過程中坯料尺寸、變形參數的瞬時變化，采取工藝措施，通過對縱向砧寬比、橫向料寬比兩個主要變形參數進行優化控制，同時兼顧成形過程中鍛造比、溫度、壓下量等其他技術參數控制，制定出坯料鍛造工藝方案。

圖5 胎模鍛吊鉤交貨圖

表1 各變形區應力狀態

(1）鉤坯鍛造工藝方案分析。

217t吊鉤鉤坯為寬板類鍛件，成形過程為兩次鐓拔成形。鍛件的內部質量是由合理的工藝過程來保證的，坯料變形過程歸根結底是鐓粗過程。近年來提出的剛塑性力學模型的拉應力理論認為鐓粗體在鐓粗時由于受上下表面摩擦力的影響，在整個變形過程中各部分應力、應變是不均勻的，應力的大小、方向也是不斷變化的，有利于塑性變形的應力狀態隨著變形過程的進行變得不利。

為此我們借助剛塑性拉應力力學模型，對坯料鐓粗后的拔長過程分析如下：

根據剛塑性拉應力力學模型及靜水應力切應力力學模型（詳見圖6）可看出，變形體在平板間鐓粗，拉應力引起的萌生與擴展的裂紋都存在于被動塑性變形Ⅲ區內。當尺寸0.5＜A/H＜1時，在鐓粗體的被動變形區（Ⅲ區）中心存在二向拉應力σx（軸向）和σy（橫向）。隨著鐓粗體由圖6a）變形到圖6c）狀態，此時A/H=1，進入到靜水應力區，有利于塑性變形。當鐓粗過程中達到圖6d）所示狀態A/H＞1時，坯料內部的死區（剛性區Ⅰ區）相遇，由于上下剛性Ⅰ區相交的公共區域內產生附加橫向拉應力，從而引起剪切變形，導致大鍛件內裂層缺陷形成機理。隨著A/H數值的不斷增大，在靜水應力區內引起剪切變形強度急劇增強。此剪切應力超過材料的抗剪強度，就會在剪切變形劇烈處引起呈層狀出現、平行于接觸面的剪切裂紋，鍛件中就會出現內部夾層裂紋性缺陷，產生剛性滑動撕裂效應（RST效應）。

圖6 剛塑性拉應力力學模型及靜水應力切應力力學模型

由此可看出，鋼錠的鍛透程度、內部裂紋的萌生和鍛件成形質量，均與變形坯料的尺寸變化直接有關。反映在拔長工序中體現在對相對送進量（砧寬比）、料寬比和壓下量等方面進行有效地控制。

217噸吊鉤鉤坯成形出成品過程中，寬高比逐漸增大，若不采取工藝措施，不可避免造成由于上下剛性區相交的公共區域內產生附加橫向拉應力，在伴隨終鍛溫度降低的情況下，很容易造成吊鉤的質量出現問題。

《核電站用217噸起重雙鉤產品的開發研制（下）》見《鍛造與沖壓》2017年第7期