淺談超大型環鍛件、筒體鍛件軋制成形技術

文/任秀鳳，牛余剛，曲在文·山東伊萊特重工股份有限公司

本文主要介紹了大型環形鍛件、筒體鍛件生產的新工藝——徑軸向軋制技術，并介紹了當今世界上最大的軋環機的設備能力，以及直徑15.45m超大環件和直徑6m的筒體軋制成形過程。

超大型環鍛件、筒體鍛件是大型裝備必不可少的關鍵零部件，在海上風電、核電、水電、石油煉化、航空航天等領域具有廣泛的應用。隨著我國裝備制造業的高速發展，受國內制造工藝水平和能力的限制，大型環鍛件、筒體鍛件的供需矛盾日益顯現，有些裝備制造廠家不得不將目光轉向國外進口。

當前直徑超過10m的大型環鍛件多采用分段拼焊工藝或鑄造工藝生產，如大型混凝土回轉窯輪帶多采用鑄造工藝生產，由于工件直徑大，不得不設置多個澆冒口，不僅材料利用率低，而且砂眼、縮孔、冷隔等鑄造缺陷很難避免。而大型環鍛件的分段拼焊工藝則存在焊縫與本體組織狀態不一致的顯著缺陷。

當前國內直徑4m以上的大型筒體鍛件多采用自由鍛方式生產，主要生產廠家有中國一重、二重、上重、中信重工等大型鍛造企業，2015年中信重工用185MN油壓機鍛造出直徑6.72m，高3.95m，重202t的超大型筒體，受油壓機凈空高度、開檔尺寸等限制，該尺寸的筒體鍛件基本已達到設備的極限。

此外，大型自由鍛件鍛造時間一般較長，始鍛部位與終鍛部位的鍛造溫度和變形量很難均勻一致，因此鍛件內部組織和晶粒度會差異較大，尤其像奧氏體不銹鋼這類不能通過后續熱處理細化晶粒的鍛件，其差異性更為明顯。

大型環鍛件、筒體鍛件的生產無論是拼焊工藝、鑄造工藝還是自由鍛工藝均存在生產效率低、均質性差、材料消耗大的共性問題。

徑軸向軋制技術（輾環）是國際上公認的近凈成形先進制造工藝技術，適用于環類、盤類、筒體類鍛件的成形，與傳統自由鍛工藝相比，具有節能、高效、材料利用率高的特點，而且軋制后的工件內部組織致密、晶粒細小，流線完整，對于提高工件的強度、耐磨性、疲勞壽命具有非常重要的意義。

圖1 大型環件鑄造圖(左)、自由鍛筒體圖(右)

山東伊萊特配備的RAW2500/1250～16000/3000軋環機是當今世界上最大的徑軸向軋環機，該設備徑向軋制力2500t；軸向軋制力1250t；最大軋制直徑16m，最大軋制高度3m，軋制坯料重量達200t，能夠生產直徑16m的超大型無縫環件、高度3m的筒體類鍛件，能夠解決當前大型環鍛件、筒體鍛件的生產制造難題，為我國大型裝備的研發制作提供有力保障。

該設備不僅軋制力能大，而且配備精確的控制系統（圖2），具有多功能和精確的執行用戶期望的能力，可自動設定軋制變量，自動控制軋制流程，自動監控工件長大過程，并具備先進的異形軋制功能。高精度控制不僅提高鍛件外觀質量，更能夠進一步降低鍛件余量，降低材料消耗。

圖2 自動操控面板

2018年5月，該軋環機及配套135MN油壓機、熱處理設備、機加工設備實現全線投產，先后生產出直徑15.45m的大型環形鍛件以及直徑6m、高度3m的筒體鍛件，以下分別做介紹。

超大型環形鍛件軋制

環件目標尺寸：外徑15.45m、壁厚285mm、高度645mm，材質Q345E，鋼錠重量105t。采用油壓機開坯，開坯尺寸：外徑5300mm、內徑3400mm、高度850mm。

工藝流程：鋼錠滾圓—拔長—下料—鐓粗—沖孔—擴孔—第一火軋制—第二火軋制—鍛后冷卻。（圖3）

圖3 超大型環形鍛件軋制過程

直徑15.45m環鍛件軋制第一火從外徑5.3m軋制至7m，軋制僅需7分鐘；第二火軋制從7m至15.45m，用時10分32秒，終軋溫度不低于900℃。軋環后毛坯經測量，測量結果列入表1。從表1中數據可知，毛坯外徑橢圓58mm；內徑橢圓54mm，平面平整度≤5mm，鍛件外觀平整，無凹槽、凹坑、折疊等缺陷。

表1 15.45m環鍛件毛坯尺寸測量結果 單位（mm）

大型筒體鍛件軋制

筒體目標尺寸：外徑6000mm；內徑5500mm；高度3000mm；材質：Q345E，鋼錠重量158t。鍛坯尺寸：外徑4290mm；內徑3500mm；高度3035mm。

工藝流程：鋼錠滾圓—拔長—下料—鐓粗—沖孔—芯棒拔長—擴孔—軋制—鍛后冷卻。(圖4）

直徑6m，高度3m的大型筒體軋制用時4分52秒，毛坯冷卻后的尺寸檢測結果列入表2，由表2數據可見，筒體軋制成形良好，橢圓度≤20mm，上下錐度≤12mm，外觀質量優良。

圖4 大型筒體鍛件軋制過程

軋制環鍛件性能檢測

2018年6月我公司承接某項目整體螺栓拉伸機支承環的制作任務，該產品材質30Cr2Ni2Mo，外徑5262mm；內徑4210mm；高度371mm，鋼錠重量41t，性能檢測要求從三個螺栓孔P1、P2、P3內取樣，三個螺栓孔位置相隔120°，成品形狀及取樣要求如圖5所示。

圖5 螺栓拉伸機支承環

制作工藝流程：鋼錠滾圓—熱切水冒口—開坯鍛造—軋環—鍛后熱處理—粗加工—UT檢測—調質處理—取樣檢測—精加工。(圖6）

力學性能試驗結果列入表3：

由表3所列數據可見，軋制環鍛件熱處理后的力學性能檢測指標均滿足技術要求，P1、P2、P3三處檢測結果橫向拉伸性能相差10MPa，軸向拉伸性能相差16MPa，鍛件表層至中心的硬度差僅為16HB，鍛件各部性能均勻，差異性很小。充分驗證大型軋環機鍛透能力，體現了軋制環鍛件的均質化特點。

表2 筒體毛坯尺寸測量記錄 單位（mm）

表3 支承環鍛件力學性能檢測結果

圖6 支承環工藝流程

結語

徑軸向軋制工藝是環形鍛件特有的成形工藝，以成形精度高，余量小，生產效率高而被認可，歐美國家早已將筒體軋制技術廣泛應用于石化、核電等關鍵能源裝備領域，但是他們的軋制工藝技術對外封鎖。山東伊萊特致力于環鍛件行業40余年，積累了豐富的軋制經驗，軋制工藝技術是山東伊萊特的核心競爭力。RAW2500/1250～16000/3000軋環機以其優越的軋制功能給軋環工藝帶來更多可能性，將山東伊萊特的軋制能力提升至世界領先地位。

山東伊萊特將以深厚的軋制技術實力和先進的設備能力，為國內外風電、水電、核電、石油石化、工程機械、軸承齒圈等各行各業的設計者們提供更廣闊的思路，提供更完美的高性能環件制造解決方案。