大型環形鍛件、筒體鍛件近凈成形技術及裝備

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-軸向軋環機的設備能力，以及設計特點、軋制精度、適用領域。介紹了中國山東伊萊特重工股份有限公司在環形鍛件領域的生產能力，定制該設備的目標產品等信息。介紹了大型環形鍛件生產新工藝--仿形軋制技術，介紹了筒體鍛件生產新工藝--鍛-軋成形技術。

關鍵詞:仿形軋制;鍛-軋成型;大型軋環機

    2016年5月，山東伊萊特重工股份有限公司從德國西馬克集團簽訂一臺超大型徑-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16000mm，最大軋制高度3000mm，軋制坯料重量達200t，西馬克公司將該設備命名為RAW2500/1250-16000/3000。RAW2500/1250-16000/3000是目前世界上最大的軋環機，可為山東伊萊特公司生產世界上第一個直徑達16m的無縫環件。

該設備由德國西馬克梅爾公司設計制造，為滿足山東伊萊特生產超大直徑16m環件及高3m筒體的要求，西馬克公司設計團隊集合了公司多年軋制設備設計經驗和先進技術成果，     強大的輾環機RAW 2500/1250-16000/3000不僅僅是個“鋼鐵巨人”他也配備有聰明智慧的控制系統，因此它具有多功能和精確的執行用戶的期望。以下該輾環機的優勢代表了西馬克集團設計師們令人驚嘆的努力和智慧。    

強大/ 性能極限控制

自動設定所有工藝相關的變量

自由的自動控制工藝流程

設備不會超負荷

先進的技術用于異形輾環

APT-用于軸向異形環件（例如，風電塔筒中間和底部法蘭）

RPT- 用于徑向異形環件（例如頂部法蘭/ 2 步芯軸軋制）

擴展的控制功能：

環件監控系統

所有軋制模式圖形支持（手動，半自動和自動）

絕對數字測量和環件尺寸的數顯

對中力的自動控制

環件位移的自動控制

對中裝置的位置控制

數據記錄功能（整個軋制工藝過程的分析）

材料收縮的修正

設備彈性變形的補償

環件數據庫

故障顯示和監控

遠程服務- 擴展的診斷和服務功能

工具調整的遠程控制（對于異形軋制環件很有用）

o 工作臺高度

o 芯軸高度

o 主輥高度

技術支持軟件：

安全計算用于工作計劃

整個軋制過程的預分析

通過數據線的設備編程

    RAW2500/1250-16000/3000型軋環機使西馬克集團的軋制設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米無縫環件的廠家。

軋環機將于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形鍛件的專業生產廠家，擁有四個鍛造分廠，5臺徑-軸向軋環機及5臺徑向軋環機，可軋制直徑從400mm到8000mm的環件,年產鍛件20萬噸。第一個鍛造廠成立于1975年，2007年與西班牙Forjas Iraeta合資成立第二個分廠，2011年成立第三個分廠，整個公司與西班牙Gestamp集團合資，第四個分廠于2016年8月開工建設，RAW2500/1250-16000/3000將被安裝在這個分廠。山東伊萊特重工的主導產品為風電法蘭、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，其中風電法蘭產量占中國市場的45%，同時為VESTAS、GAMESA、GE、SIEMENS等國際知名風電制造商提供優質法蘭，山東伊萊特是第一家同時取得VESTAS和GAMESA兩家認證資質的廠家。

此前世界上最大的軋環機最大軋制直徑為10m,隨著海上風電的快速發展，風電法蘭大型化成為一種趨勢，RAW2500/1250-16000/3000軋環機可以很好的解決直徑10m以上大型海上風電法蘭的成形工藝問題，同時充足的軋制力能大大提高了環件的鍛透性，提高鍛件性能，確保鍛件能夠承受海上惡劣的氣候條件導致的極端載荷，該設備將為風機研發設計人員提供更廣闊的思路。

RAW2500/1250-16000/3000軋環機優越的異型軋制功能給扎環工藝帶來更多可能性，環件軋制后的毛坯形狀將越來越接近成品形狀，從而有效降低環件生產的原材料投入、提高機加工生產效率。目前國內大型風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行對比：

Table 1

由表1對比可見，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，對后續機加工非常有利，上圖中的T型法蘭毛坯機加工工時可減少4小時，加工效率大幅度提高。

另外石油煉化行業中加氫反應器筒體目前多為自由鍛生產，傳統自由鍛工藝鍛造余量大、生產效率低。如應用軋制工藝生產，可以提高生產效率，降低材料消耗，降低生產成本。以外徑6000mm，壁厚340mm,高2700mm，重128噸的筒體為例進行對比。

1 鍛造工藝對比

鍛造筒體鍛造工藝流程：

下料－－Ⅰ火鐓粗沖孔－－Ⅱ火芯棒拔長－－Ⅲ火預擴孔、平整端面－－Ⅳ預擴孔－－Ⅴ擴孔出成品。

軋制筒體鍛軋工藝流程：

下料－－Ⅰ火鐓粗沖孔－－Ⅱ火芯棒拔長－－Ⅲ火預擴孔－－Ⅳ軋制出成品。

兩種工藝方法的前兩個火次完全相同，徑-軸向軋環機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上去平整端面，這樣可以節省1小時的鍛造時間；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分鐘時間。而在壓力機上則需要兩個火次才能完成擴孔鍛造，特別是筒體最后接近成品尺寸時，鍛造時間相對較長，一般有1個小時，而且因為每一錘壓下量不同，極易產生橢圓，最后不得不增加校圓工序。 鍛軋工藝的加熱火次少，軋制時間短，鍛件生產時間可大幅度縮短。

2 熱處理工藝對比

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－－調質熱處理－－性能檢驗－－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－－調質熱處理－－性能檢驗－－半精加工－－探傷－－精加工。

由于軋制筒體的表面成型質量好，可以不經過粗加工就投入調質熱處理，因此可以取消粗加工和探傷工序，從而降低了鍛造余量，進一步提高了生產效率。

軋制筒體總體生產制造周期較自由鍛筒體的生產周期可縮短10天。

軋制工藝與自由鍛工藝材料消耗方面的對比，參見表2：

表2

由于軋環機軋制精度高，鍛件規則，而且不需要輔加調質粗加工余量，因此鍛造余量比傳統自由鍛工藝小40%~50%，材料消耗降低18%。

4 機械性能對比

為驗證軋制筒體的機械性能與自由鍛筒體的差別，我公司根據現有的軋環機和100MN油壓機分別用軋環工藝和自由鍛工藝制作一個模擬件進行對比，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。試驗結果列入表3。

表3

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

綜上所述，軋制筒體比傳統鍛造筒體在生產效率上、經濟效益上以及產品質量方面都有了質的提升，軋制筒體替代鍛造筒體是未來的發展趨勢。

RAW2500/1250-16000/3000 型軋環機落戶山東伊萊特重工后，將以其優越的性能廣泛服務于風電、水電、核電、石油石化、工程機械、軸承齒圈等各行各業，山東伊萊特將為更多客戶提供高性能環件的制造解決方案。