核電用壓力容器一體化封頭板坯及其鍛造成型方法
【專利摘要】本發明公開了一種核電用壓力容器一體化封頭板坯，包括板坯主體，所述板坯主體呈圓板狀結構，在該板坯主體的一面設有兩個人孔圓臺和兩個管孔圓臺，板坯主體的另一面為大錐角圓臺面。所述板坯主體(1)的大錐角圓臺面上底直徑φ1與板坯主體的外徑φ與比：φ1/φ=1/（1.80—1.90）。所述板坯主體上的大錐角圓臺面的圓臺錐角為170°?175°。其鍛造型方法包括以下步驟：鋼錠加熱；鍛坯下料；鍛坯鐓拔，鐓拔比3.0?3.5；模鍛成型；板坯熱處理。所述鍛坯鐓粗的每次鐓粗壓下率為24%—30%；鍛坯拔長的每次拔長壓下率為24%—30%。本發明不僅能實現封頭板坯的整體鍛造成型，而且鍛件組織均勻密實、金屬流線完整，更利于封頭成品的鍛造和力學性能的提高。
【專利說明】
核電用壓力容器一體化封頭板坯及其鍛造成型方法
技術領域
[0001]本發明涉及一種核電設備用大型結構件，尤其涉及用于鍛造核電用壓力容器一體化封頭的封頭板坯，本發明還涉及該封頭板坯的鍛造成型方法。
【背景技術】
[0002]隨著國際能源趨于緊張，各國都在大力發展新能源，全球核電己進入到一個高速發展時期，各工業發達國家和發展中國家都在積極致力于核電發展。我國能源結構也在進行調整，以降低煤炭在能源結構中的比重，將核電作為能源發展的主要方向之一。
[0003]目前核電技術正朝著大型化方向發展，核電設備關鍵部件均需要用到大型鍛件，新一代核電中反應堆壓力容器及蒸汽發生器封頭鍛件的板坯直徑甚至超過7000_，單個成品部件重量均在數十噸以上，屬于超大型板塊狀構件，鍛造難度非常大。其中核電蒸汽發生器封頭是蒸汽發生器中承擔壓差最大的部件，起到密封和隔離一、二回路冷卻劑的作用，也是一回路側冷卻劑流過管束前或后的匯集腔室，它包含了冷卻劑入口管孔、冷卻劑出口管孔和兩個人孔。故蒸汽發生器封頭是在半球冠狀的封頭主體上設有兩個管孔座和兩個人孔座;而要在如此大尺寸的球冠上一次性整體鍛造成型出符合尺寸要求和位置要求的管孔座和人孔座更是難以實現，雖然如此封頭產品向大型化和一體化方向發展是必然趨勢。
[0004]但現有封頭是將封頭本體與人孔座和管孔座通過焊接的方法進行拼接制造的，盡管隨著材料科學的發展，焊接材料的性能得到了很大的提高，焊接新工藝也層出不窮，但封頭主體與人孔座和接管孔座之間通過焊接而拼接的結構總是不能形成完整的金屬流線，由于核電蒸汽發生器長期處于高溫高壓的惡劣運行環境中，且承受交變荷載和管道渦流所形成的壓力突變，極易引起應力分布不勻和應力集中，容易產生疲勞、蠕變和損壞。而且這樣球冠體和管嘴分開焊接制造的方法，焊接工藝十分復雜、焊接周期長，復雜應力區質量穩定性差，直接造成成品率低，制造成本大幅上升。采用現有鍛造方法又難以制造出如此大尺寸、大變形量及復雜曲面的整體板坯，更難以鍛造出具有理想金屬組織結構、金屬流線完整的超大型鍛件，而鍛造出符合質量要求的封頭板坯又是生產封頭合格產品的關鍵所在。
【發明內容】
[0005]本發明所要解決的技術問題是提供一種核電用壓力容器一體化封頭板坯，它不僅能實現封頭板坯的整體鍛造成型，而且鍛件組織均勻密實、金屬流線完整。本發明另一要解決的技術問題是提供一種鍛造該一體化封頭板坯的成型方法。
[0006]為了解決上述技術問題，本發明的核電用壓力容器一體化封頭板坯，包括板坯主體，所述板坯主體呈圓板狀結構，在該板坯主體的一面整體鍛造有兩個人孔圓臺和兩個管孔圓臺，板坯主體的另一面鍛造有大錐角圓臺面。
[0007]所述板坯主體(I)的大錐角圓臺面上底直徑Φ I與板坯主體的外徑Φ與比:Φ1/Φ=1 八 1.80—1.90)。
[0008]所述板坯主體上的大錐角圓臺面的圓臺錐角為170°-175°。
[0009]所述板坯主體上兩個人孔圓臺(3)的位置夾角為90°，兩個管孔圓臺(2)的位置夾角為105°。
[0010]所述人孔圓臺與管孔圓臺之間的位置夾角為82.5°。
[0011]本發明核電用壓力容器一體化封頭板坯的鍛造成型方法，該一體化封頭板坯的鍛造型方法包括以下步驟:
⑴、鋼錠加熱:將鋼錠在加熱爐中加熱至580 0C —620 0C，保溫3小時，再以55 °C/ h—60°C/ h的加熱速度加熱至830°C —870°C，保溫4小時;再以78°C/ h—82°C/ h加熱速度加熱至 1130 °C—1170 °C，保溫4小時；再以 78 °C / h—82 °C / h加熱速度加熱至 1210 °C — 1240 °C，保溫I小時；
⑵、鍛坯下料:將上述加熱鋼錠從爐中取出切剁頭尾，冒口端切剁量為鋼錠重量的12%—16%，尾端切剁量為鋼徒重量的8%—10%，去除氧化層形成鍛還；
(3)、鍛坯鐓拔:將切剁頭尾的鍛坯鐓粗，鐓粗比為3.0-3.5；鐓粗后再將鍛坯拔長成圓柱狀，拔長比為3.0—3.5；鍛坯鐓拔溫度控制在800°C—1240°C范圍內；
⑷、模鍛成型:將拔長成圓柱狀的鍛坯放至帶有四孔的展寬砧上鐓粗成封頭板坯，該封頭板坯正面為大錐角圓臺面，封頭板坯反面鍛有兩個人孔圓臺和兩個管孔圓臺；
(5)、板坯熱處理:將封頭板坯空冷至640 °C —660 °C，保溫4一6小時；再空冷至300 °C —400°C，保溫4一6小時后；以45°C/ h — 50°C/ h的加熱速度加熱至640°C —660°C，保溫50—60小時，爐冷至180 °C時出爐至室溫；
所述鍛坯鐓粗的每次鐓粗壓下率為24%—30%;鍛坯拔長的每次拔長壓下率為24%—
30%。
[0012]本發明采用特定的鐓拔鍛造、熱處理和整體成型等工藝方法，使得本發明具體如下顯著優點:
本發明實現了核電用壓力容器一體化封頭板坯這種大型板塊狀實心構件的整體鍛造成型，使得人孔圓臺和兩個管孔圓臺與板坯主體之間形成了完整連續的金屬流線，而且鍛件的金屬纖維組織與鍛件外形能夠最大限度地保持一致，這樣就保證了封頭成品力學性能的極大提高，更能承受蒸汽發生器的高溫高壓以及交變荷載和蒸汽渦流所形成的惡劣工況，有利于封頭工作應力的均勻化和運行安全性的提高。
[0013]本發明采用特定的展寬砧，使得封頭板坯在進一步的鐓拔過程中形成了四個與封頭人孔座和管孔座位置尺寸相對應的圓臺體，既進一步細化了金屬組織，又有利于人孔座和管孔座的準確成型，使得封頭主體和人孔座、管孔座之間的金屬流線順暢連貫，且最大限度地與鍛件外形相一致;封頭板坯的正面在鐓拔中形成了大錐角圓臺面，這樣在球冠沖壓成型過程中，封頭板坯的中部金屬會在沖壓時從中部流向周邊部，從而保證金屬流線的合理和半球坯件厚度的基本一致，利于后道的近終成型加工。
[0014]本發明采用整體鍛拔工藝方法，使得鍛件的縱向力學性能和橫向力學性能均得到顯著提高。由于蒸汽發生器封頭屬于大型板塊狀實心構件，鋼錠在凝固過程中，不可避免地存在成分偏析、縮孔、疏松、夾雜甚至裂紋等缺陷，本發明通過對核電設備用鋼的流變特性的研究，找出這類厚大鍛件在不同溫度下形變與再結晶的規律，合理確定本發明的鍛拔、沖壓及鍛造比等工藝參數，并配合以熱處理過程熱處理工藝參數，保證了鍛后材料組織和成分的均勻性。
[0015]本發明采用鋼錠分區段加溫保溫規范，以及不同加工階段的熱處理規范，確保大體積、大斷面鍛件能夠均勻熱透，使鍛件心部、表面各區域間加熱溫度一致，避免因斷面溫度差產生溫度應力而導致鍛件鋼錠開裂。本發明的始鍛和終鍛溫度及加熱速度，使鍛件能在較好的塑性狀態下成型，既有效防止產生過熱，又保證鍛件再結晶充分。
【附圖說明】
[0016]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明作進一步說明。
[0017]圖1是本發明核電用壓力容器一體化封頭板坯結構示意圖；
圖2是圖1所示封頭板還的A—A剖面結構示意圖；
圖3是圖2所示封頭板坯的B向結構示意圖；
圖4是本發明核電用壓力容器一體化封頭板坯鍛造成型的工藝流程圖；
圖5是圖4所示鍛造成型方法中應用的展寬砧的結構示意圖；
圖6是圖5所不展寬站的A—A#lj面視圖。
[0018]圖中:I一板還主體、2—管孔圓臺、3—人孔圓臺、4一展寬站主體、5—人座模孔、6—管座模孔。
【具體實施方式】
[0019]圖1、圖2及圖3示出了核電用壓力容器一體化封頭板坯結構示意圖。封頭板坯的板坯主體I呈圓板狀結構，該圓板的外徑Φ=2600πιπι。在板坯主體I的一面整體鍛造有兩個人孔圓臺3和兩個管孔圓臺2，人孔圓臺3的外徑為720mm,，人孔圓臺3的高度為250mm，管孔圓臺2的外徑為430mm，管孔圓臺2的高度為210mm。板還主體I上兩個人孔圓臺3的位置夾角為90°，該位置夾角為通過兩圓臺中心線的板坯主體I兩半徑間的夾角。板坯主體I上兩個管孔圓臺2的位置夾角為105°，該位置夾角為通過兩該圓臺中心線的板坯主體I兩半徑間的夾角。相鄰的人孔圓臺與管孔圓臺之間的位置夾角為82.5°，該位置夾角為通過人孔圓臺和管孔圓臺中心線的板坯主體I兩半徑間的夾角。板坯主體I的另一面鍛造有大錐角圓臺面，該圓臺面所在的圓臺錐頂角為172°，即該圓臺面與圓臺中心線所構成的傾角為86°，圓臺面的上底直徑Φ l = 1300mm。圓臺面的上底直徑Φ I與板坯主體I的外徑Φ之比Φ I/Φ應控制在I/(1.80—1.90)之間，以便于沖壓成球冠型，且能保留截取試樣的余量。同樣板坯主體I的外徑Φ應為成品封頭球冠半徑R的3倍，優選地Φ =(2.8—3.2)R，板坯主體I上的人孔圓臺和管孔圓臺與成品封頭的兩個人孔座和兩個管孔座相對應。
[0020]圖3示出了本發明鍛造方法的工藝步驟流程圖(圖中實線為鍛件輪廓線，虛線為鍛前鍛件輪廓線)，該工藝過程中鋼錠的始鍛溫度為800°C，鋼錠的終鍛溫度為1240°C，即在鍛造過程中鍛坯的溫度低于800°C時，應將鍛件重新加熱，使鍛件的鍛造溫度保持在800°C-1240 °C范圍內。
[0021]本發明鍛造成型方法的實施例一:
在該工藝步驟中首先選用八棱柱狀鋼錠，鋼錠材料為508—3鋼，鋼錠重量為38噸。首先對鋼錠進行分段式加熱，先將鋼錠放入加熱爐中進行加熱，以提高金屬塑性，使其易于流動成型并獲得良好的鍛后組織，選擇恰當的加熱溫度區間，可使金屬坯件在塑性較好的狀態下成型；由于鋼錠屬于大型塊狀件，為減少由斷面溫度差產生的溫度應力，應使鋼錠均勻加熱升溫。本發明采用分段加熱升溫規范，首先將鋼錠送至加熱爐中加熱至580°C，在此溫度下保溫3小時，第二加熱段以55°C/h的加熱速度加熱至830°C，在此溫度下保溫4小時，第三加熱段以78°C/h的加熱速度加溫至1130°C，由于鋼錠溫度大于800°C時，鋼錠已具有一定的塑性，因此本加熱段采用了相對較快的加熱速度，第四段也以78°C/h的加熱速度加溫至1210°C，鋼錠在此溫度下保溫I小時而形成鍛造加熱坯件。
[0022]鍛件下料:將上述加熱鋼錠從加熱爐中取出送至大型液壓機，以剁刀為上砧對加熱鋼錠切剁頭尾，以保證有用的中段材料質量，其鋼錠冒口端的切剁量為鋼錠坯件總重量的12%，尾端段的切剁量鋼錠為坯件總重量的8%，對留下的鋼錠中段用鋼錘敲擊以去除鋼錠外周的氧化皮層而得到用于鍛造的鍛坯。
[0023]鍛坯鐓拔:將鍛坯沿軸向壓下鐓粗，該鐓粗采用大鐓粗比，以使鍛坯內部孔隙充分壓合，鑄態樹枝晶打碎，鐓粗的鐓粗比為3.0，鍛坯鐓粗的每次鐓粗壓下率應控制在24%—30%范圍內。在鐓粗后進行拔長，在鐓粗后進行拔長，其拔長的拔長比為3.0，每次拔長的壓下率也應控制在24%—30%范圍內，最終將鍛坯拔長成近圓柱狀。經過上述鐓粗拔長可以保證鍛件內部縮松、縮孔等孔隙缺陷閉合，得到較好的鍛造組織。
[0024]模鍛成型:將拔長成圓柱狀的鍛坯移至帶有四孔的展寬砧上鐓粗，展寬砧上的四孔位置與封頭成品的兩個人孔座圓臺和兩個管孔座圓臺位置相對應，在展寬砧上經過鐓粗而形成圓板狀的封頭板坯，該封頭板坯正面應鐓出具有大錐角的外凸圓臺面;封頭板坯反面的四個圓臺則分別與封頭成品件的人孔座和管孔相對應。封頭板坯件的大錐角圓臺面以便在下道沖壓成型時，保證在沖壓中板坯中部金屬向周邊均勻流動，使得半球冠狀封頭坯件的壁厚基本一致。鐓粗拔長的鍛造溫度控制在800°C—1240°C之間，即鍛造過程中鍛坯溫度降至800 °C，需將鍛坯重新加熱，使鍛坯溫度始終保持在800 °C—1240 °C范圍內。
[0025]板坯熱處理:為了保證鐓拔后的封頭板坯內部組織均勻并消除鐓拔過程中的內應力，在模鍛成型后還需對封頭板坯進行熱處理。首先將上述鍛得的封頭板坯空冷至640°C，在加熱爐中保溫4小時，再冷卻至300°C，仍送入加熱爐中保溫4小時后，以45°C/h的加熱速度加熱至640°C，在加熱爐中保溫40小時后隨爐冷卻至180°C出爐冷卻至室溫，而制得核電用壓力容器一體化封頭板坯。
[0026]本發明鍛造成型方法的實施例二:
該實施方式中仍選用八棱柱狀鋼錠，鋼錠材料仍為508—3鋼，鋼錠重量為50噸。首先對鋼錠進行分段式加熱，首先將鋼錠送至加熱爐中加熱至620°C，在此溫度下保溫3小時，第二加熱段以60°C/h的加熱速度加熱至870°C，在此溫度下保溫4小時，第三加熱段以82°C/h的加熱速度加溫至1170°C，由于鋼錠溫度大于800°C時，鋼錠已具有一定的塑性，因此本加熱段采用了相對較快的加熱速度，第四段也以78°C/h的加熱速度加溫至1240°C，鋼錠在此溫度下保溫I小時而形成鍛造加熱坯件。
[0027]鍛件下料:以剁刀為上砧對加熱鋼錠切剁頭尾，其鋼錠冒口端的切剁量為鋼錠坯件總重量的16%，尾端段的切剁量鋼錠為坯件總重量的10%，對留下的鋼錠中段用鋼錘敲擊以去除鋼錠外周的氧化皮層而得到用于鍛造的鍛坯。
[0028]鍛坯鐓拔:將鍛坯沿軸向壓下鐓粗，其鐓粗的鐓粗比為3.5，鍛坯鐓粗的每次鐓粗壓下率應控制在24%—30%范圍內。在鐓粗后進行拔長，其拔長的拔長比為3.5，每次拔長的壓下率也應控制在24%—30%范圍內，最終將鍛還拔長成近圓柱狀。
[0029]模鍛成型:將拔長成圓柱狀的鍛坯移至帶有四孔的展寬砧上鐓粗，展寬砧上的四孔位置與封頭成品的兩個人孔座圓臺和兩個管孔座圓臺位置相對應，在展寬砧上經過鐓粗而形成圓板狀的封頭板坯，該封頭板坯正面應鐓出具有大錐角的外凸圓臺面;封頭板坯反面的四個圓臺則分別與封頭成品件的人孔座和管孔相對應。鐓粗拔長的鍛造溫度仍控制在800 °C—1240 °C 之間。
[0030]板坯熱處理:首先將上述鍛得的封頭板坯空冷至660°C，在加熱爐中保溫6小時，再冷卻至400°C，仍送入加熱爐中保溫6小時后，以50°C/h的加熱速度加熱至660°C，在加熱爐中保溫60小時后隨爐冷卻至180°C出爐冷卻至室溫，而制得核電用壓力容器一體化封頭板坯。
[0031]圖5、圖6示出了模鍛成型工序中使用的展寬砧的結構示意圖。該展寬砧的展寬砧主體4呈圓板狀結構，在圓板結構的展寬砧主體4上設兩個人座模孔5，兩人座模孔5均為圓錐孔，其通過錐孔中心線的兩圓板半徑之間的夾角為90°。在展寬砧主體4上還設有兩個管座模孔6，兩管座模孔6也均為圓錐孔，通過該錐孔中心線的兩圓板半徑之間的夾角為105°。人座模孔5和管座模孔6的大端面底圓與展寬砧主體4的板面之間以圓弧面相過渡連接。人座模孔5和管座模孔6的孔徑和位置分別與核電用壓力容器一體化封頭板坯上的人孔圓臺和管孔圓臺位置相對應。
【主權項】
1.一種核電用壓力容器一體化封頭板坯，包括板坯主體(I)，其特征在于:所述板坯主體(I)呈圓板狀結構，在該板坯主體(I)的一面整體鍛造有兩個人孔圓臺(3)和兩個管孔圓臺(2)，板坯主體(I)的另一面鍛造有大錐角圓臺面。2.根據權利要求1所述的核電用壓力容器一體化封頭板坯，其特征在于:所述板坯主體(I)的大錐角圓臺面上底直徑Φ I與板坯主體(I)的外徑Φ與比:Φ I/ Φ =1/( I.80—1.90)。3.根據權利要求1或2所述的核電用壓力容器一體化封頭板坯，其特征在于:所述板坯主體(I)上的大錐角圓臺面的圓臺錐角為170°-175°。4.根據權利要求1所述的核電用壓力容器一體化封頭板坯，其特征在于:所述板坯主體(I)上兩個人孔圓臺(3)的位置夾角為90°，兩個管孔圓臺(2)的位置夾角為105°。5.根據權利要求1所述的核電用壓力容器一體化封頭板坯，其特征在于:所述人孔圓臺(3)與管孔圓臺(2)之間的位置夾角為82.5°。6.—種鍛造權利要求1所述的核電用壓力容器一體化封頭板坯的成型方法，其特征在于:該一體化封頭板坯的鍛造方法包括以下步驟: 鋼錠加熱:將鋼錠在加熱爐中加熱至580 0C —620 0C，保溫3小時，再以55 °C / h—60 °C /h的加熱速度加熱至830°C — 870°C，保溫4小時；再以78°C/ h—82°C/ h加熱速度加熱至1130°C — 1170°C，保溫4小時；再以78°C/ h—82°C/ h加熱速度加熱至 1210°C—1240°C，保溫I小時； 鍛坯下料:將上述加熱鋼錠從爐中取出切剁頭尾，冒口端切剁量為鋼錠重量的12%—16%，尾端切剁量為鋼錠重量的8% —10%，去除氧化層形成鍛還； 鍛坯鐓拔:將切剁頭尾的鍛坯鐓粗，鐓粗比為3.0—3.5;鐓粗后再將鍛坯拔長成圓柱狀，拔長比為3.0—3.5；鍛坯鐓拔溫度控制在800 °C—1240 °C范圍內； 模鍛成型:將拔長成圓柱狀的鍛坯放至帶有四孔的展寬砧上鐓粗成封頭板坯，該封頭板坯正面為大錐角圓臺面，封頭板坯反面的四個圓臺分別與核電蒸汽發生器整體式封頭的人孔座和管孔座位置相對應； 板坯熱處理:將封頭板坯空冷至640 °C —660 °C，保溫4 一6小時；再空冷至300 °C —400°C，保溫4一6小時后；以45°C/ h— 50°C/ h的加熱速度加熱至640°C —660°C，保溫50—60小時，爐冷至180 °C時出爐至室溫。7.根據權利要求6所述的鍛造成型方法，其特征在于:所述鍛坯鐓粗的每次鐓粗壓下率為24%—30% ；鍛還拔長的每次拔長壓下率為24%—30%。
【文檔編號】B21J5/00GK105921655SQ201610386114
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年6月3日
【發明人】張樂福, 王元華, 戴挺, 單群, 宣禹澄, 王進
【申請人】上海新閔（東臺）重型鍛造有限公司