超大型軋環(huán)機軋制筒體工藝

任秀鳳 牛余剛 賈 輝 李寶卿

(1. 山東伊萊特重工股份有限公司，山東250217；2. 西馬克集團有限責任公司，北京100102)

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了一臺超大型徑-軸向軋環(huán)機，該設備命名為RAW2500/1250-16000/3000，是目前世界上最大的軋環(huán)機，可為山東伊萊特公司生產(chǎn)世界上第一個直徑達16 m的無縫環(huán)件。該設備由德國西馬克梅爾公司設計制造，滿足了山東伊萊特生產(chǎn)超大直徑16 m環(huán)件及高3 m筒體的要求。

1 RAW2500/1250-16000/3000軋環(huán)機設備特點

1.1 具有的系統(tǒng)和功能

該設備具有控制功能、環(huán)件監(jiān)控系統(tǒng)、軋制模式圖形功能(手動，半自動和自動)、絕對數(shù)字測量和環(huán)件尺寸的數(shù)顯、對中力的自動控制、環(huán)件位移的自動控制、對中裝置的位置控制、數(shù)據(jù)記錄功能、材料收縮的修正、設備彈性變形的補償、環(huán)件數(shù)據(jù)庫、故障顯示和監(jiān)控、遠程服務——擴展的診斷和服務功能。

1.2 技術支持軟件

用于工作計劃的安全計算、整個軋制過程的預分析、通過數(shù)據(jù)線的設備編程。

2 不同截面軋環(huán)軋制對比

2.1 不同截面軋環(huán)軋制工藝對比

RAW2500/1250-16000/3000軋環(huán)機優(yōu)越的異型軋制功能給軋環(huán)工藝帶來更多可能性，環(huán)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(huán)件生產(chǎn)的原材料投入，提高了機加工生產(chǎn)效率。目前，國內大型風電法蘭軋制大多采用矩形截面成型，以塔底法蘭為例進行對比，如圖1所示。兩種不同截面軋環(huán)對比如圖2所示。

(a)產(chǎn)品圖紙 (b)成品形狀圖1 塔底法蘭Figure 1 Bottom flange

2.2 不同截面軋環(huán)軋制參數(shù)對比

由表1可見，該法蘭的材料用量可降低12.5%，異形截面毛坯減少了材料切削量，對后續(xù)機加工非常有利。而且T型法蘭毛坯機加工工時可減少4 h，加工效率大幅度提高。

3 自由鍛和鍛軋筒體工藝對比

另外，目前石油煉化行業(yè)中加氫反應器筒體多為自由鍛生產(chǎn)，傳統(tǒng)自由鍛工藝鍛造余量大，生產(chǎn)效率低。應用軋制工藝生產(chǎn)，可以提高生產(chǎn)效率，降低材料消耗，降低生產(chǎn)成本。以外徑為6000 mm，壁厚340 mm，高2700 mm，重128 t的筒體為例進行對比。

(a)矩形截面軋環(huán) (b)異形截面軋環(huán)圖2 兩種不同截面軋環(huán)對比Figure 2 Comparison of two rolled rings with different section

3.1 鍛造工藝流程對比

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，在軋制過程中，徑-軸向軋環(huán)機上下兩支錐輥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(jié)省1 h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 min時間。而在壓力機上則需要兩個火次，才能完成擴孔鍛造，特別是最后筒體接近成品尺寸時，鍛造時間相對較長，一般約1 h，而且因為每一錘壓下量不同，極易產(chǎn)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(chǎn)時間可大幅度縮短。

3.2 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(jīng)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，從而降低鍛造余量，進一步提高生產(chǎn)效率。軋制筒體總體生產(chǎn)制造周期較自由鍛筒體的生產(chǎn)周期可縮短10天。

表1 兩種不同截面軋制參數(shù)對比Table 1 Rolling parameters comparison of two sections

表2軋制工藝與自由鍛工藝材料消耗對比
Table2Materialconsumptioncomparisonbetweenrollingprocessandfreeforgingprocess

成品尺寸(外徑/內徑/高度)/mm鍛造工藝鍛造余量(外徑/內徑/高度)/mm鍛件重量/t鍛造火次鋼錠重量/t6000/5320/27006000/5320/2700自由鍛工藝軋制工藝125/135/34060/70/19019916354306250

表3模擬件力學性能對比
Table3Mechanicalpropertiescontrastofsimulatedpiece

室溫454℃-30℃Rm/MPaRe/MPaRe/MPa沖擊功/J狀態(tài)試樣組織晶粒度技術要求585～760415～620≥338平均值≥54--≥90 B≥5傳統(tǒng)自由鍛580617465500390408270、192、268252、242、175maxminA100% B6580603458495398419195、237、256223、245、248maxminB100% B7鍛—軋625642497542423462187、245、235172、200、176maxminA100% B7620633505545423455263、190、188158、182、170maxminB100% B6.5

4 材料消耗對比

軋制工藝與自由鍛工藝材料消耗的對比，見表2。

由于軋環(huán)機軋制精度高，鍛件規(guī)則，而且不需要附加調質粗加工余量，因此鍛造余量比傳統(tǒng)自由鍛工藝小40%～50%，材料消耗降低18%。

5 力學性能對比

為驗證軋制筒體的力學性能與自由鍛筒體的差別，我公司根據(jù)現(xiàn)有的軋環(huán)機和100 MN油壓機分別用軋環(huán)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2000 mm，高度800 mm，熱處理狀態(tài)的截面厚度均為340 mm，原材料使用同一只鋼錠，鋼錠重量45 t。試驗結果見表3。

由表3可知，軋制筒體的力學性能完全滿足技術要求，與鍛造筒體相比，軋制筒體平均強度約比鍛造筒體高30 MPa，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。

6 總結

(1)通過底部法蘭矩形截面軋制與仿形截面軋制兩種成型工藝對比，可見仿形軋制工藝能夠降低原材料消耗12.5%，減少機加工工時4 h，同時顯著降低能源消耗，屬于先進的近凈成形生產(chǎn)工藝。

(2)通過對典型筒體的傳統(tǒng)自由鍛工藝和軋制生產(chǎn)工藝分析對比，可見軋制工藝較自由鍛工藝可降低材料消耗18%，生產(chǎn)周期可縮短10天，顯著提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。

(3)通過對自由鍛筒體模擬件和軋制筒體模擬件的性能試驗結果分析，確定軋制工藝生產(chǎn)的筒體鍛件性能與自由鍛工藝基本一致，完全滿足技術規(guī)范要求。

(4)軋制筒體生產(chǎn)工藝與傳統(tǒng)自由鍛筒體生產(chǎn)工藝相比，生產(chǎn)效率與經(jīng)濟效益有顯著優(yōu)勢，軋制筒體替代自由鍛造筒體是未來的發(fā)展趨勢。