大型管板锻件夹杂性裂纹分析和工艺改进

    压力容器用管板、法兰和封头等大型饼类锻件的生产在国民经济发展中占据十分重要的地位,其生产水平的高低在一定程度上被视为衡量一个国家工业发展水平的标准。在实际生产中，此类锻件生产难度大，常因探伤不合格而报废，其中最严重的便是夹杂性裂纹.

    钢中的非金属夹杂物按传统的分类方法可分为外来夹杂和内生夹杂两种。目前，随着炼钢技术的迅速发展，特别是真空技术的采用，使得钢水的质量大大提高，外来夹杂物的含量已经很低，但内生夹杂物，尤其是那些在凝固过程中生成的各种夹杂，则比较难于控制。因为它们是钢的组成部分，虽其大小、形状、分布和组成等都可以得到改善，但绝对不可能完全避免。对于大型锻件用钢而言，随着钢锭体积的加大，内生夹杂物的尺寸也相应地加大。在管板锻件的常用材料20MnMo、16Mn等钢中，最主要的非金属夹杂为硫化物(以MnS为代表)、铝酸盐类(以铝酸钙为代表)及少量的氧化物夹杂，这些夹杂物的存在及其在压力加工中的变化，构成了产生夹杂性裂纹最主要的动因。避免大型饼类锻件内部的夹杂性(裂纹)缺陷，必须从控制夹杂物形貌(使之减少成为片状的可能)和抑制微夹杂性裂纹聚合的角度出发，来制订锻造工艺。同时，还要兼顾到压实孔洞和疏松等钢锭的内部缺陷，避免产生锻件混晶等问题。

    我公司近期生产了5件大型管板锻件，规格为1920mm×200mm，材质为16Mn，重量为4790kg，钢锭利用率为68．5％。其中3件因出现大面积密集性缺陷和3处单个缺陷大于4mm而报废，缺陷位置径向集中在直径的1／2环形区域，轴向集中在高度的中间区域，超声波探伤过程中发现有底波下降和消失的现象，可判断出有大面积的密集性缺陷，可能为白点、疏松以及夹杂性裂纹等空穴型缺陷。该批管板锻件用钢是经过电炉冶炼+炉外精炼制成。根据钢厂的质保书显示，氢的含量控制在2×10以内；锻件锻后冷却到500℃左右就装炉正火，避免了产生较大的组织应力和热应力；在290—310℃和640—660℃两段扩氢温度范围内保温时间均不低于15h，因此，可断定该缺陷不是白点。锻造工艺采用两次W H F法拔长+一次镦粗成形，锻造比达8．8，钢锭内的孔洞、疏松等内控缺陷可基本锻合，也排除了疏松的可能。通过上面的分析，3件报废大型管板探伤超标的孔隙性缺陷可判定为夹杂性裂纹。

    由于钢中不可避免会存在非金属夹杂物，其物理性能与基体金属间的差异，使锻件在锻造变形过程中产生应变应力集中并形成微裂纹。微裂纹在一定条件下聚合，进而形成探伤可见缺陷。金属在压力作用下产生压缩变形是塑性加工过程中最主要的成形方式之一。此时在变形金属内部的夹杂物将由圆形逐渐变为椭圆形.通过分析夹杂性裂纹形成机理，可以得出避免此类裂纹的有效措施就是控制夹杂物的形状变化和防止裂纹聚合。因此要求管板锻件在锻造过程中，特别是镦粗环节中一定要使金属变形均匀.迫使刚性区变形,消除或降低静水应力区的抗剪强度,减小管板锻件鼓形程度.

    采用有限元软件DEFO RM一3D对管板镦粗过程进行模拟，分别建立两种模型，即a)一次镦粗成形，b)预镦粗40％+旋压成形。毛坯材料选库中DIN一16Mn(20—1200°C)，为了节省运算时间，取模型的1／2；剪切摩擦系数0．3，设置毛坯为恒温(1050℃)，镦粗圆盘与小方砧的向下运动速率均为10mm／s，应用稀疏矩阵和Newton—Raphson迭代法进行求解。模型中毛坯网格变形与等效应力分布都较均匀，因此可有效控制心部夹杂物的形貌，避免出现夹杂物在剧烈的剪切变形下成为片状，并与基体形成微裂纹的现象。

    通过分析大型管板锻件夹杂性裂纹形成机理和有限元模拟实验结果，在原先工艺基础上进行改进，提出以下锻造工艺：钢锭预镦粗一两次W H F法拔长一预镦粗40％一旋压成形。1)通过分析夹杂性裂纹的形成机理证明：管板锻件在强烈且不均匀的镦粗变形下，内部夹杂物成为片状，基体形成微裂纹，并发生聚合现象，形成探伤不合格的夹杂性裂纹。2)通过改进锻造工艺，采用WHF法拔长+预镦粗+旋压成形，可有效控制夹杂物形貌，从而避免产生夹杂性裂纹，提高探伤合格率。3)采用有限元软件模拟管板锻件成形过程，为实际锻造工艺的改进提供理论依据。