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超寬盾構刀盤方板鍛造成形技術

超寬盾構刀盤方板鍛件的結構具有特殊性, 其寬度大、厚度薄,本次承制的5750 mm×5750 mm×380 mm 超寬薄板刀盤方板鍛件屬于極限制造領域, 展寬難度極大,且在晶粒度和鋼水純凈度控制方面提出更為苛刻的要求, 采用傳統的“鐓拔+寬砧拔扁拔長+旋轉90°拔長” 工藝方案的控制難度極大, 通過工藝創新提出了“控尺制坯+旋轉進砧展寬拔長+四面平整” 的工藝方案, 并通過強化冶煉和熱處理過程控制成功完成生產試制。

鍛件基本情況

盾構刀盤方板鍛件單重98700 kg, 材質為Q345 鋼, 主要技術要求為: (1) 非金屬夾雜物按照GB/T 10561—2023中ISO 評級圖評級, 級別為2 級, 夾雜物寬度為細系B 級; (2) 晶粒度按照GB/T 6394—2017中7 級規定; (3) 力學性能: 屈服強度≥345 MPa, 抗拉強度范圍為450~600 MPa, 伸長率≥20%、沖擊功(-20℃)≥27 J; (4) 超聲波探傷按照JB/T 5000.15—2007中的Ⅱ級驗收, 對Φ1.6 mm 以上的當量缺陷進行記錄。

成形工藝方案和參數制定

鋼水冶煉控制

    冶煉采用電爐初煉-精煉-真空脫氣-真空澆注的工藝方案, 成分配比(%, 質量分數) 為:C0. 15~0. 18, Mn1. 3~1. 6, Nb0. 02, 其余元素按中上線控制。具體過程控制如下。

(1) 優選鋼板料、返回料頭; 優選內壁質量良好且使用次數較少的冒口, 冒口、錠模和底盤使用前將殘鋼、殘渣清理干凈, 冒口連續烘烤時間不低于5h。

(2) 電爐出鋼的P 含量( 質量分數) ≤0.005%, 成品P 含量(質量分數) ≤0.015%, 出鋼時氬氣壓力≤1.0 MPa。

(3) 精煉時間≥120 min, 精煉過程加強脫氧脫硫, 保證[O] ≤0.003%、S 含量(質量分數) ≤0. 005%; 返加熱出鋼前靜吹時間≥20 min, 軟吹氬氣流量控制在30~50 L·min^-1 范圍內。

(4) 真空處理時, 鋼水在高真空狀態下的有效時間不低于20 min; 成分合格后, 調整氬氣流量軟吹, 并控制軟吹時間。

(5) 真空澆注時, 引流后控制好滑板壓力, 嚴禁氬氣壓力過大而造成鋼液氧化、卷渣; 澆注過程視鋼水擴散情況調整水口氬氣壓力, 保證擴散優良;關包后迅速破空, 及時加入發熱劑。

鍛造工藝過程及參數控制

總體成形工藝方案為: 壓鉗口和預拔長-寬砧強力壓下鍛造法。鐓拔下料坯料，鐓粗上下平砧，控尺展寬拔長制坯，上平砧下回轉臺旋轉進砧，展寬拔長四面平整修整。關鍵鍛造工序參數控制如下。

(1) WHF 法鐓拔下料: 該階段中鐓拔主要考慮高溫狀態下鍛透焊合內部的鑄態缺陷(疏松、孔洞型缺陷等)。加熱溫度為(1240±10) ℃, 充分利用坯料在高溫狀態下較好的鍛透壓實效果; 每趟壓下量按照18% ~20%控制, 砧寬比為0. 6 ~0. 8; 合理控制錯砧和搭接量, 避免變形“死區”。

(2) 坯料鐓粗: 該階段鐓粗主要考慮坯料展寬需要, 鐓粗后控制尺寸為Φ3000 mm×1950 mm, 保證后續展寬尺寸, 并且有利于拔長。

(3) 上下平砧展寬拔長: 根據坯料長度、展寬尺寸和鍛造過程制定相適應的進砧量和壓下量, 并結合錘頭長度, 長度不小于5800 mm, 寬度不大于5000 mm, 壓下量為15%, 每拔完一趟面內翻轉180°。

(4) 控尺制坯: 制坯尺寸為580 mm×4800 mm×4800 mm, 修整坯料兩端的舌頭和彎曲。

(5) 上平砧+下回轉臺旋轉進砧展寬拔長: 采用旋轉進砧方式展寬拔長, 結合模擬結果和錘頭長度, 每趟次鍛造時首先從直角處開始旋轉進砧鍛造壓實, 然后自四周依次向心部布砧, 壓下率為10%~15%。在保證進砧量≤壓后高度的前提下, 坯料四周部位的進砧量應盡可能按大值進行控制, 靠近中心部位的進砧量按照壓下量的3.0~3.5 倍, 防止心部折疊。

熱處理

根據材料特性, 結合零件結構和尺寸, 確定采用正火+過冷+回火的熱處理工藝路線, 利于保證其綜合力學性能。鍛造完成后立即轉運并鼓風噴霧空冷至400~450 ℃入爐, 正火溫度為880~900 ℃, 過冷保溫溫度為280~320℃, 回火溫度為560~580℃; 正火保溫后出爐鼓風噴霧強制冷卻、風扇均勻布置, 且支墊高度≥800 mm, 每隔2 h 翻轉一次(保證各部位冷速的一致性), 待溫度冷至280~320 ℃入爐。

結論

(1) 鍛造采用“控尺制坯+旋轉進砧展寬拔長+四面平整” 的工藝方案能夠更有效地焊合內部缺陷, 不僅便于操作且鍛造效率較高, 更能夠保證質量。

(2) 鋼錠冶煉采用“優選鋼板料+真空脫氣+真空澆注” 的工藝方案, 并強化過程參數控制, 能夠保證鋼錠純凈度。

(3) 熱處理正火階段“均勻噴霧強制冷卻+控制支墊高度+控時翻轉” 的工藝控制措施, 有利于均質性控制和保證綜合力學性能。

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