P91无缝钢管径向锻造过程模拟分析

文/郝新，闻新航·内蒙古工业大学

P91无缝钢管径向锻造过程模拟分析

文/郝新，闻新航·内蒙古工业大学

厚壁无缝钢管一般指外径(D)与壁厚(S)之比(D/S)小于20的无缝钢管，主要用于流体输送管、结构管、石油天然气管道以及高压锅炉管等。P91钢作为新型的耐热钢，因其综合性能优良，主要用于高温作业下主蒸汽管道和高温再热管道等重要高温承压部件。

目前国内还主要靠自由锻结合镗孔加工工艺来生产这类厚壁无缝钢管，综合性能差，而国外则采用挤压、连铸连轧等工艺来生产该类管件，综合性能优良。2009年，内蒙古北方重工集团有限公司成功开发研制了世界最大的3.6万吨黑色金属立式挤压机，开始生产厚壁无缝钢管，打破了国外对该类管件的垄断，但由于挤压载荷和挤压速度的限制生产效率不高，并且存在组织性能不均的缺陷。

由于径向锻造能改善管件内部组织结构，提高组织均匀性。为此针对P91（10Cr9Mo1VNb）厚壁无缝钢管径向锻造过程进行模拟分析，为获得合理的径向锻造模具结构、工艺参数提供理论依据具有重要意义。

锻锤结构参数

径向锻造是一种在同一平面上同时对轴类零件施加多个周向均匀分布的锻打力，是利用旋转锻造方法加工长轴类锻件的工艺方法，属于精密模锻的一种。径向锻造工艺中，在工件周围一般有两个或四个均匀对称分布的锤头，锤头在驱动机构的带动下在径向方向进行开合运动，对工件沿径向进行高频率同步对称锻打，与此同时工件在夹持装置的带动下进行旋转和轴向进给运动，从而完成整个工艺过程。

为了探讨锻锤对锻件成形质量的影响，本文设计了3种类型的锻锤，如图1所示。平锻锻锤与坯料接触的工作长度为500mm、宽为300mm、高为200mm。圆弧锤头，圆弧半径稍大于毛坯尺寸半径1～2mm，圆弧半径小会造成啃料现象，锻件表面易出现折叠，但圆弧半径过大则易使锻件出现多边形，因此根据锻件坯料尺寸，将圆弧锻锤的弧半径设为264mm、长度为500mm、宽为300mm。

含压入角的圆弧锻锤由压入段和整形段组成，压入段长度为500mm，整形段长度为300mm，两者之间的过渡圆角设为50mm。

含压入角的圆弧锻锤可以分为压入和整形两部分。压入部分主要用来挤压金属减小锻件直径，整形部分的作用是保证锻件沿轴线的最终成形尺寸，如图2所示。

图1 锻锤结构

图2 含压入角的圆弧锻锤工作示意图

数值模拟分析

锻锤形状对成形的影响

企业实际坯料尺寸为外径φ525mm，内径φ395mm，壁厚为65mm，长5750mm。为了缩短模拟时间，模拟时长度取2000mm。经过径向锻造后，锻件的外径为φ425mm，壁厚为80mm。模拟时的工艺参数如表1所示。

表1 模拟时工艺参数

锻锤形状对锻件外形的影响如图3所示。根据模拟结果可知，含压入角的圆弧锻锤锻出的管件表面十分光滑平整，外形最好。圆弧锻锤所锻管件表面可以看到有沿轴向的较小的环形凹坑。平锻锤所锻管件表面为沿轴向较大的螺旋形状凹槽。成形段是圆弧的锻锤可以明显改善锻件的多边形情况。由于含压入角的圆弧锻锤锻打时与坯料的接触面积最大，产生了较大的摩擦力，且锻打力更容易深入坯料内部。同时压入角减小了每一次锻打的变形量，将一个长度内的大变形分解成几个小的变形，使变形更加均匀，减少了金属发生折叠和折皱的可能，因此可以有效的解决锻件表面的凹坑缺陷。

图3 锻锤结构对锻件外形的影响

锻锤压入角径向载荷和壁厚的影响

锻锤压入角是影响锻件的质量和锻造成形力的重要因素之一。为此对压入角5°、10°、15°和20°进行数值模拟分析，探究合理的锻锤压入角。根据模拟结果可知，锻锤压入角的变化对锻件成形外形影响较小。但对径向成形力影响较大，如图4所示。由图可知径向成形力随着压入角的增加先增加，当压入角为10°时达到最大值，然后逐渐降低。

图4 压入角对径向载荷的影响

锻件压入角对壁厚的影响如表2所示。随着锤头压入角的增大锻件壁厚呈先上升后下降的趋势，锤头压入角由5°变化到10°时壁厚增加十分明显，在10°达到壁厚的最大值，之后又呈下降趋势。其中10°到15°之间壁厚减小比较明显，15°以后变得平缓。

表2 不同锤头压入角下锻件壁厚

轴向送进量对锻件成形的影响

轴向送进量对锻件质量和生产效率影响较大。为此对轴向送进量为50mm、100mm、150mm和200mm进行模拟分析。其他工艺参数如表1所示。

轴向送进量对锻件外形的影响如图5所示。送进量为50mm、100mm和150mm时，外壁凹坑深度为0.72mm、1.35mm和1.67mm，内壁凹坑深度为0.52mm、0.66mm和0.95mm；送进量为200mm时外壁凹坑深度为5.11mm，内壁凹坑深度为3.24mm。不同送进量下外壁凹坑均明显大于内壁凹坑，送进量对外壁凹坑的影响也要大于内壁，轴向送进量越大，表面凹坑深度越大。

图5 送进量对锻件外形的影响

径向锻造实验研究

针对上述模拟结果，在企业进行了实验验证。锻造设备采用公称压力为1800t(18MN)的卧式径向锻造机，如图6所示。工艺参数为，锤头压入角为10°，锤头整形段长度为500mm，锤头打击频率为每分钟200次，单次旋转角度为25°，轴向送进量为50mm。坯料加热温度为1200℃，用夹持装置将工件夹住，将其放在模座上，调整夹持装置，锻出P91厚壁无缝钢管，如图7所示，其外径为φ425.8mm，壁厚为78.96mm。

图6 卧式径向锻造机

图7 锻件实物图

结束语

对于锻锤形状，含压入角的圆弧锻锤能够提高锻件的表面质量。合理的径向锻造工艺参数为，锤头压入角为10°、锤头整形段长度500mm、锤头打击频率为200次/分钟、单次旋转角度为25°、轴向送进量为50mm。