河北鋼鐵集團(tuán)舞陽鋼鐵公司鍛造廠 王兵 方立

大直徑圓鋼成型工藝探討

河北鋼鐵集團(tuán)舞陽鋼鐵公司鍛造廠 王兵 方立

圓鋼是機(jī)械制造行業(yè)廣泛使用的坯料，國內(nèi)目前能軋制的圓鋼最大直徑在200mm以下，而對于直徑超過200mm的圓鋼，則需要經(jīng)過鍛壓成型。

鋼錠或連鑄坯經(jīng)過鍛打后，可使組織內(nèi)部微裂紋焊合，粗大晶粒細(xì)化，消除組織內(nèi)部的疏松缺陷現(xiàn)象，使組織更加致密，纖維流線和外形輪廓一致，材料的綜合性能大大提高。圓鋼成型中，為保證產(chǎn)品表面光滑，無凸凹，需要一種專用的成型模具，模具設(shè)計(jì)合理與否將對產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率產(chǎn)生重大影響。本文，筆者就圓鋼成型使用原料、成型模具方面闡述自己的觀點(diǎn)。

一、原材料選用

1.原材料選用合適與否關(guān)系到成材率高低，將直接影響經(jīng)濟(jì)效益。舞陽鋼鐵公司于2008年10月投產(chǎn)了25MN快鍛生產(chǎn)線，生產(chǎn)?200～?800圓鋼。在投產(chǎn)伊始，所生產(chǎn)?300以下圓鋼全部采用舞鋼公司第一煉鋼廠鋼錠投料，產(chǎn)品的力學(xué)性能均高于相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，探傷合格率在98%以上，但因鋼錠成材率偏低，無形中造成生產(chǎn)成本過高，在激烈的市場競爭中沒有價(jià)格優(yōu)勢。

為降低生產(chǎn)成本，增加經(jīng)濟(jì)效益，結(jié)合舞鋼公司自身實(shí)際，我們生產(chǎn)?200～?300圓鋼，擬采用第二煉鋼廠生產(chǎn)的連鑄板坯，連鑄板坯的厚度為200～330mm，寬度為1200～2100mm，長度任意。

2.可行性分析。鋼錠的基本結(jié)構(gòu)如下圖1，其冒口約占錠身比重的15～17%，底部占錠身比重的3～5%以此計(jì)算，鋼錠加熱的氧化燒損為2%～3%，切頭為1%～2%，則使用鋼錠鍛制圓鋼的成材率在73%～79%之間。

而連鑄板坯由于沒有冒口、底部，理論上連鑄坯除去燒損、切頭，其余部分可全部成材，成材率在90%以上。

圖1 鋼錠基本結(jié)構(gòu)

鍛造工藝中材料的塑性變形不但是成型的必要前提，而且也是破壞鑄態(tài)組織、鍛合內(nèi)部缺陷，使組織均勻化的必要條件。塑性變形程度不同，鍛合的效果也就很不一樣。鍛比就是衡量鍛件塑性變形程度的指標(biāo)。鍛比大小直接影響材料內(nèi)部組織的鍛合效果，從而影響鍛件的機(jī)械性能。一般認(rèn)為：鋼錠拔長時(shí)，隨著鍛比的增加，產(chǎn)生不同程度的組織變化。當(dāng)鍛比為1.5～3時(shí)，鑄態(tài)組織得到破碎，氣孔和疏松得到焊合，使鋼錠組織致密。同時(shí)，鍛件中心產(chǎn)生沿軸向延伸的流線即出現(xiàn)鍛造纖維。這時(shí)，正如圖2所表明的使縱向和橫向韌性性指標(biāo)獲得顯著提高，一般達(dá)50%～200%。但當(dāng)鍛比大于3以后，鍛造纖維越來越明顯，數(shù)量越來越多，與此相應(yīng)橫向塑性和韌性指標(biāo)隨鍛比的增加而逐漸降低，而縱向的塑性和韌性指標(biāo)則保持不變。鍛件的軸向、徑向和切向性能差別越來越大。即出現(xiàn)明顯的異向性。至于強(qiáng)度極限，當(dāng)鍛比增加到3以上時(shí)也稍有提高，但并不明顯。同時(shí)，鍛比過大，也意味著生產(chǎn)效率降低，成本增加。

針對連鑄板坯，結(jié)合舞鋼公司的冶金水平，我們認(rèn)為最適宜的鍛比為2.5～3.5。

圖2 鍛比對機(jī)械性能的影響

3.生產(chǎn)實(shí)踐效果。舞鋼公司鍛造廠使用的鋼種為中碳低合金結(jié)構(gòu)鋼，厚度330mm，生產(chǎn)流程為：板坯熱送——帶溫切割——加熱——鍛造——熱處理。原料的切割規(guī)格及鍛制成品如表1：

表1 原料的切割規(guī)格及鍛制成品

從2009年4月開始嘗試使用連鑄坯鍛制圓鋼，與之前使用鋼錠投料相比，成材率可以穩(wěn)定在85%以上，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

二、成型模具的改進(jìn)

1.在鍛制時(shí)，當(dāng)上砧座壓下下時(shí)，在圓弧內(nèi)腔內(nèi)的坯料受到擠壓產(chǎn)生徑向收縮和縱向延伸變形，外表面形狀為類似圓形，當(dāng)上砧復(fù)位后，坯料隨之旋轉(zhuǎn)一定角度并送進(jìn)一段距離，然后重復(fù)上述過程。這樣，坯料通過鍛打成型，直到外形和尺寸達(dá)到要求為止。其基本結(jié)構(gòu)如圖3所示，該結(jié)構(gòu)只要更換鑲塊I和鑲塊II，就可以生產(chǎn)不同規(guī)格的圓鋼，基本滿足圓鋼生產(chǎn)要求。

圖3 圓鋼成型模具結(jié)構(gòu)

鍛造廠投產(chǎn)時(shí)，月產(chǎn)量不足500t，隨著市場的開拓，月產(chǎn)量穩(wěn)定在1500t以上，模具使用頻率迅速增加，上述結(jié)構(gòu)的模具的缺陷逐漸暴露出來，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）鑲塊易變形或斷裂，壽命短。

（2）上砧座與下砧座配合部分磨損快，一旦磨損導(dǎo)向性極差，兩鑲塊很難對正，嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率。

（3）圓鋼表面容易產(chǎn)生折疊，表面不光潔。

由于該結(jié)構(gòu)成型模具存在以上問題，造成圓鋼合格率低，模具損壞快、更換頻繁，生產(chǎn)成本高。

2.原因分析。根據(jù)鍛造圓鋼成型模具的作用機(jī)理，對造成模具損壞、影響產(chǎn)品質(zhì)量的原因作如下分析：

（1）該結(jié)構(gòu)的導(dǎo)向主要依靠上砧座1與下砧座5之間的配合部分導(dǎo)向，在使用過程中，該配合部分隨上砧作往復(fù)動(dòng)作，使用一段時(shí)間后，由于摩擦作用，該配合部分的間距增大，使鑲塊I和鑲塊II很難對正，容易造成圓鋼彎曲，給后續(xù)工作帶來麻煩。而且，一旦沒有對正就施壓，壓力將作用到上砧座1的側(cè)壁上，容易掰斷側(cè)壁或使側(cè)壁變形，導(dǎo)向性更差。采用這種結(jié)構(gòu)的導(dǎo)向是不合理的。

（2）模具圓弧部分設(shè)計(jì)的不盡合理。該套模具的成型部分依靠圓弧部分完成，該端圓弧為正圓的一部分，在生產(chǎn)中，進(jìn)入模具前的坯料上存在明顯的棱角，壓下量稍有不慎，金屬就被擠到型腔之外，翻轉(zhuǎn)90°以后形成折疊，如圖4，這是折疊產(chǎn)生的重要原因。

圖4 改進(jìn)前的圓弧部分

3.改進(jìn)措施。

（1）原來模具的導(dǎo)向僅僅依靠上下砧座的配合導(dǎo)向，改進(jìn)后的模具添加了導(dǎo)向柱，其基本結(jié)構(gòu)如右圖5：

圖5 改進(jìn)前的成型模具

導(dǎo)向柱直徑為?120mm，以保證有足夠的強(qiáng)度，這樣整個(gè)模具的導(dǎo)向由4根在兩側(cè)分布的導(dǎo)向柱控制，由于4根彈簧起到平面支撐的作用，避免了上砧在復(fù)位時(shí)傾斜，基本上保證了模具的定位精度。如果長期使用后，上砧定位孔發(fā)生磨損，只用更換導(dǎo)柱即可，而不用更換整個(gè)上砧。

（2）根據(jù)受力情況，坯料進(jìn)入弧形部分時(shí)是由點(diǎn)接觸逐漸變?yōu)槊娼佑|的，模具弧形部分大部分為無用圓弧。因此將弧形部分應(yīng)為圓弧和與之相切的直線L1、L2組成，如圖6。這樣的弧形同時(shí)具備V型砧的特點(diǎn)，集弧形砧與V型砧的特點(diǎn)于一身，其特點(diǎn)如下：進(jìn)入砧子前的坯料截面可以適當(dāng)放大，此時(shí)的拔長似V型砧鍛造，有效地避免了折疊產(chǎn)生，可以提高拔長效率，接近成品尺寸時(shí)靠圓弧部分成形；V形側(cè)壁在一定程度上也起到了導(dǎo)向作用，減少導(dǎo)向柱的磨損。

圖6 改進(jìn)后的圓弧部分

三、經(jīng)濟(jì)效益分析

1.原材料從使用鋼錠到使用連鑄坯，針對?300以下圓鋼，雖然鋼錠與連鑄坯價(jià)格幾乎相同，但成材率可提高5個(gè)百分點(diǎn)，成材率每提高一個(gè)百分點(diǎn)，成本至少可降低50元/t，按照年產(chǎn)?300以下圓鋼10 000t計(jì)算，則每年可降低生產(chǎn)成本500000元。

2.采用新型胎具后，更換的主要部件為導(dǎo)向柱，而不是更換上砧座和鑲塊，從而使模具消耗費(fèi)用大幅度降低。

生產(chǎn)部分規(guī)格圓鋼所用的原材料，可以用連鑄板坯代替鋼錠；改進(jìn)后的模具，可使產(chǎn)品的表面質(zhì)量、尺寸精度得到顯著提高，并顯著提高模具使用壽命，大幅度降低生產(chǎn)成本。