轧制环件通常是大型旋转中心对称锻件,其重量可达300吨以上,广泛应用于储罐和设备制造,尤其是大型压力容器,如用于核反应堆中建造的部件。这类压力容器部件的传统制造工艺是在大型锻压机上进行锻造,然后通过局部锻造将锻件加工成圆柱形厚壁管段——即所谓的筒节。这些筒节的尺寸通常外径约8米,长度约3至5米,环坯重量可达300吨。
传统制造方式:大型自由锻压机锻造
用于制造此类零件的锻造工艺被称为在芯轴上锻造,通常在大型自由锻压机上进行。根据工件的尺寸,最大锻压力可达70至150 MN。所需毛坯是从与待生产筒节原始重量相对应的原料块中制成(包含额外材料重量,例如氧化铁皮和必要的铳余废料)。另外,如果冶金性能合适,也可以使用在铸造过程中已预留孔的毛坯原料,即所谓的空心钢锭。
一旦生产出所需的毛坯(从类型和形状上看,这相当于一段厚壁管),就可以在大型锻压机上利用合适的设备,通过在芯轴将其锻造至所需尺寸。
根据工件的尺寸、重量以及用于锻造的工装设备(工件必须在每次锻压行程后逐渐旋转),这一过程耗时较长(累计可达数分钟甚至小时)。这导致工件可能需要进行一次或多次中间火次的加热,以补偿因持续向外辐射导致的温度损失,为了满足材料锻造工艺所需的温度范围,必须维持适当的锻造温度。
优势对比:辗环与芯轴锻造
在芯轴上锻造筒节过程中,由于局部锻造工艺本身的限制和锻造过程中几何尺寸测量的局限性,可能导致形状不够精确。因此,这意味着为了确保锻件在回火和机加工后能获得所需的最终几何形状,必须在起始重量中预留更多的材料。
原则上讲,辗环工艺比自由锻更适合用于精确锻造具有足够内孔的旋转中心对称工件。如果所需的几何形状适合辗环工艺的生产,芯轴锻造工艺至少可以被径-轴向辗环工艺部分替代。
在这里所讨论“生产筒节”的具体案例中,从冶金和经济效益角度(设备规格的影响)来看,首先生产一个预锻工件(即所谓的环件毛坯)以达到高锻造比。随后,在最终精锻过程中,通过径-轴向辗环机将其轧制到所需的最终尺寸。辗环机的规格(即这种设备的投资规模)显著受到待成型环件毛坯初始壁厚的影响。通过用辗环工艺替代锻压中的最终的精锻工艺,根据工件的大小,每个工件可以节省多达数吨的原材料。
该工艺的技术限制在于,目前尚未建造出能够轧制重量达300吨、高度(长度)达5米的环件的辗环机,以满足上述巨大筒节的生产需求。
设计、制造、调试世界上最强大的辗环机
西马克一客户要求生产特大型环件——最大外径16米,高度5米,重量约300吨。这需要一台拥有前所未有尺寸和性能的辗环机。根据设备制造商提供的工艺模拟,确定所需的最大径向轧制力为50 MN,最大轴向轧制力为12.5 MN,所有驱动装置的电机装机功率总计约12 MW。制造商接受了这一技术挑战,成功制造出一台型号为RAW 5000/1250-16000/5000的径-轴向辗环机——目前全球最大、最强的辗环机。
随着在客户现场的成功安装和调试,锻造行业迎来了一台全球无与伦比的新巨头,并将在许多领域设定新的技术标准。这台设备总重约6,600吨,长度约55米,地面以上高度约16.6米,堪称辗环领域的“世界之巅”,并将在未来数年内保持这一领先地位。