核反应堆带多个凸出管嘴大型封头锻件整体锻造成形方法技术

本发明专利技术属于锻件锻造技术领域，具体为核反应堆带多个凸出管嘴大型封头锻件整体锻造成形方法。该方法通过对实施钢锭切除头尾、镦粗拔长和滚圆下料等工序制备圆柱坯料，采用平砧凸模分区旋转碾压锻造方法对圆柱坯料实施胎模具成形，使中间预制板坯的管嘴形状借助胎模具以自由锻造方法充填成形。该方法能有效控制预制板坯形状及尺寸，合理分散预制板坯的金属，实现内部组织均匀、成形流线清晰以及良好的纤维组织和完整的轮廓形状。热冲压工艺变形本质属于大位移、小应变范畴，所需压力机载荷力小；热冲压整体成形易于控制大封头锻件产品形状，其成形过程中热量损耗小，坯料加热温度低、时间短，从而控制终锻成形的晶粒长大，保证产品质量。

Integral forging method for large head forging with multiple protruding nozzles in nuclear reactor

The invention belongs to the forging forging technical field, in particular, the whole forging forming method of the large head forging of the nuclear reactor with a plurality of protruding nozzles. The removal of the heads, the implementation of ingot upsetting and drawing long and rounded cutting and other processes for preparation of cylindrical billet, using flat anvil punch partition rotation rolling forging method of cylindrical billet forming implementation of tire mould, make the middle nozzle shape with precast slab mold with free forging forming filling method. The method can effectively control the shape and size of the prefabricated slab, reasonably disperse the metal of the prefabricated slab, and realize the uniform internal structure, clear streamline of forming, and good fiber structure and complete contour shape. Hot stamping process is the deformation of large displacement and small strain range, the required pressure is easy to control the shape of small airborne force; large head forging products overall hot stamping forming process, heat loss, low heating temperature and short time, so as to control the grain forging to grow up, to ensure product quality.

【技术实现步骤摘要】
核反应堆带多个凸出管嘴大型封头锻件整体锻造成形方法
本专利技术属于锻件锻造
，适用于核电设备大型压力容器带多个凸出管嘴封头锻件的热冲压整体成形工艺和生产制造过程，具体为核反应堆带多个凸出管嘴大型封头锻件整体锻造成形方法。
技术介绍
核电作为一种稳定、洁净、高能量密度的能源，对调整能源结构、改善生态环境和降低碳排放有着重要的作用。核电站核岛大型压力容器封头是核电站主设备中最重要的承压部件，具有形状复杂、轮廓尺寸大、重量大和结构一体化等特点，核电机组对大型压力容器的技术要求很高并且其执行标准十分严格，除需要具备高性能和长运转周期外，还要求便于检验和机组设备维护。该类核电机组设备中带多个凸出管嘴大型封头锻件是非能动大型先进压水堆核电机组的关键性承压与抗辐射零部件之一，当前该型的核电设备技术开发及应用研究已成为核电技术研究的主要趋势。大型封头的制造过程属于典型的大构件极端热制造成形过程，该类压力容器封头热成形后锻件尺寸端口外径通常大于4500m，壁厚超过350mm,整体高度大于3500mm；其不仅体积庞大、重量达到百余吨，而且成形工艺需要整体锻造出凸出球面接出、入水管的三个外接管嘴。由于实验条件极为困难且生产制备技术难度很大，大型压力容器的制造成形成为重大装备制造业的主要技术瓶颈之一。到目前为止，核电站大型的压力壳、蒸汽发生器、稳压器锻件等关键性部件，在国际上也只有少数几家公司能够生产制造。传统生产带多个凸出管嘴大型压力容器时，一种方法是采用多焊缝方式后期拼装与焊接制备。由于大型压力容器体型及尺寸大、单件产品的质量大和整体形状十分复杂，在堆焊过程中需要对锻件反复进行预热和焊后热处理，如果局部位置过多的采用焊接方法会导致内部产生层状撕裂裂纹。为了提高新一代核反应堆压力容器的安全性，传统多焊缝压力容器制造方法已不能满足核电装备运行的性能要求和检查的周期。传统整体锻造成形方法是采用凸模小变形分区逐次旋转碾压锻造方法成形，而该方法存在诸多难以克服的问题：坯料加热时是圆柱形大块体，要实现心部也达到锻造均匀温度，其需要长时间高温加热，这会导致初始晶粒粗大，同时热锻成形也容易出现开裂等问题。终锻成形的材料转移量非常大，温度场与应变场都极不均匀，要实现材料均匀流动极其困难，导致水嘴部位难以填充，易形成流线紊乱、材料折叠等缺陷，且变形后组织也不均，混晶严重。因此，采用分区锻造方法成形时间长、热量损失严重，因温度下降导致后期变形困难，需要进行多火次热成形；同时，由于热锻造获得的毛坯锻件与实际机加工件形状相差甚远，机械加工余量大，费时长。
技术实现思路
本专利技术的专利技术目的是针对上述问题，提供一种制造外径大带多个凸出管嘴核电设备压力容器的封头锻件整体成形方法，该方法解决了传统带管嘴压力容器封头焊接成形时易开裂和采用小凸模分区碾压时的成形困难、材料流动不合理、产品性能及质量难以保证以及机械加工余量大等技术问题。该技术专利技术将传统的终锻成形难度所存在的技术难点进行有效分解，提供了一种包括核反应堆带多个凸出管嘴大型封头锻件整体锻造成形关键性中间预制坯料设计、中间预制板坯胎模具锻造成形和大型压力容器封头锻件热冲压成形方法。从制备方法上改变了传统的拼焊制备为整体成形；从成形方法上将传统圆柱坯料的多火次凸模小变形量碾压成形工艺分解为两步，先将圆柱坯料采用胎模具作为下模具锻造制备中间预制板坯，再将中间预制板坯采用热冲压方法成形为要求的封头锻件。该技术专利技术能够很好的控制带多个凸出管嘴封头锻件成形质量和组织性能，从而为后续的热处理提供良好的初始组织状态，并且大大减少终锻成形后锻件的机加工余量，缩短该类锻件的生产周期。本专利技术的具体技术方案如下：核反应堆带多个凸出管嘴大型封头锻件整体锻造成形方法，包括中间预制板坯锻造成形工艺和封头锻件热冲压成形工艺。在中间预制板坯锻造成形工艺进行之前，需要对核反应堆带多个凸出管嘴大型封头锻件整体锻造成形关键性中间预制板坯设计；根据关键性中间预制板坯的轮廓形状及尺寸参数，封头锻件的管嘴部位为中间预制板坯的凸出部分，其凸出部分通过胎模具锻造成形方法制备，后中间预制板毛坯再进行机械加工处理得到热冲成形所需的中间预制板坯，再进行预制板坯料的热冲压成形。核反应堆带多个凸出管嘴大型封头锻件整体锻造成形的关键性中间预制板坯设计原则及要求如下：步骤一、采用解析方法计算获得由中间预制板坯到最终热冲压成形锻件时所需要的预制板坯设计的各部分尺寸公式；步骤二、采用有限元模拟技术对上述解析方法获得的中间预制板坯设计尺寸及参数进行校核与优化，获得了设计中间预制板坯的关键性尺寸及参数。所述步骤一中，中间预制板坯的外伸出凸出位置管嘴坯料尺寸遵循包含原则，其凸出部位坯料体积设计时为实际锻件水嘴体积的1.1～1.2倍，并且设计轮廓形状完全包含热冲锻件的轮廓。所述步骤二中，采用有限元技术数值模拟优化预制坯料时，先对解析法确定的初始中间预制板坯进行热成形模拟并得到成形结束时工件形状，再追踪需要优化的局部位置坯料尺寸，当追踪点返回到初始状态时即可得到局部位置坯料的优化形状尺寸。所述步骤二中，采用有限元技术数值模拟优化中间预制板坯形状尺寸，在满足成形零件的形状及尺寸要求情况下，切除掉在中间预制板坯成形时的多余材料，使最终成形时坯料接触上冲头模具后外轮廓自由成表；同时，保证设计的中间预制板毛坯带管嘴位置易于加工。热冲压成形上模具冲头尺寸与成形封头尺寸关系为：SR1为上模具冲头球面半径尺寸；该尺寸等同于封头热冲成形后内球面形状尺寸；SR2为倒角后与冲头倒圆角形成的球面，该尺寸等同于封头热冲成形后形成的光滑内球面；SR3为热冲成形后自由形状的球面。H2为上模具冲头过封头开口端面的深度，H3为热冲成形后中径截面管嘴的斜中心线上的高度，H4为热冲成形后的封头端面到管嘴端面的高度。a为成形封头管嘴中心线与上模具冲头中心线形成的夹角。Dc为热成形上冲头模具直径，Hc为热成形上模具冲头整体加工高度。C1为热成形上模具冲头加工的脱模锥度，取值为5～10°。热冲压成形下模圈尺寸与成形封头尺寸关系为：D0为热成形时下模圈内直径尺寸，该尺寸等同于热冲成形后封头端面开口尺寸；H1为封头零件要求取环件试样的直壁高度。C2为热冲压成形时下模具的加工的锥度，取值为8～13°，R5为下模圈内壁端面的加工的锥面与模圈内壁相接面形成的倒圆角；R6为下模圈内直壁面与锥面C2相接面形成的倒圆角。Dm为热冲压成形时下模圈的外径直径，满足设计公式:Dm＝D0+1300～1500mm。按上述方案要求，热冲压成形时中间预制板坯与成形封头形状关键性尺寸关系，具体满足如下设计原则和公式：步骤一、采用解析方法获得其关键性中间预制板坯到最终成形锻件所需尺寸，中间预制板坯的展开中面圆板直径采用等面积法计算确定，具体计算公式描述为：球形封头中性层面积:球形封头毛坯表面积:中间预制板坯的展开中面圆板毛坯直径计算公式为：上述公式中，球形封头中性层直径为Dp为展开中面圆板的毛坯直径；Fs1表示球形封头中性层面积，Fs2球形封头毛坯表面积，H1为封头直壁高度。热冲压成形所需的中间预制板坯料厚度与成形封头形状尺寸关系为：h＝0.5(D0-D1)。步骤二、凸出管嘴尺寸关系确定，H5为球面外凸出管嘴6和7的高度，其尺寸上满足关系式本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种核反应堆带多个凸出管嘴大型封头锻件整体锻造成形方法，其特征在于包括胎模具锻造成形中间预制板毛坯工艺和封头锻件整体热冲压成形工艺。

【技术特征摘要】
1.一种核反应堆带多个凸出管嘴大型封头锻件整体锻造成形方法，其特征在于包括胎模具锻造成形中间预制板毛坯工艺和封头锻件整体热冲压成形工艺。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在进行所述胎模具锻造成形预制板毛坯工艺之前，根据核反应堆带多个凸出管嘴大型封头锻件整体锻造成形关键性中间预制板坯的设计方法进行设计，具体设计方法如下：1)采用解析方法计算获得由预制板坯到最终热冲压成形锻件时所需要的中间预制板坯的各部分设计尺寸公式；2)采用有限元模拟技术对上述解析方法获得的中间预制板坯设计尺寸及参数进行校核与优化，获得了设计的预制板坯关键性尺寸及参数；3)中间预制板坯的外伸出凸出位置管嘴坯料尺寸遵循包含原则，其凸出部位坯料体积设计时为实际锻件水嘴体积的1.1～1.2倍，并且设计轮廓形状完全包含热冲锻件的轮廓；4)采用有限元技术数值模拟优化预制坯料时，先对解析法确定的初始中间预制板坯进行热成形模拟并得到成形结束时工件形状，再追踪需要优化的局部位置坯料尺寸，当追踪点返回到初始状态时即可得到局部位置坯料的优化形状尺寸；5)采用有限元技术数值模拟优化中间预制板坯形状尺寸，在满足成形零件的形状及尺寸要求情况下，切除掉在中间预制板坯成形时的多余材料，使最终成形时坯料接触上冲头模具后外轮廓自由成形；同时，保证设计的中间预制板毛坯的管嘴位置易于加工。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于:所述的热冲压成形上模具冲头尺寸与成形封头尺寸关系为：SR1为上模具冲头球面半径尺寸；该尺寸等同于封头热冲成形后内球面形状尺寸；SR2为倒角后与冲头倒圆角形成的球面，该尺寸等同于封头热冲成形后形成的光滑内球面；SR3为热冲成形后自由形状的球面；H2为上模具冲头过封头开口端面的深度，H3为热冲成形后中径截面管嘴的斜中心线上的高度，H4为热冲成形后的封头端面到管嘴端面的高度；a为成形封头管嘴中心线与上模具冲头中心线形成的夹角；Dc为热成形上冲头模具直径，Hc为热成形上模具冲头整体加工高度；C1为热成形上模具冲头加工的脱模锥度，取值为5～10°。4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于:所述的热冲压成形下模圈尺寸与成形封头尺寸关系为：D0为热成形时下模圈内直径尺寸，该尺寸等同于热冲成形后封头端面开口尺寸；H1为封头零件要求取环件试样的直壁高度；C2为热冲压成形时下模具的加工的锥度，取值为8～13°，R5为下模圈内壁端面的加工的锥面与模圈内壁相接面形成的倒圆角；R6为下模圈内直壁面与锥面C2相接面形成的倒圆角；Dm为热冲压成形时下模圈的外径直径，满足设计公式:Dm＝D0+1300～1500mm。5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于:所述的热冲压成形时中间预制板坯与成形封头锻件形状的尺寸关系，具体满足如下设计原则和公式：1)采用解析方法获得其关键性中间预制板坯到最终成形锻件所需尺寸，中间预制板坯的展开中面圆板直径采用等面积法计算确定，计算公式描述为：球形封头中性层面积:球形封头毛坯表面积:中间预制板坯的展开中面圆板毛坯直径计算公式为：上述公式中，球形封头中性层直径为Dp为展开中面圆板的毛坯直径；Fs1表示球形封头中性层面积，Fs2球形封头毛坯表面积，H1为封头直壁高度；热冲压成形中间预制板坯厚度与成形封头形状尺寸关系为：h＝0.5(D0-D1)；2)凸出管嘴尺寸关系确定，H5为球面外凸出管嘴6和7的高度，其尺寸上满足关系式：H5＝H4-H2+50～80mm，h为中间板坯厚度；D4为球面外凸出管嘴6和7坯料的直径；C3、C4分别为坯料上、下面加工的锥度，取值为8～12°；C5为中间预制板坯对应封头锻件的球面外凸出管嘴6和7中心分别封头中心线的夹角；D2为与上模具冲头接触时的直径，D3为球面外凸出管嘴5坯料的直径；R0、R1和R2分别为球面外凸出管嘴与坯料主体相接面倒圆角；L1为成形封头球面外凸出管嘴1下端面的中心与封头中心线的距离，该尺寸设计为中间中间预制板坯的外凸出管嘴5下端面的中心与坯料中心线距离；L0为成形封头球面外凸出管嘴2和3的下端面中心与封头中心线的距离，该尺寸设计为中间预制板坯的外凸出管嘴6和7的下端面中心与坯料中心线的距离。3)锻制中间预制板毛坯胎模具尺寸关系，外凸出管嘴尺寸关系确定，胎模具的外圆直径Dn，胎模具(16)的外圆直径与中间预制板坯(4)的关系：Dn＝Dp+200～300mm，胎模具(16)的整体高度为Hm；锻件中间预制毛坯(18)的厚度尺寸与中间预制板坯(4)厚度关系：Hp＝h+50～80mm。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于根据关键性中间预制板坯的轮廓形状及尺寸参数，封头锻件(21)的管嘴部位为中间预制板坯(4)的凸出部分，其凸出部分通过胎模具(16)锻造成形方法制备，然后中间预制板毛坯(18)再进行机械加工处理得到热冲成形所需的中间预制板坯(4)，胎模具锻造成形中间预制板毛坯(18)工艺包括以下步骤：1)圆柱坯料(15)下料，将钢锭在400℃以下装入加热炉中，以≤100℃/h加热速率加热至...

【专利技术属性】
技术研发人员：董定乾，孙敬鸿，
申请(专利权)人：四川理工学院，
类型：发明
国别省市：四川,51