CN104550624B - 核反应堆压力容器一体化底封头的近净成形锻造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种核反应堆压力容器一体化底封头的近净成形锻造方法，本方法首先确定整体底封头的各特征尺寸参数，根据特征尺寸参数制作预制坯料时的专用楔形锤头和下凹模以及旋转锻造时的凸模和三个上锤头；预制坯料采用水压机整体镦粗，安装下凹模和专用楔形锤头并对中设置；采用专用楔形锤头及下凹模在预制坯料压出凹槽，当压下高度为△H=1100mm时停止旋转锻造，坯料翻转180°；采用凸模和三个上锤头旋转锻造坯料壁厚，经检测坯料尺寸得到一体化底封头成品。本方法可锻造出一体化整体底封头锻件，而且其锻件形状与零件形状相接近，提高了锻造效率，降低了生产成本，保证了锻件的机械性能。

Description

核反应堆压力容器一体化底封头的近净成形锻造方法

技术领域

本发明涉及一种核反应堆压力容器一体化底封头的近净成形锻造方法。

背景技术

目前，百万千瓦核反应堆的底封头部件都是分别制造过渡段和下封头两件锻件，然后组焊成一体化底封头零件。由于过渡段和下封头的分体锻件结构尺寸大，焊接工作量很大，在焊接过程中需要对过渡段和下封头反复预热和焊后热处理，大幅延长生产周期，提高了生产成本，同时反复加热对锻件的机械性能也带来潜在风险。

大型一体化底封头锻件由于深度尺寸很大，其底封头开口端到底部距离大于底封头最大外径，这样常规的板坯冲压拉伸成形底封头的工艺方案已不能满足要求，为此进行了大量数值模拟和物理模拟试验，开发出控制金属流动状态，保证锻件的饱满程度与余量最小化的控制成形锻造工艺方案，并已成功投产。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种核反应堆压力容器一体化底封头的近净成形锻造方法，利用本方法可锻造出一体化整体底封头锻件，而且其锻件形状与零件形状相接近，提高了锻造效率，降低了生产成本，保证了锻件的机械性能。

为解决上述技术问题，本发明核反应堆压力容器一体化底封头的近净成形锻造方法包括如下步骤：

步骤一、确定整体底封头的特征尺寸参数，上口外径直径D0、上口内径直径D1、下口外凸台直径D2、下口内凸台直径D3、内球面半径SR0、外球面半径SR1；

步骤二、制作预制坯料时的专用楔形锤头和下凹模，楔形锤头为柱形体并底面为圆弧面，用于初始锻造底封头的内球面，使坯料能够与下凹模定位，楔形锤头按整体底封头内球面半径SR0和上口内径直径D1尺寸制造；下凹模是内孔为圆弧球、外径为圆形的饼类结构形状，用于初始锻造底封头的外球面，下凹模按整体底封头外球面半径SR1和下口外凸台直径D2尺寸制造，

其中：下凹模上口外径直径 $D4=2\×\sqrt{{(SR1+850mm)}^2-{(SR1-600mm)}^2}+400mm,$

下凹模下口外径直径D5＝D4-300mm，

下凹模下口内径直径D6＝D2+100mm，

下凹模内球面半径为SR1+850mm，

下凹模外球面半径为SR1+1100mm，

下凹模球面中心至底面距离为SR1+1150mm；

步骤三、制作整体底封头旋转锻造时的凸模、第一上锤头、第二上锤头和第三上锤头；凸模的结构形状是凸球形，用于锻造底封头的内球面；凸模按整体底封头内球面半径SR0、上口内径直径D1、下口外凸台直径D2和H1尺寸制造，其中H1为凸模底部距凸模上部球面中心的高度，H1＝900～1000mm，凸模下口外径直径为D0，凸模上口内凸台直径为D2+100mm，凸模上部球面半径为SR0，凸模底部距凸模上口内凸台平面高度为H1+SR0-250mm；

第一上锤头、第二上锤头和第三上锤头的结构形状是相隔90°分布的四爪形，第一上锤头用于初始旋转锻造底封头外球面；第二上锤头用于再次旋转锻造底封头外球面；第三上锤头用于最后旋转锻造底封头外球面；三个上锤头的内圆弧面一致，区别在于高度不同；

三个上锤头按整体底封头外形SR1和H2、H3、H4尺寸制造，三个上锤头外球面半径为SR1+250mm、内球面半径为SR1，其中：H2为第一上锤头内球面中心距底面的高度，H3为第二上锤头内球面中心距底面的高度，H4为第三上锤头内球面中心距底面的高度，H2、H3和H4分别取850～950mm、100～150mm、450～550mm，第一上锤头高度为SR1+1000mm-H2，第二上锤头高度为SR1+1000mm-H3，第三上锤头高度为SR1+1000mm+H4；

步骤四、锻造预制坯料时，来料尺寸为2800mm×Ф3200mm，锻造前在水压机工作台上安装下凹模，坯料在加热炉温度为1250℃±20℃下加热，随后将预制坯料垂直吊至下凹模中，用水压机将坯料整体镦粗，当坯料上端面到下凹模上端面距离为150mm时停止镦粗；

步骤五、将镦粗后坯料返回加热炉并在1250℃±20℃温度下加热，专用楔形锤头设于水压机活动横梁并保证与下凹模对中，将镦粗后坯料吊至下凹模中，旋转下凹模并采用专用楔形锤头在镦粗坯料压出凹槽，当压下高度为△H＝1100mm时停止旋转锻造，坯料翻转180°；

步骤六、水压机工作台上拆除下凹模并安装凸模，水压机活动横梁设置第一上锤头，保证凸模与第一上锤头对中，坯料在加热炉温度1250℃±20℃下加热，随后将步骤五锻造的坯料吊至凸模上，采用第一上锤头旋转锻造坯料外壁，当坯料外壁与第一上锤头内弧面相接触时，更换第二上锤头，采用第二上锤头旋转锻造坯料外壁，当坯料外壁与第二上锤头内弧面相接触时更换第三上锤头，采用第三上锤头旋转锻造坯料外壁，当第三上锤头及坯料的所有下沿距凸模下端面高度均小于350mm时，停止旋转锻造,检测坯料尺寸得到一体化底封头成品。

由于本发明核反应堆压力容器一体化底封头的近净成形锻造方法采用了上述技术方案，即本方法首先确定整体底封头的各特征尺寸参数，根据特征尺寸参数制作预制坯料时的专用楔形锤头和下凹模以及旋转锻造时的凸模和三个上锤头；预制坯料采用水压机整体镦粗，安装下凹模和专用楔形锤头并对中设置，采用专用楔形锤头及下凹模在预制坯料压出凹槽，当压下高度为△H＝1100mm时停止旋转锻造，坯料翻转180°；坯料热处理后采用凸模和三个上锤头旋转锻造坯料壁厚，经检测坯料尺寸得到一体化底封头成品。本方法可锻造出一体化整体底封头锻件，而且其锻件形状与零件形状相接近，提高了锻造效率，降低了生产成本，保证了锻件的机械性能。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明：

图1为核反应堆压力容器一体化底封头的结构示意图；

图2为本方法中预制坯料下凹模的结构示意图；

图3为本方法中预制坯料专用楔形锤头的结构示意图；

图4为图3的侧视图；

图5为本方法中旋转锻造凸模的结构示意图；

图6为本方法中旋转锻造第一上锤头的结构示意图；

图7为图6的俯视图；

图8为本方法中旋转锻造第二上锤头的结构示意图；

图9为图8的俯视图；

图10为本方法中旋转锻造第三上锤头的结构示意图；

图11为图10的俯视图。

具体实施方式

本发明核反应堆压力容器一体化底封头的近净成形锻造方法包括如下步骤：

步骤一、如图1所示，确定整体底封头1的特征尺寸参数，上口外径直径D0、上口内径直径D1、下口外凸台直径D2、下口内凸台直径D3、内球面半径SR0、外球面半径SR1；

步骤二、如图2、图3和图4所示，制作预制坯料时的专用楔形锤头2和下凹模3，楔形锤头2为柱形体并底面为圆弧面，用于初始锻造底封头的内球面，使坯料能够与下凹模3定位，楔形锤头2按整体底封头内球面半径SR0和上口内径直径D1尺寸制造；下凹模3是内孔为圆弧球、外径为圆形的饼类结构形状，用于初始锻造底封头的外球面，下凹模3按整体底封头外球面半径SR1和下口外凸台直径D2尺寸制造，

其中：下凹模3上口外径直径 $D4=2\×\sqrt{{(SR1+850mm)}^2-{(SR1-600mm)}^2}+400mm,$

下凹模3下口外径直径D5＝D4-300mm，

下凹模3下口内径直径D6＝D2+100mm，

下凹模3内球面半径为SR1+850mm，

下凹模3外球面半径为SR1+1100mm，

下凹模3球面中心至底面距离为SR1+1150mm；

步骤三、如图5至图11所示，制作整体底封头旋转锻造时的凸模4、第一上锤头5、第二上锤头6和第三上锤头7；凸模4的结构形状是凸球形，用于锻造底封头的内球面；凸模4按整体底封头内球面半径SR0、上口内径直径D1、下口外凸台直径D2和H1尺寸制造，其中H1为凸模4底部距凸模4上部球面中心的高度，H1＝900～1000mm，凸模4下口外径直径为D0，凸模4上口内凸台直径为D2+100mm，凸模4上部球面半径为SR0，凸模4底部距凸模4上口内凸台平面高度为H1+SR0-250mm；

第一上锤头5、第二上锤头6和第三上锤头7的结构形状是相隔90°分布的四爪形，第一上锤头5用于初始旋转锻造底封头外球面；第二上锤头6用于再次旋转锻造底封头外球面；第三上锤头7用于最后旋转锻造底封头外球面；三个上锤头的内圆弧面一致，区别在于高度不同；

三个上锤头按整体底封头外形SR1和H2、H3、H4尺寸制造，三个上锤头外球面半径为SR1+250mm、内球面半径为SR1，其中：H2为第一上锤头5内球面中心距底面的高度，H3为第二上锤头6内球面中心距底面的高度，H4为第三上锤头7内球面中心距底面的高度，H2、H3和H4分别取850～950mm、100～150mm、450～550mm，第一上锤头5高度为SR1+1000mm-H2，第二上锤头6高度为SR1+1000mm-H3，第三上锤头7高度为SR1+1000mm+H4；

步骤四、锻造预制坯料时，来料尺寸为2800mm×Ф3200mm，锻造前在水压机工作台上安装下凹模3，坯料在加热炉温度为1250℃±20℃下加热，随后将预制坯料垂直吊至下凹模3中，用水压机将坯料整体镦粗，当坯料上端面到下凹模3上端面距离为150mm时停止镦粗；

步骤五、将镦粗后坯料返回加热炉并在1250℃±20℃温度下加热，专用楔形锤头2设于水压机活动横梁并保证与下凹模3对中，将镦粗后坯料吊至下凹模3中，旋转下凹模3并采用专用楔形锤头2在镦粗坯料压出凹槽，当压下高度为△H＝1100mm时停止旋转锻造，坯料翻转180°；

步骤六、水压机工作台上拆除下凹模3并安装凸模4，水压机活动横梁设置第一上锤头5，保证凸模4与第一上锤头5对中，坯料在加热炉温度1250℃±20℃下加热，随后将步骤五锻造的坯料吊至凸模4上，采用第一上锤头5旋转锻造坯料外壁，当坯料外壁与第一上锤头5内弧面相接触时，更换第二上锤头6，采用第二上锤头6旋转锻造坯料外壁，当坯料外壁与第二上锤头6内弧面相接触时更换第三上锤头7，采用第三上锤头7旋转锻造坯料外壁，当第三上锤头7及坯料的所有下沿距凸模4下端面高度均小于350mm时，停止旋转锻造,检测坯料尺寸得到一体化底封头成品。

本方法解决了整体底封头锻件饱满程度与余量最小化控制成形的矛盾，实现大型底封头的近净成形锻造，本方法中各尺寸参数的单位为毫米。本方法在大尺度、大深度整体底封头锻造过程中采用整体成形工艺，提高了核反应堆压力容器底封头的安全性，缩短了制造周期、减少钢锭消耗和焊接工作。本方法将底封头原设计的过渡段和下封头两件锻件合为一体，通过合理设计模具，实现了大型整体底封头的近净成形。同时由于整体底封头锻件取消连接焊缝，提高了制造效率，降低生产成本，避免了过渡段和下封头反复预热和焊后热处理对锻件机械性能的潜在风险，也大大缩短核反应堆在役检查时间，保证了核反应堆的安全可靠运行。

Claims (1)

1.一种核反应堆压力容器一体化底封头的近净成形锻造方法，其特征在于本方法包括如下步骤：

步骤一、确定整体底封头的特征尺寸参数，上口外径直径D0、上口内径直径D1、下口外凸台直径D2、下口内凸台直径D3、内球面半径SR0、外球面半径SR1；

步骤二、制作预制坯料时的专用楔形锤头和下凹模，楔形锤头为柱形体并底面为圆弧面，用于初始锻造底封头的内球面，使坯料能够与下凹模定位，楔形锤头按整体底封头内球面半径SR0和上口内径直径D1尺寸制造；下凹模是内孔为圆弧球、外径为圆形的饼类结构形状，用于初始锻造底封头的外球面，下凹模按整体底封头外球面半径SR1和下口外凸台直径D2尺寸制造，

其中：下凹模上口外径直径 $D4=2\×\sqrt{{(SR1+850mm)}^2-{(SR1-600mm)}^2}+400mm,$

下凹模下口外径直径D5＝D4-300mm，

下凹模下口内径直径D6＝D2+100mm，

下凹模内球面半径为SR1+850mm，

下凹模外球面半径为SR1+1100mm，

下凹模球面中心至底面距离为SR1+1150mm；

步骤三、制作整体底封头旋转锻造时的凸模、第一上锤头、第二上锤头和第三上锤头；凸模的结构形状是凸球形，用于锻造底封头的内球面；凸模按整体底封头内球面半径SR0、上口内径直径D1、下口外凸台直径D2和H1尺寸制造，其中H1为凸模底部距凸模上部球面中心的高度，H1＝900～1000mm，凸模下口外径直径为D0，凸模上口内凸台直径为D2+100mm，凸模上部球面半径为SR0，凸模底部距凸模上口内凸台平面高度为H1+SR0-250mm；

第一上锤头、第二上锤头和第三上锤头的结构形状是相隔90°分布的四爪形，第一上锤头用于初始旋转锻造底封头外球面；第二上锤头用于再次旋转锻造底封头外球面；第三上锤头用于最后旋转锻造底封头外球面；三个上锤头的内圆弧面一致，区别在于高度不同；

三个上锤头按整体底封头外形SR1和H2、H3、H4尺寸制造，三个上锤头外球面半径为SR1+250mm、内球面半径为SR1，其中：H2为第一上锤头内球面中心距底面的高度，H3为第二上锤头内球面中心距底面的高度，H4为第三上锤头内球面中心距底面的高度，H2、H3和H4分别取850～950mm、100～150mm、450～550mm，第一上锤头高度为SR1+1000mm-H2，第二上锤头高度为SR1+1000mm-H3，第三上锤头高度为SR1+1000mm+H4；

步骤四、锻造预制坯料时，来料尺寸为2800mm×Ф3200mm，锻造前在水压机工作台上安装下凹模，坯料在加热炉温度为1250℃±20℃下加热，随后将预制坯料垂直吊至下凹模中，用水压机将坯料整体镦粗，当坯料上端面到下凹模上端面距离为150mm时停止镦粗；

步骤五、将镦粗后坯料返回加热炉并在1250℃±20℃温度下加热，专用楔形锤头设于水压机活动横梁并保证与下凹模对中，将镦粗后坯料吊至下凹模中，旋转下凹模并采用专用楔形锤头在镦粗坯料压出凹槽，当压下高度为△H＝1100mm时停止旋转锻造，坯料翻转180°；

步骤六、水压机工作台上拆除下凹模并安装凸模，水压机活动横梁设置第一上锤头，保证凸模与第一上锤头对中，坯料在加热炉温度1250℃±20℃下加热，随后将步骤五锻造的坯料吊至凸模上，采用第一上锤头旋转锻造坯料外壁，当坯料外壁与第一上锤头内弧面相接触时，更换第二上锤头，采用第二上锤头旋转锻造坯料外壁，当坯料外壁与第二上锤头内弧面相接触时更换第三上锤头，采用第三上锤头旋转锻造坯料外壁，当第三上锤头及坯料的所有下沿距凸模下端面高度均小于350mm时，停止旋转锻造,检测坯料尺寸得到一体化底封头成品。