CN106051721B - 核电用压力容器一体化封头、其封头板坯及锻造成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种核电用压力容器一体化封头、其封头板坯及锻造成型方法。核电用压力容器一体化封头，在封头主体上的人孔座和管孔座，封头主体呈球冠结构，人孔座及管孔座和封头主体锻为一整体，人孔和管孔的孔中心线相交于封头主体所在球的球心处。封头板坯的板坯主体呈圆板状结构，其一面设有两个人孔圆台和两个管孔圆台，另一面为大锥角圆台面。其锻造型方法包括以下步骤：钢锭加热；锻坯下料；锻坯镦拔；模锻成型；板坯热处理；板坯粗加工；封头成型；封头冲孔；锻件热处理；锻件机加工；性能热处理；成品加工。本发明不仅实现了蒸汽发生器封头的一体化成型，而且锻件组织均匀密实、金属流线完整、锻件纤维组织和外形更趋一致。

Description

核电用压力容器一体化封头、其封头板坯及锻造成型方法

技术领域

本发明涉及一种核电设备用大型结构件，尤其涉及核电蒸汽发生器等压力容器用封头、封头板坯及其锻造成型方法。

背景技术

核电由于资源消耗少、环境影响小和供应能力强等优点，成为与火电、水电并称的世界三大电力供应支柱。核电不会像化石燃料发电那样排放巨量的污染物质到大气中，核能发电不会造成空气污染；核能发电所用的核燃料能量密度比起化石燃料高上几百万倍，故核能电厂所使用的燃料体积小，运输与储存都很方便。因此核电是一种清洁、安全的能源，且核电的环境影响小。

以压水堆为热源的核电站主要由核岛和常规岛组成，压水堆核电站核岛的四大部件是蒸汽发生器、稳压器、主泵和堆芯，因此核蒸汽发生器是核电站最为关键的主要设备，蒸汽发生器与反应堆压力容器相连，不仅直接影响电站的功率与效率，而且在进行热量交换时，还起着阻隔放射性载热剂的作用，对核电站安全至关重要，其材料和制造的高技术含量均为当代制造业之最。

核电蒸汽发生器封头是蒸汽发生器中承担压差最大的部件，起到密封和隔离一、二回路冷却剂的作用，也是一回路侧冷却剂流过管束前或后的汇集腔室，它包含了冷却剂入口管孔、冷却剂出口管孔和两个人孔。故蒸汽发生器封头是在半球冠状的封头主体上设有两个管孔座和两个人孔座；其板坯展开直径可达7—8米，单个成品部件重量均在数十吨以上，属于超大型板块状构件，锻造难度非常大，而要在如此大尺寸的球冠上再一次性整体锻造成型出符合尺寸要求和位置要求的管孔座和人孔座更是难以实现。因此现有封头是将封头本体与人孔座和管孔座通过焊接的方法进行拼接制造的，尽管随着材料科学的发展，焊接材料的性能得到了很大的提高，焊接新工艺也层出不穷，但封头主体与人孔座和接管孔座之间通过焊接而拼接的结构总是不能形成完整的金属流线，由于核电蒸汽发生器长期处于高温高压的恶劣运行环境中，且承受交变荷载和管道涡流所形成的压力突变，极易引起应力分布不匀和应力集中，容易产生疲劳、蠕变和损坏。而且这样球冠体和管嘴分开焊接制造的方法，焊接工艺十分复杂、焊接周期长，复杂应力区质量稳定性差，直接造成成品率低，制造成本大幅上升。因此蒸汽发生器封头采取整体锻造工艺虽在制造上具有极大的难度，但对其保证锻件组织性能稳定性，降低制造成本、提高产品合格率均有着非常重要的意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种核电用压力容器一体化封头，它不仅能实现核电用压力容器一体化封头的整体锻造成型，而且锻件组织均匀密实、金属流线完整、锻件纤维组织和外形更趋一致。本发明另一要解决的技术问题是提供一种锻造该一体化封头的封头板坯及其核电用压力容器一体化封头的成型方法。

为了解决上述技术问题，本发明的核电用压力容器一体化封头，包括封头主体，以及设置于封头主体上的人孔座和管孔座，封头主体呈球冠结构，在所述人孔座和管孔座上分别设置有人孔和管孔，所述人孔座及管孔座和封头主体锻为一整体，所述人孔的孔中心线和管孔的孔中心线相交于封头主体所在球的球心处。

所述封头主体的球冠半径R与球冠高h之比R/h=1/(0.92—0.95)。

本发明核电用压力容器一体化封头的封头板坯，包括板坯主体，所述板坯主体呈圆板状结构，在该板坯主体的一面设有两个人孔圆台和两个管孔圆台，板坯主体的另一面为大锥角圆台面。

所述板坯主体的大锥角圆台面上底直径φ1与板坯主体的外径φ与比：φ1/φ=1/（1.80—1.90）。

本发明核电用压力容器一体化封头的锻造成型方法，该一体化封头的锻造型方法包括以下步骤：

⑴、钢锭加热：将钢锭在加热炉中加热至580℃—620℃，保温3小时，再以55℃/h—60℃/ h的加热速度加热至830℃—870℃，保温4小时；再以78℃/ h—82℃/ h加热速度加热至1130℃—1170℃，保温4小时；再以78℃/ h—82℃/ h加热速度加热至1210℃—1240℃，保温1小时；

⑵、锻坯下料：将上述加热钢锭从炉中取出切剁头尾，冒口端切剁量为钢锭重量的12%—16%，尾端切剁量为钢锭重量的8%—10%，去除氧化层形成锻坯；

⑶、锻坯镦拔：将切剁头尾的锻坯镦粗，镦粗比为3.0—3.5；镦粗后再将锻坯拔长成圆柱状，拔长比为3.0—3.5；锻坯镦拔温度控制在800℃—1240℃范围内；

⑷、模锻成型：将拔长成圆柱状的锻坯放至带有四孔的展宽砧上镦粗成封头板坯，该封头板坯正面为大锥角圆台面，封头板坯反面的四个圆台分别与核电用压力容器一体化封头的人孔座和管孔座位置相对应；

⑸、板坯热处理：将封头板坯空冷至640℃—660℃，保温4—6小时；再空冷至300℃—400℃，保温4—6小时后；以45℃/ h— 50℃/ h的加热速度加热至640℃—660℃，保温50—60小时，炉冷至180℃时出炉至室温；

⑹、板坯粗加工：将上述经热处理的封头板坯进行机加工，去除封头板坯的毛刺和凹凸面，使封头板坯正面的大锥角圆台面、封头板坯反面的四个圆台表面平整；

⑺、封头成型：将上述经机加工的封头板坯加热至1240℃后，移放至带有中心孔的环状模进行冲压成型，封头板坯反面的四个圆台位于环状模的中心孔位置，球头冲模位于封头板坯正面的大锥角圆台面向下冲压，以形成半球封头坯件；

⑻、封头冲孔：以对应冲孔的圆台端面为支承面将上述半球封头坯件放于冲压砧板上，冲杆从上方向下依次冲压对应孔，从而形成具有两个人孔和两个管孔的封头冲压件；

⑼、锻件热处理：将上述封头锻件温度控制至905℃—925℃，保温6—8小时，再空冷至300℃—400℃，保温4—6小时后，再以45℃/ h— 50℃/ h的加热速度加热至640℃—660℃，保温12—14小时，炉冷至180℃时出炉空冷；

⑽、锻件机加工：对上述经热处理的封头锻件进行机加工成封头粗成品；

⑾、性能热处理：对封头粗成品先进行淬火处理，再进行调质处理，该淬火处理工艺为：将封头粗成品加温至600℃后保温2-3小时，再以90℃/ h—100℃/ h加温至935℃—955℃，保温2—3小时后水冷；将经淬火处理后的封头粗成品加温至400℃，保温2—3小时，再以45℃/ h—50℃/ h的加温速度加热至635℃—655℃，保温6—7小时后空冷至室温，以完成调质热处理；

⑿、成品加工：对上述经性能热处理的封头粗成品进行取样，并对试样进行理化试验，将达到理化试验技术条件的封头粗成品进行机加工至合格的封头成品。

所述锻坯镦粗的每次镦粗压下率为24%—30%；锻坯拔长的每次拔长压下率为24%—30%。

所述封头板坯正面的大锥角圆台面的圆台锥角为170°-175°。

用于封头成型的环状模包括环模主体，该环模主体的外环面为圆柱面，环模主体的内环截面为弧形面。

所述封头锻件上的两个人孔和和两个管孔均为盲孔。

所述封头粗成品带有加工余量。

本发明采用封头整体结构并运用特定的镦拔锻造、热处理和整体成型等工艺方法，使得本发明具体如下显著优点：

本发明实现了核电用压力容器封头这种大型板块状实心构件的整体锻造成型，使得带有人孔的人孔座和带有管孔的管孔座与封头主体之间形成了完整连续的金属流线，而且锻件的金属纤维组织与锻件外形能够最大限度地保持一致，封头成品的力学性能得极大的提高，更能承受蒸汽发生器的高温高压以及交变荷载和蒸汽涡流所形成的恶劣工况，有利于封头工作应力的均匀化，封头工作可靠性大大增强，更利于提高核电站及其蒸汽发生器的运行安全性。

本发明采用整体锻拔和整体冲压成型的综合工艺方法，使得锻件的纵向力学性能和横向力学性能均得到显著提高。由于蒸汽发生器封头属于大型板块状实心构件，铸锭在凝固过程中，不可避免地存在成分偏析、缩孔、疏松、夹杂甚至裂纹等缺陷，本发明通过对核电设备用钢的流变特性的研究，找出这类厚大锻件在不同温度下形变与再结晶的规律，合理确定本发明的锻拔、冲压及锻造比等工艺参数，并配合以热处理过程热处理工艺参数，保证了锻后材料组织和成分的均匀性。

本发明在整体锻造成型封头成品过程中，采用了分步成型方式，先行锻粗成型出封头板坯，再行冲压成型球冠状封头主体结构，封头板坯的锻造是整个成型工艺中不可缺少的步骤，这样解决了大型锻件一次成型变形量过大所带来的锻件各向异性，以及所导致各向力学性能的塑性指标急剧下降的问题，符合锻件材料的流变特性，实现了大变形量、复杂曲面的整体锻造成型，并且使得金属流线完整，为最终的整体近终成型创造了条件。通过将柱状锻件锻造成板状的封头板坯，又进一步压合金属内部组织缺陷，提高了锻件的力学性能。封头板坯的正面在镦拔中形成的大锥角圆台面，这样又能在球冠冲压成型过程中，封头板坯的中部金属会在冲压时从中部流向周边部，从而保证金属流线的合理和半球坯件厚度的基本一致，利于后道的近终成型加工。

本发明采用钢锭分区段加温保温规范，以及不同加工阶段的热处理规范，确保大体积、大断面锻件能够均匀热透，使锻件心部、表面各区域间加热温度一致，避免因断面温度差产生温度应力而导致锻件钢锭开裂。本发明的始锻和终锻温度及加热速度，使锻件能在较好的塑性状态下成型，既有效防止产生过热，又保证锻件再结晶充分。本发明根据锻件所处的不同工艺过程，确定了不同的热处理规范，既有效地消除了锻造应力，改善组织，为下一工序作为准备，又有效地细化了晶粒、消除偏析，使钢的组织和性能更加均匀。最终的性能热处理，既使得成品锻件的外部强度高、耐磨性好，内部又保持良好的韧性、抗冲击力强，使得成品锻件的组织更加细致均匀，有效消除加工过程中产生的内应力，稳定成品锻件的加工精度，稳定和提高成品锻件的综合力学性能。

本发明采用特定的展宽砧，使得封头板坯在进一步的镦拔过程中一次形成了四个与封头人孔座和管孔座位置尺寸相对应的圆台体，既进一步细化了金属组织，又有利于人孔座和管孔座的准确成型，使得封头主体和人孔座、管孔座之间的金属流线顺畅连贯，且最大限度地与锻件外形相一致。

本发明采用的环状模冲压成型，使成型工艺变得简单，又不会形成对金属流线的破坏，能够制造出具有球冠结构的大型板坯件，解决了蒸汽发生器球冠形封头大型化和一体化的锻造成型难题。

本发明采用整体锻造成型、直接冲压人孔和管孔的工艺，大大减少了材料的切削加工量，使材料利用率提高，因此，本发明的封头整体结构和锻造工艺方法具有减少加工工艺流程、缩短整个生产工艺，提高生产效率和材料利用率的优点。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

图1是本发明核电用压力容器一体化封头的立体结构示意图；

图2是图1所示结构的横截面结构示意图；

图3是本发明核电用压力容器一体化封头锻造成型方法的工艺流程图；

图4是图3所示锻造成型方法中应用的展宽砧的结构示意图；

图5是图4所示展宽砧的A—A剖面视图；

图6是图3所示锻造成型方式锻造而成的封头板坯结构示意图；

图7是图6所示封头板坯的A—A剖面结构示意图；

图8是图7所示封头板坯的B向结构示意图；

图9是图3所示锻造成型方法中应用的环状模的结构示意图；

图10是图3所示锻造成型方法成型的封头粗成品及试验取样图。

图中：1—一体化封头、11—封头主体、12—管孔座、13—管孔、14—人孔座、15—人孔；

2—展宽砧、21—展宽砧主体、22—人座模孔、23—管座模孔；

3—封头板坯、31—板坯主体、32—管孔圆台、33—人孔圆台；

4—环形模、41—环模主体、42—成型孔；

5—封头粗成品、51—粗成品本体、52—口端试环、53—口端截除环、54—管孔端试环、55—管孔端截除环、56—人孔端试环、57—人孔端截除环。

具体实施方式

如图1、图2所示的核电用压力容器一体化封头，该一体化封头1包括封头主体11，该封头主体11呈球冠状结构，在封头主体11上设置有两个管孔座12，每一管孔座12的中心位置均设置有管孔13，两个管孔座12为分别用于连接冷却剂输入管和冷却剂输出管；在封头主体11上还设置有两个人孔座14，每一人孔座14的中心位置均设置有人孔15，该两个人孔15分别与一体化封头1内的冷却剂输入腔和冷却剂输出腔相连通，以对冷却剂的输入腔、输出腔进行观察检查及维护。两个带有人孔15的人孔座14和两个带有管孔13的管孔座12均与封头主体11整体锻造为一体。人孔座14为位于封头主体11的球冠外表面且向外凸出的圆台座，在该圆台座的中心位置设有人孔15，管孔座12也为位于封头主体11的球冠外表面且向外凸出的圆台座，在该圆台座的中心位置设有管孔13。呈球冠结构的封头主体11的球心位于封头主体球冠的上底面外，人孔15的孔中心线和管孔13的孔中心线均相交于封头主体11球冠的球心。封头主体11球冠半径R为球心至球冠外表面的半径，球冠高h为球冠上底面至球冠下顶端的高度，封头主体11的球冠半径R与球冠高h的之比根据球冠半径及壁厚的大小应控制在R/h=1/（0.92—0.95）之间。人孔15的偏置角α为人孔孔中心线与垂直于球冠上底面半径之间的夹角，该偏置角α=45°；管孔13的偏置角β为管孔孔中心线与垂直于球冠上底面半径之间的夹角，该偏置角β=50°。封头主体11的两个人孔15的孔中心线之间的夹角为α1=90°，封头主体11上的两个管孔13的中心线之间的夹角为β1=105°，两个人孔15和两个管孔13分别与封头主体球冠内的冷却剂输入腔和输出腔相连通。

图3示出了本发明锻造成型方法的工艺步骤流程图（图中实线为锻件轮廓线，虚线为锻前锻件轮廓线），该工艺过程中钢锭的始锻温度为800℃，钢锭的终锻温度为1240℃，即在锻造过程中锻坯的温度低于800℃时，应将锻件重新加热，使锻件的锻造温度保持在800℃-1240℃范围内。

本发明锻造成型方法的实施例一：

在该工艺步骤中首先选用八棱柱状钢锭，钢锭材料为508—3钢，钢锭重量为38吨。首先对钢锭进行分段式加热，先将钢锭放入加热炉中进行加热，以提高金属塑性，使其易于流动成型并获得良好的锻后组织，选择恰当的加热温度区间，可使金属坯件在塑性较好的状态下成型；由于钢锭属于大型块状件，为减少由断面温度差产生的温度应力，应使钢锭均匀加热升温。本发明采用分段加热升温规范，首先将钢锭送至加热炉中加热至580℃，在此温度下保温3小时，第二加热段以55℃/h的加热速度加热至830℃，在此温度下保温4小时，第三加热段以78℃/h的加热速度加温至1130℃，由于钢锭温度大于800℃时，钢锭已具有一定的塑性，因此本加热段采用了相对较快的加热速度，第四段也以78℃/h的加热速度加温至1240℃，钢锭在此温度下保温1小时而形成锻造加热坯件。

锻件下料：将上述加热钢锭从加热炉中取出送至大型液压机，以剁刀为上砧对加热钢锭切剁头尾，以保证有用的中段材料质量，其钢锭冒口端的切剁量为钢锭坯件总重量的12%，尾端段的切剁量钢锭为坯件总重量的8%，对留下的钢锭中段用钢锤敲击以去除钢锭外周的氧化皮层而得到用于锻造的锻坯。

锻坯镦拔：将锻坯沿轴向压下镦粗，该镦粗采用大镦粗比，以使锻坯内部孔隙充分压合，铸态树枝晶打碎，镦粗的镦粗比为3.0，锻坯镦粗的每次镦粗压下率应控制在24%—30%范围内。在镦粗后进行拔长，在镦粗后进行拔长，其拔长的拔长比为3.0，每次拔长的压下率也应控制在24%—30%范围内，最终将锻坯拔长成近圆柱状。经过上述镦粗拔长可以保证锻件内部缩松、缩孔等孔隙缺陷闭合，得到较好的锻造组织。

模锻成型：将拔长成圆柱状的锻坯移至带有四孔的展宽砧上镦粗，展宽砧上的四孔位置与封头成品的两个人孔座圆台和两个管孔座圆台位置相对应，在展宽砧上经过镦粗而形成圆板状的封头板坯，该封头板坯正面应镦出具有大锥角的外凸圆台面；封头板坯反面的四个圆台则分别与封头成品件的人孔座和管孔相对应。封头板坯件的大锥角圆台面以便在下道冲压成型时，保证在冲压中板坯中部金属向周边均匀流动，使得半球冠状封头坯件的壁厚基本一致。镦粗拔长的锻造温度控制在800℃—1240℃之间，即锻造过程中锻坯温度降至800℃，需将锻坯重新加热，使锻坯温度始终保持在800℃—1240℃范围内。

板坯热处理：为了保证镦拔后的封头板坯内部组织均匀并消除镦拔过程中的内应力，在模锻成型后还需对封头板坯进行热处理。首先将上述锻得的封头板坯空冷至640℃，在加热炉中保温4小时，再冷却至300℃，仍送入加热炉中保温4小时后，以45℃/h的加热速度加热至640℃，在加热炉中保温40小时后随炉冷却至180℃出炉冷却至室温。

板坯粗加工：对上述经热处理的封头板坯进行初步的机加工，以便于下道封头粗成型，首先车削板坯外周以去除板坯毛刺和凹凸面，从而形成圆板状板坯件；采用铣削等机加工手段机削封头板坯反面的四个圆台的台锥面和其端面；采用车削等机加工手段车削板坯正面，使其在板坯正面形成具有大锥角的圆台面，该圆台的锥角控制为170°—175°，其圆台锥角为圆台面位于同一平面上两母线之间的夹角。封头板坯的板坯主体上大锥角圆台面上底直径φ1与板坯主体的外径φ与比为：φ1/φ=1/1.80。

封头成型：将上述经过初步机加工的封头板坯采用如钢锭加热的分段方式加热至1240℃后，再将封头板坯移放至带有中心孔的环状模中进行冲压成型，封头板坯的四个外凸圆台位于环状模的中心孔位置，球头形冲模位于封头板坯正面圆台面的顶端部，球头冲模沿圆板形的封头板坯中心线向下冲压，使封头板坯上的四个圆台在环状模中心孔的空间内逐渐下压并外翻，最终冲压成球冠状的半球封头坯件。

封头坯冲孔：该工序步骤要在四个外凸圆台上冲出对应的孔，首先以对应的圆台端面为支承将半球封头坯件固定于冲压砧板上，冲杆从上方向下冲压以完成第一人孔的冲压，完成第一人孔的冲压后，再以第二个圆台端面为支承将半球封头坯件再固定在冲压砧板上，以冲压第二个人孔，以同样的方法，依次冲压第一管孔和第二管孔。上述冲孔顺序并不一定是先人孔后管孔，其顺序可以自由安排。该工序冲压的两个人孔和两个管孔均为盲孔，既利于冲压中对金属组织进行进一步的压合，又便于在下面的理化试验步骤，在盲孔底部位置截取试样。在上述的冲压过程中，仍需要将坯件温度控制在800℃—1240℃之间。上述的冲孔顺序可以根据冲压的实际情况进行调整。

锻件热处理：经上述半球冠成型冲压和四个孔的冲压，锻件的金属组织又会发生改变，并在坯件内部会产生内应力，为均匀细化金属组织，消除金属组织的内部应力，需要再次对封头锻件进行热处理。首先将上述经冲压的锻件温度控制至905℃，在保温炉中保温6小时，再空冷至300℃后，仍移至保温炉中保温4小时，再以45℃/h的加热速度加热至640℃，并在加热炉中保温12小时后，随炉冷却至180℃出炉空冷至室温。

锻件机加工：对上述经过热处理的封头锻件进行机械加工，使其球冠的内外半径、人孔座和管孔座的外形及人孔、管孔处均留有一定的精加工余量，从而形成封头粗成品。

性能热处理：为了进一步均匀金属组织，提高封头的机械性能，仍需对封头粗成品进行综合热处理，该热处理包括先行的淬火处理，以及再后进行的调质处理。该淬火处理的热处理过程为：将室温的封头粗成品在加热炉中加热至600℃，并在炉中保温2小时后，再以90℃/h的加热速度加温至935℃，在炉中保温2小时后，放入流动的水中进行快速水冷从而完成淬火处理。淬火处理后将经淬火处理后的封头粗成品在加热炉中加温至400℃，在炉中保温2小时后，以45℃/h的加热速度加热至635℃，仍在炉中保温6小时后再空冷至室温，从而完成对封头的性能热处理。

成品加工：在上述经性能热处理的封头粗成品的取样预留位置进行取样（如图10所示）并进行规定项目的理化试验，经理化试验合格而达到理化试验技术条件的封头粗成品进行机械精加工，以达到合格封头的尺寸和形状要求，从而完成封头的锻造、加工和热处理，以形成封头成品。试验取样的部分试样还可以在专用热处理炉中进模拟焊接后热处理，以确定封头的焊接质量，最后按设计要求进行表面清洁和包装，以避免运输和装运过程中的受损、腐蚀和变形。

本发明锻造成型方法的实施例二：

该实施方式中仍选用八棱柱状钢锭，钢锭材料仍为508—3钢，钢锭重量为50吨。首先对钢锭进行分段式加热，首先将钢锭送至加热炉中加热至620℃，在此温度下保温3小时，第二加热段以60℃/h的加热速度加热至870℃，在此温度下保温4小时，第三加热段以82℃/h的加热速度加温至1170℃，由于钢锭温度大于800℃时，钢锭已具有一定的塑性，因此本加热段采用了相对较快的加热速度，第四段也以78℃/h的加热速度加温至1240℃，钢锭在此温度下保温1小时而形成锻造加热坯件。

锻件下料：以剁刀为上砧对加热钢锭切剁头尾，其钢锭冒口端的切剁量为钢锭坯件总重量的16%，尾端段的切剁量钢锭为坯件总重量的10%，对留下的钢锭中段用钢锤敲击以去除钢锭外周的氧化皮层而得到用于锻造的锻坯。

锻坯镦拔：将锻坯沿轴向压下镦粗，其镦粗的镦粗比为3.5，锻坯镦粗的每次镦粗压下率应控制在24%—30%范围内。在镦粗后进行拔长，其拔长的拔长比为3.5，每次拔长的压下率也应控制在24%—30%范围内，最终将锻坯拔长成近圆柱状。

模锻成型：将拔长成圆柱状的锻坯移至带有四孔的展宽砧上镦粗，展宽砧上的四孔位置与封头成品的两个人孔座圆台和两个管孔座圆台位置相对应，在展宽砧上经过镦粗而形成圆板状的封头板坯，该封头板坯正面应镦出具有大锥角的外凸圆台面；封头板坯反面的四个圆台则分别与封头成品件的人孔座和管孔相对应。镦粗拔长的锻造温度仍控制在800℃—1240℃之间。

板坯热处理：首先将上述锻得的封头板坯空冷至660℃，在加热炉中保温6小时，再冷却至400℃，仍送入加热炉中保温6小时后，以50℃/h的加热速度加热至660℃，在加热炉中保温60小时后随炉冷却至180℃出炉冷却至室温。

板坯粗加工：首先车削板坯外周以去除板坯毛刺和凹凸面，从而形成圆板状板坯件；采用铣削等机加工手段机削封头板坯反面的四个圆台的台锥面和其端面；采用车削等机加工手段车削板坯正面，使其在板坯正面形成具有大锥角的圆台面，该圆台的锥角控制为170°—175°，封头板坯的板坯主体上大锥角圆台面上底直径φ1与板坯主体的外径φ与比为：φ1/φ=1/1.90。

封头成型：将上述经过初步机加工的封头板坯采用如钢锭加热的分段方式加热至1240℃后，再将封头板坯移放至带有中心孔的环状模上进行冲压成型，封头板坯的四个外凸圆台位于环状模的中心孔位置，球头形冲模位于封头板坯正面圆台面的顶端部，球头冲模沿圆板形的封头板坯中心线向下冲压，使封头板坯上的四个圆台在环状模中心孔的空间内逐渐下压并外翻，最终冲压成球冠状的半球封头坯件。

封头坯冲孔：该工序步骤要在四个外凸圆台上冲出对应的孔，首先以对应的圆台端面为支承将半球封头坯件固定于冲压砧板上，冲杆从上方向下冲压以完成第一管孔的冲压，完成第一管孔的冲压后，再以第二个圆台端面为支承将半球封头坯件再固定在冲压砧板上，以冲压第二个管孔，以同样的方法，依次冲压第一人孔和第二人孔。该工序冲压的两个人孔和两个管孔仍均为盲孔。

锻件热处理：首先将上述经冲压的锻件温度控制至925℃，在保温炉中保温8小时，再空冷至400℃后，仍移至保温炉中保温6小时，再以50℃/h的加热速度加热至660℃，并在加热炉中保温14小时后，随炉冷却至180℃出炉空冷至室温。

锻件机加工：对上述经过热处理的封头锻件进行机械加工，形成封头粗成品。

性能热处理：该热处理包括先行的淬火处理，以及再后进行的调质处理。该淬火处理的热处理过程为：将室温的封头粗成品在加热炉中加热至600℃，并在炉中保温3小时后，再以100℃/h的加热速度加温至955℃，在炉中保温3小时后，放入流动的水中进行快速水冷从而完成淬火处理。淬火处理后将经淬火处理后的封头粗成品在加热炉中加温至400℃，在炉中保温3小时后，以50℃/h的加热速度加热至655℃，仍在炉中保温7小时后再空冷至室温。

成品加工：在上述经性能热处理的封头粗成品的取样预留位置进行取样（如图10所示）并进行规定项目的理化试验，经理化试验合格而达到理化试验技术条件的封头粗成品进行机械精加工，以达到合格封头的尺寸和形状要求，形成封头成品。

图4、图5示出了模锻成型工序中使用的展宽砧的结构示意图。该展宽砧2包括展宽砧主体21，展宽砧主体21呈圆板状结构，在圆板结构的展宽砧主体21上设两个人座模孔22，两人座模孔22均为圆锥孔，其通过锥孔中心线的两圆板半径之间的夹角为90°。在展宽砧主体21上还设有两个管座模孔23，两管座模孔23也均为圆锥孔，通过该锥孔中心线的两圆板半径之间的夹角为105°。人座模孔22和管座模孔23的大端面底圆与展宽砧主体21的板面之间以圆弧面相过渡连接。人座模孔22和管座模孔23的孔径和位置分别与封头主体11上的人孔座14和管孔座12相对应。

图6、图7及图8示出了经模锻成型的封头板坯结构示意图。封头板坯3包括板坯主体31，该板坯主体31呈圆板状结构，该圆板的外径φ=2600mm。在板坯主体31的一面设置两个人孔圆台33和两个管孔圆台32，人孔圆台33的外径为720mm,，人孔圆台33的高度为250mm，管孔圆台的外径为430mm，管孔圆台32的高度为210mm。板坯主体31上两个人孔圆台33的位置夹角为90°，该位置夹角为通过两圆台中心线的板坯主体31两半径间的夹角。板坯主体31上两个管孔圆台32的位置夹角为105°，该位置夹角为通过两该圆台中心线的板坯主体31两半径间的夹角。相邻的人孔圆台与管孔圆台之间的位置夹角为82.5°，该位置夹角为通过人孔圆台和管孔圆台中心线的板坯主体31两半径间的夹角。板坯主体31的另一面为大锥角圆台面，该圆台面所在的圆台锥顶角为172°，即该圆台面与圆台中心线所构成的倾角为86°，圆台面的上底直径φ1=1400mm。圆台面的上底直径φ1与板坯主体31的外径φ之比φ1/φ应控制在1/（1.80—1.90）之间，以便于冲压成球冠型，且能保留截取试样的余量，同样板坯主体31的外径φ应为封头主体11上球冠半径R的3倍，优选地φ=（2.8—3.2）R。

图9示出了本发明锻造成型方法中用于封头成型的环状模的结构示意图，在该环状模4包括环模主体41，环模主体41呈圆环状，其外环面为圆柱面，环模主体41中心位置设有成型孔42，成型孔42的内孔面为圆弧面，该圆弧面有利于引导封头板坯的均匀冲压成型，并且减少冲压阻力。

图10示出了锻造成型方法中成型的封头粗成品及其试验取样图，该封头粗成品5包括呈半球冠状的粗成品本体51，以及与粗成品本体51连为一体的口端圆环部，在口端截取试样时，为了保证试样试验检测数据的准确性，应先截取并剔除口端截除环53，在截取口端截除环53后再截得口端试环52。同理在管孔座上也应先截取并剔除管孔端截除环55后，再截得管孔端试环54；同样在人孔座上也是先截取并剔除人孔端截除环57后，再截得人孔端试环56，并在试样环上按取样规范截取若干个试样，以检测材料成份、金属组织现状和力学性能指标，从而使得这些试环能够准确地反映粗成品本体的金属组织和力学性能。

Claims (6)

1.一种核电用压力容器一体化封头的锻造成型方法，其特征在于：该一体化封头的锻造成型方法包括以下步骤：

（1）钢锭加热：将钢锭在加热炉中加热至580℃—620℃，保温3小时，再以55℃/ h—60℃/ h的加热速度加热至830℃—870℃，保温4小时；再以78℃/ h—82℃/ h加热速度加热至1130℃—1170℃，保温4小时；再以78℃/ h—82℃/ h加热速度加热至1210℃—1240℃，保温1小时；

（2）锻坯下料：将上述加热钢锭从炉中取出切剁头尾，冒口端切剁量为钢锭重量的12%—16%，尾端切剁量为钢锭重量的8%—10%，去除氧化层形成锻坯；

（3）锻坯镦拔：将切剁头尾的锻坯镦粗，镦粗比为3.0—3.5；镦粗后再将锻坯拔长成圆柱状，拔长比为3.0—3.5；锻坯镦拔温度控制在800℃—1240℃范围内；

（4）模锻成型：将拔长成圆柱状的锻坯放至带有四孔的展宽砧上镦粗成封头板坯，该封头板坯正面为大锥角圆台面，封头板坯反面的四个圆台分别与核电用压力容器一体化封头的人孔座和管孔座位置相对应；

（5）板坯热处理：将封头板坯空冷至640℃—660℃，保温4—6小时；再空冷至300℃—400℃，保温4—6小时后；以45℃/ h— 50℃/ h的加热速度加热至640℃—660℃，保温50—60小时，炉冷至180℃时出炉至室温；

（6）板坯粗加工：将上述经热处理的封头板坯进行机加工，去除封头板坯的毛刺和凹凸面，使封头板坯正面的大锥角圆台面、封头板坯反面的四个圆台表面平整；

（7）封头成型：将上述经机加工的封头板坯加热至1240℃后，移放至带有中心孔的环状模进行冲压成型，封头板坯反面的四个圆台位于环状模的中心孔位置，球头冲模位于封头板坯正面的大锥角圆台面向下冲压，以形成半球封头坯件；

（8）封头冲孔：以对应冲孔的圆台端面为支承面将上述半球封头坯件放于冲压砧板上，冲杆从上方向下依次冲压对应孔，从而形成具有两个人孔和两个管孔的封头冲压件；

（9）锻件热处理：将上述封头锻件温度控制至905℃—925℃，保温6—8小时，再空冷至300℃—400℃，保温4—6小时后，再以45℃/ h— 50℃/ h的加热速度加热至640℃—660℃，保温12—14小时，炉冷至180℃时出炉空冷；

（10）锻件机加工：对上述经热处理的封头锻件进行机加工成封头粗成品；

（11）性能热处理：对封头粗成品先进行淬火处理，再进行调质处理，该淬火处理工艺为：将封头粗成品加温至600℃后保温2-3小时，再以90℃/ h—100℃/ h加温至935℃—955℃，保温2—3小时后水冷；将经淬火处理后的封头粗成品加温至400℃，保温2—3小时，再以45℃/ h—50℃/ h的加温速度加热至635℃—655℃，保温6—7小时后空冷至室温，以完成调质热处理；

（12）成品加工：对上述经性能热处理的封头粗成品进行取样，并对试样进行理化试验，将达到理化试验技术条件的封头粗成品进行机加工至合格的封头成品。

2.根据权利要求1所述的核电用压力容器一体化封头的锻造成型方法，其特征在于：所述锻坯镦粗的每次镦粗压下率为24%—30%；锻坯拔长的每次拔长压下率为24%—30%。

3.根据权利要求1所述的核电用压力容器一体化封头的锻造成型方法，其特征在于：所述封头板坯正面的大锥角圆台面的圆台锥角为170°-175°。

4.根据权利要求1所述的核电用压力容器一体化封头的锻造成型方法，其特征在于：用于封头成型的环状模包括环模主体，该环模主体的外环面为圆柱面，环模主体的内环截面为弧形面。

5.根据权利要求1所述的核电用压力容器一体化封头的锻造成型方法，其特征在于：所述封头锻件上的两个人孔和两个管孔均为盲孔。

6.根据权利要求1所述的核电用压力容器一体化封头的锻造成型方法，其特征在于：所述封头粗成品带有加工余量。