CN113245488B - 一种一体化高温气冷堆的顶盖锻造成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种一体化高温气冷堆的顶盖锻造成形方法，属于材料成形领域。针对现有高温堆顶盖一体锻造成型难度大的问题，本发明提供了一种一体化高温气冷堆的顶盖锻造成形方法，包括以下步骤：S1：制坯得到原始坯料；S2：将原始坯料放置在下模内的垫块上进行镦粗；S3：对镦粗后的原始坯料进行第一次旋转锻造；S4：在下模上放置上模圈，随后进行第二次旋转锻造；S5：移除下模内的垫块，继续进行第三次旋转锻造；S6：进行平整，得到一体化高温气冷堆的顶盖。本发明将大型一体化顶盖的仿形成型过程分为三个旋转锻造阶段，通过上模圈、下模和垫块的配合实现高温堆顶盖的一体化仿形成型，同时提高了一体化顶盖的仿形比例和材料利用率，工艺简单易操作。

Description

一种一体化高温气冷堆的顶盖锻造成形方法

技术领域

本发明属于材料成形技术领域，更具体地说，涉及一种一体化高温气冷堆的顶盖锻造成形方法。

背景技术

高温气冷堆简称高温堆是国际核能界公认的一种具有良好安全特性的堆型，具有热效率高、燃耗深、转换比高、安全性高和用途广泛等优点。我国自上世纪七十年代中期开始高温堆的研究和开发，目前已取得突破性成果，基本掌握了核心技术和系统设计集成技术。2006 年1月，国务院正式发布的“国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020)”将“大型先进压水堆和高温气冷堆核电站示范工程”列为国家重大专项。而顶盖作为高温堆的主要部件，起着十分重要的作用。大型一体化高温堆顶盖如图1所示，包含大直径法兰(法兰外径 Da约6650mm，内径da约5250mm)、球面封头(封头外球半径SR约3400mm，内球半径 sr约3100mm)和环形管嘴(管嘴直径Db约4100mm)三部分，具有直径大(最大直径Da 约6650mm)、高度高(Ha约2800mm)、内腔深(h约2520mm)、形状复杂和锻件重量重 (约300t)等特点，其内腔深占总高度比例h/Ha约0.9，法兰内外径比例da/Da约0.8，一体化仿形锻造难度很大，难以采用传统简单碾压成型方式进行仿形成型。由于技术限制，目前锻造方案采用“分体锻造+焊接拼合”的方式，分别锻造法兰、封头和环形管嘴，最后通过焊接的方式拼合在一起。但随着形势的发展，高温堆一体化、大型化的需求愈发迫切。

发明内容

1、要解决的问题

针对现有高温堆顶盖一体锻造成型难度大的问题，本发明提供了一种一体化高温气冷堆的顶盖锻造成形方法。本发明将大型一体化顶盖的仿形成型过程分为三个旋转锻造阶段，通过上模圈、下模和垫块的配合实现高温堆顶盖的一体化仿形成型，同时提高了一体化顶盖的仿形比例和材料利用率，工艺简单易操作。

2、技术方案

为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。

一种一体化高温气冷堆的顶盖锻造成形方法，包括以下步骤：

S1：制坯得到原始坯料；

S2：将原始坯料放置在下模内的垫块上进行镦粗，所述垫块与原始坯料接触的一面呈中间高，两边低的设置；所述下模实现顶盖中球形封头段的外轮廓和环形管嘴段的外轮廓的成型；

S3：对镦粗后的原始坯料进行第一次旋转锻造，预成型顶盖中的中部内腔；

S4：第一次旋转锻造结束后，在下模上放置上模圈，随后进行第二次旋转锻造，进一步预成型顶盖中的中部内腔；所述上模圈实现顶盖中法兰段外轮廓的成型；

S5：第二次旋转锻造结束后，移除下模内的垫块，继续进行第三次旋转锻造，最终成型顶盖中的中部内腔；

S6：第三次旋转锻造完成后进行平整，得到一体化高温气冷堆的顶盖。

更进一步的，所述步骤S3中使用上旋转砧Ⅰ进行第一次旋转锻造，步骤S4和步骤S5中使用上旋转砧Ⅱ进行第二次和第三次旋转锻造；且上旋转砧Ⅰ与坯料的接触面积小于上旋转砧Ⅱ与坯料的接触面积。

更进一步的，步骤S3中第一次旋转中每次旋转角度为6°～30°，每次压下量为80mm～200mm；

更进一步的，步骤S4中第二次旋转中每次旋转角度为5°～8°；每次压下量为 80mm～400mm。

更进一步的，步骤S5中第三次旋转中每次旋转角度为3°～6°；每次压下量为 50mm～100mm。

更进一步的，步骤S4中上模圈上设有挡块。

更进一步的，挡块包括固定段，与固定段连接的限位段，固定段设置在上模圈上，限位段沿着固定段的长度方向向下延伸。

更进一步的，所述步骤S2中在进行镦粗之前需先将原始坯料加热至1220℃～1260℃。

3、有益效果

相比于现有技术，本发明的有益效果为：

(1)本发明通过在下模的垫块内进行镦粗，而将垫块设置成中间高两边低的形状使得初始坯料在镦粗时底部形成两边高，中间凹的形状，降低一体化高温堆顶盖前期成型高度，同时降低前期成型难度，并在最后一次旋转前进行垫块的拿出，解决一体化高温堆顶盖下部环形管嘴直角处充填困难的问题；对坯料进行多次旋转锻造，旋转锻造过程中一方面在上模圈和下模的配合下进行顶盖外轮廓的成型；另一方面进行顶盖中部内腔的成型；整个过程实现了顶盖的一体化成型，同时提高了一体化顶盖的仿形比例和材料利用率；

(2)本发明对坯料进行第一次旋转时所用的旋转砧Ⅰ相比于第二次和第三次中的旋转砧Ⅱ尺寸更小，外形更为尖锐，降低后续更大曲率尺寸、为平缓顶盖内腔的成型提供支持，避免后续旋转锻造成型时顶盖内腔发生折叠的风险，通过先小范围预成型内腔，再大范围精准成型内腔，进一步保证成型的安全性以及准确性；

(3)本发明在三次旋转锻造过程中对旋转角度以及压下量做出进一步的限定，旋转角度与压下量的设定依照随着内腔的深度不断增大，旋转角度以及压下量逐步适量减小为原则；在单次的旋转锻造过程中旋转角度过大，会导致接砧效果差，接砧处存在毛刺，过大会存在台阶面；旋转角度过小会导致旋转锻造效率过低，可能间接导致回炉现象发生；压下量过大会导致接砧处出现折叠缺陷；过小会导致旋转锻造效率过低，可能间接导致回炉现象发生；

(4)本发明通过在上模圈中设置挡块，挡块用于上模圈与下模之间进行对中、匹配和限位，放置在锻造过程中上模圈与下模之间发生相对移动，造成整体偏移的情况，有效保证了锻造过程中的稳固性；同时挡块中的一部分与上模圈连接，另一部分延伸与下模之间进行接触限位，加强上模圈与下模之间对接的稳固性，进而保证整个锻造过程能够顺利进行。随着高温堆一体化、大型化的需求愈发迫切，本发明针对该大型一体化高温堆顶盖的形状特点，开发了一种新型仿形锻造成形方法及其工装设计。该大型一体化顶盖的仿形成型过程分为三个旋转锻造阶段，同时借助万吨压机等设备实现了由大直径法兰、球面封头和环形管嘴组合成的一体化高温堆顶盖的仿形成型。

附图说明

图1为大型一体化高温堆顶盖形状示意图；

图2为下模尺寸示意图；

图3为垫块尺寸示意图；

图4为上模圈尺寸示意图；

图5为上旋转砧Ⅰ尺寸示意图；

图6为上旋转砧Ⅱ尺寸示意图；

图7为坯料尺寸示意图；

图8为镦粗变形过程示意图；

图9为第一次旋转锻造变形示意图；

图10为第二次旋转锻造变形示意图；

图11为第三次旋转锻造变形示意图。

图中：1、法兰段；2、球形封头段；3、环形管嘴段；4、下模；5、垫块；6、上模圈；7、挡块；8、上旋转砧Ⅰ；9、上旋转砧Ⅱ。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明进一步进行描述。

实施例1

由于高温气冷堆本身具有直径大、形状复杂以及锻件重量大等特点，所以造就难以用传统简单的碾压成型方式进行仿形成型，但由于高温堆一体化、大型化的需求愈发迫切。因此本申请提出一种一体化高温气冷堆的顶盖锻造成形方法，在此进行说明是，本申请中一体化高温气冷堆顶盖包括依次连接的三个部分：法兰段1、球形封头段2和环形管嘴段3，以及在三段之间形成的中部内腔，如图1所示，法兰段1的直径为D_a，球形封头段2的半径为SR，环形管嘴段3的直径为D_b，环形管嘴段3到球形封头段2之间的垂直距离为H_b，环形管嘴段 3到法兰段1之间的垂直距离为H_a，中部内腔的深度为h，中部内腔在法兰段1位置处呈上大下小的圆台状，其最大直径为d_a，最小直径为d_b；中部内腔在球形封头段2位置呈球冠形面，其球冠底为d_b，球半径为sr。具体的，如图2、图3、图4、图5和图6所示，一种一体化高温气冷堆的顶盖锻造成形方法，包括以下步骤：

S1：制坯得到原始坯料；

S2：将原始坯料放置在下模4内的垫块5上进行镦粗，垫块5与原始坯料接触的一面呈中间高，两边低的设置；下模4的形状设计以实现顶盖中球形封头段2的外轮廓和环形管嘴段3的外轮廓的成型为准，具体的，下模4的部分尺寸参数设定原则如下：下模4的上直径d₁≈D_a-拔模量；下模4的下直径d₂≈D_b；下模4的高度H₁＝H_b；下模4的半径sr₁＝SR；下模4 的内孔内设置垫块5；

垫块5的部分尺寸参数设定原则如下：垫块5的直径D₁≈Db-(100～150)mm；垫块5中间高的部位直径d₃≈2/3*D₁；垫块5的高h₁≈(1/5～1/4)H_a；垫块5底部到中间最高部位的垂直距离H₂≈h₁+(100～200)mm；垫块5的设置将一体化高温堆顶盖分为前期和后期(有无垫块5)两部分，在镦粗过程中将原始坯料底部形成两边高，中间凹的形状，便于后续锻造过程中坯料向下模4内的填充，降低一体化高温堆顶盖前期成型高度，同时降低前期成型难度，协助实现中间坯料的成型；后续在拿掉垫块5后继续锻造时解决一体化成型高温顶盖中下部环形管嘴段3处直角填充困难的问题。

S3：对镦粗后的原始坯料进行第一次旋转锻造，预成型顶盖中的中部内腔，具体的，使用上旋转砧Ⅰ8进行第一次旋转锻造，上旋转砧Ⅰ8的形状设计以预成型顶盖中的中部空腔为基准，且上旋转砧Ⅰ8与坯料的接触面积小于上旋转砧Ⅱ9与坯料的接触面积，其中上旋转砧Ⅰ8的部分尺寸参数设定原则为：上旋转砧Ⅰ8形状与顶盖中部内腔形状相同，上部为上大下小的圆台，圆台进行工作时的最大直径D₂即第一次锻造完成后顶盖中部内腔的最大开口直径≈(0.75～0.8)d_b；母线与圆台上部的夹角α°≈55°～60°；下部轮廓为球冠形面，其球半径 R₁＝sr；上旋转砧Ⅱ9的高度h₂≥h+100mm；

S4：第一次旋转锻造结束后，在下模4上放置上模圈6，即下模4顶部与上模圈6拼合，坯料在下模4与上模圈6拼合的空腔内；随后进行第二次旋转锻造，进一步预成型顶盖中的中部内腔；上模圈6的形状设计以实现顶盖中法兰段1外轮廓的成型为标准；具体的，上模圈6的部位尺寸参数限定原则：上模圈6的上直径d₄≈D_a；上模圈6的下直径d₅≈D_a-拔模量；上模圈6的高H₃≈H_a-H_b。

同时在本步骤中，采用上旋转砧Ⅱ9进行第二次旋转锻造，通过上旋转砧Ⅱ9的下部轮廓实现对顶盖的中部内腔精准仿形成型，上旋转砧Ⅱ9的部分尺寸参数设定原则：上旋转砧Ⅱ9 形状与顶盖中部内腔形状相同，上部为上大下小的圆台，圆台进行工作时的最大直径D₃即第二次锻造完成后顶盖中部内腔的最大开口直径≈d_a；圆台的最小直径D₄＝d_b；下部轮廓为球冠形面，其球半径R₂＝sr；上旋转砧Ⅱ9的高度h₃≥h+100mm；选择不同尺寸的旋转砧进行分次旋转锻造，降低后续更大曲率尺寸、为平缓顶盖内腔的成型提供支持，避免后续旋转锻造成型时顶盖内腔发生折叠的风险，进一步保证成型效果；

S5：第二次旋转锻造结束后，移除下模4内的垫块5，继续进行第三次旋转锻造，最终成型顶盖中的中部内腔，本步骤中采用上旋转砧Ⅱ9继续进行第三次旋转锻造；

S6：第三次旋转锻造完成后换上平砧进行平整，得到一体化高温气冷堆的顶盖锻件。

本发明将大型一体化顶盖的仿形成型过程分为三个旋转锻造阶段，通过上模圈6、下模4 和垫块5的配合实现高温堆顶盖的一体化仿形成型，同时提高了一体化顶盖的仿形比例和材料利用率，工艺简单易操作。

实施例2

基本同实施例1，为了进一步保证锻造过程中的安全性以及准确性，在本实施中对每次旋转锻造中的旋转角度以及压下量进行具体的限定，如在步骤S3中第一次旋转中每次旋转角度为6°～30°，每次压下量为80mm～200mm；步骤S4中第二次旋转中每次旋转角度为5°～8°；每次压下量为80mm～400mm；步骤S5中第三次旋转中每次旋转角度为3°～6°；每次压下量为50mm～100mm。每次旋转的角度以及压下量的设置以随着中部内腔深度的增大而进行适当减小，在方便中部内腔成型的同时提高工作效率。每次旋转步骤中对旋转角度进行的限定是为了考虑旋转角度过大，会导致接砧效果差，接砧处存在毛刺，过大会存在台阶面；旋转角度过小，会导致旋转锻造效率过低，可能间接导致回炉现象发生。对压下量的限定是为了考虑压下量过大，会导致接砧处出现折叠缺陷；压下量过小，会导致旋转锻造效率过低，可能间接导致回炉现象发生。只有对每一步旋转锻造进行精确的限定，才能保证最终成型的锻件能够符合要求并且提高工作效率。

更具体的，在本实施中为了保证上模圈6与下模4之间有良好的紧固关系，使坯料在锻造过程中保证足够的稳定性能，在步骤S4中上模圈6上设有挡块7，上模圈6整体形状呈一个圆柱形，内部有通孔，在圆柱形呈相对的两个位置处均设有挡块7。因上模圈6需与下模4 进行对接，挡块7的设置则有效对对接处进行一个限位，避免上模圈6与下模4之间在旋转锻造过程中发生相对错位造成成型偏差。挡块7包括固定段，与固定段连接的限位段，固定段设置在上模圈6上，限位段沿着固定段的长度方向向下延伸，限位段在上模圈6与下模4对接时与下模4接触，对下模4进行一个限位固定，整体挡块7限位性能高，且结构简单，成本低。

实施例3

基本同实施例2，在本实施例中以具体坯料为例，一种一体化高温气冷堆的顶盖锻造成形方法，包括以下步骤：

S1：制坯得到原始坯料，即通过传统加热保温、镦粗、拔长和JTS等方法预制直径为D₀ (D₀≈3200mm)，长度为L₀(L₀≈4900mm)的原始的坯料1，如图7所示；

S2：将坯料1进行加热，加热到1220℃～1260℃并保温充分的时间，保证坯料1易于后续成型；如图8所示，坯料1放置在下模4内的垫块5上进行镦粗，将坯料1由高度H₀(H₀＝L₀)镦粗至H₄(H₄＝H_a-h₁+200mm)，控制镦粗比为1.5～2.2，得到坯料2；

S3：如图9所示，对镦粗后的坯料2加热至1200℃～1220℃，并保温充分时间后进行第一次旋转锻造，使用旋转砧I8旋转锻造预成型顶盖中的中部内腔，具体的，每砧旋转6°～30°，每砧压下量80mm～200mm，旋转一圈需要6～30砧，共需旋转10～15圈，第一次旋转锻造结束后形成坯料3，坯料3的中部最小厚度为H₅(H₅≈H_a-h+100mm)；

S4：如图10所示，第一次旋转锻造结束后，在下模4上放置上模圈6，坯料3加热到1200℃～1220℃并保温充分时间后，对坯料3随后进行第二次旋转锻造，进一步预成型顶盖中的中部内腔；使用旋转砧II9进行第二次旋转锻造，具体的，每砧旋转5°～8°，每砧压下量80mm～400mm，旋转一圈需要23～36砧，共需旋转8～10圈，由于第一次旋转锻造中部内腔已经初步成型，第二次旋转锻造每砧压下量可以适当增大，随着中部空腔深度增大，后续每砧旋转角度和压下量逐步适量减小，第二次旋转锻造结束后形成坯料4，坯料4的中部最小厚度为H₅；

S5：如图11所示，第二次旋转锻造结束后，移除下模4内的垫块5，对坯料4加热至1200℃～1220℃并保温充分时间后，使用旋转砧II9继续进行第三次旋转锻造，具体的，每砧旋转3°～6°，每砧压下量50mm～100mm，旋转一圈需要30～60砧，共需旋转8～12圈，最终成型顶盖中的中部内腔，得到坯料5，坯料5中部最小厚度H₆(H₆≈H_a-h)；

S6：第三次旋转锻造完成后，将坯料5进行加热至1150℃～1200℃并保温充分时间后换上平砧，对坯料5按锻件图尺寸进行平整，得到一体化高温气冷堆的顶盖锻件。

本发明通过下模4的上平面和内轮廓共同实现对一体化高温气冷堆顶盖中球形封头段2 和环形管嘴段3外部轮廓的仿形成型；通过上模圈6实现顶盖中法兰段1外轮廓的仿形成型；使用旋转砧对顶盖中部内腔的仿形成型；在保证顶盖形状要求的情况下实现一体化成型；更重要的是通过垫块5的设置使得坯料底部在前期形成两边高、中间凹的形状，随后拿掉垫块 5继续进行锻造，解决了一体化高温气冷堆顶盖下部环形管嘴段3直角处填充困难的问题，在实现一体化成型的同时极大的降低了一体化高温堆顶盖仿形成型难度。

本发明所述实例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种一体化高温气冷堆的顶盖锻造成形方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：制坯得到原始坯料；

S2：将原始坯料放置在下模(4)内的垫块(5)上进行镦粗，所述垫块(5)与原始坯料接触的一面呈中间高，两边低的设置；所述下模(4)实现顶盖中球形封头段(2)的外轮廓和环形管嘴段(3)的外轮廓的成型；

S3：对镦粗后的原始坯料进行第一次旋转锻造，预成型顶盖中的中部内腔；

S4：第一次旋转锻造结束后，在下模(4)上放置上模圈(6)，随后进行第二次旋转锻造，进一步预成型顶盖中的中部内腔；所述上模圈(6)实现顶盖中法兰段(1)外轮廓的成型；

S5：第二次旋转锻造结束后，移除下模(4)内的垫块(5)，继续进行第三次旋转锻造，最终成型顶盖中的中部内腔；

S6：第三次旋转锻造完成后进行平整，得到一体化高温气冷堆的顶盖。

2.根据权利要求1所述的一种一体化高温气冷堆的顶盖锻造成形方法，其特征在于：所述步骤S3中使用上旋转砧Ⅰ(8)进行第一次旋转锻造，步骤S4和步骤S5中使用上旋转砧Ⅱ(9)进行第二次和第三次旋转锻造；且上旋转砧Ⅰ(8)与坯料的接触面积小于上旋转砧Ⅱ(9)与坯料的接触面积。

3.根据权利要求2所述的一种一体化高温气冷堆的顶盖锻造成形方法，其特征在于：步骤S3中第一次旋转中每次旋转角度为6°～30°，每次压下量为80mm～200mm。

4.根据权利要求1或2所述的一种一体化高温气冷堆的顶盖锻造成形方法，其特征在于：步骤S4中第二次旋转中每次旋转角度为5°～8°；每次压下量为80mm～400mm。

5.根据权利要求1所述的一种一体化高温气冷堆的顶盖锻造成形方法，其特征在于：步骤S5中第三次旋转中每次旋转角度为3°～6°；每次压下量为50mm～100mm。

6.根据权利要求1或2所述的一种一体化高温气冷堆的顶盖锻造成形方法，其特征在于：步骤S4中上模圈(6)上设有挡块(7)。

7.根据权利要求6所述的一种一体化高温气冷堆的顶盖锻造成形方法，其特征在于：挡块(7)包括固定段，与固定段连接的限位段，固定段设置在上模圈(6)上，限位段沿着固定段的长度方向向下延伸。

8.根据权利要求1所述的一种一体化高温气冷堆的顶盖锻造成形方法，其特征在于：所述步骤S2中在进行镦粗之前需先将原始坯料加热至1220℃～1260℃。

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