Прогресс в исследованиях теории и технологии формообразования крупных поковки 

Уровень технологии производства крупных поковок является отражением возможностей страны в области экстремального производства методом горячей обработки. В данной статье, исходя из истории развития крупных поковок, кратко описывается путь от традиционной теории и технологии свободной ковки до инноваций в процессах и технологиях ковки сверхкрупных поковок, а также тенденции развития теории и технологии экстремального производства сверхкрупных поковок в рамках концепции экстремального производства.

Крупные поковки являются основой для развития таких отраслей, как электроэнергетика, судостроение, металлургия, нефтехимия, тяжелое машиностроение и национальная оборона. Уровень технологий их производства является воплощением возможностей государства в области экстремальной горячей обработки, а также одним из важных показателей промышленного уровня и оборонной мощи страны.

Из-за огромных размеров исходных слитков для крупных поковок и медленного процесса кристаллизации структура затвердевания слитка получается аномально крупнозернистой и неоднородной, а также содержит пористые дефекты различной степени. Таким образом, процесс их ковки и формообразования обычно включает три этапа: предварительную ковку для улучшения обрабатываемости слитка; заготовку с большой деформацией (осадка и протяжка) для заварки внутренних пористых металлургических дефектов и измельчения грубой литой структуры; а также этап формообразования с контролем температуры и деформации для получения мелкозернистой и однородной структуры. В зависимости от метода выплавки исходного слитка и характеристик его структуры затвердевания, приоритеты на этих трех этапах различаются. Для крупных слитков, полученных традиционными методами плавки, последние два этапа являются ключевыми для формирования свойств при ковке и всегда были в центре внимания теоретических исследований, технологических инноваций и технического прогресса. Со времен «11-й пятилетки» отрасль крупногабаритных поковок в Китае развивалась беспрецедентно высокими темпами. Предприятия по производству крупных поковок значительно повысили уровень технологического оборудования, класс продукции и производственные мощности, а также уровень технологий крупногабаритной ковки. Были достигнуты значительные прорывы в возможностях экстремального производства и ключевых технологиях изготовления высококачественных крупных поковок для атомной энергетики, ультрасверхкритических тепловых энергоблоков и морской техники. Однако с переходом к сверхкрупным размерам и сложным формам поковок, усложнением состава сплавов и появлением специальных технологий подготовки слитков к технологиям ковки предъявляются еще более высокие требования.

Развитие традиционной теории и технологии свободной ковки

Крупногабаритные поковки обычно формуются и приобретают свои свойства с помощью традиционных процессов свободной ковки, таких как осадка, протяжка, прошивка, протяжка на оправке и раздача на оправке. С развитием обрабатывающей промышленности прогресс в теории и технологии крупногабаритной ковки прошел через различные этапы. Первый этап охватывает период с 1950-х по 1990-е годы. Специалисты по ковке во всем мире провели большой объем поисковых исследований теории и технологии свободной ковки. В области технологии протяжки на основе традиционной протяжки в плоских бойках последовательно был предложен ряд новых методов, таких как протяжка в комбинированных бойках (верхний плоский, нижний V-образный), методы FM, WHF, KD, SUF, TER, JTS, FML и AVD. Общей чертой этих методов является использование широких бойков и больших степеней обжатия для устранения осевых растягивающих напряжений в сердцевине и заварки внутренних дефектов типа пор. Среди них наиболее репрезентативными являются методы JTS, FM и WHF, которые успешно применяются при производстве крупных валов (например, роторов низкого давления турбин), а также крупных дисковых и плитных поковок.

Второй этап длился с конца XX до начала XXI века. С одной стороны, он характеризуется переосмыслением традиционной осадки и протяжки и выдвижением новых теорий, представленных командой профессора Лю Чжубая из Яньшаньского университета. Учитывая недостаточное понимание традиционной теории свободной ковки при осадке и протяжке, профессор Лю Чжубай и другие предложили две новые теории для осадки цилиндров между обычными плоскими плитами в зависимости от отношения высоты к диаметру. Первая — это теория растягивающих напряжений для жесткопластической механической модели при отношении высоты к диаметру более 1; вторая — теория касательных напряжений для механической модели гидростатического напряжения при отношении высоты к диаметру менее 1. На этой основе также была предложена новая технология осадки конусными плитами и ее механические принципы. В области теории протяжки, применяя две новые механические модели осадки прямоугольных призм и проблему влияния жестких концов при протяжке, был предложен новый технологический параметр — коэффициент ширины подачи, позволяющий точно описать напряженное состояние в центральной зоне протягиваемого тела и эффективно контролировать качество поковки. Также был предложен «новый метод FM», увеличивающий коэффициент ширины подачи для контроля поперечных растягивающих напряжений. На этой основе был разработан метод ковки без поперечных растягивающих напряжений.

С другой стороны, отечественные университеты и научно-исследовательские институты последовательно развернули исследования по заварке внутренних пористых дефектов в стальных слитках, а также по моделированию, прогнозированию и контролю микроструктуры при динамической и статической рекристаллизации в процессе ковки. В области заварки внутренних дефектов в слитках Университет Цинхуа одним из первых провел систематические и глубокие исследования. Жэнь Мэн и другие предложили метод эффективного уплотнения при ковке. Исходя из определения критических условий эффективного уплотнения, они вывели технологические критерии метода эффективного уплотнения для получения поковок без дефектов, а позже обобщили ключевые моменты технологии крупногабаритной свободной ковки. Команда профессора Цуй Чжэньшаня из Шанхайского университета Цзяотун, занимаясь многомасштабными проблемами внутренних пустот в крупных поковках, на основе теории мезопластичности, используя модель элементарной ячейки и метод Ритца, вывела уравнение эволюции объема внутренних пустот. Путем анализа механических условий закрытия пустот был установлен критерий закрытия внутренних пустот в крупных поковках при горячей ковке. В области моделирования и контроля микроструктуры при динамической и статической рекристаллизации команда профессора Лю Цзяньшэна из Тайюаньского научно-технологического университета исследовала закономерности эволюции микроструктуры и технологии контроля измельчения и гомогенизации зерен для таких материалов, как Mn18Cr18N, 316LN, 304, 12%Cr и 2.5Cr1MoV в процессе многоэтапной горячей ковки. Они провели глубокие исследования в области прогнозирования и контроля микроструктуры, решили ключевые технологические задачи моделирования динамической и статической рекристаллизации, разработали программное обеспечение для жестко-вязкопластического анализа методом конечных элементов TFORM2 и TFORM3. Был предложен современный метод исследований горячего формования, интегрирующий термодинамическое физическое моделирование, микромоделирование и численное моделирование, что позволило реализовать связанный анализ микромоделирования и макродеформации. На этой основе были разработаны короткоцикловая технология комбинированного формования расширением и экструзией для крупных поковок стопорных колец, а также технология измельчения и гомогенизации зерен путем накопления малых деформаций для главных трубопроводов атомных электростанций. Команда профессора Цуй Чжэньшаня из Шанхайского университета Цзяотун, используя в качестве объектов исследования сталь для атомной энергетики SA508-3, низкоуглеродистую сталь SS400, сталь для роторов низкого давления 30Cr2Ni4MoV и нержавеющую сталь 316LN, объединила теоретическое моделирование, численные расчеты и экспериментальные исследования. В соответствии с закономерностями макро-микро взаимодействия между деформацией, плотностью дислокаций, рекристаллизацией и напряжением текучести, они создали феноменологические математические модели или методы моделирования на основе клеточных автоматов для эволюции микроструктуры, включая рост аустенитного зерна, деформацию, возврат, динамическую, адиабатическую и статическую рекристаллизацию. Интегрировав многомасштабную цифровую систему моделирования прерывистой деформации при горячей ковке, они реализовали многомасштабное моделирование эволюции микроструктуры в многоэтапных и многопроходных процессах горячей ковки крупных поковок.

Технологии и инновации в процессах ковки сверхкрупных поковки

Начиная с периода «одиннадцатой пятилетки», тенденция к увеличению масштабов и высокотехнологичности энергетического оборудования привела к тому, что характеристики крупных поковок становятся все более тяжеловесными, формы — более сложными, требования к эксплуатационным характеристикам — более высокими, а условия эксплуатации — более суровыми. Традиционные технологии свободной ковки уже с трудом удовлетворяют этим требованиям. В связи с этим, под влиянием инновационного потенциала предприятий тяжелого машиностроения Китая и на фоне эпохи экологичного и низкоуглеродного производства, возникли технологии интегрированной ковки и формообразования, близкого к заданному (near-net shape), для крупных поковок. Благодаря революционным методам формообразования и технологическим инновациям, поковки в рамках рационального процесса горячей штамповки могут приобретать сложные формы, сопоставимые с литыми изделиями, сохраняя при этом плотность и однородность структуры, характерные для кованых изделий. Например, компания CFHI (China First Heavy Industries), используя такие методы, как штамповка в подкладных штампах и локальное выдавливание, реализовала интегрированное производство ряда изделий, разработав такие тяжелые высокотехнологичные сложные поковки для атомной энергетики, как цельнокованые обечайки, цельные верхние крышки и цельные днища. Компания Erzhong разработала для днищ различных конструкций такие инновационные технологии, как горячая вытяжка, полное копировальное формование методом ротационной ковки в штампах, комбинированный процесс полукопировального формования с газовой резкой и строжкой, а также совмещенную технологию вытяжки и отбортовки патрубков. Компания CITIC Heavy Industries разработала такие технологии, как ротационная осадка, вальцовка и ротационная ковка в штампах, успешно изготовив сверхкрупные фасонные поковки для морских сваебойных молотов.

На этой основе, для достижения формообразования под действием напряжений сжатия, эффективного контроля ковочных трещин, повышения коэффициента использования материала, снижения энергопотребления, сокращения производственного цикла и улучшения качества сверхкрупных поковок, компания CFHI предложила инновационный метод FGS-ковки. FGS — это аббревиатура от Forming (формообразование), Grain (зерно) и Stress (напряжение). Это метод ковки, который органично сочетает в себе формообразование, измельчение зерна и управление напряжениями, позволяя заготовке принимать форму, близкую к конечной, в условиях многоосного сжатия, что обеспечивает получение равномерного мелкого зерна по всему сечению поковки. Цель метода заключается в том, чтобы за один нагрев обеспечить формообразование заготовки во всех направлениях под действием сжимающих напряжений, тем самым достигая однородной мелкозернистой структуры и эффективно решая проблемы больших припусков, растрескивания и дефектов разнозернистости в сверхкрупных интегрированных поковках.

Теория и технологии экстремального производства сверхкрупных поковок

Интеграция основной структуры крупногабаритного оборудования является важным технологическим фактором для достижения его высокой функциональности. Однако существующие технологии производства приводят к тому, что разница в характеристиках различных частей крупных конструкций может достигать 30%–50%, что создает огромные риски для безопасности при эксплуатации оборудования. Концепция «экстремального производства» (extreme manufacturing) четко определяет изготовление сверхкрупных поковок как производство в условиях эффекта сверхбольших размеров. В этих условиях некоторые традиционные принципы, методы и технологии производства могут оказаться неприменимыми, что требует поиска и изучения новых, в том числе прорывных теорий, методов и технологий. Например, предложенная Институтом металлов Китайской академии наук технология формообразования путем сборки крупных стальных слитков и разработанная компанией China First Heavy Industries (CFHI) новая технология аддитивного производства заготовок для крупных поковок являются революционными методами получения гомогенизированных стальных слитков сверхбольших размеров.

Существует два пути реализации кузнечной формовки сверхкрупных поковок. Первый путь основан на принципе «большим производить большое», то есть использовании сверхмощных прессов для изготовления сверхкрупных поковок и реализации их цельного формообразования. Например, компания CFHI, используя самостоятельно разработанный стан для прокатки обечаек диаметром 3700 мм, успешно отковала поковку типа «обечайка» с наружным диаметром 9,1 м, толщиной стенки 360 мм и высотой 2,7 м. В Китае уже построены сверхмощные штамповочные прессы, ориентированные в основном на крупные авиационные поковки: пресс 800 МН компании Wanhang, пресс 400 МН в Янляне (провинция Шэньси) и штамповочный пресс 500 МН компании Nanshan Aluminum. Для реализации экстремального производства и цельного формообразования тяжелых поковок в Китае компания CFHI планирует построить пресс усилием 1600 МН с шириной пролета 10 м и высотой просвета 15 м. Он сможет удовлетворить потребности в высококачественной цельной профильной ковке структурных компонентов для атомных энергоблоков, нефтехимических резервуаров, крупных самолетов, ракет-носителей, глубоководных аппаратов и других областей. Строительство сверхмощных прессов позволит осуществить революционные инновации в технологиях производства тяжелых высокотехнологичных поковок сложной формы.

Второй путь основан на принципе «малым производить большое», то есть использовании методов локального нагружения. Путем оптимизации комбинаций способов и траекторий нагружения достигается общее формообразование и получение требуемых свойств крупных поковок. В этой области накоплен богатый опыт применения традиционных процессов свободной ковки, таких как протяжка, протяжка на оправке или раздача на оправке, а также методов локального выдавливания и локальной отбортовки при ковке в подкладных штампах. Однако при разработке прежних теорий, методов и технологий формообразования в некоторых случаях недостаточно учитывалось влияние эффекта больших размеров; они не опирались на концепцию производства изделий сверхбольших габаритов для формирования системной и полной теоретической базы. Например, при создании моделей микроструктуры и методов моделирования динамической и статической рекристаллизации в процессе крупногабаритной ковки не в полной мере учитывалось влияние эффекта больших размеров — неоднородности морфологии, размера и состава исходных зерен затвердевания слитка — на закономерности рекристаллизации и точность моделирования. При изучении трещинообразования при горячей ковке, характеризуемого параметрами термической деформации, также не хватало исследований с точки зрения градиентов, вызванных эффектом больших размеров. Таким образом, с учетом тенденций к увеличению размеров, усложнению форм и повышению гомогенности материалов поковок, создание теории, методов и технологий горячего формообразования компонентов сверхбольших размеров с позиции экстремального производства является одновременно и преемственностью, и развитием.

Заключение

В данной статье на основе обобщения развития традиционной теории и технологии свободной ковки излагаются инновации и применение процессов и технологий формообразования сверхкрупных поковок. В заключение указываются тенденции развития теории и технологий экстремального производства сверхкрупных поковок, а также описываются два пути развития теории и технологий формообразования в рамках концепции экстремального производства, их соответствующие характеристики и значение.