大型核反应堆水室封头锻件整体成形锻压装置及方法

摘要

一种核电基础设备技术领域的大型核反应堆水室封头锻件整体成形锻压装置及方法，该装置包括：球状上凸模、带有若干整体水嘴成形模腔的成形下模以及设置于成形下模上用于承载坯料的定位环；整体水嘴成形模腔设置于成形下模的球形模腔的底面，并与成形下模的外部装置相连通。本发明通过将成形预制坯料在重载液压机载荷作用下热冲压成形为带水嘴整体封头。本发明解决了核电设备压力容器封头多水嘴整体锻造成形的关键技术难点，同时有效减少热冲压时锻件起皱和拉裂等问题，使制件性能更加均匀。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种大型锻件锻造技术领域的整体成形锻压装置及方法，具体是一种大 型核反应堆水室封头锻件整体锻压成形模具及方法。

背景技术

随着核电能源工业的快速发展及经济建设能源结构调整的需要，以AP1000和CAP1400 为代表的核电设备技术开发及应用成为主要趋势，对大型厚壁压力容器关键部件的制造也提出 高性能、运转周期长、检验维护便捷等更高更严格的要求。

为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。因此，核电压力容器封头中的水嘴必须采用整体锻造， 整体封头的成形技术使压力容器尺寸愈来愈大，同时对制件性能控制要求也更加苛刻。

大型核反应堆水室上封头是外径大同时需要对水嘴同时成形的一体化设计，其中面展开 直径很大，一般达到6500mm以上，同时还要保证其性能均匀，锻造难度非常之大。

经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN101898224A公开(公告)日 2010.12.01，公开了一种百万千瓦级核电反应堆压力容器下封头锻件的锻压方法，使用12000 吨水压机，对材料为16MND5，重量为103吨的双真空钢锭进行锻压，锻压过程依次包括：拔 长：将双真空钢锭加热至1220±10℃，将2625mm的长度变为4600mm；气割下料：将锻件 底端去除一段，使4600mm的长度变为3450mm，保证双真空钢锭底部充分切除；镦粗：将 温度加热至1240±10℃，将3450mm的长度变为290mm；粗加工：将锻件毛坯粗加工成圆饼 状，直径为5000mm，厚度为220mm；冲压成形：将锻件加热至1000±10℃，然后将锻件放 置到专用模具上冲压成形，使锻造比达1.2，锻件冲压成形后呈一个球冠的形状。但该项技术 制备的压力容器后期需要采用较多的焊接工艺连接管道，为进一步提高核电能源使用安全性， 目前核电压力容器设计要求采用整体锻压成形方法获取锻件，尽可能减少焊接工艺尤其是在大 型封头连接处。为适应水室封头的新技术要求，本项发明将核电水室封头中多个水嘴在锻压时 整体成形，以提高核电容器使用安全性和核电容器的使用寿命。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种大型核反应堆水室封头锻件整体成形锻 压装置及方法，能够用于制造外径大带水嘴整体成形压力容器的大型封头。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种大型核反应堆水室封头锻件整体成形锻压装置，包括：球状上凸模、带 有若干整体水嘴成形模腔的成形下模以及设置于成形下模上用于承载坯料的定位环。

所述的整体水嘴成形模腔设置于成形下模的球形模腔的底面，并与成形下模的外部装置 相连通。

所述的定位环的上、下接触面上均设有凹槽结构，其中：定位环的下接触面与成形下模 之间通过台阶结构活动安装；上接触面的凹槽结构用于承载坯料，其内径大于坯料直径与材料 始锻温度时达到的热膨胀量之和。

所述的定位环的外侧沿圆周方向相隔120°设置三个定位标识，用于确定预制坯料凸起 部位沿轴线方向中线与下模腔凹槽径向方向中线是否重合。

所述的成形下模的球形模腔的整体水嘴成形模腔为相贯圆台体。

本发明涉及上述装置的热冲压方法，通过将成形预制坯料在重载液压机载荷作用下热冲 压成形为带水嘴整体封头。

所述的方法具体包括以下步骤：

第一步，选择成形模具；上模具的球径小于大封头的内部球径，成形下模的内部球径大 于大封头的外部球径；

第二步，加热；将大封头预制坯料加热至成形始锻温度并保温，在预制坯料加热时预制 坯料凸起部分方向朝下，并使整体预制坯料加热温度均匀；

所述的预制坯料的形状结构特征为坯料凸起设计，其凸起部分通过锻压方式制备后再进 行机械加工得到。

第三步，热冲压成形：将始锻温度充分保温均匀加热的预制坯料放置到成型模具上，预 制坯料凸起部分中线与定位环上的定位柱中线方向重合，将预制坯料在重载液压机压力作用下 热冲压成形。

所述的重载液压机为万吨及以上的液压机；热冲压时速率控制在5～25mm/s，上模具与 成形坯料接触后，上模具的下行行程等于封头深度减去加工余量及底部厚度热膨胀量，终锻温 度控制在850℃以上。

技术效果

与现有技术相比，本发明在热冲压成形过程中使下模具水嘴成形的模腔充填稳定并最终 整体成形。

本发明热冲压成形后的大封头锻件能有效地控制产品形状，壁厚尺寸均匀，大大减少机 械加工余量，提高生产效率。成形过程时锻件在模具内受力状态好，金属流线分布合理，成形 后组织均匀，为下一步热处理提供整体性能稳定的预制工件。

附图说明

图1a和图1b分别为成品封头机加工所需达到的形状剖视图及水嘴示意图；

图2为本发明上凸模三维示意图；

图3为本发明上凸模剖视图；

图4为本发明定位环三维示意图；

图5为本发明定位环剖面示意图；

图6为本发明成形下模三维示意图；

图7为本发明成形下模剖视图；

图8a和图8b分别为预制坯料三维示意图及剖视图；

图9为本发明整体结构示意图；

图10为实施例成形过程示意图；

图11为包含机械加工尺寸所需的锻件形状示意图；

图中：1上凸模、2成形下模、3定位环、4整体水嘴成形模腔、5上台阶结构、6下台 阶结构、7定位柱、8球形模腔、9坯料及成形封头10。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施， 给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

下面对本实施例核电设备压力容器水室大封头热冲压成形方法，使用重载液压机压力将 成形预制坯料冲压成形，热冲压成形过程分为以下步骤：

第一步，选择设计成形模具：如图9所示，本实施例模具包括：球状上凸模1、带有若 干整体水嘴成形模腔4的成形下模2以及设置于成形下模2上用于承载坯料9的定位环3。

如图2及3所示，所述的上凸模1的直径为封头直部球直径与成形件材料始锻温度时达 到的热膨胀量ΔL1之和；SRD1为上封头的内部球直径加上机加工余量并锻件热成形时热膨胀 量ΔL1，热膨胀量计算公式为ΔL1＝α×D1×ΔT，其中：α热膨胀系数，D1为成形后封头开 口直径，ΔT为坯料9装炉温度到始锻温度之差，d0为的上凸模1底部直径，Rd1为倒圆角量， H为连接重载油压机压头时预留高度。上凸模1的有效冲压深度需上模具与成形坯料接触后， 其上模具1的下行行程等于封头深度减去加工余量及底部厚度热膨胀量。

如图4和图5所示，所述的定位环3的上、下接触面上均设有台阶结构5、6，其中： 定位环3的下接触面与成形下模2之间活动安装；上接触面的台阶结构5用于承载坯料9，其 内径大于坯料9直径与材料始锻温度时达到的热膨胀量ΔL0之和。

热膨胀量计算公式为ΔL0＝α×Dp×ΔT，其中：α热膨胀系数，Dp为预制坯料9中 面展开最大直径，ΔT为坯料9装炉温度到始锻温度之差。

所述的定位环3的外侧设有夹角为120°的三个定位柱7，用于标识预制坯料9凸起部 位沿轴线方向中线与下模腔2凹槽径向方向中线是否重合。

图5中，DH0为模腔8球面与端面开口相切时形成的直径，DH1为定位环3内径，其 尺寸大于坯料9直径加上坯料9加热时的热膨胀量，DH2为定位环3外径，dh为定位柱7的 直径，C1为易于上凸模脱模的锥体，即上台阶结构5斜度，C2为定位环3锥体斜度面与成形 下模2的模腔8模具部位为圆台体，即下台阶结构6斜度面接触固定时的锥体斜度。

所述的整体水嘴成形模腔4设置于成形下模2的球形模腔8的底面，并与成形下模2 的外部装置相连通。

如图7所示，所述的成形下模2的球形模腔8的直径为封头外部球直径D1与成形件材 料始锻温度时达到的热膨胀量ΔL2及机械加工余量之和；

热膨胀量计算公式为ΔL1＝α×D1×ΔT，其中：α热膨胀系数，D1为成形后封头开口 直径，ΔT为坯料9装炉温度到始锻温度之差。

成形下模2的模腔8为成形凹模如图7所示，成形下模2的内部球直径大于大封头的外 部球直径，优选为大封头外部球直径D1加上坯料9本身的热膨胀量和机械加工余量。

如图7所示，所述的成形下模2的球形模腔8的整体水嘴成形模腔4为相贯圆台体，其 圆锥中心线距离模腔8中心线为L1，圆台体上直径为DZ1，下直径为DZ0。P点为模腔8圆球 面剖面切点位置，K点为C1夹角中心线方向设计水嘴尺寸加上机械加工余量后在剖面上的位 置，夹角C7由剖面上PK线与底边形成。整体水嘴成形模腔4的设计尺寸应将图1所示B所 示位置能完全包含，其余量尺寸Dk优选大于水嘴外环直径d2加上热膨胀量和机械加工余量总 和。

所述的成形预制坯料9机械加工后得到的外形如图8所示，Dp为预制坯料9中面展开 时最大直径，H0为坯料9厚度，C5为凸起圆体中心线与坯料9中心线夹角，Rd2为凸起圆体 圆半径，LA1与LA2分别为O2O3与O1O2所示距离。C6为坯料9增厚斜面形成夹角，Rd2， Rd3为凸起圆体倒圆角，均需达到光滑过度为宜。凸起坯料体积为设计水嘴体积的1.15～1.25 倍，其中心线位置如图8b所示，凸起部位的底部的投影面积与整体水嘴成形模腔底部投影面 积近似相等。

第二步，加热；将如图8a中所示的预制坯料9加热至始锻温度，按工艺要求保温一定 时间，使预制坯料9加热均匀。

第三步，热冲压成形；将均匀受热的预制坯料9放置至成形模具上，使用重载油压机将 成形预制坯料9在5～25mm/s冲压速率下冲压成形为如图1所示的形状锻件。

热冲压成形过程中，压速率是先20～25mm/s压下总压下量约1/2，此时坯料与模腔有 较大面积接触但尚未接触模腔底部；再采用10～15mm/s压下速率使坯料压下至与下模腔底部 接触，最后采用5～8mm/s缓慢压下达到总压下量稳定成形以减少表面起皱，坯料9中心区域 部位及壁厚方向缓慢拉薄，并使填充部位金属充分自由流动。热冲压成形结束后，得到如图10 所示成形效果，吊离定位环3将锻件从模具的模腔8内取出。

本实施例用于生产制造大型核反应堆水室大封头锻件，成形后锻件尺寸满足机械加工时 所需形状要求如图11所示。

本实施例解决了大型核电设备压力容器水室封头水嘴整体锻造的关键技术难点，同时有 效减少热冲压时锻件起皱和拉裂等问题，使制件性能更加均匀。