本发明属于风电法兰成型技术领域,具体涉及一种超薄型风电法兰双辗成型工艺。
背景技术:
目前2MW低速风力发电机组逐步进入市场,因其制作成本低而受业主推崇,市场占有率逐年提高。该风机塔架中应用的塔架连接法兰为超薄型,最薄的法兰厚度只有55mm,由于低速风机的叶片较长,同等风速下塔架承受的弯曲、剪切等抗力成倍增加,这对法兰的综合力学性能提出更高要求。
超薄型法兰由于厚度薄,辗环轧制变形抗力相对小,刚性差,导致成形困难,非常容易出现翘曲、椭圆等轧制缺陷,毛坯合格率低。而且受上下锥辊之间的最小距离限制,超薄型法兰的毛坯高度要做到135mm才能满足辗环机的轧制要求,这使得原材料消耗过大,造成极大浪费。辗环成型原理参见说明书附图图1。
技术实现要素:
为了解决上述技术问题,本发明提供了超薄型风电法兰双辗成型工艺。采用两个超薄型法兰合为一体轧制的双辗工艺,轧制成型后采用火焰切割的方式将毛坯从高度方向上切分为两件,达到了一次辗环双件成型的目的,有效的提高了生产效率,同时降低了材料消耗、提高了超薄型法兰的毛坯合格率。
本发明是通过下述的技术方案来实现的:
一种超薄型风电法兰双辗成型工艺,将两个法兰毛坯设计在一个锻件中,一次辗环,同时成型两件毛坯,轧制成型后的毛坯采用火焰切割的方式从高度方向上切分为两件。
所述的超薄型风电法兰双辗成型工艺,步骤为 ,
(1)选材:法兰材质为S355NL (《EN10025-3 正火/正火轧制可焊接细晶粒结构钢》)或Q345E标准《GB/T1591 低合金高强度结构钢》;
(2)轧制工艺:
原材料经下料、加热、镦粗、冲孔、扩孔等工序,得到圆环状锻坯,锻坯内孔直径为∮500~∮800mm。
(3)切割:轧制完成后,毛坯空冷至室温,将毛坯吊至切割工装上,用氧乙炔火焰喷枪对正毛坯高度方向中心线,点燃火焰,调整气体压力,喷枪位置固定,毛坯在工装带动下转动一周,毛坯被从高度方向上切分为两件。
(4)热处理:切割后的毛坯经过正火+高温回火处理。
步骤(2)轧制工艺具体为:开坯后,采用径-轴向辗环机对环件的径向和轴向同时进行轧制,首先将工件套在芯辊上,主辊驱动,芯辊向主辊方向做径向直线进给运动,工件在主辊和芯辊形成的模腔中壁厚不断减小,同时在上下锥辊的压制下,高度不断降低,环件在摩擦力带动下转动,转动过程中,抱辊起到导向作用,保证环件稳定转动;锻坯材料不断通过模腔,实现连续不断的局部塑形变形,从而使环件直径不断扩大直至达到预定值,主辊和上下锥辊的运动停止,轧制过程结束。
步骤(2)轧制工艺参数为:
始辗温度:1230℃;终辗温度:850℃;
芯辊直径:∮320mm,主辊直径:∮1000mm;
芯辊每转进给量:0.7mm/s;
主辊线速度:1.3m/s。
步骤(3)切割参数:氧气压力:0.6-1.0Mpa;燃气压力:0.05-0.09Mpa;切割速度150-250mm/min。
步骤(4)热处理参数:
正火:炉温低于650℃装炉,以≤150℃/h的速度升温,至930℃保温3.5小时出炉,出炉后转入风场,吹风冷却至300℃以下,再装炉回火;
回火:以≤150℃/h的速度升温,至600℃保温4小时后出炉空冷。
毛坯高度中间部分留有火焰切割余量10mm,割缝与法兰成品之间留有加工余量13mm。
本发明的有益效果在于:采用两个超薄型法兰合为一体轧制的双辗工艺解决了辗环问题,轧制成型后采用火焰切割的方式将毛坯从高度方向上切分为两件,达到了一次辗环双件成型的目的。
本发明的超薄型法兰双辗成型工艺是一种先进、合理的生产工艺,应用于超薄型法兰的生产,既能够保证产品的内在质量,又能够降低材料消耗约15%左右,可大幅度降低生产成本,经济效益非常可观。辗环时锻坯刚度大,轧制过程稳定,毛坯成型良好,能够有效地避免椭圆、翘曲等不良毛坯缺陷,提高了毛坯合格率。
该工艺不仅能够应用于超薄型风电法兰的生产,还可以推广应用到其它各种低合金钢环形锻件中,是在环形锻件轧制行业中非常有应用价值的先进生产工艺。
附图说明:
图1所示为现有技术辗环成型示意图;
图2所示为本发明工艺制备的两个法兰合一的毛坯结构示意图;
图3所示为实施例3中检测试块取样位置示意图;
图4所示为实施例3中维氏硬度测定压痕排列示意图;
图5所示为实施例3中热影响区显微组织变化;
图6所示为实施例3中金相组织纵向×100显微图;
图7所示为实施例3中金相组织横向×100显微图;
图8所示为实施例4中典型超薄法兰示意图(单位:mm)。
其中,1-主辊,2-工件,3-芯辊,4-抱辊,5-上下锥辊,6-毛坯,7-法兰成品a,8-法兰成品b,9-割缝,10-工件余量,R为热影响区检测试块,取在割缝处。L为纵向力学性能检测试块,试样的中心距离锻件毛坯表面25mm;TR为横向力学性能检测试块;Z为轴向拉伸试块。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作更进一步的说明,以便本领域的技术人员更了解本发明,但并不因此限制本发明。
实施例1
超薄型法兰现有成型工艺为单件辗环成型。
由于超薄型法兰净重≤1吨,因此单件辗环成型所需原材料的重量也较轻,一般≤2吨。原材料(一般为连铸圆钢或钢锭)经下料、加热、镦粗、冲孔、扩孔等工序,得到圆环状锻坯,锻坯内孔直径一般为∮350~∮600mm。
开坯后,采用径-轴向辗环机对环件的径向和轴向同时进行轧制。首先将工件2套在芯辊3上,主辊1驱动,芯辊3向主辊1方向做径向直线进给运动,工件2在主辊1和芯辊3形成的模腔中壁厚不断减小,同时在上下锥辊5的压制下,高度不断降低,环件在摩擦力带动下转动,转动过程中,抱辊4起到导向作用,保证环件2稳定转动。锻坯材料不断通过模腔,实现连续不断的局部塑形变形,从而使环件直径不断扩大直至达到预定值,主辊1和上下锥辊5的运动停止,轧制过程结束。
主要轧制参数:
始辗温度:1230℃;终辗温度:850℃
芯辊直径:∮320mm,主辊直径:∮1000mm
芯辊每转进给量:0.5mm/s
主辊线速度:0.8m/s
最大轧制力:≈46吨(以说明书附图图8典型超薄型法兰为例)。
现有工艺制备出的超薄型法兰由于厚度薄,辗环轧制变形抗力相对小,刚性差,导致成形困难,轧制效率低,而且非常容易出现翘曲、椭圆等轧制缺陷,毛坯合格率低(毛坯翘曲10mm-20mm;椭圆15mm-30mm)。而且受上下锥辊之间的最小距离限制,超薄型法兰的毛坯高度要做到135mm才能满足辗环机的轧制要求,这使得原材料消耗过大,造成极大浪费。
实施例2
一种超薄型风电法兰双辗成型工艺,将两个法兰毛坯设计在一个锻件中,一次辗环,同时成型两件毛坯,轧制成型后的毛坯采用火焰切割的方式从高度方向上切分为两件。
步骤为 ,
(1)选材:法兰材质为S355NL (《EN10025-3 正火/正火轧制可焊接细晶粒结构钢》)或Q345E标准《GB/T1591 低合金高强度结构钢》;
(2)轧制工艺:
超薄型法兰采用双辗成型的工艺生产,所需原材料的重量一般≥3.5吨。
原材料经下料、加热、镦粗、冲孔、扩孔等工序,得到圆环状锻坯,锻坯内孔直径为∮500~∮800mm。
开坯后,采用径-轴向辗环机对环件的径向和轴向同时进行轧制。首先将工件2套在芯辊3上,主辊1驱动,芯辊3向主辊1方向做径向直线进给运动,工件2在主辊1和芯辊3形成的模腔中壁厚不断减小,同时在上下锥辊5的压制下,高度不断降低,环件在摩擦力带动下转动,转动过程中,抱辊4起到导向作用,保证环件2稳定转动。锻坯材料不断通过模腔,实现连续不断的局部塑形变形,从而使环件直径不断扩大直至达到预定值,主辊1和上下锥辊5的运动停止,轧制过程结束。
轧制工艺参数为:
始辗温度:1230℃;终辗温度:850℃;
芯辊3直径:∮320mm,主辊1直径:∮1000mm;
芯辊3每转进给量:0.7mm/s;
主辊1线速度:1.3m/s。
最大轧制力:≈85吨(以图8典型超薄型法兰为例)
采用双辗工艺较单件成型毛坯重量增加,轧制高度增大,轧制变形抗力随之增大近一倍,轧制过程相对稳定,轧制后的毛坯6表面平整,无明显翘曲,椭圆度控制在5mm以内。
(3)切割:轧制完成后,毛坯6空冷至室温,将毛坯6吊至切割工装上,用氧乙炔火焰喷枪对正毛坯6高度方向中心线,点燃火焰,调整气体压力,喷枪位置固定,毛坯在工装带动下转动一周,毛坯6被从高度方向上切分为两件:法兰成品a7和法兰成品b 8。氧气压力:0.6-1.0Mpa;燃气压力:0.05-0.09Mpa;切割速度150-250mm/min。
(4)热处理:切割后的法兰成品a7和法兰成品b8经过正火+高温回火处理。
热处理参数:
正火:炉温低于650℃装炉,以≤150℃/h的速度升温,至930℃保温3.5小时出炉,出炉后转入风场,吹风冷却至300℃以下,再装炉回火;
回火:以≤150℃/h的速度升温,至600℃保温4小时后出炉空冷。
毛坯6高度中间部分留有火焰切割余量10mm,割缝9与法兰成品之间留有加工余量13mm。
请见说明书附图图2。
实施例3
法兰毛坯6切分后,经高温回火处理,距离切割面较远的区域火焰切割的热影响被完全消除,仅有距离法兰表面位置受切割热的影响比较严重,热影响区的性能与本体性能差别较大,如有热影响区残留在法兰成品本体上,将对法兰的力学性能造成极其严重的影响。为了求证热影响区的实际深度是多少,制定的加工余量是否能够完全去除热影响区,同时验证切割对本体的机械性能是否有影响,通过以下取样试验方案进行评定。
对于环形锻件来讲,由于原材料内部的偏析主要集中在中心部位,而且热处理过程中,中心部位的冷却条件也相对较差,因此环锻件的内孔部位是性能最差的部位,如果中心部位取样验证合格,则其他部分的性能均能满足要求,
因此在靠近毛坯6内孔的部位取样。取样位置如说明书附图图3所示。
图3中R为热影响区检测试块,取在割缝处。L为纵向力学性能检测试块,试样的中心距离锻件毛坯表面25mm;TR为横向力学性能检测试块;Z为轴向拉伸试块,L、TR、Z三个方向的试样数量及采用的试验方法列入表1。
表1 试验项目、试样数量、试验方法
。
其中,热影响区测定试样沿着毛坯6轴向(法兰高度方向)磨抛,用4%的硝酒精溶液对磨抛面进行侵蚀,然后在显微镜下观察磨抛面的显微组织,通过从切割面向厚度方向延伸区域内的显微组织变化,结合相应区域显微硬度梯度,从而确定热影响区的范围。
工艺评定结果
1、热影响区范围测定结果
1)维氏硬度测定结果
压痕排列示意图请见说明书附图图2所示。
热影响区显微硬度检测结果请见表2
表2
。
显微硬度检测结果显示,热影响区的深度≤5.16mm。
2)显微组织测定结果请见说明书附图图5所示
显微组织变化显示的热影响区深度约为5~6mm。本发明制定的机械加工余量为13mm,完全可以将热影响区去除干净。
2、机械性能检测结果
拉伸性能试验结果请见表3,冲击试验检测结果请见表4
表3
。
由表3检测结果可见,纵向试样、横向试样的拉伸性能均满足技术标准要求。
表4
。
由表4检测结果可见,纵向、横向冲击试样的检测结果均远远高于技术标准要求。
3、金相组织、晶粒度检测
显微组织检测图请见说明书附图图6、图7所示。
技术标准要求本体组织为铁素体+珠光体组织,晶粒度不低于6级。图6、图7中纵向、横向试样是在100倍显微镜下观察的显微组织图片,组织均为均匀细小的铁素体+珠光体组织,均匀一致,无粗晶、混晶现象,无明显带状组织,纵向晶粒度评定为9.6级,横向晶粒度评定为9.3级,远高于技术标准要求。
机械性能及金相组织检验结果表明,热影响区以外的本体组织正常、晶粒细小,法兰强韧性匹配优良,综合力学性能优异,双辗切割没有对法兰本体性能造成任何不良影响。
实施例4
材料消耗核算
以说明书附图图8所示典型超薄法兰为例,对单件辗环与双辗工艺的原材料消耗做比对,比对结果列入表5。
表5 原材料消耗对比表
。
由表中下料重量可见,单件辗环的需要原材料1925Kg,双辗工艺成型,双件下料3255Kg,平均每件需用原材料1628Kg,比单件辗环材料用量降低297Kg,约占总下料重量的15% 。
综上所诉,本发明的超薄型法兰双辗成型工艺是一种先进、合理的生产工艺,应用于超薄型法兰的生产,既能够保证产品的内在质量,又能够降低材料消耗约15%左右,可大幅度降低生产成本,经济效益非常可观。辗环时锻坯刚度大,轧制过程稳定,毛坯6成型良好,毛坯6椭圆、翘曲等不良缺陷控制在5mm以内,有效提高了毛坯6合格率。
该工艺不仅能够应用于超薄型风电法兰的生产,还可以推广应用到其它各种低合金钢环形锻件中,是在环形锻件轧制行业中非常有应用价值的先进生产工艺。