P91钢制厚壁管坯冲孔力影响因素研究

郭兴茂

（太原重工股份有限公司 技术中心，山西 太原030024）

0 引言

随着我国电力工业的飞速发展，电厂锅炉向大容量、高参数的超临界和超（超）临界机组发展，对锅炉管道用钢提出了更高要求[1]。应用实践表明，P91钢具有良好的高温持久强度、热稳定性和高温抗蠕变能力等综合性能，是大容量、高参数电厂锅炉机组上管道的理想用钢。P91 钢由美国橡树岭国家实验室研制开发，是在9Cr1Mo 钢基础上，采用纯净化、细晶化冶金技术，以及微合金化和控轧、控冷等工艺，开发出的新一代中合金耐热钢。我国于1995年将该钢引入GB5310 标准，牌号为10Cr9Mo1VNb[2-4]。

由于P91 钢具有较高的合金含量，化学成分复杂，其成形较为困难，质量不易控制。目前，P91 钢制厚壁管采用的最佳生产方法是热挤压法[5-6]，该法兼具材料利用率高、生产率高、尺寸精度高和成形质量好等优点，主要生产流程为：坯料加热→喷涂润滑剂→冲孔制管坯→立式挤压→热处理→矫直→精加工→检验→标记→入库。冲孔制管坯是P91 钢管生产的第一道变形工序，本文拟针对该变形工序进行数值模拟，旨在获取不同因素对冲孔力大小的影响规律，用于指导冲孔制管坯设备选型和实际生产。

1 冲孔过程分析

冲孔制管坯实际上采用的是一种垂直反向挤压法。在冲孔过程中，金属仅沿轴线向上流动，其他方向流动受到模壁限制，金属基本上处于三向压应力状态，变形集中在中心区域，非常有利于改善组织性能。与其他冲孔方法相比，此法具有良好的应力状态，可以冲制合金含量较高、塑性较差的钢锭。在冲孔末期，由于冲孔力增大，通常在凹模底部留一定厚度的余料。理论上认为，冲孔过程分为四个阶段：第一阶段为镦粗变形，金属变形抗力小，冲孔力增大缓慢；第二阶段为充填变形，随着凸模行程，金属充满凹模壁与凸模壁之间容腔，冲孔力会小幅增大；第三阶段为稳定变形，冲制的管坯逐渐流出凹模型腔；第四阶段为终了变形，进入挤压行程末段，余料厚度不足，流动困难，冲孔力突然增大。

冲孔力计算基本公式如下：

式中：F——冲孔力；

σbs——挤压应力；

A——凸模横截面积。

当凸模直径与凹模内径比值在0.3～0.5 时，挤压应力比较小。在金属充满凹模壁与凸模壁之间容腔后，平均挤压应力计算公式如下：

式中：σs——屈服极限；

f——凸模与金属之间摩擦系数；

l——凸模压入坯料深度；

D——凹模内径；

Dt——凸模直径；

h——余料厚度[5]。

2 数值模拟

2.1 几何模型

冲孔制管坯规格为外径535mm，内径250mm，长度1900 mm。该工序主要由凸模、组合凹模和坯料完成，组合凹模包括凹模1 和凹模2 两部分。模具结构如图1 所示，凸模头部最大直径为260mm，尾部直径为250mm，高度为4000mm，工作带长度为130mm；凹模1 内径为535mm，高度为2600mm，壁厚为200mm，凹模2 外径为510mm，高度为400mm；坯料直径为500mm，长度为2000mm。

图1 P91 钢冲孔制管坯模具结构简图

2.2 有限元模型

利用SolidWorks 软件建立模具和坯料的三维实体模型，将其另存为.stl 格式后导入Forge 软件。凸模与凹模的材料均为H13 钢，坯料为P91 钢，材料文件名称为X10CrMoVNb9-1.tmf，润滑介质为水基石墨，摩擦文件名称为water+graphite.tff；冲孔速度v设定为150mm/s；凸模总行程H 为2100mm，空程H0为200mm，凸模压入坯料深度l 为1900mm，余料厚度h 为100mm；坯料初始温度T0为1200℃；模具预热温度Tm为250℃。

坯料网格划分采用四面体单元。因冲孔时与凸模接触的坯料中心部分变形较大，网格畸变严重，对坯料中心区域进行局部细化，共划分总单元数73668，网格效果如图2 所示。

图2 坯料网格单元

2.3 模拟结果

冲孔后管坯和凸模所受冲孔力分别如图3 和图4 所示。由图4 可知，冲孔力随凸模行程增加而增大，且明显存在四个阶段：A 段为镦粗变形，冲孔力缓慢增大，呈幂次上升；B 段为充填变形，冲孔力呈线性增大；C 段为稳定变形，冲孔力逐渐增大；D段为终了变形，冲孔力急剧增大。通过分析结果数据，确定A 段与B 段分界点坐标为（345，7.0），B段与C 段分界点坐标为（429，12.6），C 段与D 段没有准确分界点，暂以B 段与C 段分界点为起始点，沿与C 段凹曲最低处切线平行方向做虚线，与冲孔力交点处定义为C 段与D 段分界点，即g 点坐标约为（1829，25.0），由此，当凸模压入坯料深度l 分别为145mm，229mm，1629mm 时，冲孔力出现转折，镦粗、充填所需最大冲孔力分别为7.0MN、12.6MN，终了变形所需冲孔力为25.0～35.8MN。由此可知，凸模冲孔力变化趋势与理论分析吻合。

图3 P91 钢冲孔制管坯

图4 P91 钢冲孔制管坯冲孔力

2.4 工艺参数影响分析

由于影响冲孔力的因素较多，限于篇幅，本文仅给出不同坯料初始温度、模具预热温度、润滑条件、热交换条件和冲孔速度对坯料冲孔过程的影响结果。

仅改变坯料初始温度T0，设定值分别为1000℃、1050℃、1100℃、1150℃和1200℃，冲孔速度v 均设定为200mm/s，其他设置均保持不变。模拟结果如表1 所示。由表1 可知，随坯料初始温度升高，变形末期时冲头与坯料接触温度升幅达16%，最大冲孔力降低幅度达33%。由此可知，较高的坯料初始温度能够显著降低最大冲孔力。

表1 不同坯料初始温度下的模拟结果

仅改变模具预热温度Tm，设定值分别为250℃、300℃和350℃，冲孔速度v 均设定为200mm/s，其他设置均保持不变。模拟结果如表2 所示。由表2 可知，随模具预热温度升高，变形末期时冲头与坯料接触温度升幅达3.9%，最大冲孔力降低幅度达8%。

表2 不同模具预热温度下的模拟结果

仅改变润滑条件，分别为无润滑和水基石墨润滑，冲孔速度v 均设定为200mm/s，其他设置均保持不变。模拟结果如表3 所示。由表3 可知，与无润滑条件相比，水基石墨润滑时，变形末期时冲头与坯料接触温度升幅达3.5%，最大冲孔力降低幅度达19.6%。

表3 不同润滑条件下的模拟结果

仅改变热交换条件，分别为弱热交换、中热交换和强热交换，冲孔速度v 均设定为200mm/s，其他设置均保持不变。模拟结果如表4 所示。由表4 可知，随热交换减弱，变形末期时冲头与坯料接触温度升幅达24%，最大冲孔力降低幅度达39%。由此可知，减弱坯料与模具之间的热交换效应能够显著降低最大冲孔力。

表4 不同热交换条件下的模拟结果

仅改变冲孔速度v，设定值分别为150mm/s、160 mm/s、170mm/s、180mm/s、190mm/s 和200mm/s，坯料初始温度均设定为1200℃，其他设置均保持不变。模拟结果如表5 所示。由表5 可知，随冲孔速度增大，变形末期时冲头与坯料接触温度升幅达9.5%，最大冲孔力降幅达16.5%

表5 不同冲孔速度下的模拟结果

3 结论

利用金属塑性成形工艺模拟软件Forge，对某规格P91 钢制厚壁管坯的冲孔过程进行了数值模拟，确定了P91 钢具有较窄的成形温度范围，在利用P91 钢冲孔制厚壁管坯过程中，应尽可能保证较高的成形温度，可以采用较高的坯料初始温度和模具预热温度，减弱坯料与模具之间的热交换效应，并适当提高冲孔速度，减少坯料与模具之间的热交换时间，同时利用较好的润滑条件，有利于进一步降低生产成本和提高生产率。

[1]翟月雯.P91 合金钢晶粒演化特征研究与厚壁管热挤压工艺数值模拟[D].北京：机械科学研究总院，2013.

[2]王金龙，马爱清，张行刚.T/P91 高压锅炉管应用及生产工艺概述[J].包钢科技，2013，39（3）：10-13.

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[5]张凌峰.基于有限元（FEM）模拟的P91 大口径厚壁无缝钢管的热挤压工艺研究[D].包头：内蒙古科技大学，2012.

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