文/孫統(tǒng)輝,魯博,張瑞華·中信重工機械股份有限公司
王丹·中色科技股份有限公司
400t級加氫反應(yīng)器筒體鍛造工藝研究
文/孫統(tǒng)輝,魯博,張瑞華·中信重工機械股份有限公司
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孫統(tǒng)輝,工程師,主要從事特大型鍛件生產(chǎn)工藝的研究工作。
加氫反應(yīng)器是煉油、核電、煤液化等設(shè)備的關(guān)鍵裝備,筒體內(nèi)部工作介質(zhì)為油氣、氫氣、硫化氫催化劑,筒體工作環(huán)境惡劣,其質(zhì)量直接影響到設(shè)備的可靠性和安全性,因此不僅要求其冶金質(zhì)量好,同時還要求其具有高的強度、韌性、耐熱疲勞性等。
大型加氫反應(yīng)器的筒體由于其壁厚薄,尺寸大等特點,使得鍛造難度大,在鍛造過程中容易產(chǎn)生端面裂紋、“喇叭口”等缺陷,因此需要對其進(jìn)行工藝改進(jìn),避免缺陷的產(chǎn)生。目前,我公司已經(jīng)成功鍛造了一批大型筒體鍛件,該項目為某煉油廠400t級加氫反應(yīng)器舊生產(chǎn)線升級改造項目。大型筒體的主要鍛造成形工藝為芯軸擴孔鍛造法,大型筒體鍛造過程中容易出現(xiàn)端面裂紋、喇叭口等缺陷,嚴(yán)重影響筒體鍛件的成形質(zhì)量。本文重點介紹加氫反應(yīng)器筒體的鍛造工藝及缺陷預(yù)防。
筒體鍛件的技術(shù)要求
某煉油廠400t級加氫反應(yīng)器舊生產(chǎn)線升級改造項目共需九件鍛件,其中筒體類鍛件七件,最大筒體鍛件重量達(dá)107.8t,尺寸如圖1所示。該筒體鍛件毛坯壁厚僅287.5mm,氣割前長度為3600mm,重114760kg,是我公司承制的最大規(guī)格的筒體鍛件。該批次筒體鍛件材質(zhì)為14Cr1Mo,屬耐熱鋼,鍛坯選擇我公司自行煉制的195t雙真空鋼錠。
圖1 大型加氫反應(yīng)器筒體鍛件圖
大型加氫反應(yīng)器筒體鍛件鍛造基本工序為鋼錠加熱→拔長→下料→鐓粗、沖孔→芯棒拔長→馬杠擴孔→修整出成品→鍛后熱處理→質(zhì)量檢驗。在鍛件生產(chǎn)過程中必須滿足以下要求。
⑴化學(xué)成分要求。化學(xué)成分必須(熔煉分析)符合ASME SA336-2004中對F11級、3類鍛件的要求,并按國標(biāo)規(guī)定的方法進(jìn)行分析,化學(xué)成分見表1。
⑵探傷要求。所有鍛件應(yīng)逐件按JB/T 4730.3-2005《承壓設(shè)備無損檢測 第3部分:超聲檢測》進(jìn)行超聲波探傷和檢測。單個缺陷由缺陷引起的底波降低量和密集區(qū)缺陷均Ⅰ級合格,鍛件中不應(yīng)有裂紋和白點存在。
表1 14Cr1Mo 化學(xué)成分(熔煉分析)要求
⑶高低倍檢驗。鍛件應(yīng)具有6級以上的晶粒度,晶粒度應(yīng)符合GB/T 6394-2002的規(guī)定。所有鍛件中的A、B、C、D類夾雜物均不得大于1.5級,且A類和C類之和,B類和D類之和不得大于2.0級,A、B、C、D類夾雜物綜合不得超過4.0級,取樣要求及評定方法按GB/T 10561-2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定-標(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微檢測法》中B法評級圖Ⅱ。
鍛造成形
表2為大型筒體鍛件的變形工藝過程,各火次變形溫度需控制在800~1240℃之間。
表2 大型筒體鍛件的變形工藝
鍛造成形過程分析
大型加氫筒體鍛件壁厚薄、長度大、重量重,在技術(shù)方面具有相當(dāng)?shù)碾y度,需進(jìn)行嚴(yán)格的工藝控制。生產(chǎn)中該鍛件也容易產(chǎn)生各種鍛造缺陷,為了保證筒體鍛件最終的產(chǎn)品質(zhì)量,應(yīng)在以下火次做到提前預(yù)防。
⑴第Ⅱ火次。
該火次為帶鉗口鐓粗,且鐓粗時采取上鐓粗板,為了保證壓實效果,一般要求鋼錠鐓粗比不小于1.4,下料時要求坯料高度尺寸不能超過其直徑的2.5倍。
⑵第Ⅲ火次。
坯料鐓粗后尺寸為φ2950mm×2400mm;沖孔尺寸一般要求坯料直徑為沖頭直徑的2.5~3倍,生產(chǎn)中選擇φ1000mm的空心沖子。
沖孔時可能會出現(xiàn)端面裂紋、壁厚不均(孔偏心、斜孔)等鍛造缺陷。對于大型筒體鍛件沖孔時一般采用空心沖子,目的是減少外層金屬的切向拉應(yīng)力,避免側(cè)表面裂紋,同時可沖出鋼錠心部質(zhì)量差的部分,沖孔時冒口向下,且對正鐓粗后坯料中心,這樣可以保證該鍛件在后續(xù)工序中進(jìn)行正常變形,否則易導(dǎo)致后續(xù)鍛造過程控制困難。沖孔之后需及時氣割脫離坯料基體時所產(chǎn)生的毛刺并清理可能存在的裂紋,若沖孔毛刺或裂紋未得到及時清理,則在后續(xù)變形過程中很可能會使裂紋向筒體基體部分延伸,導(dǎo)致筒體鍛件有效長度縮短,甚至有可能報廢。
⑶第Ⅳ火次。
芯軸拔長的目的是通過將沖孔后得到的空心坯料在長度方向上伸長,保證獲得足夠的長度,以滿足后續(xù)工序的變形和尺寸要求,生產(chǎn)中利用φ950mm的芯棒,將該鍛件拔長至高3550mm。
薄壁件在鍛造過程中熱量損失速度較快,尤其是筒體兩端,因此芯軸拔長時要求從兩端向中心按順序拔長,防止低溫鍛造產(chǎn)生端面裂紋影響鍛件質(zhì)量。生產(chǎn)中,因為采用了上平下V進(jìn)行芯棒拔長,易導(dǎo)致材料應(yīng)力狀態(tài)不佳,使筒體在軸向和切向方向變形不均勻而產(chǎn)生橢圓形缺陷,嚴(yán)重影響鍛件的外形和尺寸,因此芯棒拔長時也應(yīng)嚴(yán)格控制變形的均勻性;芯棒拔長后端面不規(guī)則,且缺陷較多,因此需及時平整端面并清理可能出現(xiàn)的裂紋缺陷。
⑷第Ⅴ火次。
擴孔的目的是通過鍛造使筒體在徑向獲得所需尺寸,通過修整達(dá)到鍛件成品尺寸的要求。生產(chǎn)中筒體鍛件預(yù)擴尺寸為φ內(nèi)=3000mm。
擴孔時主要缺陷為“喇叭口”。該缺陷的形成主要是因為鍛造過程中馬杠軸線并非處于水平位置,當(dāng)馬杠軸線與寬砧下平面有角度時,則馬杠較高的一端壓下量偏大,較低的一端壓下量偏小,最終導(dǎo)致筒體鍛件整體呈“喇叭口”狀,擴孔時也容易形成筒體截面橢圓形缺陷。為了有效防止“喇叭口”及橢圓形鍛造缺陷,鍛造過程中我們采用了專門的擴孔砧進(jìn)行擴孔,擴孔時確保馬杠軸線水平,并保證馬杠軸線與擴孔砧運動方向相互垂直,同時實時觀察筒體兩端直徑的變化情況,及時調(diào)整壓下量,使壁厚均勻。
加氫筒體鍛件成形
通過預(yù)防鍛造過程中可能出現(xiàn)的缺陷,最終獲得表面質(zhì)量良好、尺寸完整和無缺陷的大型加氫反應(yīng)器筒體鍛件。在此基礎(chǔ)上,該批次大型加氫反應(yīng)器筒體鍛件均順利完成,成品如圖2所示。
鍛后熱處理
鍛件成形后采用了兩次正火與一次回火的熱處理工藝(圖3),通過正火調(diào)整筒體的硬度,并使筒體鍛件晶粒細(xì)化、組織均勻,以利于后續(xù)機加工。而足夠的回火時間可以消除鍛件內(nèi)應(yīng)力,同時使筒體鍛件內(nèi)部充分?jǐn)U氫,減少白點危害,為大型筒體鍛件的最終熱處理做準(zhǔn)備。
圖2 大型加氫反應(yīng)器筒體鍛件成品
圖3 熱處理工藝
結(jié)論
在后續(xù)加工中對鍛件進(jìn)行了化學(xué)成分、超聲波探傷、力學(xué)性能檢驗,七件筒體鍛件各項指標(biāo)均符合技術(shù)要求。本文通過討論分析內(nèi)徑和外徑尺寸分別達(dá)φ4205mm和φ4780mm、長度為3600mm的大型加氫反應(yīng)器筒體鍛件的鍛造工藝及其鍛造過程中可能出現(xiàn)的缺陷,經(jīng)過生產(chǎn)實踐,得出以下結(jié)論。
⑴通過使用專用的擴孔砧,擴孔時實時觀察筒體兩端直徑的變化情況,及時調(diào)整兩端頭的壓下量,使壁厚均勻,有效地避免了筒體橢圓及“喇叭口”缺陷。
⑵經(jīng)檢驗,大型加氫反應(yīng)器筒體鍛件的化學(xué)成分、超聲波探傷、力學(xué)性能等均滿足要求。
⑶該批次大型加氫筒體鍛件為我公司承制的最大規(guī)格的筒體鍛件,該批次筒體鍛件的成功鍛造,充分說明鍛造工藝設(shè)計合理,為公司繼續(xù)提升該類鍛件的鍛造生產(chǎn)能力打下了良好的基礎(chǔ)。