加氫筒節(jié)鍛件調(diào)質(zhì)變形規(guī)律的探索與應(yīng)用

陳秋華

(中國第一重型機(jī)械股份公司水鍛分廠，黑龍江161042)

加氫筒節(jié)鍛件調(diào)質(zhì)變形規(guī)律的探索與應(yīng)用

陳秋華

(中國第一重型機(jī)械股份公司水鍛分廠，黑龍江161042)

結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，對(duì)加氫筒節(jié)鍛件調(diào)質(zhì)過程中產(chǎn)生的變形規(guī)律進(jìn)行研究，分析其產(chǎn)生變形的原因。進(jìn)而利用其規(guī)律對(duì)尺寸問題鍛件進(jìn)行變形防控，使其調(diào)質(zhì)后尺寸滿足圖紙尺寸要求。

加氫筒節(jié)；調(diào)質(zhì)；變形規(guī)律

筒節(jié)鍛件作為加氫反應(yīng)器的重要組成部分，長期工作于高溫、高壓與腐蝕介質(zhì)中，所以對(duì)其綜合力學(xué)性能要求苛刻。為保證筒節(jié)鍛件的力學(xué)性能，必要的調(diào)質(zhì)熱處理是其生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，然而筒節(jié)鍛件在調(diào)質(zhì)熱處理過程中必然要產(chǎn)生變形，這也是加氫筒節(jié)鍛件實(shí)際生產(chǎn)中最常見的熱處理質(zhì)量問題。

在實(shí)際生產(chǎn)中，筒節(jié)鍛件生產(chǎn)流程是煉鋼→鍛造→鍛后熱處理→粗加工→性能熱處理(調(diào)質(zhì))→精加工。筒節(jié)鍛件采用水壓機(jī)鍛造，因水壓機(jī)的工作特性及筒節(jié)鍛件尺寸規(guī)格較大，所以鍛件在鍛造完成后有時(shí)會(huì)出現(xiàn)圓度尺寸偏差，甚至呈現(xiàn)“橢圓現(xiàn)象”。另外，由于冶煉、鍛造缺陷的存在，也會(huì)造成筒節(jié)鍛件毛坯尺寸不能滿足鍛件粗加工尺寸要求，甚至沒有返修的余地。為了避免以上問題的出現(xiàn)而影響產(chǎn)品的質(zhì)量，傳統(tǒng)方法一般是加大筒節(jié)鍛造余量或校正橢圓，但這些措施既增加生產(chǎn)成本，又延長產(chǎn)品生產(chǎn)周期。本文主要針對(duì)筒節(jié)鍛件調(diào)質(zhì)熱處理變形規(guī)律進(jìn)行研究，進(jìn)而利用此規(guī)律控制尺寸問題鍛件的變形，使其尺寸滿足圖紙要求，保證產(chǎn)品質(zhì)量。

1 筒節(jié)鍛件調(diào)質(zhì)變形規(guī)律探索

我公司承制的河北某加氫項(xiàng)目，其中筒節(jié)鍛件共18件，材質(zhì)為12Cr2Mo1V，其精加工尺寸為?3 813 mm/4 217 mm×(2 500～3 000)mm。主要力學(xué)性能指標(biāo)見表1。為滿足圖紙技術(shù)要求，鍛件需采用粗加工調(diào)質(zhì)，參考以往生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)合理留取內(nèi)、外徑調(diào)質(zhì)變形余量分別為53 mm與43 mm，調(diào)質(zhì)工藝為960℃淬火+690℃回火。

表1 力學(xué)性能要求Table 1 Requirements of mechanical properties

注：允許單個(gè)-30℃KV值≥54 J。

1.1 筒節(jié)鍛件調(diào)質(zhì)變形數(shù)據(jù)的收集

我公司用于此項(xiàng)目筒節(jié)調(diào)質(zhì)熱處理的加熱爐有兩種，分別為罩式電阻爐與臺(tái)車式燃?xì)鉅t。根據(jù)每種加熱爐的規(guī)格、尺寸及墊鐵(附具)特點(diǎn)，加氫筒節(jié)在爐中的擺放方式也有所不同，詳見圖1。

調(diào)質(zhì)熱處理后，質(zhì)檢人員對(duì)每件加氫筒節(jié)的內(nèi)徑、壁厚與高度進(jìn)行了測量。在操作可行的基礎(chǔ)上，為減少測量誤差，在測量筒節(jié)內(nèi)徑時(shí)對(duì)其上、下口(距端面軸向100 mm位置)對(duì)應(yīng)4個(gè)方向的直徑進(jìn)行了測量，其測量示意圖見圖2。

通過測量結(jié)果發(fā)現(xiàn)筒節(jié)壁厚與高度在調(diào)質(zhì)熱處理前后基本沒有變化，因此，本文只對(duì)筒節(jié)內(nèi)徑尺寸的變化進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)與研究。對(duì)應(yīng)調(diào)質(zhì)熱處理采用的兩種加熱爐(罩式電阻爐與臺(tái)車式燃?xì)鉅t)，我們各選取了5件筒節(jié)鍛件進(jìn)行內(nèi)徑尺寸變形情況的統(tǒng)計(jì)，詳見表2。

(a)罩式電阻爐(b)臺(tái)車式燃?xì)鉅t

圖1 加氫筒節(jié)在兩種熱處理爐中的擺放方式

Figure 1 The laying ways of hydrogenation cylinder in two kinds of heat treatment furnaces

圖2 加氫筒節(jié)鍛件測量示意圖
Figure 2 The schematic diagram of the hydrogenation cylinder forgings measurement
表2 不同的加熱爐筒節(jié)內(nèi)徑尺寸變量
Table 2 The inner diameter variables of the cylinders in different heating furnaces

上口內(nèi)徑變量/mm下口內(nèi)徑變量/mmΔd1東?西Δd2東南?西北Δd3南?北Δd4西南?東北Δd1東?西Δd2東南?西北Δd3南?北Δd4西南?東北加熱爐12345+15+10+15+15+10+10+5+10+15+5+15+20+20+20+10+15+10+10+15+5+15+10+10+15+15+5+5+5+10+5+10+5+15+10+10+5+5+5+10+10罩式電阻爐12345+15+5+10+10+10+5-10000-5-15-10-5-5+10+50+100-15-5-5-5-5+5-5+10+15+10+5+10+20+15+15-10+5-5+10-5臺(tái)車式燃?xì)鉅t

1.2 筒節(jié)鍛件調(diào)質(zhì)變形規(guī)律的探索

通過對(duì)表2數(shù)據(jù)的歸納整理，可以發(fā)現(xiàn)，筒節(jié)鍛件調(diào)質(zhì)采用不同的加熱爐，其變形情況完全不同，主要表現(xiàn)在膨脹度與橢圓度兩個(gè)方面。

1.2.1 膨脹度

當(dāng)采用罩式電阻爐加熱時(shí)，鍛件整體呈膨脹趨勢，并且上、下口直徑在各方向(東-西、南-北、東南-西北、西南-東北)的增量有所差異。針對(duì)筒節(jié)鍛件上口而言，南-北方向膨脹最為嚴(yán)重，其次為東-西方向，而東南-西北與西南-東北方向膨脹最不明顯，其直徑增量分別為10 mm～20 mm、10 mm ～15 mm與5 mm～15 mm；加氫筒節(jié)下口各方向變形與上口不同，其直徑增量整體小于上口直徑增量，分別為東-西、南-北兩個(gè)方向直徑增量均為10 mm～15 mm，東南-西北、西南-東北兩個(gè)方向直徑增量為5 mm～10 mm。鍛件之所以產(chǎn)生以上變形主要是因?yàn)殄懠?jīng)調(diào)質(zhì)熱處理后，其相結(jié)構(gòu)的組織發(fā)生變化，在相變時(shí)發(fā)生體積和尺寸變化的比容變形所導(dǎo)致的。罩式電阻爐整個(gè)爐罩布滿電阻絲，鍛件同一高度各部位吸收熱量較為均勻，從而使鍛件膨脹變形較為勻稱。高溫過程中，由于墊鐵(附具)4個(gè)方向的支撐作用，鍛件下口的組織應(yīng)力與熱應(yīng)力的釋放受到了限制，其變形幅度小于上口。而在筒節(jié)下口部位，鍛件東-西、南-北方向懸空于墊鐵上方，下部得不到支撐，鍛件內(nèi)部的組織應(yīng)力與熱應(yīng)力受外界約束較小，釋放較為徹底，此外，再加上重力作用的影響，使鍛件變形較東南-西北、西南-東北方向變形更為嚴(yán)重。

1.2.2 橢圓度

當(dāng)加氫筒節(jié)在臺(tái)車式燃?xì)鉅t加熱時(shí)，筒節(jié)變形方向性明顯，圓形筒節(jié)變?yōu)闄E圓，并且其上、下口部位直徑變化在垂直90°方向呈相反趨勢，即上口東-西方向直徑增加、南-北方向直徑縮減，下口南-北方向直徑增加、東-西方向直徑縮減。其詳細(xì)變量為上口東-西方向直徑增加5 mm～15 mm、南-北方向直徑縮減5 mm～15 mm；下口南-北方向直徑增加5 mm～20 mm、東-西方向直徑縮減5 mm～15 mm。同時(shí)，針對(duì)筒節(jié)上、下口，其東-西至南-北方向橢圓度不同，下口橢圓度均比上口橢圓度大5 mm左右。通過分析筒節(jié)生產(chǎn)過程，初步認(rèn)為橢圓度主要與墊鐵擺放和裝爐方式有關(guān)。筒節(jié)鍛件采用臺(tái)車爐加熱時(shí)，此尺寸規(guī)格下，受燒嘴位置與燒嘴間距制約，其下方只能放置規(guī)格為6 500 mm(長)×300 mm(寬)×500 mm(高)的兩根墊鐵，墊鐵大約位于筒節(jié)R/2處，即鍛件R/2部位伸出墊鐵，其示意圖見圖1。當(dāng)熱處理爐達(dá)到一定溫度后，鍛件屈服強(qiáng)度隨爐溫上升不斷下降，當(dāng)鍛件屈服強(qiáng)度下降到≤鍛件伸出墊鐵部位重心×近R/2時(shí)鍛件將產(chǎn)生塑性變形，鍛件下部由于受兩邊伸出墊鐵部位的彎矩作用，其東西方向直徑變小，同時(shí)下部彎矩又造成筒節(jié)上部東西方向直徑變大。另外，燃?xì)鉅t燒嘴主要被安置在爐體側(cè)墻的下部，燒嘴加熱鍛件時(shí)，其下部熱量集中產(chǎn)生的熱應(yīng)力明顯高于上部，因而筒節(jié)下口橢圓度大于筒節(jié)上口橢圓度。

2 加氫筒節(jié)鍛件調(diào)質(zhì)變形規(guī)律的應(yīng)用

本項(xiàng)目中共有2件筒節(jié)鍛件發(fā)生了尺寸問題，尺寸情況如下：

筒節(jié)a：內(nèi)孔對(duì)稱180°有兩處大面積黑皮缺肉，一處大約弧長1 500 mm，徑向最深12 mm，軸向整個(gè)高度；另一處大約弧長3 500 mm，徑向最深21 mm，軸向整個(gè)高度。

筒節(jié)b：外圓有一處大面積黑皮缺肉，弧長大約2 100 mm，徑向最深28 mm，下端面往上軸向高度1 000 mm。

根據(jù)罩式電阻爐與臺(tái)車式燃?xì)鉅t調(diào)質(zhì)加熱下加氫筒節(jié)的變形規(guī)律，制定詳細(xì)的裝爐方案為：筒節(jié)a采用罩式電阻爐加熱，黑皮方向朝向東南-西北，居中擺放，鍛件與墊鐵接觸部位墊平掩實(shí)；筒節(jié)b采用臺(tái)車式燃?xì)鉅t加熱，黑皮部位朝向南-北方向，鍛件與墊鐵接觸部位墊平掩實(shí)。

上述兩件加氫筒節(jié)裝爐時(shí)嚴(yán)格按照裝爐方案執(zhí)行，整個(gè)裝爐過程中技術(shù)人員現(xiàn)場指導(dǎo)確認(rèn)。調(diào)質(zhì)熱處理后，經(jīng)過質(zhì)檢人員測量，筒節(jié)a與筒節(jié)b尺寸均能滿足精加工尺寸要求。

3 結(jié)論

通過收集加氫筒節(jié)調(diào)質(zhì)變形數(shù)據(jù)，研究探索兩種熱處理爐調(diào)質(zhì)時(shí)筒節(jié)鍛件的變形規(guī)律，并初步分析了其產(chǎn)生原因。應(yīng)用其規(guī)律對(duì)尺寸問題鍛件進(jìn)行了裝爐控制，成功的避免了兩件加氫筒節(jié)尺寸問題的發(fā)生。

本文雖然主要是討論加氫筒節(jié)鍛件調(diào)質(zhì)變形問題，但所得經(jīng)驗(yàn)，如變形規(guī)律和采取的應(yīng)用措施，同樣可以指導(dǎo)其它類似鍛件的變形防控，同時(shí)，此變形規(guī)律也為研究其它鍛件變形情況提供了參考依據(jù)。

[1] 陳銳,羅新民.鋼件的淬火熱處理變形與控制[J].熱處理技術(shù)與裝備,2006,27(1):18-22.

[2] 陳強(qiáng),吳剛,劉聰敏.大型滲碳淬火齒輪熱處理變形與控制[J].冷熱工藝,2012(5):15-17.

[3] 閆保秋,劉振邦,張佃友.利用熱處理變形規(guī)律解決實(shí)際問題[J].金屬加工,2010(9):61-62.

[4] 吉澤升,張雪龍,等.熱處理爐[M].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)出版社,2004.

編輯 杜青泉

Exploration and Application of Quenching andTempering Deformation Law for Hydrogenation Cylinder Forgings

Chen Qiuhua

Combining with actual production, the deformation law in the process of quenching and tempering for the hydrogenation cylinder forgings has been researched to analyze the deformation reasons. The deformation of forging with size problem can be prevented by making use of its law, and the size after quenching and tempering can meet the size requirements in drawing.

hydrogenation cylinder; quenching and tempering; deformation law

2016—10—10

TG156

B