大型壓力容器過渡段鍛件仿形軋制制造工藝

鄭永強(qiáng) 任秀鳳 銀偉 趙麗美 趙興明 徐延續(xù) 劉蘭瀟 趙方娜

(伊萊特能源裝備股份有限公司，山東250217)

收稿日期：2021-06-25

大型壓力容器過渡段頂部與壓力容器的筒體連接，底部外圓與支撐裙座連接，內(nèi)圓與錐形封頭連接，因此過渡段是壓力容器的重要關(guān)聯(lián)部件。過渡段長時間在不同溫度的環(huán)境中連續(xù)作業(yè)，筒體不斷經(jīng)受熱脹冷縮作用，長期使用易造成筒體鼓脹，尤其在裙座與殼體的焊接處容易產(chǎn)生許多裂紋[1-2]。

大型壓力容器過渡段傳統(tǒng)的制造工藝分為兩種：一是通過自由鍛的形式制造，此方式可整體制造，但需要使用大規(guī)格鋼錠，并且生產(chǎn)廠家需配有大型的鍛壓設(shè)備，相應(yīng)的起重設(shè)備也要滿足生產(chǎn)需要，從而導(dǎo)致生產(chǎn)成本也非常高；二是整個焦炭塔整體采用板焊結(jié)構(gòu)成形，過渡段采用分段鍛造，整體焊接的工藝制造。目前，國內(nèi)鍛焊結(jié)構(gòu)過渡段的制造工藝過程為：鋼錠冶煉—鍛造制坯—鍛后熱處理—粗車—性能檢驗(yàn)—半精車—卷弧成形—組對焊接—無損檢測—焊后熱處理—精車—包裝發(fā)貨。其存在的問題在于：材料成本高，制造工序多，制造周期長；鍛件厚度和直徑較大，且坡口為雙U型，組對難度大，質(zhì)量要求高；鍛件分段制造切斷了金屬纖維流線，導(dǎo)致鍛件性能降低；整體交貨時，組對部件焊接量大，易造成焊縫處強(qiáng)度和硬度偏高而沖擊韌性下降；焊接完成后再經(jīng)熱處理雖能達(dá)到使用要求，但是焊接接頭處的金屬組織與本體差別較大，在長期復(fù)雜應(yīng)力作用下，對設(shè)備安全運(yùn)行有潛在不良影響。

本文針對現(xiàn)有兩種技術(shù)的缺點(diǎn)對制造工藝進(jìn)行了系統(tǒng)研究，并對制造工藝進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)。具體方法是采用鍛造開坯+仿形軋制的制造工藝技術(shù)實(shí)現(xiàn)大型過渡段的整體成形。輾環(huán)機(jī)軋制成形屬于近凈成形技術(shù)，可大幅度降低原材料的用量，縮短制造周期，降低綜合生產(chǎn)成本；并且整體軋環(huán)成形能夠?qū)崿F(xiàn)過渡段無焊縫一體化制造，大幅度提高鍛件的使用壽命。

我公司采用該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了直徑?9080 mm的大型焦炭塔過渡段產(chǎn)品的生產(chǎn)，該產(chǎn)品鍛軋后經(jīng)熱處理、本體取樣檢測，結(jié)果顯示完全滿足用戶技術(shù)要求，而且各取樣部位性能均勻一致，充分驗(yàn)證了此成形工藝方案的可行性、先進(jìn)性。

1 錐形封頭過渡段的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

錐形封頭過渡段的外形尺寸見圖1。

圖1 過渡段尺寸示意圖Figure 1 Schematic diagram of the transitionsection dimensions

此焦炭塔過渡段尺寸達(dá)到了?9080 mm×545 mm，且截面形狀不規(guī)則，受自由鍛壓機(jī)凈空限制，無法采用自由鍛的形式整體鍛造，若采用分段組對拼焊結(jié)構(gòu)，單段鍛造難度大、組焊工藝復(fù)雜、制造工序冗長。

該過渡段鍛件材質(zhì)為14Cr1Mo，化學(xué)成分要求P≤0.01%，S≤0.005%，-20℃沖擊吸收能量KV2≥60 J，500℃條件的Rp0.2≥175 MPa。通過對過渡段整體形狀、尺寸及性能要求的研究，制定采用油壓機(jī)仿形鍛造開坯，然后在輾環(huán)機(jī)上進(jìn)行仿形軋制的成形工藝方案，使鍛件截面充分接近成品形狀，盡量減小截面尺寸。隨后進(jìn)行熱處理、機(jī)加工將鍛件加工到成品圖紙要求。通過該工藝，可實(shí)現(xiàn)該產(chǎn)品的整體近凈成形制造，提高制造質(zhì)量，縮短制造周期。

2 過渡段的仿形軋制制造工藝

工藝流程：鋼錠冶煉—仿形鍛造開坯—仿形軋制—鍛后熱處理—粗車—超聲檢測—性能熱處理—本體取樣、檢驗(yàn)—精車—包裝發(fā)貨。

下面將按照過渡段鍛件的生產(chǎn)工序過程，描述鍛件在生產(chǎn)過程中的制造技術(shù)及相關(guān)控制措施。

2.1 鋼錠冶煉

鍛件生產(chǎn)使用的鋼錠，應(yīng)采用電爐或氧氣轉(zhuǎn)爐冶煉、精煉爐精煉、真空脫氣加真空澆注的工藝生產(chǎn)，并且澆注過程中應(yīng)嚴(yán)格控制真空度、澆注溫度、澆注速度。為保證鍛件具有良好的、均勻的綜合力學(xué)性能，必須將鋼錠的化學(xué)成分嚴(yán)格控制在一定范圍內(nèi)。對鋼錠取樣分析，檢測要求及結(jié)果見表1。

表1 化學(xué)成分分析(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical composition analysis(mass fraction,%)

2.2 仿形鍛造開坯

將化學(xué)成分檢驗(yàn)合格的鋼錠送鍛壓車間裝爐加熱，升溫過程采取階段式加熱，并有足夠的保溫時間。鍛件經(jīng)加熱后出爐送至油壓機(jī)上進(jìn)行鍛造時，首先對鋼錠進(jìn)行倒棱、滾圓、熱剁水口冒口工序，充足的切除量確保鍛件夾雜物少、無縮孔及嚴(yán)重偏析等缺陷；然后經(jīng)過鐓粗、拔長工序；再經(jīng)鐓粗后沖孔，進(jìn)一步去除鋼錠心部疏松區(qū)域，最后通過異形馬杠完成鍛件仿形擴(kuò)孔工序，整個鍛造開坯過程結(jié)束。仿形鍛造開坯示意見圖2。

圖2 實(shí)際仿形擴(kuò)孔過程Figure 2 Actual profiling reaming process

2.3 仿形軋制

仿形開坯后的鍛件回爐加熱并保證有足夠的保溫時間，將加熱保溫后的鍛件出爐轉(zhuǎn)運(yùn)至徑軸向輾環(huán)機(jī)上進(jìn)行仿形截面的軋制工序；根據(jù)過渡段的異形截面設(shè)計(jì)了芯輥模具，使軋制后的截面形狀和尺寸與成品尺寸相似，軋制完成后將鍛件轉(zhuǎn)運(yùn)到料區(qū)空冷至室溫，然后進(jìn)行正火熱處理工序。仿形軋環(huán)過程見圖3。

圖3 實(shí)際仿形軋制過程Figure 3 Actual profiling rolling process

2.4 鍛后熱處理

鍛件軋制成形后進(jìn)行正火熱處理，鍛件裝井式電阻爐加熱，采用階梯式升溫的方式升溫，并設(shè)定一定的保溫時間，保溫結(jié)束后出爐空冷至室溫，目的是使組織均勻化以及為后續(xù)性能熱處理做準(zhǔn)備。待鍛件表面溫度降至室溫后，首先對鍛件外形尺寸進(jìn)行檢查，確保滿足機(jī)加工尺寸要求。

2.5 粗車

鍛后熱處理的鍛件按照粗車加工圖紙?jiān)诹⑹綌?shù)控車床上進(jìn)行粗車加工，單邊預(yù)留余量≥15 mm，規(guī)定尺寸公差按GB/T 1804—2000中m級執(zhí)行；加工到符合粗車圖紙尺寸后對鍛件進(jìn)行100%超聲檢測，鍛件超聲檢測缺陷符合NB/T 47013.3—2015中表11中Ⅱ級要求則視為鍛件合格。

2.6 鍛件性能熱處理

鍛件的性能熱處理采用淬火+高溫回火工藝，淬火采用水冷工藝，高溫回火后采用空冷。鍛件熱處理過程中，鍛件上下端面0°與180°的位置各放置一只熱電偶，用來精確監(jiān)控鍛件在實(shí)際加熱過程中的升溫情況，保證其在要求范圍內(nèi)。

2.7 本體取樣、性能檢測

按照技術(shù)條件規(guī)定，產(chǎn)品需逐件進(jìn)行性能試驗(yàn)，取樣位置在T/2處，T為厚度，取樣位置見圖4。

圖4 試塊的取樣位置Figure 4 The sampling location of the sample block

按照技術(shù)規(guī)范要求需對鍛件進(jìn)行室溫與高溫拉伸試驗(yàn)、-20℃沖擊吸收能量檢測、晶粒度檢測、化學(xué)成分分析試驗(yàn)等檢測工作，檢測結(jié)果見表2～表4，各項(xiàng)檢測結(jié)果均符合技術(shù)條件要求。

表2 鍛件的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 2 Chemical compositions of forging(mass fraction,%)

表3 鍛件的力學(xué)性能Table 3 Mechanical properties of forgings

表4 鍛件的晶粒度Table 4 Grain size of forgings

2.8 精車

鍛件性能檢測合格后，在CNC數(shù)控立車上進(jìn)行精加工，加工至圖紙要求尺寸，對鍛件表面按NB/T 47013.4—2015中進(jìn)行磁粉檢查，檢測結(jié)果符合NB/T 47013.4—2015Ⅰ級規(guī)定。

3 結(jié)語

該過渡段采用仿形軋制成形的制造工藝，完成制造及檢驗(yàn)時間短，且制造過程中沒有進(jìn)行任何焊接作業(yè)，經(jīng)檢查，外觀尺寸和各項(xiàng)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求，表明該制造工藝流程是合理可行的，且在大型環(huán)鍛件制造領(lǐng)域具有先進(jìn)性和推廣價值。過渡段仿形軋制工藝的應(yīng)用成功，打破了傳統(tǒng)自由鍛及鍛焊工藝的限制，為大型壓力容器向大型化發(fā)展創(chuàng)造了有利條件，為今后類似設(shè)備中的零件制造提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。整鍛一體化成形工藝能夠大大提高鍛件的質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，縮短生產(chǎn)周期，是典型的短流程、高質(zhì)量、綠色制造工藝。