?9 m超大筒節(jié)鍛件的制造

呂奎明　劉凱泉　李家駒　張文輝

(天津重型裝備工程研究有限公司，天津300457)

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?9 m超大筒節(jié)鍛件的制造

呂奎明劉凱泉李家駒張文輝

(天津重型裝備工程研究有限公司，天津300457)

摘要：通過(guò)優(yōu)化和控制煉鋼、鍛造、熱處理等熱加工工藝過(guò)程，成功制造了?9 m超大筒節(jié)鍛件。鍛件水冒口兩端和全截面不同取樣部位的性能均滿足技術(shù)條件要求，且各項(xiàng)性能相對(duì)較為均勻。

關(guān)鍵詞：20MnMoNb；超大筒節(jié)鍛件；鍛造工藝；熱處理工藝

大型筒形鍛件多應(yīng)用于壓力容器，壓力容器的發(fā)展趨勢(shì)是大型化和整體化，設(shè)備的大型化使鍛件尺寸越來(lái)越大，有些鍛件尺寸已超過(guò)現(xiàn)有壓機(jī)的鍛造能力。

20MnMoNb材料為壓力容器用低合金高強(qiáng)鋼，現(xiàn)多用于制造換熱器、EO(環(huán)氧乙烷)反應(yīng)器和深海試驗(yàn)裝置[1-8]。二重制造了深海試驗(yàn)裝置蓄壓筒，材料為20MnMoNb，其熱處理時(shí)最大鍛件尺寸為?6 530/5 220 mm×1 860 mm，厚度達(dá)到655 mm，取樣部位為T/2。

我公司制造了超大筒節(jié)鍛件，材質(zhì)為20MnMoNb，其外徑達(dá)到?9 040 mm，高度為2 700 mm，重達(dá)216 t。技術(shù)條件要求鍛件兩端取樣且需焊接熱緩沖塊，按T×T/4和T×T/2取樣進(jìn)行性能檢驗(yàn)(T為鍛件實(shí)際厚度)。鍛件制造難度大，特別是成形和熱處理難度較大。筒節(jié)鍛件具體取樣示意圖如圖1。

1主要技術(shù)指標(biāo)

1.1化學(xué)成分

20MnMoNb材料的化學(xué)成分見(jiàn)表1。

1.2力學(xué)性能

20MnMoNb材料的力學(xué)性能要求見(jiàn)表2。

1.3金相

圖1　筒節(jié)鍛件取樣示意圖Figure 1　Sampling sketch of shell ring forgings

表1　20MnMoNb材料的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1　Chemical composition of 20MnMoNb (mass fraction,%)

注：H≤2.0×10-6，O≤30×10-6。

表2　20MnMoNb材料的力學(xué)性能要求Table 2　Mechanical property requirements of 20MnMoNb

注：HTMP為性能熱處理，PWHT為焊后熱處理。

1.3.1晶粒度

晶粒度檢驗(yàn)方法按GB/T 6394—2002《金屬平均晶粒度測(cè)定方法》執(zhí)行，晶粒度應(yīng)為5級(jí)或5級(jí)以上。

1.3.2非金屬夾雜物

非金屬夾雜物檢驗(yàn)方法按GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定-標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢測(cè)法》中A法執(zhí)行，其中A、B、C、D及DS類夾雜物均不大于1.5級(jí)，A+C類夾雜物不大于2.5級(jí)，B+D類夾雜物不大于2.5級(jí)，且總和不大于4.5級(jí)。

2制造過(guò)程

?9 m筒節(jié)鍛件的主要制造過(guò)程包括煉鋼→鍛造→鍛后熱處理→性能熱處理→性能檢驗(yàn)。其中熱加工工藝過(guò)程對(duì)最終產(chǎn)品質(zhì)量均有影響，因此可通過(guò)控制熱加工工藝過(guò)程來(lái)控制最終產(chǎn)品質(zhì)量。

2.1煉鋼

筒節(jié)鍛件所用鋼錠采用精選的原材料和鐵合金，電爐冶煉加爐外精煉。鋼水經(jīng)合理控制化學(xué)成分、真空冶煉并真空澆注，保證得到高純凈度的鋼。

2.2鍛造

由于筒節(jié)鍛件尺寸超過(guò)現(xiàn)有水壓機(jī)的開(kāi)檔尺寸，無(wú)法利用水壓機(jī)直接鍛造出成品。筒節(jié)鍛件的鍛造在150 MN水壓機(jī)和筒節(jié)軋機(jī)上完成。先利用水壓機(jī)鍛造出半成品，然后在筒節(jié)軋機(jī)上軋制出成品。筒節(jié)的鍛造過(guò)程為：鐓粗、沖孔→芯棒拔長(zhǎng)→馬杠擴(kuò)孔→軋制出成品。

2.3熱處理

2.3.1鍛后熱處理

由于大型筒節(jié)鍛件特別是厚壁的筒節(jié)鍛件通過(guò)鍛造過(guò)程很難得到細(xì)小的晶粒，鍛造完成后心部溫度仍然很高，晶粒會(huì)長(zhǎng)大。在鍛件鍛造完成后進(jìn)行鍛后熱處理，其主要作用是調(diào)整和細(xì)化晶粒，為后續(xù)性能熱處理做好組織準(zhǔn)備。

2.3.2性能熱處理

鍛件可通過(guò)性能熱處理獲得優(yōu)良組織和性能，特別是低溫韌性，性能熱處理一般采用水淬。性能熱處理的溫度、時(shí)間和奧氏體化后的冷卻速率對(duì)獲得良好性能至關(guān)重要。筒節(jié)鍛件的性能熱處理工藝如圖2。

圖2　筒節(jié)鍛件的性能熱處理工藝Figure 2　Property heat treatment process of shell ring forgings

(a)A料

(b)B料

(c)C料

(d)D料

2.4性能檢驗(yàn)

性能熱處理后，在筒節(jié)水口端周向?qū)ΨQ180°取下性能試料兩塊A、B，在冒口端與水口端試料順時(shí)針轉(zhuǎn)90°的位置周向?qū)ΨQ180°取下性能試料兩塊C、D。按要求分解試樣后，先經(jīng)歷模擬焊后熱處理，再加工成相應(yīng)試樣進(jìn)行性能檢驗(yàn)。最大模擬焊后熱處理為610～620℃×21 h，最小模擬焊后熱處理為610～620℃×5 h。在正常產(chǎn)品檢驗(yàn)以外，對(duì)每塊試料進(jìn)行了全厚度不同部位的性能檢驗(yàn)。

3結(jié)果與討論

3.1室溫拉伸試驗(yàn)

經(jīng)過(guò)性能熱處理和模擬焊后熱處理后，A、B、C、D料不同取樣部位的室溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果如圖3、圖4。由圖3可知，鍛件全截面不同取樣部位的強(qiáng)度均滿足技術(shù)條件要求，且有較大富余量?？傮w來(lái)看，同一取樣位置、不同取樣部位的強(qiáng)度相差不大。

從圖4可知，相同取樣部位、不同取樣位置的強(qiáng)度相差也不大。

(a)內(nèi)表面(b)內(nèi)T/4(c)T/2(d)外T/4(e)外表面

圖4不同取樣部位的強(qiáng)度
Figure 4Strength at different sampling locations

(a)A料

(b)B料

(c)C料

(d)D料

(a)內(nèi)表面

(b)內(nèi)T/4

(c)T/2

(d)外T/4

(e)外表面

(a)100×

(b)500×

3.20℃沖擊試驗(yàn)

經(jīng)過(guò)性能熱處理和模擬焊后熱處理后，A、B、C、D料不同取樣部位的0℃沖擊試驗(yàn)結(jié)果如圖5、圖6。由圖5可知，鍛件全截面不同取樣部位的沖擊功均滿足技術(shù)條件要求。同一取樣位置，從表面到中心，越往里沖擊功越低，T/2部位沖擊功最低，這是由于沖擊功受冷卻速率的影響較大。而從表面到中心，鍛件冷卻速率越來(lái)越慢。

由圖6可知，相同取樣部位、不同取樣位置的沖擊功變化沒(méi)有明顯的規(guī)律，這可能是由于影響沖擊功的因素較多，多個(gè)因素起作用導(dǎo)致沖擊功變化沒(méi)有明顯規(guī)律。

3.3金相

經(jīng)過(guò)性能熱處理和最大模擬焊后熱處理后，

A、B、C、D料不同取樣部位金相結(jié)果均滿足技術(shù)條件要求，且不同部位組織、晶粒度和夾雜物較為均勻。其中金相組織絕大部分為貝氏體回火組織，個(gè)別位置另有極少量鐵素體。鍛件T/2位置典型金相照片如圖7。晶粒度均為7.5～7級(jí)。A、B、C、D類夾雜物絕大部分為0.5級(jí)，個(gè)別為1級(jí)或1.5級(jí)，DS類夾雜物均為0級(jí)。

4結(jié)論

(1)?9 m超大筒節(jié)鍛件的不同部位性能結(jié)果均滿足技術(shù)條件要求，且各項(xiàng)性能相對(duì)較為均勻，說(shuō)明現(xiàn)有制造工藝是可行的。

(2)現(xiàn)在筒節(jié)鍛件的強(qiáng)度余量較大，沖擊功余量相對(duì)較小，后續(xù)研究考慮優(yōu)化成分和工藝，使強(qiáng)度和沖擊功達(dá)到最優(yōu)匹配。

(3)?9 m超大筒節(jié)鍛件的成功制造拓展了我國(guó)筒形鍛件的制造能力，使我國(guó)掌握了超大直徑筒形鍛件的熱加工技術(shù)，特別是鍛件成形和熱處理技術(shù)。

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編輯杜青泉

Manufacturing of ?9 m Super Large Shell Ring Forgings

Lv Kuiming,Liu Kaiquan,Li Jiaju,Zhang Wenhui

Abstract：By optimizing and controlling the hot working process such as smelting process,forging process and heat treatment process etc.,?9 m super large shell ring forgings have been manufactured successfully.The mechanical properties of gate and riser of forgings and different sampling locations on the whole cross-section all meets the technical requirements.Meanwhile,the various mechanical properties are all uniform relatively.

Key words：20MnMoNb;super large shell ring forgings;forging process;heat treatment process

收稿日期：2015—11—25

作者簡(jiǎn)介：呂奎明(1984—)，男，碩士，工程師，從事核電和壓力容器材料及其熱處理工藝研究等。電話：15822945116，Email：altmffd@163.com

中圖分類號(hào)：TG316

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B