文/張廣威，于慎君，石如星，張德禎·中信重工機(jī)械股份有限公司

隨著我國(guó)煤化工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，甲醇的制造量逐漸增加，核心設(shè)備中甲醇合成塔所需規(guī)格也在逐漸增大。甲醇合成塔是合成氣制甲醇裝置中的關(guān)鍵設(shè)備，它的制造水平直接影響到甲醇產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量。

甲醇合成塔鍛件的主要技術(shù)要求

本文制造甲醇合成塔用筒體材料為SA336F11CL.3，鍛件規(guī)格為：φ6720mm×φ6070mm×3950mm，鍛件重量202t，采用336t鋼錠鍛造，是目前國(guó)內(nèi)最大的甲醇合成塔筒體鍛件。

化學(xué)成分、金相及夾雜物要求

材料的成分滿足表1成分值，晶粒度檢驗(yàn)按ASTM E112進(jìn)行測(cè)定，要求≥5級(jí)；夾雜物檢驗(yàn)按ASTM E45進(jìn)行評(píng)定，A、B、C、D和Ds不大于1.5級(jí)；A+C、B+D+Ds不大于2.5級(jí)。

力學(xué)性能要求

取樣位置：T×T/2處（T：熱處理時(shí)鍛件的壁厚尺寸），試樣軸線方向垂直于主鍛造方向。調(diào)質(zhì)狀態(tài)下、調(diào)質(zhì)+ Max.PWHT狀態(tài)下、調(diào)質(zhì)+ Min.PWHT狀態(tài)下的機(jī)械性能指標(biāo)應(yīng)滿足表2要求。

鍛件生產(chǎn)的技術(shù)難點(diǎn)

冶煉方面

鍛件對(duì)P、S含量及殘余元素As、Sb等含量要求較低，J系數(shù)的控制難度大。為細(xì)化晶粒，冶煉過程中增加Al元素的控制，增大了夾雜物的風(fēng)險(xiǎn)。

表1 SA336F11CL.3化學(xué)成分（%）

表2 力學(xué)性能要求

鍛造方面

為保證鍛件質(zhì)量，需采用WHF法鍛透鍛件心部，坯料沖孔盡量將心部冶金缺陷沖掉；由于筒體規(guī)格尺寸較大，控制成形尺寸較難。

熱處理方面

在性能熱處理時(shí)鍛件壁厚達(dá)265mm，取樣位置T×T/2處，強(qiáng)度要求高，且低溫沖擊要求十分嚴(yán)格，對(duì)預(yù)備熱處理及性能熱處理提出了更高的要求。

鍛件制造過程及工藝控制

成分優(yōu)化控制方案

為滿足鍛件的機(jī)械性能指標(biāo)，尤其是-20℃低溫沖擊指標(biāo)，對(duì)該材質(zhì)的化學(xué)成分進(jìn)行微合金化及主元素優(yōu)化控制。

C可增加強(qiáng)度指標(biāo)，C成分按上限控制；Mn在低合金鋼中起固溶強(qiáng)化作用、效果強(qiáng)于Si，因此提高M(jìn)n成分指標(biāo)的控制；Cr和Ni主要作用是增大奧氏體的過冷能力，從而細(xì)化組織，得到強(qiáng)化的效果，因此Cr成分按上限控制，Ni可提高低溫沖擊韌性，對(duì)于微量的Ni成分按0.22%～0.3%控制，加入Al及Nb成分的控制，以提高低溫沖擊韌性。具體成分詳見表3。

冶煉工藝

冶煉流程如下：EBT電爐冶煉→LF精煉→VD→LF加熱→VC澆注，3包合澆。

⑴ EBT電爐冶煉過程如下。

1)配入墊底石灰。氧化期放渣和補(bǔ)加渣料，確保出鋼時(shí)P≤0.002%，其他化學(xué)成分見表4。

2)初煉爐調(diào)整鉬含量。初煉爐出鋼溫度：1650～1680℃。

3)出鋼前置換氬氣。Si-Ca-Ba按3kg/t鋼水加入，隨鋼流加入預(yù)熔渣和低鉻各500kg。

4)嚴(yán)禁氧化渣進(jìn)入精煉包。

⑵LF(鋼包精煉爐)精煉。

1)精煉包吊到鋼包車上后進(jìn)行氬氣置換。LF后加入Si-Ca線鋼水。

2)精煉包加渣料。爐渣要求流動(dòng)性好，適時(shí)調(diào)整氬氣壓力和流量，防止鋼液裸露。

3)擴(kuò)散脫氧劑（碳粉和Si-Al-Ca-Ba粉）要分批加入，保證白渣精煉，精煉化學(xué)成分見表5。

⑶真空處理和真空澆注。

真空處理鋼水在高真空下保持，隨時(shí)觀察爐渣的噴濺情況，真空處理后回LF加熱。座包前將中間包底、密封處及VC蓋清潔干燥。座包后抽真空，中間包開澆真空度≤0.5。本材質(zhì)熔點(diǎn)1514℃，中間包開澆溫度控制在1570～1590℃內(nèi)，控制注速和脫模時(shí)間。

⑷成品化學(xué)成分詳見表6。

鍛造過程

為破碎鋼錠鑄造組織，鍛合內(nèi)部孔隙性缺陷，打碎粗大晶粒及夾雜物，細(xì)化晶粒，防止內(nèi)部萌生新裂紋，同時(shí)要滿足該大型筒體的尺寸要求，必須采用合理的鍛造工藝。

表3 SA336F11CL.3化學(xué)成分內(nèi)控（%）

表4 EBT電爐化學(xué)成分控制（%）

表5 LF精煉成分控制（%）

表6 成品化學(xué)成分分析(%)

鍛造工藝流程：預(yù)拔長(zhǎng)、壓鉗口→鐓粗、拔長(zhǎng)→下料→鐓粗、沖孔→預(yù)擴(kuò)內(nèi)孔→芯棒拔長(zhǎng)→預(yù)擴(kuò)內(nèi)孔→平整端面→預(yù)擴(kuò)內(nèi)孔→精擴(kuò)成形、修整、出成品。

⑴預(yù)拔長(zhǎng)、壓鉗口。采用2200mm寬砧將鋼錠整體預(yù)拔長(zhǎng)至□2630mm×L。預(yù)拔長(zhǎng)結(jié)束后，壓制操作鉗口，并將錠尾余料氣割切除。

⑵鐓粗、拔長(zhǎng)。為保證鍛透內(nèi)部組織，將鑄態(tài)組織轉(zhuǎn)變?yōu)殄憫B(tài)組織，鋼錠必須經(jīng)歷充分的鐓粗、拔長(zhǎng)工序。鐓粗尺寸至2380mm，WHF法拔方至□2550×L，滾圓拔長(zhǎng)下料。

⑶鐓粗、沖孔。坯料經(jīng)加熱后，在油壓機(jī)上鐓粗至尺寸為2900mm，采用φ1200mm空心沖子沖料，沖孔后檢查內(nèi)孔質(zhì)量，防止折皮出現(xiàn)。

⑷擴(kuò)孔及拔長(zhǎng)。預(yù)擴(kuò)內(nèi)孔至φ1600mm，采用φ1500mm芯棒拔長(zhǎng)，平整端面至3900mm。 預(yù)擴(kuò)內(nèi)孔至φ3750mm。

⑸出成品。擴(kuò)孔至φ5500mm，最后精擴(kuò)至工藝尺寸、修整、出成品，成品如圖1所示。

熱處理

圖1 成品鍛件

⑴鍛后預(yù)備熱處理。為改善鍛件在鍛造過程中形成的粗大組織，降低鍛件內(nèi)部化學(xué)成分與金相組織的不均勻性，防止和消除白點(diǎn)、氫脆等氫致缺陷；同時(shí)為性能熱處理做好準(zhǔn)備，預(yù)處理工藝采用兩次正火+回火工藝，預(yù)處理工藝曲線如圖2所示。

⑵性能熱處理。為使筒體鍛件加熱過程中溫度均勻，減小因加熱不均而造成的變形，采用臺(tái)階式升溫方式，性能熱處理工藝如圖3所示。采用的奧氏體化溫度為910～940℃。

調(diào)質(zhì)是改善鍛件性能最為關(guān)鍵的工序，為實(shí)現(xiàn)筒體鍛件快速冷卻，采用水冷工藝，水冷前保證水溫低于25℃。

⑶機(jī)械性能檢測(cè)。

圖2 預(yù)處理工藝曲線

圖3 性能熱處理工藝

1)非金屬夾雜物及晶粒度檢驗(yàn)見表7、表8。

表7 非金屬夾雜物檢驗(yàn)

表8 晶粒度檢驗(yàn)

2)力學(xué)性能檢驗(yàn)。在筒體鍛件的水冒口端取樣，進(jìn)行強(qiáng)度、韌性，特別是高溫屈服強(qiáng)度和低溫沖擊韌性的檢測(cè)，其結(jié)果詳見表9。對(duì)比圖紙性能要求，機(jī)械性能試驗(yàn)結(jié)果完全符合要求，其中低溫沖擊韌性遠(yuǎn)高于要求值。

表9 機(jī)械性能檢測(cè)結(jié)果

結(jié)束語(yǔ)

由于提高了C、Cr、Mo的合金元素含量，加入微量合金元素Ni，在T×T/2處取樣,試樣經(jīng)過30h，690℃溫度下的焊后模擬熱處理后，性能指標(biāo)仍然合格。這表明通過采取調(diào)整合金元素含量、合理控制冶煉、鍛造、熱處理工藝過程等措施，生產(chǎn)出合格的超大規(guī)格的SA336F11CL.3甲醇合成塔筒體鍛件。