SA336F11CL.3筒體鍛件制造工藝

文/張廣威，于慎君，石如星，張德禎·中信重工機械股份有限公司

隨著我國煤化工產業的發展，甲醇的制造量逐漸增加，核心設備中甲醇合成塔所需規格也在逐漸增大。甲醇合成塔是合成氣制甲醇裝置中的關鍵設備，它的制造水平直接影響到甲醇產品的產量和質量。

甲醇合成塔鍛件的主要技術要求

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

化學成分、金相及夾雜物要求

材料的成分滿足表1成分值，晶粒度檢驗按ASTM E112進行測定，要求≥5級；夾雜物檢驗按ASTM E45進行評定，A、B、C、D和Ds不大于1.5級；A+C、B+D+Ds不大于2.5級。

力學性能要求

取樣位置：T×T/2處（T：熱處理時鍛件的壁厚尺寸），試樣軸線方向垂直于主鍛造方向。調質狀態下、調質+ Max.PWHT狀態下、調質+ Min.PWHT狀態下的機械性能指標應滿足表2要求。

鍛件生產的技術難點

冶煉方面

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

表1 SA336F11CL.3化學成分（%）

表2 力學性能要求

鍛造方面

為保證鍛件質量，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

在性能熱處理時鍛件壁厚達265mm，取樣位置T×T/2處，強度要求高，且低溫沖擊要求十分嚴格，對預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

成分優化控制方案

為滿足鍛件的機械性能指標，尤其是-20℃低溫沖擊指標，對該材質的化學成分進行微合金化及主元素優化控制。

C可增加強度指標，C成分按上限控制；Mn在低合金鋼中起固溶強化作用、效果強于Si，因此提高Mn成分指標的控制；Cr和Ni主要作用是增大奧氏體的過冷能力，從而細化組織，得到強化的效果，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。氧化期放渣和補加渣料，確保出鋼時P≤0.002%，其他化學成分見表4。

2)初煉爐調整鉬含量。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，隨鋼流加入預熔渣和低鉻各500kg。

4)嚴禁氧化渣進入精煉包。

⑵LF(鋼包精煉爐)精煉。

1)精煉包吊到鋼包車上后進行氬氣置換。LF后加入Si-Ca線鋼水。

2)精煉包加渣料。爐渣要求流動性好，適時調整氬氣壓力和流量，防止鋼液裸露。

3)擴散脫氧劑（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。本材質熔點1514℃，中間包開澆溫度控制在1570～1590℃內，控制注速和脫模時間。

⑷成品化學成分詳見表6。

鍛造過程

為破碎鋼錠鑄造組織，鍛合內部孔隙性缺陷，打碎粗大晶粒及夾雜物，細化晶粒，防止內部萌生新裂紋，同時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化學成分內控（%）

表4 EBT電爐化學成分控制（%）

表5 LF精煉成分控制（%）

表6 成品化學成分分析(%)

鍛造工藝流程：預拔長、壓鉗口→鐓粗、拔長→下料→鐓粗、沖孔→預擴內孔→芯棒拔長→預擴內孔→平整端面→預擴內孔→精擴成形、修整、出成品。

⑴預拔長、壓鉗口。采用2200mm寬砧將鋼錠整體預拔長至□2630mm×L。預拔長結束后，壓制操作鉗口，并將錠尾余料氣割切除。

⑵鐓粗、拔長。為保證鍛透內部組織，將鑄態組織轉變為鍛態組織，鋼錠必須經歷充分的鐓粗、拔長工序。鐓粗尺寸至2380mm，WHF法拔方至□2550×L，滾圓拔長下料。

⑶鐓粗、沖孔。坯料經加熱后，在油壓機上鐓粗至尺寸為2900mm，采用φ1200mm空心沖子沖料，沖孔后檢查內孔質量，防止折皮出現。

⑷擴孔及拔長。預擴內孔至φ1600mm，采用φ1500mm芯棒拔長，平整端面至3900mm。 預擴內孔至φ3750mm。

⑸出成品。擴孔至φ5500mm，最后精擴至工藝尺寸、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，降低鍛件內部化學成分與金相組織的不均勻性，防止和消除白點、氫脆等氫致缺陷；同時為性能熱處理做好準備，預處理工藝采用兩次正火+回火工藝，預處理工藝曲線如圖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℃。

調質是改善鍛件性能最為關鍵的工序，為實現筒體鍛件快速冷卻，采用水冷工藝，水冷前保證水溫低于25℃。

⑶機械性能檢測。

圖2 預處理工藝曲線

圖3 性能熱處理工藝

1)非金屬夾雜物及晶粒度檢驗見表7、表8。

表7 非金屬夾雜物檢驗

表8 晶粒度檢驗

2)力學性能檢驗。在筒體鍛件的水冒口端取樣，進行強度、韌性，特別是高溫屈服強度和低溫沖擊韌性的檢測，其結果詳見表9。對比圖紙性能要求，機械性能試驗結果完全符合要求，其中低溫沖擊韌性遠高于要求值。

表9 機械性能檢測結果

結束語

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,試樣經過30h，690℃溫度下的焊后模擬熱處理后，性能指標仍然合格。這表明通過采取調整合金元素含量、合理控制冶煉、鍛造、熱處理工藝過程等措施，生產出合格的超大規格的SA336F11CL.3甲醇合成塔筒體鍛件。