加氢筒节锻件调质变形规律的探索与应用

陈秋华

(中国第一重型机械股份公司水锻分厂，黑龙江161042)

加氢筒节锻件调质变形规律的探索与应用

陈秋华

(中国第一重型机械股份公司水锻分厂，黑龙江161042)

结合生产实际，对加氢筒节锻件调质过程中产生的变形规律进行研究，分析其产生变形的原因。进而利用其规律对尺寸问题锻件进行变形防控，使其调质后尺寸满足图纸尺寸要求。

加氢筒节；调质；变形规律

筒节锻件作为加氢反应器的重要组成部分，长期工作于高温、高压与腐蚀介质中，所以对其综合力学性能要求苛刻。为保证筒节锻件的力学性能，必要的调质热处理是其生产过程中的关键环节，然而筒节锻件在调质热处理过程中必然要产生变形，这也是加氢筒节锻件实际生产中最常见的热处理质量问题。

在实际生产中，筒节锻件生产流程是炼钢→锻造→锻后热处理→粗加工→性能热处理(调质)→精加工。筒节锻件采用水压机锻造，因水压机的工作特性及筒节锻件尺寸规格较大，所以锻件在锻造完成后有时会出现圆度尺寸偏差，甚至呈现“椭圆现象”。另外，由于冶炼、锻造缺陷的存在，也会造成筒节锻件毛坯尺寸不能满足锻件粗加工尺寸要求，甚至没有返修的余地。为了避免以上问题的出现而影响产品的质量，传统方法一般是加大筒节锻造余量或校正椭圆，但这些措施既增加生产成本，又延长产品生产周期。本文主要针对筒节锻件调质热处理变形规律进行研究，进而利用此规律控制尺寸问题锻件的变形，使其尺寸满足图纸要求，保证产品质量。

1 筒节锻件调质变形规律探索

我公司承制的河北某加氢项目，其中筒节锻件共18件，材质为12Cr2Mo1V，其精加工尺寸为∅3 813 mm/4 217 mm×(2 500～3 000)mm。主要力学性能指标见表1。为满足图纸技术要求，锻件需采用粗加工调质，参考以往生产经验合理留取内、外径调质变形余量分别为53 mm与43 mm，调质工艺为960℃淬火+690℃回火。

表1 力学性能要求Table 1 Requirements of mechanical properties

注：允许单个-30℃KV值≥54 J。

1.1 筒节锻件调质变形数据的收集

我公司用于此项目筒节调质热处理的加热炉有两种，分别为罩式电阻炉与台车式燃气炉。根据每种加热炉的规格、尺寸及垫铁(附具)特点，加氢筒节在炉中的摆放方式也有所不同，详见图1。

调质热处理后，质检人员对每件加氢筒节的内径、壁厚与高度进行了测量。在操作可行的基础上，为减少测量误差，在测量筒节内径时对其上、下口(距端面轴向100 mm位置)对应4个方向的直径进行了测量，其测量示意图见图2。

通过测量结果发现筒节壁厚与高度在调质热处理前后基本没有变化，因此，本文只对筒节内径尺寸的变化进行了统计与研究。对应调质热处理采用的两种加热炉(罩式电阻炉与台车式燃气炉)，我们各选取了5件筒节锻件进行内径尺寸变形情况的统计，详见表2。

(a)罩式电阻炉(b)台车式燃气炉

图1 加氢筒节在两种热处理炉中的摆放方式

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

图2 加氢筒节锻件测量示意图
Figure 2 The schematic diagram of the hydrogenation cylinder forgings measurement
表2 不同的加热炉筒节内径尺寸变量
Table 2 The inner diameter variables of the cylinders in different heating furnaces

上口内径变量/mm下口内径变量/mmΔd1东⁃西Δd2东南⁃西北Δd3南⁃北Δd4西南⁃东北Δd1东⁃西Δd2东南⁃西北Δd3南⁃北Δd4西南⁃东北加热炉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罩式电阻炉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台车式燃气炉

1.2 筒节锻件调质变形规律的探索

通过对表2数据的归纳整理，可以发现，筒节锻件调质采用不同的加热炉，其变形情况完全不同，主要表现在膨胀度与椭圆度两个方面。

1.2.1 膨胀度

当采用罩式电阻炉加热时，锻件整体呈膨胀趋势，并且上、下口直径在各方向(东-西、南-北、东南-西北、西南-东北)的增量有所差异。针对筒节锻件上口而言，南-北方向膨胀最为严重，其次为东-西方向，而东南-西北与西南-东北方向膨胀最不明显，其直径增量分别为10 mm～20 mm、10 mm ～15 mm与5 mm～15 mm；加氢筒节下口各方向变形与上口不同，其直径增量整体小于上口直径增量，分别为东-西、南-北两个方向直径增量均为10 mm～15 mm，东南-西北、西南-东北两个方向直径增量为5 mm～10 mm。锻件之所以产生以上变形主要是因为锻件经调质热处理后，其相结构的组织发生变化，在相变时发生体积和尺寸变化的比容变形所导致的。罩式电阻炉整个炉罩布满电阻丝，锻件同一高度各部位吸收热量较为均匀，从而使锻件膨胀变形较为匀称。高温过程中，由于垫铁(附具)4个方向的支撑作用，锻件下口的组织应力与热应力的释放受到了限制，其变形幅度小于上口。而在筒节下口部位，锻件东-西、南-北方向悬空于垫铁上方，下部得不到支撑，锻件内部的组织应力与热应力受外界约束较小，释放较为彻底，此外，再加上重力作用的影响，使锻件变形较东南-西北、西南-东北方向变形更为严重。

1.2.2 椭圆度

当加氢筒节在台车式燃气炉加热时，筒节变形方向性明显，圆形筒节变为椭圆，并且其上、下口部位直径变化在垂直90°方向呈相反趋势，即上口东-西方向直径增加、南-北方向直径缩减，下口南-北方向直径增加、东-西方向直径缩减。其详细变量为上口东-西方向直径增加5 mm～15 mm、南-北方向直径缩减5 mm～15 mm；下口南-北方向直径增加5 mm～20 mm、东-西方向直径缩减5 mm～15 mm。同时，针对筒节上、下口，其东-西至南-北方向椭圆度不同，下口椭圆度均比上口椭圆度大5 mm左右。通过分析筒节生产过程，初步认为椭圆度主要与垫铁摆放和装炉方式有关。筒节锻件采用台车炉加热时，此尺寸规格下，受烧嘴位置与烧嘴间距制约，其下方只能放置规格为6 500 mm(长)×300 mm(宽)×500 mm(高)的两根垫铁，垫铁大约位于筒节R/2处，即锻件R/2部位伸出垫铁，其示意图见图1。当热处理炉达到一定温度后，锻件屈服强度随炉温上升不断下降，当锻件屈服强度下降到≤锻件伸出垫铁部位重心×近R/2时锻件将产生塑性变形，锻件下部由于受两边伸出垫铁部位的弯矩作用，其东西方向直径变小，同时下部弯矩又造成筒节上部东西方向直径变大。另外，燃气炉烧嘴主要被安置在炉体侧墙的下部，烧嘴加热锻件时，其下部热量集中产生的热应力明显高于上部，因而筒节下口椭圆度大于筒节上口椭圆度。

2 加氢筒节锻件调质变形规律的应用

本项目中共有2件筒节锻件发生了尺寸问题，尺寸情况如下：

筒节a：内孔对称180°有两处大面积黑皮缺肉，一处大约弧长1 500 mm，径向最深12 mm，轴向整个高度；另一处大约弧长3 500 mm，径向最深21 mm，轴向整个高度。

筒节b：外圆有一处大面积黑皮缺肉，弧长大约2 100 mm，径向最深28 mm，下端面往上轴向高度1 000 mm。

根据罩式电阻炉与台车式燃气炉调质加热下加氢筒节的变形规律，制定详细的装炉方案为：筒节a采用罩式电阻炉加热，黑皮方向朝向东南-西北，居中摆放，锻件与垫铁接触部位垫平掩实；筒节b采用台车式燃气炉加热，黑皮部位朝向南-北方向，锻件与垫铁接触部位垫平掩实。

上述两件加氢筒节装炉时严格按照装炉方案执行，整个装炉过程中技术人员现场指导确认。调质热处理后，经过质检人员测量，筒节a与筒节b尺寸均能满足精加工尺寸要求。

3 结论

通过收集加氢筒节调质变形数据，研究探索两种热处理炉调质时筒节锻件的变形规律，并初步分析了其产生原因。应用其规律对尺寸问题锻件进行了装炉控制，成功的避免了两件加氢筒节尺寸问题的发生。

本文虽然主要是讨论加氢筒节锻件调质变形问题，但所得经验，如变形规律和采取的应用措施，同样可以指导其它类似锻件的变形防控，同时，此变形规律也为研究其它锻件变形情况提供了参考依据。

[1] 陈锐,罗新民.钢件的淬火热处理变形与控制[J].热处理技术与装备,2006,27(1):18-22.

[2] 陈强,吴刚,刘聪敏.大型渗碳淬火齿轮热处理变形与控制[J].冷热工艺,2012(5):15-17.

[3] 闫保秋,刘振邦,张佃友.利用热处理变形规律解决实际问题[J].金属加工,2010(9):61-62.

[4] 吉泽升,张雪龙,等.热处理炉[M].哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社,2004.

编辑 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