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  • 大口徑厚壁無縫鋼管生產用減徑環堆焊復合制造研究

    1前言

        我公司電站鍋爐用大口徑厚壁無縫鋼管生產線年產成品鋼管為2萬噸。該生產線上的一個重要的工序是:將鋼管坯加熱到鍛造溫度后,利用20MN臥式水壓機通過芯棒和減徑環擠壓,強制高溫管坯沿鋼管軸向產生熱塑性變形并拔長.可見減徑環是大口徑厚壁無縫鋼管生產線上的一種重要的模具,其內孔高溫耐磨性及尺寸穩定性對毛坯鋼管外形尺寸有著重要影響。

        我公司生產線上的減徑環一直沿用45號鋼鍛坯制作,其高耐磨性差,使用壽命僅為60 -70次,這個缺陷不僅增加了模具成本.更主要的是由于45號鋼減徑環內孔工作面磨損嚴重,加大了大口徑厚壁無縫鋼管拔伸的變形抗力,拔伸高附加值的合金鋼管變形抗力會超過壓機的額定壓力,因此研制高溫耐磨、工藝簡便的減徑環成為我公司急待解決的技術難題。

        在歐洲.類似我公司的鋼管生產線,已普遍采用鑲嵌硬質合金套的方式來提高減徑環的耐磨性和使用壽命。但硬質合金套制造工藝復雜,價格昂貴,且該方式不適宜我公司的生產線。

    2減徑環使用工況、失效形態

        我公司鋼管生產線上減徑環規格有外徑1 350 mm、內徑395 mm-795 mm及外徑1 750mm、內徑600mm-1320mm兩種規格。圖1為無縫鋼管生產的基本示意圖。

        減徑環厚度300mm,材質為45號鋼鍛件,正火狀態使用,硬度為160 - 220HBS。按鋼管成品外徑尺寸的不同.減徑環內孔規格分別從395mm。到1 320 mm,一條生產線上一般需要200多種規格的減徑環配套使用。每一種規格的減徑環內孔有效使用厚度為5 mm。為了便于互換,減徑環兩側均加工成對稱錐面.以方便使用。典型的減徑環結構如圖2所示。

        當鋼管坯穿過減徑環時,由于高溫鋼管坯的輻射、對流和熱接觸傳導作用.減徑環內孔工作面的溫度會迅速提高到700℃以上高溫;在強制熱塑性變形的條件下,與紅熱鋼管外表面存在著高的金屬間磨拉磨握,特別是大口徑厚壁無縫鋼管外表面所枯附的高硬度Fe3O4鐵皮,與減徑環內孔發生鑿削磨損,同時.還存在減徑環內孔錐面因冷熱疲勞形成嚴重的龜裂,當龜裂發展到一定程度.將導致減徑環疲勞斷裂。

    3堆焊合金研究

        基于上述使用工況條件分析.減徑環內孔強化傳統的思路系采用紅硬性好的熱作模具鋼為優先選擇,典型鋼種包括3Cr2W8V4Cr5MoV(H13)。但是,熱作模具屬于馬氏體類型鋼種,系利用淬火后回火的二次析出硬化作用而強化,回火溫度一般為500-650℃。使用溫度一旦超過上述.達到700-900℃以上,硬度及耐磨性就會有較大的下降。

        為此,經過大量實驗研究,研制成功高Mn沉淀強化型奧氏體Cr-Mn-Mo系堆焊合金.通過添加足夠的Mn保證堆焊合金形成穩定的奧氏體,而C即是擴大奧氏體區域的元家,又可降低Mn含量.以減少堆焊層冷作硬化作用。堆焊合金中較多的Cr,W,Mo,v,Nb等碳化物形成元素,則起到第二相強化作用。同時加人稀土;以改善碳化物形態和純凈晶界。

        同時研制了3Cr2W8V系熱作模具鋼堆焊合金。在擬訂的堆焊工藝和熱處理制度保證下,進行兩種堆燁減徑環的對比試驗和生產考核。

        兩種堆焊焊條的熔傲金屬成分示于表1,其中D4373Cr2W8V系列熱作模具鋼堆焊焊條,D750為奧氏體型Cr-Mn-M。系堆焊焊條。試板尺寸200 mm x 150 mm x 40 mm,母材選用經正火的45鋼。堆焊電源采用直流反極性。

        試樣加工并線切割后制備成熱處理和化學成分、金相組織分析樣。

        試驗結果表明:D437堆焊合金常硬度高,經過560x6h彌散回火處理后.硬度高達58HRC,金相組織為索氏體+碳化物,且堆焊合金中含有較多能提高紅硬性的Mo,W,V等合金元家,在600℃乃至650℃均具有優異的耐熱耐磨性。

        D750堆焊合金雖然常溫硬度遠比D437堆焊合金低,僅為32 - 30 HRC,但由于璧體組織為高Mn奧氏鋼,高溫硬度降落小,并具有加工硬化作用。10%以上高的Cr含且,加上奧氏體墓體上彌散析出較多的第二相金屬間化合物,更適應700-900℃以上溫度范圍工況服役的減徑環。

    4減徑環復合堆焊制造工藝

        45號鋼為體材料,工作面用高溫耐磨性優異的焊條手工堆焊。試驗用減徑環的外徑為1 750 mm,壁厚300 mm,內孔預加工至639mm,即單邊8 mm的硬面堆焊層。減徑環內孔兩側錐面各150 mm工作長度段亦加工成8 mm深的凹梢用于堆焊。由于減徑環厚300mm.為避免堆焊時熱影響區45鋼基體的淬火硬化,使用中出現堆焊金屬剝落的危險,堆焊前均用A132焊條(4.0 mm)無須預熱堆焊一層過渡層。

        采取D347焊條堆焊的工藝要點是:減徑環整體預熱350℃。由于減徑環表面積大,散熱快,除采取相應的保溫措施外,還采取周向分區段,每段堆焊層厚(不含加工余量)一步到位的工藝措施。保證堆焊時的層間溫度不低于300℃。堆焊完畢,減徑環及時進行560x 8 h的整體回火處理。最后,減徑環整體加工到所規定的尺寸。

        采用D750焊條堆焊的工藝則大大簡化,無須焊前預熱和焊后熱處理。

    5生產考核結果及經濟效益

       兩種堆焊合金復合制適的減徑環自20046月上機考核。結果表明:較之傳統的45鋼減徑環,用D347馬氏體鋼堆焊的減徑環和D750奧氏體鋼堆焊的減徑環,均顯示出優異的耐熱耐蝕和抗冷熱疲勞性。耐磨性亦比原45鋼減徑環有大的提高。其中,前者提高使用壽命5倍多,而D750堆焊的減徑環.使用壽命更是提高了7倍多,效果十分明顯。

        由于D347馬氏體堆焊合金堆焊工藝復雜、要求嚴格,而且常溫硬度高,加工很困難,大大提高了減徑環的制造成本,故本研究最終選擇D750沉淀硬化奧氏體堆焊合金復合制造減徑環,并正式投入批量生產。

    文章作者:不銹鋼管|304不銹鋼無縫管|316L不銹鋼厚壁管|不銹鋼小管|大口徑不銹鋼管|不銹鋼換熱管

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