双相钢复合板封头热成型工艺

双相钢复合板封头的热成型工艺一、前言2006年我厂承揽了某集团年50万吨甲醇项目中黑水过滤器的任务，该过滤器材质为16MnR+SAF2507，厚度28+4mm，金属重量6070Kg，焊缝接头系数为1，水压试验压力为13.08MPa，其结构简图如下：从结构简图可以看出，其结构并不复杂，除四个接管外其制造难点可分为两方面，一方面是双相钢复合板的焊接，另一方面由于其直径较小（φ800mm）且封头为球形封头，因此，封头成型是本设备的制造难点。而关于双相不锈钢的焊接我厂已积累了一定的经验1，其焊接方法、焊接参数、注意事项等基本相同，这里不再阐述。本文着重论述该复合板的成型工艺。二、双相钢复合板16MnR+2507的特点基层16MnR是压力容器常用的低合金钢材，对于复合来讲，一般用以满足复合钢板对强度、刚度和冲击韧性等力学性能的要求，其性能良好，通常不需要特殊的工艺措施（厚板除外），无论是热加工成型，还是冷加工成型，都是比较成熟的工艺。而SAF2507则不同，它是由25%铬、4%钼和7%的镍构成的超复式不锈钢，具有较高的导热性和较低的热膨胀系数（与不锈钢相比见图2），其成分和力学性能如下：表1SAF2507的化学成分(%)和力学性能（室温）表CmaxCrNiMoNSimaxMnmaxPmaxSmax0.03025740.30.81.20.0350.020屈服强度（0.2%）MPa抗拉强度MPa延伸率（%）硬度值（维氏）550800-100025290从有关资料得之，SAF2507在300℃以上时，铁素体的分解会产生脆性相的转变，有两个脆性区，即600~900℃区间由σ相引起的脆性、低于500℃的475℃脆性，其脆性相的析出要比奥氏体不锈钢敏感的多。因此，加工过程中要特别注意考虑其脆性相的问题。图2SAF2507与其他钢种线膨胀系数对比图而对于复合钢板来讲，由于两种材质的热膨胀系数不同，复合后综合板材的力学性能也与原两种材质有较大差异，对比表如下：表216MnR+SAF2507（16+4mm）/16MnR力学性能表屈服强度（0.2%）MPa抗拉强度MPa延伸率（%）冲击值Akv（J）390/415595/54027/2570、60、65/64、43、46从表1、表2看出，虽然性能各有差异，但是三者各有相同之处，只要掌握各自的优缺点，合理利用其优点，成功完成封头成型是有把握的。根据以往经验，结合国内封头厂的生产条件以及该封头直径较小的特点，决定采用热成型进行压制。三、热成型压制试验要保证封头热成型一次成功，必须对本复合板材有比较充分的了解，尤其这对于我们来说是首次接触的板材，即使是国内也未刚刚开始应用。于是，我们对此批板材（南京三邦金属复合材料有限公司）5X10-610X10-615X10-6进行了常规的性能检验（复验），结果如下：表316MnR+SAF2507复合钢板性能复验表常规性能炉批号厚度力学性能化学成分（SAF2507）（%）拉伸MPa冲击J（0℃）弯曲3a（180°）CSiMnPSNiCrMo06G-30016+4507.4116/62/68合格0.030.270.78.025.0017.3524.654.2506G-30116+555780/65/78合格0.020.280.73.019.0017.0325.243.83从复验结果我们得出如下结论：⑴、该板材是合格的；⑵、试样使用方型横截面的试样，由于材质热敏感系数特别大，因此，试样一定要通过机加工去除由于火焰切割等影响材料性能的部分，去除尺寸约3mm左右；⑶、任何加工或成型的温度应该尽量避开双相钢脆性区。接着，我们取φ1300mm板进行模拟压制试验，压制温度定为960℃，采用煤气加热炉进行加热，结果压制过程即出现断裂现象，同时，即使把胚料放在通风处或炉内缓冷，也不同程度出现断裂，而且基本上是从复层开始断裂，并延伸至基层。从裂纹形状上看，应该为脆断裂纹加延迟裂纹，经过分析，我们感觉到应该是对于双相钢的成型温度掌握的不够准确，同时也是由于担心太高的加热温度影响16MnR脱碳等原因。于是经过反复与相关专家的咨询，结合以往曾经压制双相钢SAF2205的经验及综合以上的试验结果决定从以下几个方面着手：1、SAF2507的成型温度较窄；2、SAF2507的热膨胀性与碳钢相近，比不锈钢相对较小；3、高温条件下（1000℃左右）碳钢的脱碳影响不大；4、热成型时一定要注意控制最低的加热温度；5、终压温度应该严格控制；6、压制后应采取可行的急冷措施。四、热成型工艺根据以上试验，我们决定与锦西化机厂联合共同进行该复合钢板的球缺封头的压制，并制定工艺措施如下：1、胎具设备：封头胎具为上胎φ806，下膜镶圈φ848/R50，压制封头前仔细检查压边圈与坯料接触面及下胎体表面光洁情况，修磨毛刺及滑痕，必要时进行机加工；用1200吨水压机进行压制，中间用δ=2mm的不锈钢板进行隔离；2、坯料准备：坯料展开尺寸为φ1180，入炉前清除表面油污及其他杂质，复层表面涂一层高温保护涂料，待涂料风干后坯料方可入炉加热。3、装炉布置：坯料平放装炉，坯料下用耐火砖均匀支撑，高度150-200mm，加热炉距喷嘴600mm处砌当火墙，高度450mm，采用燃油炉，燃油含硫量应低于0.2%（重量比），在复合板面固定两只铠装热电偶，经过硅酸镁铝岩棉直接接到记录仪上；4、加热规范：加热温度定为1080+10℃，保温时间定为18min同时要求从出炉到压制成型，最终温度不得低于960℃，压制成型后立即进行快速空冷，加热曲线图如图3：图3封头加热规范曲线图5、压制成型：加热时一定要注意控制均匀加热生温，同时，对压制胎具进行火焰预热，用远红外测温仪进行测温，保证不低于300℃，然后，表面涂上防渗碳涂料；坯料成型后迅速吊运，中间用远红外测温仪随时监控温度，摆正后进行缓慢压制，脱模前封头下部应用石棉毡垫起防止封头碰伤，封头脱模后（960℃以上）立即用三个高功率风扇直吹封头进行快速冷却，冷却时间控制在20分钟左右以内，降至300℃以下，停风静止空冷。五、检验1、尺寸检查：用弦长为604.5（为3/4Di）mm的内样板进行该球缺内表面的形状偏差检查，其最大间隙为87.9mm，符合标准要求；2、结合状态：由于该封头为复合板B1级，因此，成型后用超声波进行全面积检测，结合率为100%，符合标准要求；3、力学性能：我们对随炉压制试样进行了拉伸试验、弯曲试验及复合界面的结合剪切强度试验，结果（见表四）符合标准要求。4、晶间腐蚀：按照GB4334的相关要求进行晶间腐蚀试验，结果符合标准要求。六、结论1、复合钢板由于相结构不同，因此，热成型时要注意选择两相都能均匀变形的热加工温度。2、注意严格控制保温温度和终压温度，不宜温度过低而出现σ相。3、注意压制结束后严格进行快速冷却，使之快速降到相稳定状态。经过精心试验，圆满完成了六个热成型封头的压制任务。参考文献：1、郭晓春等.双相不锈钢换热管与管板的全位置自动焊.石油工程建设，1999，（6）.2、《双相不锈钢》吴玖等著冶金工业出版社3、JB4733-1996《压力容器用爆炸不锈钢复合钢板》中国机械工业部、化学工业部4、GB150-1998《钢制压力容器》国家技术监督局5、HG20584-1998《钢制化工容器制造技术要求》国家石油和化学工业局