SA336F11CL.3筒体锻件制造工艺

文/张广威，于慎君，石如星，张德祯·中信重工机械股份有限公司

随着我国煤化工产业的发展，甲醇的制造量逐渐增加，核心设备中甲醇合成塔所需规格也在逐渐增大。甲醇合成塔是合成气制甲醇装置中的关键设备，它的制造水平直接影响到甲醇产品的产量和质量。

甲醇合成塔锻件的主要技术要求

本文制造甲醇合成塔用筒体材料为SA336F11CL.3，锻件规格为：φ6720mm×φ6070mm×3950mm，锻件重量202t，采用336t钢锭锻造，是目前国内最大的甲醇合成塔筒体锻件。

化学成分、金相及夹杂物要求

材料的成分满足表1成分值，晶粒度检验按ASTM E112进行测定，要求≥5级；夹杂物检验按ASTM E45进行评定，A、B、C、D和Ds不大于1.5级；A+C、B+D+Ds不大于2.5级。

力学性能要求

取样位置：T×T/2处（T：热处理时锻件的壁厚尺寸），试样轴线方向垂直于主锻造方向。调质状态下、调质+ Max.PWHT状态下、调质+ Min.PWHT状态下的机械性能指标应满足表2要求。

锻件生产的技术难点

冶炼方面

锻件对P、S含量及残余元素As、Sb等含量要求较低，J系数的控制难度大。为细化晶粒，冶炼过程中增加Al元素的控制，增大了夹杂物的风险。

表1 SA336F11CL.3化学成分（%）

表2 力学性能要求

锻造方面

为保证锻件质量，需采用WHF法锻透锻件心部，坯料冲孔尽量将心部冶金缺陷冲掉；由于筒体规格尺寸较大，控制成形尺寸较难。

热处理方面

在性能热处理时锻件壁厚达265mm，取样位置T×T/2处，强度要求高，且低温冲击要求十分严格，对预备热处理及性能热处理提出了更高的要求。

锻件制造过程及工艺控制

成分优化控制方案

为满足锻件的机械性能指标，尤其是-20℃低温冲击指标，对该材质的化学成分进行微合金化及主元素优化控制。

C可增加强度指标，C成分按上限控制；Mn在低合金钢中起固溶强化作用、效果强于Si，因此提高Mn成分指标的控制；Cr和Ni主要作用是增大奥氏体的过冷能力，从而细化组织，得到强化的效果，因此Cr成分按上限控制，Ni可提高低温冲击韧性，对于微量的Ni成分按0.22%～0.3%控制，加入Al及Nb成分的控制，以提高低温冲击韧性。具体成分详见表3。

冶炼工艺

冶炼流程如下：EBT电炉冶炼→LF精炼→VD→LF加热→VC浇注，3包合浇。

⑴ EBT电炉冶炼过程如下。

1)配入垫底石灰。氧化期放渣和补加渣料，确保出钢时P≤0.002%，其他化学成分见表4。

2)初炼炉调整钼含量。初炼炉出钢温度：1650～1680℃。

3)出钢前置换氩气。Si-Ca-Ba按3kg/t钢水加入，随钢流加入预熔渣和低铬各500kg。

4)严禁氧化渣进入精炼包。

⑵LF(钢包精炼炉)精炼。

1)精炼包吊到钢包车上后进行氩气置换。LF后加入Si-Ca线钢水。

2)精炼包加渣料。炉渣要求流动性好，适时调整氩气压力和流量，防止钢液裸露。

3)扩散脱氧剂（碳粉和Si-Al-Ca-Ba粉）要分批加入，保证白渣精炼，精炼化学成分见表5。

⑶真空处理和真空浇注。

真空处理钢水在高真空下保持，随时观察炉渣的喷溅情况，真空处理后回LF加热。座包前将中间包底、密封处及VC盖清洁干燥。座包后抽真空，中间包开浇真空度≤0.5。本材质熔点1514℃，中间包开浇温度控制在1570～1590℃内，控制注速和脱模时间。

⑷成品化学成分详见表6。

锻造过程

为破碎钢锭铸造组织，锻合内部孔隙性缺陷，打碎粗大晶粒及夹杂物，细化晶粒，防止内部萌生新裂纹，同时要满足该大型筒体的尺寸要求，必须采用合理的锻造工艺。

表3 SA336F11CL.3化学成分内控（%）

表4 EBT电炉化学成分控制（%）

表5 LF精炼成分控制（%）

表6 成品化学成分分析(%)

锻造工艺流程：预拔长、压钳口→镦粗、拔长→下料→镦粗、冲孔→预扩内孔→芯棒拔长→预扩内孔→平整端面→预扩内孔→精扩成形、修整、出成品。

⑴预拔长、压钳口。采用2200mm宽砧将钢锭整体预拔长至□2630mm×L。预拔长结束后，压制操作钳口，并将锭尾余料气割切除。

⑵镦粗、拔长。为保证锻透内部组织，将铸态组织转变为锻态组织，钢锭必须经历充分的镦粗、拔长工序。镦粗尺寸至2380mm，WHF法拔方至□2550×L，滚圆拔长下料。

⑶镦粗、冲孔。坯料经加热后，在油压机上镦粗至尺寸为2900mm，采用φ1200mm空心冲子冲料，冲孔后检查内孔质量，防止折皮出现。

⑷扩孔及拔长。预扩内孔至φ1600mm，采用φ1500mm芯棒拔长，平整端面至3900mm。 预扩内孔至φ3750mm。

⑸出成品。扩孔至φ5500mm，最后精扩至工艺尺寸、修整、出成品，成品如图1所示。

热处理

图1 成品锻件

⑴锻后预备热处理。为改善锻件在锻造过程中形成的粗大组织，降低锻件内部化学成分与金相组织的不均匀性，防止和消除白点、氢脆等氢致缺陷；同时为性能热处理做好准备，预处理工艺采用两次正火+回火工艺，预处理工艺曲线如图2所示。

⑵性能热处理。为使筒体锻件加热过程中温度均匀，减小因加热不均而造成的变形，采用台阶式升温方式，性能热处理工艺如图3所示。采用的奥氏体化温度为910～940℃。

调质是改善锻件性能最为关键的工序，为实现筒体锻件快速冷却，采用水冷工艺，水冷前保证水温低于25℃。

⑶机械性能检测。

图2 预处理工艺曲线

图3 性能热处理工艺

1)非金属夹杂物及晶粒度检验见表7、表8。

表7 非金属夹杂物检验

表8 晶粒度检验

2)力学性能检验。在筒体锻件的水冒口端取样，进行强度、韧性，特别是高温屈服强度和低温冲击韧性的检测，其结果详见表9。对比图纸性能要求，机械性能试验结果完全符合要求，其中低温冲击韧性远高于要求值。

表9 机械性能检测结果

结束语

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处取样,试样经过30h，690℃温度下的焊后模拟热处理后，性能指标仍然合格。这表明通过采取调整合金元素含量、合理控制冶炼、锻造、热处理工艺过程等措施，生产出合格的超大规格的SA336F11CL.3甲醇合成塔筒体锻件。