大口径厚壁无缝钢管生产用减径环堆焊复合制造研究

1前言

    我公司电站锅炉用大口径厚壁无缝钢管生产线年产成品钢管为2万吨。该生产线上的一个重要的工序是:将钢管坯加热到锻造温度后,利用20MN卧式水压机通过芯棒和减径环挤压,强制高温管坯沿钢管轴向产生热塑性变形并拔长.可见减径环是大口径厚壁无缝钢管生产线上的一种重要的模具,其内孔高温耐磨性及尺寸稳定性对毛坯钢管外形尺寸有着重要影响。

    我公司生产线上的减径环一直沿用45号钢锻坯制作,其高耐磨性差,使用寿命仅为60 -70次,这个缺陷不仅增加了模具成本.更主要的是由于45号钢减径环内孔工作面磨损严重,加大了大口径厚壁无缝钢管拔伸的变形抗力,拔伸高附加值的合金钢管变形抗力会超过压机的额定压力,因此研制高温耐磨、工艺简便的减径环成为我公司急待解决的技术难题。

    在欧洲.类似我公司的钢管生产线,已普遍采用镶嵌硬质合金套的方式来提高减径环的耐磨性和使用寿命。但硬质合金套制造工艺复杂,价格昂贵,且该方式不适宜我公司的生产线。

2减径环使用工况、失效形态

    我公司钢管生产线上减径环规格有外径1 350 mm、内径395 mm-795 mm及外径1 750mm、内径600mm-1320mm两种规格。图1为无缝钢管生产的基本示意图。

    减径环厚度300mm,材质为45号钢锻件,正火状态使用,硬度为160 - 220HBS。按钢管成品外径尺寸的不同.减径环内孔规格分别从395mm。到1 320 mm,一条生产线上一般需要200多种规格的减径环配套使用。每一种规格的减径环内孔有效使用厚度为5 mm。为了便于互换,减径环两侧均加工成对称锥面.以方便使用。典型的减径环结构如图2所示。

    当钢管坯穿过减径环时,由于高温钢管坯的辐射、对流和热接触传导作用.减径环内孔工作面的温度会迅速提高到700℃以上高温;在强制热塑性变形的条件下,与红热钢管外表面存在着高的金属间磨拉磨握,特别是大口径厚壁无缝钢管外表面所枯附的高硬度Fe3O4铁皮,与减径环内孔发生凿削磨损,同时.还存在减径环内孔锥面因冷热疲劳形成严重的龟裂,当龟裂发展到一定程度.将导致减径环疲劳断裂。

3堆焊合金研究

    基于上述使用工况条件分析.减径环内孔强化传统的思路系采用红硬性好的热作模具钢为优先选择,典型钢种包括3Cr2W8V4Cr5MoV(H13)。但是,热作模具属于马氏体类型钢种,系利用淬火后回火的二次析出硬化作用而强化,回火温度一般为500-650℃。使用温度一旦超过上述.达到700-900℃以上,硬度及耐磨性就会有较大的下降。

    为此,经过大量实验研究,研制成功高Mn沉淀强化型奥氏体Cr-Mn-Mo系堆焊合金.通过添加足够的Mn保证堆焊合金形成稳定的奥氏体,而C即是扩大奥氏体区域的元家,又可降低Mn含量.以减少堆焊层冷作硬化作用。堆焊合金中较多的Cr,W,Mo,v,Nb等碳化物形成元素,则起到第二相强化作用。同时加人稀土;以改善碳化物形态和纯净晶界。

    同时研制了3Cr2W8V系热作模具钢堆焊合金。在拟订的堆焊工艺和热处理制度保证下,进行两种堆烨减径环的对比试验和生产考核。

    两种堆焊焊条的熔傲金属成分示于表1,其中D4373Cr2W8V系列热作模具钢堆焊焊条,D750为奥氏体型Cr-Mn-M。系堆焊焊条。试板尺寸200 mm x 150 mm x 40 mm,母材选用经正火的45钢。堆焊电源采用直流反极性。

    试样加工并线切割后制备成热处理和化学成分、金相组织分析样。

    试验结果表明:D437堆焊合金常硬度高,经过560x6h弥散回火处理后.硬度高达58HRC,金相组织为索氏体+碳化物,且堆焊合金中含有较多能提高红硬性的Mo,W,V等合金元家,在600℃乃至650℃均具有优异的耐热耐磨性。

    D750堆焊合金虽然常温硬度远比D437堆焊合金低,仅为32 - 30 HRC,但由于璧体组织为高Mn奥氏钢,高温硬度降落小,并具有加工硬化作用。10%以上高的Cr含且,加上奥氏体墓体上弥散析出较多的第二相金属间化合物,更适应700-900℃以上温度范围工况服役的减径环。

4减径环复合堆焊制造工艺

    45号钢为体材料,工作面用高温耐磨性优异的焊条手工堆焊。试验用减径环的外径为1 750 mm,壁厚300 mm,内孔预加工至639mm,即单边8 mm的硬面堆焊层。减径环内孔两侧锥面各150 mm工作长度段亦加工成8 mm深的凹梢用于堆焊。由于减径环厚300mm.为避免堆焊时热影响区45钢基体的淬火硬化,使用中出现堆焊金属剥落的危险,堆焊前均用A132焊条(4.0 mm)无须预热堆焊一层过渡层。

    采取D347焊条堆焊的工艺要点是:减径环整体预热350℃。由于减径环表面积大,散热快,除采取相应的保温措施外,还采取周向分区段,每段堆焊层厚(不含加工余量)一步到位的工艺措施。保证堆焊时的层间温度不低于300℃。堆焊完毕,减径环及时进行560x 8 h的整体回火处理。最后,减径环整体加工到所规定的尺寸。

    采用D750焊条堆焊的工艺则大大简化,无须焊前预热和焊后热处理。

5生产考核结果及经济效益

   两种堆焊合金复合制适的减径环自20046月上机考核。结果表明:较之传统的45钢减径环,用D347马氏体钢堆焊的减径环和D750奥氏体钢堆焊的减径环,均显示出优异的耐热耐蚀和抗冷热疲劳性。耐磨性亦比原45钢减径环有大的提高。其中,前者提高使用寿命5倍多,而D750堆焊的减径环.使用寿命更是提高了7倍多,效果十分明显。

    由于D347马氏体堆焊合金堆焊工艺复杂、要求严格,而且常温硬度高,加工很困难,大大提高了减径环的制造成本,故本研究最终选择D750沉淀硬化奥氏体堆焊合金复合制造减径环,并正式投入批量生产。

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