加氫反應器筒體電熔成形方法與流程
2023-07-09 06:33:07 2
本發明涉及一種加氫反應器筒體電熔成形方法。
背景技術：
加氫反應器是各種加氫工藝過程或加氫裝置的核心設備。其工況環境苛刻,技術難度大，製造技術要求高，造價昂貴,尤其因加氫裝置操作條件的特殊性，反應器在高溫氫腐蝕,氫脆,鉻-鉬鋼的回火脆性損傷,連多硫酸應力腐蝕開裂,奧氏體不鏽鋼堆焊層的氫致剝離等多重破壞因素影響下,很容易出現損傷以致報廢。為防止這些破壞性的損傷發生，不僅要有正確的設計,與材料選擇及相關的正確製造工藝也關係極大。反應器的設計和製造成功，在某種意義上說是體現一個國家總體技術水平的重要標誌之一。
加氫反應器材料得到世界各國的積極研發,由最始的21/4Cr1Mo鋼種,現已研發出21/4Cr1MoV,3Cr1MoV系列,並配套添加了Cb、Ti、B、Ca等合金元素，形成了系列下多種材料。同時,隨著容器尺寸的逐漸增大和安全性能要求越來越高,加氫反應器材料製備,也逐漸由鋼板卷焊改為對較厚設備材料鍛制而成。鍛坯經過墩粗、拔長、墩粗、衝孔的鍛造加工過程，可衝掉中心部位的偏析與夾雜，使筒節材料的力學性能得到改善，從而提高反應器的抗氫損傷能力。材料通過鍛制,並輔以後續熱處理工藝穩定組織改善性能,因此相比較鋼板卷焊,鍛製成形材料的內質特性(純淨性、緻密性、均質性)好；焊縫少，特別是沒有縱焊縫，提高了反應器耐周向應力的可靠性；同時製造裝配易保證。
儘管此方法在工業生產中被廣泛應用，但由於工藝複雜、化學與力學性能控制難度大，也造成質量穩定性差，熱處理相組織不均勻,廢品率高等缺點,且鍛造結構材料利用率低，當壁厚較薄時，其製造費用相對較高。而從最終的晶粒測度結果看，一般也只在4-6級左右，另外,加氫反應器囿於鋼錠冶煉和鍛造技術的限制所採用的分段材料鍛制並拼焊組成的方式,也因為焊縫的增加嚴重割裂了機械纖維的連續走向,極大的影響材料的力學性能和容器設備的安全性。並且也極易引起製造工期拖延,增加了成本。
因此,如何能夠研發出所需的細晶粒、均組織，且綜合力學性能良好的材料和整體成形方法是加氫反應器新材料研發需攻克的難點和重要發展方向。
技術實現要素：
有鑑於此，本發明的主要目的在於，提供一種高效、低成本、具有良好力學性能的加氫反應器筒體成形方法。
為達到上述目的，本發明的加氫反應器筒體成形方法是採用電弧熱、電阻熱、電渣熱複合而成的高能熱源，熔化連續輸送的金屬原料絲材，在基材上逐層凝固堆積成形製造金屬構件；
將電熔頭與基材接至電源兩極，成形時金屬原料絲材經由輸送機構和電熔頭送至基材表面，在顆粒狀輔料的堆積保護下，原料絲材與基材間產生電弧，熔化部分堆敷輔料形成熔融渣池，電流流過原料絲材和熔融輔料渣池形成電阻熱和電渣熱，在電弧熱、電阻熱、電渣熱三種熱複合高能熱源作用下使原料絲材熔化，在基材表面形成局部熔池，持續輸送原料絲材與輔料，根據成形構件的分層切片數據，採用計算機控制電熔頭與基材的相對移動，實現熔池在基材上快速冷卻逐層凝固堆積，最終成形加氫反應器筒體。
在本發明中,加氫反應器整體成形筒體,直徑為2-7m,長度2-18m。
在本發明中,成形所用原料絲材是為加氫反應器構件而特殊製備的低合金鋼材料,原料絲材直徑2-8mm, C含量0.08-0.12%,成形後工件C含量0.04-0.08%,工件晶粒度7-9級。
在本發明中，控制基材或堆積金屬預熱與層間溫度為120~450℃，電熔頭與基材的相對移動速度為300～800mm/min，實現熔池的快速凝固，從而獲得晶粒細密、無宏觀偏析、組織均勻的材料，極大的改善成形工件的塑性、韌性和高溫蠕變等力學性能。
在本發明中，在逐層成形的過程中，原料絲在下層金屬表面形成熔池，熔滴以射流形態進入熔池後凝固使兩層金屬形成一體，實現分層成形，整體融合，保證了成形筒體構件的整體性能。
在本發明中，單個電熔頭對原料絲材熔化效率為20～50Kg/h，另外為提高堆積效率實現快速成形，電熔頭的數量可以按需要調整為1～100個，當多電熔頭排布時，相鄰電熔頭間距為50～500mm。
在本發明中，基材可以是309不鏽鋼材料或碳鋼或合金鋼材料，當為309不鏽鋼材料時，可作為異種材料連接合成工件,為碳鋼或合金鋼材料時可在後續機加工中去除基材，基材尺寸、形狀與加氫反應器筒體內壁尺寸形狀匹配，厚度不小於5mm。
本發明擺脫了複雜的工裝、模具和專用工具的約束；成形即為近淨形坯件，生產後只需少量精加工，大大簡化加工工序，縮短產品周期；所成形工件具有媲美傳統鍛造工藝的力學和化學性能，強度、韌性、耐蝕等性能均十分突出；同時實現了加氫反應器筒體的整體成形,突破了傳統鍛造工藝技術的局限,大大提高了效率,節省了成本。
附圖說明
圖1為用於說明具體實施方式中的電熔方法的原理示意圖；
圖2為圖1中A所示位置附近的局部放大圖；
圖3為用於說明實施例中的加氫反應器筒體成形方法示意圖。
具體實施方式
下面參照附圖對本發明的具體實施方式進行說明。圖1為用於說明具體實施方式中的電熔方法的原理示意圖；圖2為圖1中A所示位置附近的局部放大圖。由於是原理圖，因而，圖中部件是示意性的，其實際形狀與尺寸關係等不受圖示限制。
該成形方法是將原料絲材1熔化而逐層（圖1中所示為堆積至第N層時的狀態）堆積在基礎材2上，從而最終形成所需的金屬構件。
具體實施工序為：
A．送絲機構5將原料絲材1送至放置於工作檯21上的基材2的表面，其上覆蓋由送粉機構4輸送的顆粒狀輔料。
B．啟動電源12，電源電壓使原料絲材1與基材2間形成電弧9產生電弧熱，電弧熱使部分輔料3熔融，形成輔料渣池8，電流經由電熔頭6流過原料絲材1形成電阻熱，並通過熔融渣池8形成電渣熱，三種熱源複合而成高能熱源，熔化原料絲材，在基材2表面形成熔池11。
C. 控制電熔頭6與基材2的相對移動和基材2的溫度，實現熔池11與基材換熱凝固沉積。
D．送絲機構5與送粉機構4持續輸送原料絲材1和輔料3，在輔料3覆蓋熔池11和基材2的狀態下，原料絲材1逐層堆積在基材2上，最終成形工件。
其中，控制裝置（計算機）根據成形工件的（數值模擬、數學模型）分層切片數據控制電熔頭6與基材2的相對移動方式。
在本發明圖示中電熔頭電極接正，工件接負只作示意作用，也可以電熔頭接負，工件接正，或採取交流電源。
在本發明中，為了保證形成良好的高能熱源，尤其是為了產生充分的電渣熱，可以適當地調節輔料的成分、原料絲材的直徑、電流、基材與原料絲材的相對移動速度等參數。
在本發明中，原料絲1的形態可以是圓棒狀、帶狀，實芯或者藥芯的；原料絲1的直徑可以根據成形工件的尺寸設定為2~8mm；根據絲材1直徑不同，伸出電熔頭的長度（通電長度）為20mm～150mm。
在本發明中，輔料3覆蓋厚度為15mm～120mm，使用輔料3的作用包括：覆蓋電弧9，防止電弧飛濺；覆蓋熔池11，隔絕空氣，使熔池金屬免受空氣中氧、氮、氫等的侵害；對熔池金屬形成保溫；冶金反應過程中去除雜質、摻入合金；形成的渣池8（渣殼7）以機械方式保護沉積金屬10良好成形等。
輔料3的成分包含氧化物或者氧化物與滷化物，由於輔料3參與熔池反應，調整工件（金屬構件、產品）成分，因而根據所要形成的金屬構件的成分和效率要求，可以在輔料中添加合金粉末以及/或者單質金屬粉末，降低生產成本。
另外，在C工序中，可以附帶回收殘餘輔料以及去除渣池8凝固而形成的渣殼7的操作。去除時，可以在原料絲1的相對移動後方400mm~500mm處開始機器去除或人工去除作業。
採用本實施方式的電熔成形方法，原料絲利用率接近100%；相比現有的加工技術（鍛造、鑄造等），製造工序少（不需要複雜的熱處理），周期短，效率高，金屬構件的機械加工餘量非常小，同時減少了精加工時間及節約了大量的材料。
【實施例】
本實例描述通過臥式電熔成形方法製作加氫反應器筒體過程，筒體材料為21/4Cr1Mo，參照與ASME標準SA387F22，傳統工藝筒體製作後內壁需堆焊厚度約7mm的309不鏽鋼層，所使用的設備包括：
（1）迴轉支撐臺；
（2）電熔電源；
（3）電熔頭；
（4）自動送絲裝置；
（5）輔料自動輸送與輔料自動回收裝置；
（6）加熱裝置；
（7）冷卻裝置；
（8）基材；
（9）控制裝置。
圖3為用於表示本實施例的電熔成形方法的示意性說明圖，圖中省略了電源、自動送絲裝置等裝置。材料電源參數如下：
1）原料絲材101（C:0.11-0.12%,其它元素與SA387F22一致）、直徑5mm；
2）特殊研製的輔料301，成分為20%CaO+MgO；45%AL2O3+MnO； 25%SiO2+TiO；10%CaF2；
3）電熔頭數量：39個電熔頭601，電熔電源為直流電源，採用電熔頭601接電源負極，基材201接電源正極（如此接，能夠大大提高加工效率）；
4）電熔工藝參數為：電熔電流900A，電熔電壓42V，電熔頭601與基材201相對移動速度600～700mm/min（熔池移動速度）。
採用金屬構件電熔成形方法製作筒體構件，其實施步驟如下：
（1）將圓筒形的基材201的軸線水平配置，並支撐在迴轉支撐臺上，將39個電熔頭以約400mm的間距（中央控制裝置確定精確位置和移動）平均橫向布置在基材201的上方，且調整好每個電熔頭與基材201表面（外周面）的距離，並選取電熔的起點；
（2）將原料絲材101與輔料送至基材201表面，啟動電源，導入高能熱源，熔化原料絲材及輔料，同時轉動基材201，開始每個電熔頭第一層第一道（每一層由軸向排列的多道構成）的電熔沉積；
（3）當電熔頭601與電熔起點之間形成一段距離後，開始啟動輔料回收裝置將其未熔化的輔料收回，露出渣殼並將其清除，以便於下一道的電熔沉積（堆積）；隨後啟動冷卻裝置或加熱裝置對電熔沉積金屬進行冷卻或加熱，將其基體（第一層時是指基材201，其他層時是指前一層堆積金屬）的溫度控制在200～300℃；
（4）當基材201轉動一圈完成第一道電熔沉積時，在控制裝置的控制下，所有電熔頭201同時往左直線移動3/4熔道寬度距離，同時調整各電熔頭601尤其是通過中央控制調整編號18-22五個電熔頭與基材201的表面之間的距離，以保證電熔的穩定性，之後開始第一層第二道的電熔沉積成形，此過程中要保證其左右圈道間搭接良好；
（5）當第二道完成後，重複步驟（4）再完成其它的電熔沉積道的成形，當達到最後一道時，其相鄰電熔頭的最後一道結束點與第一道起點要搭接良好，以至完成第一層的電熔沉積；
（6）當完成第一層的電熔沉積後，所有電熔頭自動提升一層沉積厚度（即層後）之高度，開始第二層的第一道電熔沉積，第一層電熔頭的結束點即為第二層第一道的開始點，連續沉積；
（7）當第二層第一道電熔沉積完成後，所有電熔頭同時往右直線移動3/4熔道距離，同時各電熔頭自動調整其與基材之間的距離，以保證電熔的穩定性，開始第二層第二道的電熔沉積，使其左右圈道間搭接良好；
（8）當完成第二層第二道電熔沉積完成時，重複步驟（7），再完成其它的電熔沉積道，當達到最後一道時，其相鄰電熔頭的最後一道結束點與第一道起點要搭接良好，以至完成第二層的電熔沉積；
（9）重複步驟（6）至步驟（8），再完成其它電熔沉積層，此過程中，相鄰電熔沉積層電熔頭的移動方向可以相反，最終連續電熔沉積形成整個筒體構件。
電熔成形後，不鏽鋼基材201成為了加氫反應器筒體的一部分，實現了異種材料直接連接成形，從而改變了傳統工藝在鍛造加氫反應器筒體後再在其內壁堆焊309不鏽鋼的製造方式，減少了工藝工序，提高了工作效率和質量，也可用普通碳鋼在後續機加工中去除。
按照傳統鍛造工藝，加氫反應器筒體分為多段，各段分別鍛制再整體組焊而成，而本實施例由於是多個（34個）電熔頭並排排布整體成形，極大的提高了成形效率；自然也可以根據客戶要求調整電熔頭數量和排布，分段成形。