HP40Nb离心铸造制氢转化炉管缺陷分析.pdf

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材料工艺 MATERAL& TECHNOLOGY
HP40Nb离心铸造制氢转化炉管缺陷分析
Analysis of Defects of Fabricating Hydrogen Tubes
under Centrifugal Casting for HP40NB
刘致远12金鑫2李世奇2薛辉军2曾丽1喇培清
(1.兰州理工大学材料工程学院,甘肃省兰州市730050
2.兰州石油化工公司机械厂,甘肃省兰州市730060)
摘要:对制氨转化炉管常见的裂纹、气孔及表面夹渣等缺陷进行了分析。从工装准备、喷涂、熔炼等具体操
作等方面提出了改进措施
关鍵词:HP40Nb,离心铸造,制氢转化炉管,铸造缺陷
中图分类号:TG249.4;文献标识码:A;文章编号:1006-9658(2008)01
1前言
备70%以上的柱状晶;对管段的内外表面质量,要分
工艺加热炉是石油化工工业中蒸馏、转化、合成别进行涡流探伤和荧光检査。上述检测对炉管的制
以及裂解工艺流程的心脏。制氢转化炉管工作于石造要求提出了严格的要求,因此要求炉管不得有裂
化装置加热炉中,外部承受800~1000℃的高温,内部纹、气孔、缩孔、砂眼、偏析以及表面夹渣等缺陷
通经脱硫处理的原料气与水蒸汽,压力为2.05MPa,
但在实际生产中,由于铸造工艺参数和治炼工
管壁温度高达800~900℃,并且设计寿命在105h以艺选择不当,铸造缺陷是很难免的,并且导致废品率
上。为满足这些苛刻条件,对其性能和质量有很高的较高。常见的缺陷主要有裂纹、气孔、夹渣等。因此探
要求。
讨离心铸造制氢转化炉管缺陷的形成原因,并提出
制氢转化炉管直径一般为123~129mm,材质一相应的防止措施,具有重要的意义。
般选择HP40Nb-M(ZG40Cr25Ni35NbM),以满足耐
腐蚀性能以及高温下的抗蠕变断裂性能、抗热疲劳2缺陷分析及预防措施
性能、抗氧化性能以及抗渗碳性能等。通常通过微合2.1裂纹产生原因及预防
金化来进一步提高该材质的性能,微合金元素主要
离心铸造的裂纹有轴向裂纹和横向裂纹两种
分两类,一类是Nb、T、Mo等强碳化物元素,以形成但轴向裂纹一般出现较少,主要表现为横向裂纹。轴
较CC熔点更高且更稳定的碳化物,起到细化晶粒、向裂纹是沿型筒外层轴向产生的直线状连续裂纹,
固溶强化和弥散析出强化作用;另一类是Zr、B及稀大多纵贯整个管体。由于外层贴近金属型,冷却速度
土(如常见的Ce)等微量元素,它们可优先与杂质元快,而内部冷却速度慢,因此在凝固后期,外层合金
素反应,这样就减少了晶界夹杂物,通过净化和修复沿径向受拉伸,应力较大,当此应力大于外层合金的
而强化晶界。这些措施对提高合金的高温抗蠕变性强度极限时,就会产生裂纹。
能有显著作用。
横向裂纹产生的原因主要是合金凝固收缩受
同时,对制氢转化炉管的离心铸造质量也提出阻,一般有两种。一种是金属型外壁因机械损伤而产
了很高的要求。一般的检测要求包括力学常温性能、生的凸起、刘痕;另一种是端盖砂型的涂料层较薄,
高温瞬时和持久性能;对铸造管段要逐一进行水压或者是端盖与型筒间的缝隙涂抹不严,浇注时金属
和气密性耐压试验;为保证组织的致密性和实际使液容易在此处形成粘砂和飞边凸沿,从而导致铸管
用中良好的热传导性能,要求管段截面金相组织具从两端无法向中部凝固收缩,造成横向裂纹的产生。
对铸管裂纹的防止可以采取以下措施。首先,要
收稿日期:2007-09-12
文章编号:2007-141
仔细检查型筒内壁表面质量状况,对划痕和凸起缺
作者简介:刘致近(1971-)、男,高级工程师,主要从事高温合金炉管陷要及时打磨修复至平整、光洁。其次,对端盖的涂
技术工作。兰州理工大学在读博士生,攻读方向:高温合金料涂刷以及与型筒端部的配合要仔细操作,避免造
材料的研究及制备。
cFr中国铸造装备与技术1/2008
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成粘砂和飞边现象的产生。在合金材料选择一定时,式中Pー一界面气体的压力;
应尽可能的调整化学元素,使合金具备结晶温度范
P临一一金属液阻止气体侵入的临界压力;
围小、收缩系数小等特点,以降低裂纹敏感度和减小
P内ーー金属液内压力,取决于金属液的密度
裂纹倾向。如P、S等有害元素含量过高,将产生裂
和离心浇注时选择的重力倍数
纹。另外,还应适当降低浇注时的离心机转速,对于
金属液表面阻力,与金属液浓度和表
厚壁炉管在浇注时应采用高低两种浇速分步浇注。
面张力有关。
另外,在离心力和不规则振动力的作用下,如离
若P>P临,且当铸管外壁未凝固成坚硬的封闭
心机不平稳(底座不水平、滚轮间距不均匀)、金属型外壳而处于液态或液固共存状态时,界面气体则以
筒不平衡等情况下,铸管自由面凝固薄层可能发生、?离散气泡的形式多通道地突破金属液表面逐个进入
破裂,形成龟裂。出现这种情况,应在离心机平稳性、金属液。已经入侵到金属液内部的气体,由于密度
浇温(过高)或合金成分(P、S含量以及结晶温度范
,在离心力作用下将会迅速向铸管内表面移动。当
围太宽)上考虑、调整。
铸管内表面未凝固时,气体将从合金液中分离出来。
2.2气孔产生原因及预防
当铸管内表面已凝固时,尚未分离出来的气体便凝
离心铸造制氢炉管产生的气孔大多分布在炉管固在铸件中,于是形成侵入气孔。
的热端,主要以两种形式存在:一种是比较密集分布
若P=P临,气体滞留在铸管表层,凝固后在铸
的针状气孔,深度在
管表面形成P铸造杨梅粒子下2
气体将会沿管壁从型筒的间隙逸出。
4mm;另一种是比较
由于炉管热端(钢液浇入端)的温度相对高,金
弥散分布的凹坑状
属处于液态的时间长,气体浸人钢液的时间较长,则
气孔,直径约3~5
气孔和回坑相对多一些。
mm,深度较浅,最深
由此可见,减少和预防气孔产生的主要措施有
处低于杨梅粒子2
①改善涂料配方,提高涂料品质,尽可能地减少
3mm,见图1。将有
有机物的加入量。
此缺陷的铸管进行
②制定科学的喷涂工艺参数(涂料比重和喷涂
剖切分析,发现这些
频率),在不粘模的前提下尽可能地少喷涂量
气孔、坑窝均分布在图1制氢转化炉管表面发生的气孔
③控制好金属型筒的唢涂温度,尽量使浇注前
炉管的外表面,截面组织致密,未发现其它缺陷,说涂层的水分挥发干净。
明这些气孔均为侵入性气孔。
④浇注时做到平稳充型、快速浇注,尽量减少紊
离心铸造时采用金属型筒,内表面喷涂了一层流充型以及钢液中卷气。在炉管不产生纵裂的前提
涂料。冶炼采用中频炉冶炼,钢包倾斜浇注。因此分下,选择较大的重力倍数G,以提高金属液的内压力
析侵入性气体主要源自于涂料和浇注过程。虽然涂和离心力,有利于消除坑孔和侵入气孔。制氢转化炉
料在金属型筒中经200℃烘干后,以物理状态存在的管G值一般取120~130
水分被挥发了,但涂料中的粘结剂(硅溶胶艹糊精)、
⑤选择适当的浇注温度。浇注温度过高,合金中
悬