本發(fā)明涉及一種加氫反應(yīng)器筒體電熔成形方法。

背景技術(shù)：

加氫反應(yīng)器是各種加氫工藝過(guò)程或加氫裝置的核心設(shè)備。其工況環(huán)境苛刻,技術(shù)難度大，制造技術(shù)要求高，造價(jià)昂貴,尤其因加氫裝置操作條件的特殊性，反應(yīng)器在高溫氫腐蝕,氫脆,鉻-鉬鋼的回火脆性損傷,連多硫酸應(yīng)力腐蝕開裂,奧氏體不銹鋼堆焊層的氫致剝離等多重破壞因素影響下,很容易出現(xiàn)損傷以致報(bào)廢。為防止這些破壞性的損傷發(fā)生，不僅要有正確的設(shè)計(jì),與材料選擇及相關(guān)的正確制造工藝也關(guān)系極大。反應(yīng)器的設(shè)計(jì)和制造成功，在某種意義上說(shuō)是體現(xiàn)一個(gè)國(guó)家總體技術(shù)水平的重要標(biāo)志之一。

加氫反應(yīng)器材料得到世界各國(guó)的積極研發(fā),由最始的21/4Cr1Mo鋼種,現(xiàn)已研發(fā)出21/4Cr1MoV,3Cr1MoV系列,并配套添加了Cb、Ti、B、Ca等合金元素，形成了系列下多種材料。同時(shí),隨著容器尺寸的逐漸增大和安全性能要求越來(lái)越高,加氫反應(yīng)器材料制備,也逐漸由鋼板卷焊改為對(duì)較厚設(shè)備材料鍛制而成。鍛坯經(jīng)過(guò)墩粗、拔長(zhǎng)、墩粗、沖孔的鍛造加工過(guò)程，可沖掉中心部位的偏析與夾雜，使筒節(jié)材料的力學(xué)性能得到改善，從而提高反應(yīng)器的抗氫損傷能力。材料通過(guò)鍛制,并輔以后續(xù)熱處理工藝穩(wěn)定組織改善性能,因此相比較鋼板卷焊,鍛制成形材料的內(nèi)質(zhì)特性(純凈性、致密性、均質(zhì)性)好；焊縫少，特別是沒有縱焊縫，提高了反應(yīng)器耐周向應(yīng)力的可靠性；同時(shí)制造裝配易保證。

盡管此方法在工業(yè)生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用，但由于工藝復(fù)雜、化學(xué)與力學(xué)性能控制難度大，也造成質(zhì)量穩(wěn)定性差，熱處理相組織不均勻,廢品率高等缺點(diǎn),且鍛造結(jié)構(gòu)材料利用率低，當(dāng)壁厚較薄時(shí)，其制造費(fèi)用相對(duì)較高。而從最終的晶粒測(cè)度結(jié)果看，一般也只在4-6級(jí)左右，另外,加氫反應(yīng)器囿于鋼錠冶煉和鍛造技術(shù)的限制所采用的分段材料鍛制并拼焊組成的方式,也因?yàn)楹缚p的增加嚴(yán)重割裂了機(jī)械纖維的連續(xù)走向,極大的影響材料的力學(xué)性能和容器設(shè)備的安全性。并且也極易引起制造工期拖延,增加了成本。

因此,如何能夠研發(fā)出所需的細(xì)晶粒、均組織，且綜合力學(xué)性能良好的材料和整體成形方法是加氫反應(yīng)器新材料研發(fā)需攻克的難點(diǎn)和重要發(fā)展方向。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于，提供一種高效、低成本、具有良好力學(xué)性能的加氫反應(yīng)器筒體成形方法。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的加氫反應(yīng)器筒體成形方法是采用電弧熱、電阻熱、電渣熱復(fù)合而成的高能熱源，熔化連續(xù)輸送的金屬原料絲材，在基材上逐層凝固堆積成形制造金屬構(gòu)件；

將電熔頭與基材接至電源兩極，成形時(shí)金屬原料絲材經(jīng)由輸送機(jī)構(gòu)和電熔頭送至基材表面，在顆粒狀輔料的堆積保護(hù)下，原料絲材與基材間產(chǎn)生電弧，熔化部分堆敷輔料形成熔融渣池，電流流過(guò)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、電渣熱三種熱復(fù)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(xù)輸送原料絲材與輔料，根據(jù)成形構(gòu)件的分層切片數(shù)據(jù)，采用計(jì)算機(jī)控制電熔頭與基材的相對(duì)移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)熔池在基材上快速冷卻逐層凝固堆積，最終成形加氫反應(yīng)器筒體。

在本發(fā)明中,加氫反應(yīng)器整體成形筒體,直徑為2-7m,長(zhǎng)度2-18m。

在本發(fā)明中,成形所用原料絲材是為加氫反應(yīng)器構(gòu)件而特殊制備的低合金鋼材料,原料絲材直徑2-8mm, C含量0.08-0.12%,成形后工件C含量0.04-0.08%,工件晶粒度7-9級(jí)。

在本發(fā)明中，控制基材或堆積金屬預(yù)熱與層間溫度為120~450℃，電熔頭與基材的相對(duì)移動(dòng)速度為300～800mm/min，實(shí)現(xiàn)熔池的快速凝固，從而獲得晶粒細(xì)密、無(wú)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(xué)性能。

在本發(fā)明中，在逐層成形的過(guò)程中，原料絲在下層金屬表面形成熔池，熔滴以射流形態(tài)進(jìn)入熔池后凝固使兩層金屬形成一體，實(shí)現(xiàn)分層成形，整體融合，保證了成形筒體構(gòu)件的整體性能。

在本發(fā)明中，單個(gè)電熔頭對(duì)原料絲材熔化效率為20～50Kg/h，另外為提高堆積效率實(shí)現(xiàn)快速成形，電熔頭的數(shù)量可以按需要調(diào)整為1～100個(gè)，當(dāng)多電熔頭排布時(shí)，相鄰電熔頭間距為50～500mm。

在本發(fā)明中，基材可以是309不銹鋼材料或碳鋼或合金鋼材料，當(dāng)為309不銹鋼材料時(shí)，可作為異種材料連接合成工件,為碳鋼或合金鋼材料時(shí)可在后續(xù)機(jī)加工中去除基材，基材尺寸、形狀與加氫反應(yīng)器筒體內(nèi)壁尺寸形狀匹配，厚度不小于5mm。

本發(fā)明擺脫了復(fù)雜的工裝、模具和專用工具的約束；成形即為近凈形坯件，生產(chǎn)后只需少量精加工，大大簡(jiǎn)化加工工序，縮短產(chǎn)品周期；所成形工件具有媲美傳統(tǒng)鍛造工藝的力學(xué)和化學(xué)性能，強(qiáng)度、韌性、耐蝕等性能均十分突出；同時(shí)實(shí)現(xiàn)了加氫反應(yīng)器筒體的整體成形,突破了傳統(tǒng)鍛造工藝技術(shù)的局限,大大提高了效率,節(jié)省了成本。

附圖說(shuō)明

圖1為用于說(shuō)明具體實(shí)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為用于說(shuō)明實(shí)施例中的加氫反應(yīng)器筒體成形方法示意圖。

具體實(shí)施方式

下面參照附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行說(shuō)明。圖1為用于說(shuō)明具體實(shí)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。由于是原理圖，因而，圖中部件是示意性的，其實(shí)際形狀與尺寸關(guān)系等不受圖示限制。

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(shí)的狀態(tài)）堆積在基礎(chǔ)材2上，從而最終形成所需的金屬構(gòu)件。

具體實(shí)施工序?yàn)椋?/p>

A．送絲機(jī)構(gòu)5將原料絲材1送至放置于工作臺(tái)21上的基材2的表面，其上覆蓋由送粉機(jī)構(gòu)4輸送的顆粒狀輔料。

B．啟動(dòng)電源12，電源電壓使原料絲材1與基材2間形成電弧9產(chǎn)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(jīng)由電熔頭6流過(guò)原料絲材1形成電阻熱，并通過(guò)熔融渣池8形成電渣熱，三種熱源復(fù)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(duì)移動(dòng)和基材2的溫度，實(shí)現(xiàn)熔池11與基材換熱凝固沉積。

D．送絲機(jī)構(gòu)5與送粉機(jī)構(gòu)4持續(xù)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(tài)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(jì)算機(jī)）根據(jù)成形工件的（數(shù)值模擬、數(shù)學(xué)模型）分層切片數(shù)據(jù)控制電熔頭6與基材2的相對(duì)移動(dòng)方式。

在本發(fā)明圖示中電熔頭電極接正，工件接負(fù)只作示意作用，也可以電熔頭接負(fù)，工件接正，或采取交流電源。

在本發(fā)明中，為了保證形成良好的高能熱源，尤其是為了產(chǎn)生充分的電渣熱，可以適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)輔料的成分、原料絲材的直徑、電流、基材與原料絲材的相對(duì)移動(dòng)速度等參數(shù)。

在本發(fā)明中，原料絲1的形態(tài)可以是圓棒狀、帶狀，實(shí)芯或者藥芯的；原料絲1的直徑可以根據(jù)成形工件的尺寸設(shè)定為2~8mm；根據(jù)絲材1直徑不同，伸出電熔頭的長(zhǎng)度（通電長(zhǎng)度）為20mm～150mm。

在本發(fā)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(duì)熔池金屬形成保溫；冶金反應(yīng)過(guò)程中去除雜質(zhì)、摻入合金；形成的渣池8（渣殼7）以機(jī)械方式保護(hù)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鹵化物，由于輔料3參與熔池反應(yīng)，調(diào)整工件（金屬構(gòu)件、產(chǎn)品）成分，因而根據(jù)所要形成的金屬構(gòu)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(zhì)金屬粉末，降低生產(chǎn)成本。

另外，在C工序中，可以附帶回收殘余輔料以及去除渣池8凝固而形成的渣殼7的操作。去除時(shí)，可以在原料絲1的相對(duì)移動(dòng)后方400mm~500mm處開始機(jī)器去除或人工去除作業(yè)。

采用本實(shí)施方式的電熔成形方法，原料絲利用率接近100%；相比現(xiàn)有的加工技術(shù)（鍛造、鑄造等），制造工序少（不需要復(fù)雜的熱處理），周期短，效率高，金屬構(gòu)件的機(jī)械加工余量非常小，同時(shí)減少了精加工時(shí)間及節(jié)約了大量的材料。

【實(shí)施例】

本實(shí)例描述通過(guò)臥式電熔成形方法制作加氫反應(yīng)器筒體過(guò)程，筒體材料為21/4Cr1Mo，參照與ASME標(biāo)準(zhǔn)SA387F22，傳統(tǒng)工藝筒體制作后內(nèi)壁需堆焊厚度約7mm的309不銹鋼層，所使用的設(shè)備包括：

（1）回轉(zhuǎn)支撐臺(tái)；

（2）電熔電源；

（3）電熔頭；

（4）自動(dòng)送絲裝置；

（5）輔料自動(dòng)輸送與輔料自動(dòng)回收裝置；

（6）加熱裝置；

（7）冷卻裝置；

（8）基材；

（9）控制裝置。

圖3為用于表示本實(shí)施例的電熔成形方法的示意性說(shuō)明圖，圖中省略了電源、自動(dòng)送絲裝置等裝置。材料電源參數(shù)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）特殊研制的輔料301，成分為20%CaO+MgO；45%AL2O3+MnO； 25%SiO2+TiO；10%CaF2；

3）電熔頭數(shù)量：39個(gè)電熔頭601，電熔電源為直流電源，采用電熔頭601接電源負(fù)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(shù)為：電熔電流900A，電熔電壓42V，電熔頭601與基材201相對(duì)移動(dòng)速度600～700mm/min（熔池移動(dòng)速度）。

采用金屬構(gòu)件電熔成形方法制作筒體構(gòu)件，其實(shí)施步驟如下：

（1）將圓筒形的基材201的軸線水平配置，并支撐在回轉(zhuǎn)支撐臺(tái)上，將39個(gè)電熔頭以約400mm的間距（中央控制裝置確定精確位置和移動(dòng)）平均橫向布置在基材201的上方，且調(diào)整好每個(gè)電熔頭與基材201表面（外周面）的距離，并選取電熔的起點(diǎn)；

（2）將原料絲材101與輔料送至基材201表面，啟動(dòng)電源，導(dǎo)入高能熱源，熔化原料絲材及輔料，同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)基材201，開始每個(gè)電熔頭第一層第一道（每一層由軸向排列的多道構(gòu)成）的電熔沉積；

（3）當(dāng)電熔頭601與電熔起點(diǎn)之間形成一段距離后，開始啟動(dòng)輔料回收裝置將其未熔化的輔料收回，露出渣殼并將其清除，以便于下一道的電熔沉積（堆積）；隨后啟動(dòng)冷卻裝置或加熱裝置對(duì)電熔沉積金屬進(jìn)行冷卻或加熱，將其基體（第一層時(shí)是指基材201，其他層時(shí)是指前一層堆積金屬）的溫度控制在200～300℃；

（4）當(dāng)基材201轉(zhuǎn)動(dòng)一圈完成第一道電熔沉積時(shí)，在控制裝置的控制下，所有電熔頭201同時(shí)往左直線移動(dòng)3/4熔道寬度距離，同時(shí)調(diào)整各電熔頭601尤其是通過(guò)中央控制調(diào)整編號(hào)18-22五個(gè)電熔頭與基材201的表面之間的距離，以保證電熔的穩(wěn)定性，之后開始第一層第二道的電熔沉積成形，此過(guò)程中要保證其左右圈道間搭接良好；

（5）當(dāng)?shù)诙劳瓿珊螅貜?fù)步驟（4）再完成其它的電熔沉積道的成形，當(dāng)達(dá)到最后一道時(shí)，其相鄰電熔頭的最后一道結(jié)束點(diǎn)與第一道起點(diǎn)要搭接良好，以至完成第一層的電熔沉積；

（6）當(dāng)完成第一層的電熔沉積后，所有電熔頭自動(dòng)提升一層沉積厚度（即層后）之高度，開始第二層的第一道電熔沉積，第一層電熔頭的結(jié)束點(diǎn)即為第二層第一道的開始點(diǎn)，連續(xù)沉積；

（7）當(dāng)?shù)诙拥谝坏离娙鄢练e完成后，所有電熔頭同時(shí)往右直線移動(dòng)3/4熔道距離，同時(shí)各電熔頭自動(dòng)調(diào)整其與基材之間的距離，以保證電熔的穩(wěn)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(dāng)完成第二層第二道電熔沉積完成時(shí)，重復(fù)步驟（7），再完成其它的電熔沉積道，當(dāng)達(dá)到最后一道時(shí)，其相鄰電熔頭的最后一道結(jié)束點(diǎn)與第一道起點(diǎn)要搭接良好，以至完成第二層的電熔沉積；

（9）重復(fù)步驟（6）至步驟（8），再完成其它電熔沉積層，此過(guò)程中，相鄰電熔沉積層電熔頭的移動(dòng)方向可以相反，最終連續(xù)電熔沉積形成整個(gè)筒體構(gòu)件。

電熔成形后，不銹鋼基材201成為了加氫反應(yīng)器筒體的一部分，實(shí)現(xiàn)了異種材料直接連接成形，從而改變了傳統(tǒng)工藝在鍛造加氫反應(yīng)器筒體后再在其內(nèi)壁堆焊309不銹鋼的制造方式，減少了工藝工序，提高了工作效率和質(zhì)量，也可用普通碳鋼在后續(xù)機(jī)加工中去除。

按照傳統(tǒng)鍛造工藝，加氫反應(yīng)器筒體分為多段，各段分別鍛制再整體組焊而成，而本實(shí)施例由于是多個(gè)（34個(gè)）電熔頭并排排布整體成形，極大的提高了成形效率；自然也可以根據(jù)客戶要求調(diào)整電熔頭數(shù)量和排布，分段成形。