（机械工程专业论文）加压气化炉关键件制造工艺研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 我国是以煤为主要能源的国家，资源十分丰富，已探明的地质储 量达7 7 0 0 亿吨，居世界第三位。但把固态煤转化为气体燃料，目前化 工合成原料率的水平还比较低。因此，依托河南省义马煤气化工程， 对鲁齐加压气化炉关键技术进行科技攻关，做到对鲁齐加压气化炉的 自行开发、设计和制造，用以代替进口整机和备件，可为国家节省大 量外汇，其意义是十分重大的。 河南义马煤气化工程，采用德国鲁齐加压气化技术，引进鲁齐公 司m a r k 一4 型巾3 8 0 0 m m 炉技术软件，由哈尔滨锅炉厂有限责任公 司承担制造任务。该产品集大型( 重1 2 0 吨) ，双夹套结构等特点为一 身，按照德国鲁齐和g b l 5 0 工程规范迸行设计制造和验收，在制造过 程中简体冷卷成形结合冷精校压制成型，整体深内腔炉蓖面机加和大 直径阀门密封面堆焊工艺等均为新的制造工艺，制造难度大。 本文主要工作有以下几个方面： 1 通过借助于计算机模拟方法，采用a n s y s 程序，用其强大的前 处理及后处理功能对大直径薄壁简体卷制过程进行模拟，并采取冷卷 成形结合冷精校压制成型技术，保证简体环形水冷夹套内外间隙的装 配要求。 2 产品整体热处理后要求保证炉篦两传动轴套与炉篦支撑面的垂 直度要求9 0 。1 ，炉体上下法兰密封面与炉体中心线的垂直度要 求9 0 。57 。鉴于产品属大型( 重1 2 0 吨) ，结构复杂，通过机械加 工方法的研究并结合无接触三坐标测量技术，为大型石化设备、核电 产品整体机械加工提供了宝贵的经验和依据。 3 气化炉的煤锁上、下阀门密封面要求堆焊硬质合金，堆焊面积 大，硬度高，质量要求极其严格。通过工艺试验，在国内首次采用等 离子弧自动堆焊的方法，使产品的堆焊及加工质量完全满足图纸和技 哈尔滨工程大学硕士学位论文 术条件的要求。 4 采用a n s y s 程序对气化炉关键件的温度场、应力场进行应力分 析，并按j b 4 7 3 2 9 5 钢制压力容器分析设计标准进行应力评定， 从而更深入的洞察材料在塑性成形过程中发生的变形、微观组织的变 化，为探索新的塑性成形工艺打下基础。 用于制取城市煤气和化工合成气的鲁齐加压气化炉是国际上公认 的成熟而先进的煤制气设备。但从目前情况看，我国煤炭加压气化的 理论研究，气化炉制造技术研究等方面和鲁齐公司相比仍有较大差距。 因此，开展鲁齐加压气化炉关键件技术攻关工作是十分必要的。 关键词：加压气化炉；筒体冷卷结合精校压制成型：整体深内腔炉 篦面机加：大直径阀门密封面堆焊；a n s y s 软件 a b s t r a c t t no u r c o u n t r y ，t h em a i ne n e r g yd e p e n d so f ft h ec o a lf u e l 。 t h ec o a lr e s o u r c eisv e r yr i c h ，t h e g e o o g i cr e s e r v e so ft h ec o a l p r o v e du pa tp r e s e n th a sr e a c h e dt ot h ea m o u n t0 f7 7 0 0h u n d r e d m i l l i o t i so ft o n s ，t h er e s e r v e so ft h ec o a l ist h et h i r di nt h e w o r l d b u ti tisl o w e rc a p a c i t y t oc o n v e r s es o l idc o a li n t ot h e g a sf u e la n dc h e m ic a lc o m b i n a t i o ns y n t h e t i c a lm a t e r i a l ，s o ，i t js v e r yi m p o r t a n tt h a ts o l v et h e k e yt e c h n o l o g yo f l u r g i p r e s s u r eg a s i f i e rf o ry i m ac o a lg a sp r o j e c tinh e n a np r o v i n c e ， t o e x p l o i t 、d e s i g na n df a b r i c a t ei n d e p e n d e n t i yi ns t e a do f i m p o r t a t i o no ft h ew h o l ea n ds p a r ep a r t s ，s oa st os a v ea 1 a r g e a m o u n to ff o r eig n e x c h a n g e y i m ac o a l g a sp r o j e c t i nh e n a n p r o v i n c ea d o p tt h e t e c h n o l o g y o f l u r g i ，i n t r o d u c e t h e t e c h n o l o g ys o f t w a r eo f m a r k i v 4 t y p eo fl u r g i c o r p o r a t i o n ， i n t oo u rc o u n t r y ，t h em a n u f a c t u r eis b e i n gi nc h a r g eo fb y h a r b i nb o i l e rw o r k sc o ，l t d t h i sp r o d u c tb o t ha r e1 a r g e ( t h e w e i g h t o fm o r e t h a n1 2 0t o n s )a n d d o u b l es ie e v es h e l ls ， d e s i g n e d ，m a n u f a c t u r e da n da c c e p t e da c e t ot h e e n g in e e r i n g s p e c i f i c a t i o n so fl u r g ii ng e r m a n ya n dg b l5 0 ，t h en e wt e c h n o l o g y s u c ha s ：t h ec o ld b e n d i n ga n dc o l d p r e s ss iz in g0 ft h es h e l ls 、 t h ew h o l em a c h in in go ft h es u r f a c ef o rd e e pd e p t h lu m e na n dt h e 1 a r g e rv a lv es e a l in gs u r f a c ed e p o s i t i n g ，a r ev e r yd i f f i c u l t y p r i m a r yr e s e a r c hi t e m sa r ea sf o ll o w s ： 1 b ym e a n s0 fc o m p u t e rs i m u l a t eo fa e s y sp r o g r a m ，u s i n g it s p o w e r f u lt r e a t m e n tf u n c t io n ，s i m u l a t el h ep r o c e sso ft h eb e n d i n g 哈尔滨工程人学硕士学位论文 o ft h el a r g e ra n dt h i l l - w a lle ds h e l l s a d o p tt h ep r o c e s so ft h e c o l d b e n d i n ga n dc o l dp r e s ss i z i n g o ft h es h e lls 、a n dt h e c i e a r a n e eb e t w e e nt h e2s l e e v e so ft h es h e l lc i r c l ef o rf i tu p e l l s u r e d 2 a f t e rt h ew h o l ep w h t ，t h ep r o d u c th a st ob em a c h i n e dt o t h er e q u i r e m e n t so ft h ep e r p e n d i c u l a r i t y9 0 6 4 - 1 o ft h e2d r i v e a x e ss l e e v e st 0s u p p o r t i n gs u r f a c e ，a n dt h ep e r p e n d i c h l a r i t y9 0 。5 o ft h eu p p e ra n dl o w e rf l a n g e ss e a lin gs u r f a c et ot h ea x e s o fs h e l l ，d u et ob e i n gh e a v yp r o d u c t ( t h ew e i g h t0 f1 2 0t o t i s ) ，a n d s t r u c t u r ec o m p l e x ， m a c h i n i n gs t u d ya d dn o r lt o u c h3c o o r d i n a t e m e a s u r e 1 a y t h ef o u n d a t i o no f m a c h i n i n g o f p e t r o l e u m a n d c h e m i c a lc o m b i n a t i o ne q u i p m e n t sa n dn u c l e a rp r o d u c t s 3 t h es e a l i n gs u r f a c eo ft h eu p p e r l o w e rv a l v e so ft h ee o a l l o c k h o p p e r ，r e q u i r e d t o d e p o s i t h o r n i n e s sa 1 1 0 ym e t a l ，t h e d e p o s i t i n ga r e al a r g e r 、t h ed e p o s i t i n gm e t a lh i g hh a r d n e s s ，a n d t h em o s ts t r i c tr e q u i r e m e n t sinq u a l i t y t h et e c h n o l o g yt e s t p e r f o r m e d ，t h ef i r s tp r o c e s s 0 fa u t o m a t i cp l a s m aa r cw e l d i n g u s e d ，a n dd e p o s i tq u a l i t ym e e t st h er e q u ir e m e n t s0 ft h ed r a w i n g t h es p e c i f i c a t i o n 4 s t r e s sa n a lv z e do nt h et e m p e r a t u r e t h es t r e s s d is t r i b u t i n gf o rt h ek e yp i e c e so ft h eg a s if i e rb yu s in ga n s y s p r o g r a m ，a n ds t r e s sq u a l i f i e da c c o r d i n gt o t h es p e c if i c a t i o no f j b 4 7 3 2 9 5 s p e c i f i c a t i 0 1 1f o rs t r e s sa n a ly z i n gd e s i g no fs t e e l p r e s s u r ev e s s e l t h es h a p e d is t o r t l o n 、m i c r o c o s m is o r g a n i s m c h a n g e o ft h em a t e r i a l sc a nb eo b s e r v e 、d d e e p l y ，a n d t h e f o u n d a t i o no fe x p l o r i n gi 3 e wf e r m in gt e c h n o i o g yc a db el a id t h el u r g ip r e s s u r eg a s i f ie rf o rc o a 】gr i s s y n t h e t ic a lg n s 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a r et h er e c o g n iz e d 、m a t u r e a d v a n c e de q u i p m e n t s b u t i no u r c o u n t r y ，c o m p a r e d w it h l u r g ic o m p a n y ，ag r e a t d if f e r e n c e e x is t e do nt h et h e o r ys t u d yo ft h ec o a lp r e s s u r eg a s i f ie d i t s m a n u f a c t u r et e c h n 0 1 0 9 ys t u d ya t p r e s e n t ，s oi t isn e c e s s a r yt o t a c k l ek e yt e c h n ic a lp r o b l e mf o rt h el u r g i p r e s s u r eg a s i f i e r k e yw o r d s ：p r e s s u r eg a s i f i e r ：t h ec 0 1 db e n d i n ga n dc o l dp r e s s s i z i n g o ft h es h e l ls ：t h ew h o l e m a e h i n i n g o ft h e s u r f a c ef o r d e e pd e p t hl u m e n ：t h e1 a r g e r v a l v e s e a l i n gs u r f a c ed e p o s i t i n g ：a n s y ss o f t 哈尔滨工程火学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 概述 专题“中3 8 0 0 m m 加压气化炉关键设备研制”是九五和十五国家重 大技术装备科研攻关课题一“城市煤气成套设备研制”的核心研究内 容。该专题是河南义马煤气工程为二台气化炉的制造为依托，结合消 化吸收引进技术，对鲁齐加压气化炉关键技术进行科技攻关，使之国 产化率达到9 0 ，以替代进口整机和备件的需求，为国家节省外汇， 最终做到加压气化炉的自行开发，设计和制造，满足国民经济发展的 需要。 固态排渣鲁齐( 1 u r g i ) 炉具有适应煤种广，气化强度大，气化效 率和碳转化率高，粗煤气无需再加压，即可远距离输送等突出优点。 该类炉型国外已有6 0 余年的发展史，目前世界上有2 0 0 余台不同规格 的鲁齐炉投入了工业性生产，用于制取城市煤气和化工合成煤气，是 国际上公认的成熟而先进的煤制气设备。 随着国民经济的发展，我国对加压气化炉的需求量不断增加。云 南解放军化肥厂、山西化肥厂先后引进了捷克制造的m2 7 4 0 m m 加压气 化炉和鲁齐公司制造的m a r k i v 4 型中3 8 0 0 m m 加压气化炉，兰州、哈 尔滨分别从捷克、前东德引进了中2 8 0 0 m m 和中3 7 0 0 m m 加压气化炉( 各 合作制造一台) ，用于制取城市煤气。我国城市规划在蓟县、沈北、龙 口、河南义马等地建设坑口气化厂，分别向津、京、唐、沈、鲁、豫 等大中城市提供煤气。目前河南义马的城市煤气工程已经国家批准并 丌始实施，需安装四台m a r ki v 4 型巾3 8 0 0 m m 鲁齐加压气化炉。综上 所述，加压气化炉在我国有较广阔的市场前景。目前为止，我国只自行 哈尔滨工程大学硕士学位论文 开发过c d l 8 0 0 m m c d2 8 0 0 m m 加压气化炉，但由于设计经验和制造水平 所限，均未投入长期的工业运行，致使国内用户不得不花大量外汇进 口或通过合作制造方式生产气化炉，己引进的设备的备件也需进口。 我国是以煤为主要能源的国家，资源十分丰富，已探明的地质储量达 7 7 0 0 亿吨，居世界第三位。但是把固态煤转化为气体燃料，化工合成 原材料率的水平还比较低，因此依托河南义马工程，对鲁齐加压气化 炉关键技术进行科技攻关，做到对鲁齐加压气化炉的自行开发，设计 和制造，用以替代进口整机和备件，可为国家节省大量外汇，其意义 是十分重大的。 1 2 国内外发展概况 以德国鲁齐公司为代表的鲁齐式加压气化炉的技术，从19 3 6 年制 造第一台开始到现在，已经历了四代技术改进。第一代鲁齐炉结构简 单，只能气化褐煤，气化强度也较低。第二代鲁齐炉的炉篦结构作了 改进，并增加了搅拌料装置，可气化弱粘性烟煤，炉内径增至c d2 8 0 0 m m 和m3 7 0 0 m m ，产气量分别达1 4 0 0 0 m 3 h 和3 2 0 0 0 m 3 h 。鲁齐炉的代表型 是第三代即m a r k i v 4 型巾3 8 0 0 m m 加压气化炉，炉篦及其传动枫构， 搅拌破粘机构和自控系统等均作了进一步改进，是一种技术先进，结 构更为合理的炉型，单台炉的生产能力可达7 5 0 0 0 - 5 0 0 0 0 m 3 h ，可气化 自由膨胀指数小于8 的各种块煤。1 9 7 4 年鲁齐公司为南非沙素尔开发 成功了中5 0 0 0 m m 的第四代v 型加压气化炉，产气量可达7 0 0 0 0m 1 h ， 其结构与m a r k i v 型相比改进不大。仅仅是加大了炉径，由于受到热 处理、运输等条件的限制，v 型炉没有得到进一步发展。目前，鲁齐 公司正在致力于提高加压气化炉的多台生产能力，扩大对煤种的适应 性，未来鲁齐加压气化炉的发展趋势是：一是液态排渣。取消了炉篦， 代以熔渣池。排渣口采用能耐高温( 1 5 0 0 ) 液渣侵蚀的材料，并用 水冷盘管保护防止渣口扩大，材质为钛材。二是向高压发展，气化压力 哈尔滨一l ：程大学硕士学位论文 提高到l o o p a 。三是结构上进行改进，炉体不同高度开设了两个气体 出口，增加了两个密封煤锁，炉篦转轴采用机械密封。 我国从本世纪六十年代开始了对固定床加压气化炉的研究工作， 曾先后建立过巾1 0 0 0 m m 、巾1 1 2 0 m m 、中6 5 0 m m 加压气化试验装置，用于 煤样的加压气化评价工作。曾自行设计制造过0 1 8 0 0 m m 、中2 8 0 0 m m 加 压气化炉，但均未能投入长期的工业性运行。从1 9 8 5 年开始，我国分 别和捷克、原民主德国合作生产过中2 8 0 0 m m 和中3 7 0 0 m m 加压气化炉， 用于兰州和哈尔滨城市煤气工程，并投入工业性生产，但从目前情况 看，我国煤炭加压气化的理论研究，气化炉关键结构和制造技术研究等 方面和鲁齐公司相比仍有较大差距。鲁齐炉的某些核心技术，我们还 不完全掌握，因此，开展鲁齐炉关键技术攻关工作是十分必要的。 我国自“七五”期间起开展鲁齐加压气化炉的科研开发工作，主 要以中国通用石化机械工程总公司为中心，与清华大学、大连重机厂、 太原重机厂、兰石厂、上海锅炉厂、哈尔滨锅炉厂、合肥通用所等单 位合作取得了一批科研成果。以兰州煤气工程为依托，采用与捷克合 作制作方式，对加压气化炉等关键设备进行了科研攻关；以哈尔滨煤 气工程为依托，采用与前东德合作制造方式，对中3 7 0 0 m m 加压气化炉 等关键设备进行科研攻关，完成了加压气化炉用特殊高合金铸、锻件 的冶炼，铸造、锻造、热处理等国产化攻关。进行了高合金钢铸造压 力容器的研制，双相不锈钢复层复合钢板焊接技术攻关及中硬度阀门 堆焊技术攻关等课题研究，并全部应用于p k m 炉的制造技术中，使该 炉的制造质量达到了德国标准，国产化率达到了5 7 。 河南义马煤气化工程，将采用鲁齐加压气化技术，引进鲁齐公司 m a r k i v 4 型中3 8 0 0 m m 炉技术软件，由国内化工设计二院设计，哈尔 滨锅炉厂承担气化炉、煤锁、膨胀冷凝器，废热锅炉、灰锁等共1 0 台 设备的制造任务。 哈尔滨锅炉厂有限责任公司是我国最大的锅炉制造厂，在生产大 3 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 型化工容器方面有丰富的经验，1 9 9 4 年与日本宇部公司合作，为陕西 渭南化肥厂按德士古技术制造了三台气化炉，现已成功投运6 年。哈 尔滨锅炉厂具备消化吸收国外技术的条件，以河南义马工程为依托， 开发研制鲁齐式加压气化炉。 1 3 主要研究内容 通过对由3 8 0 0 m m 加压气化炉的科研攻关，实现设计、制造工艺的 国产化。气化炉整体性能达九十年代初国际水平，国产化率达9 0 以 上。在“八五”、“九五”科技攻关和消化吸收引进技术的基础上针对 鲁齐炉代表炉型m a r k i v 4 型鲁齐炉进行技术攻关，掌握其核心技术， 即除液压，自控系统中特殊配套件尚需进口外，气化炉的制造技术完 全立足于国产化，为达此目的，需开展以下研究工作： 1 3 1 壳体筒身成形技术研究 主壳体为保证内径尺寸为中4 0 0 0 5 m m ，通过借助于计算机模拟方 法，采用a n s y $ 程序，用其强大的前处理及后处理功能，进行金属塑 性成形过程的模拟；并采取冷卷成形结合冷精校压制成形技术，保证 环形水冷夹套内外间隙4 8 5 m m 的要求。 1 3 2 大直径阀门硬质合金等离子堆焊工艺研究 气化炉的煤锁上、下阀门密封面需要堆焊硬质合金，堆焊面积大、 硬度高、质量要求极其严格，根据图纸及技术条件要求，需要采用等 离子堆焊工艺方法，通过大量的工艺试验，对大面积硬质合金等离子 堆焊后机械加工工艺进行全面研究，得到最佳规范参数，使产品的堆 焊质量和性能完全满足产品图纸及技术条件的要求。 1 3 3 整体热处理后机械加工精度的控制研究 气化炉炉篦的两传动轴套与炉篦支撑面的垂直度要求9 0 1 ， 搅拌器的传动轴套与搅拌器的支撑座碰的垂直度公差要求9 0 j 。， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 炉体上下法兰与气化炉中心线的垂直度公差要求9 0 。5 ，需要总装 后整体热处理再加工。通过机械加工方法的研究和工艺试验配合精密 检测仪器的测量，保证产品相应的工艺要求。产品结构及技术参数： 1 3 4 气化炉关键件成形计算机分析 采用a n s y s 程序对气化炉关键件的温度场、应力场进行应力分析， 并按j b 4 7 3 2 9 5 钢制压力容器分析设计标准进行应力评定。 1 3 5 气化炉主要参数 气化炉结构如图i 1 所示，主要技术参数见表1 i 、表i 2 。 图1 1 气化炉总图 表1 1该设备的技术参数 材料设计温度泊松比v弹性模量许用应力强度m p a b t t w 3 52 6 0o 31 8 9 e 517 l 7 2 0 m n m o2 6 0o 31 8 9 e 517 7 哈尔滨： 程大学硕士学位论文 表1 2 材料参数 工作温度2 3 6 操作介质水、蒸汽、煤气、煤灰 工作压力 3 1 lm p a腐蚀裕度1 设计温度2 6 0 焊缝系数1 o 设计压力 3 6m p a容器类别三类 有效容积 9 8 i l l 3 内外同温差2 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章壳体筒身成形制造工艺技术研究 2 1 引言 压力容器是金属制作的重要产品。筒节成形又是压力容器制造中 的重要工艺之一。一般筒节成形分为模压法、折弯法和卷弯法等。由 于卷弯工艺具有不需要模具和其它工装、速度快、生产准备周期短、 可以完成整圆柱筒节成形而减少了纵缝、曲率连续、光滑及准确等优 点，因而成了压力容器筒节成形的主要工艺，得到广泛应用。但筒节 特别是大直径薄壁筒节成形中，材料的塑性变形规律、冷卷时曲率控 制、微观组织的变化特别是冷卷变形度对筒节质量的影响等，都是十 分复杂的问题。 2 2 冷卷变形度与筒节质量 冷卷变形度是影响筒节质量的一个重要因素，因而冷卷变形度成 了卷板工艺中应该考虑的重要工艺参数之一， 2 2 1 冷卷变形度对外部质量的影响一卷裂 冷卷变形使材料产生冷作硬化现象冷卷变形度愈大，冷作硬化愈 严重，在钢板内引起的内应力也愈大因此冷卷时，外侧纤维的伸长率 必须低于一定的限度，这个限度远远低于材料小试样的延伸率55 值 这是因为小试样的65 是在实验室理想条件下得到的，在实际生产条 件下达不到；就是在实验室条件下，宽板弯曲与小试样拉伸相差也很大 另外，弯曲方向、板材局部( 表面缺陷、厚度变化处) 的外侧纤维伸长 率可能偏高，因而，即使有时变形度已经取得较低了外表面还可能 出现一些可以探得到或探伤也难以发现的裂纹。经验表明：板厚大于 哈尔滨工程大学硕士学位论文 5 0 m m 的钢板，卷板时若不考虑变形率的影响，就可能导致不可挽回的 损失。对这个问题，现在可以借助于断裂力学来进行理论探讨了 3 4 。根据大多数的资料，基于卷裂的观点，不作中间热处理的冷卷 极限变形度为5 ，高强钢应该更低( 2 5 3 ) 5 6 7 。如 果超过这个限度则应分次成形，中间作消除应力热处理，或在冷卷后 改用热卷，否则就有出现脆断的危险，当然，并不一定要脆断，例如 板厚在8 0 m m 以下的锅炉钢板冷卷变形度达到1 0 不出问题的也有 6 ，但工艺上对此必须重视。 2 2 2 冷卷变形度对筒节内在质量的影晌 a 应变时效 经过冷加工塑性变形的钢材，在室温条件下长时间停留、或在较 高温度下停留一定时间，发生强度、塑性和韧性降低的现象，称为应 变时效。冷加工变形度越大应变时效越显著。如果冷卷的筒节在以后 没有进行消除冷作硬化的机会而在冷作应变状态下投入使用，在一定 的温度和时间条件下，就可能产生时效应变，导致韧性和塑性的降低， 是产生质量变坏 8 。因此，对一些重要的压力容器，尤其应该严格 控制最终保留在筒节内的残余应变量。a s m e 锅炉及受压容器法规中， 对一级核动力装置部件的成形质量要求规定：对最终应变小于0 5 的材料，可以免取试样。已经取样试验合格的工件，以后又经过应变 量大于o 5 的冷变形，要重新取冲击试样 9 ，以确定在应变后材料 的冲击值是否合格。 b 临界变形度所导致的粗晶 低碳钢在冷加工变形度达到8 时，在a l 变态点温度附近开始再 结晶，晶粒显著长大；而当变形度增到1 0 1 1 时，大约在6 5 0 开始再结晶，品粒度比前一情况小得多：冷加工变形度达5 0 时，再 结晶温度为j o o ，得到极细的晶粒度。在此以上的变形度再结晶温 度和晶粒度大体稳定在一定的数值对一般低碳钢，冷加： 变形度在 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 8 1 2 的范围内，再结晶晶粒度长到最大，这个变形度称为临界变形 度。在a 1 点附近开始再结晶 1 1 1 0 对有相变的钢种，由于临界变 形后退火而产生的粗晶，可以用多次短时略高于a 2 相变温度的热处理 将其细化对加热过程中不发生相变的奥氏体不锈钢，如果形成了粗晶 组织，则是无法用热处理方法加以细化的因此，冷加工不锈钢筒节时， 更应该注意临界变形度的问题在工件中保留临界变形度的冷加工应 变后，如果使它再结晶则导致粗晶，迸一步变形加工时会引起机械性能 损失和表面的橘皮状“褶皱” 1 3 。如果在产品使用中达到再结晶的 条件则产品质量就会变坏。 c 包辛格效应 如图2 1 所示。如果材料先经过拉伸( 沿o f b 到达状态b 后卸除 载荷回到状态c ，然后再开始施加压缩载荷。如果没有包辛格效应， 应力一应变曲线应该是虚线c d e ，压缩屈服强度在d 点，相当于f 点 的应力水平：但是由于有包辛格效应，若不考虑应变硬化，应力一应 变曲线为c g e ，有0 2 永久变形的压缩屈服强度( 点g ) ，明显的小 于d 点的数值。即预先经过某种应变的材料，当它再承受与其预应变 相反的应变时，其屈服强度要降低，这一现象称为包辛格效应。 一 乃。t 一= ：= ：一一， 一一o b 图2 1 包辛格效应 我们知道，冷卷简体的外侧纤维产生拉应变，内侧纤维产生压应 变。如果将这种应变状态保留在产品内，容器承受内压时，内侧纤维 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 的屈服限要降低，容器承受外压( 负压) 时，外侧纤维的屈服限要降 低，影响容器的强度 8 。 此外，筒体内的残余应力的存在还会造成受压容器位能损失的腐 蚀应力裂纹。 2 2 3 工艺参数计算 a 变形度 变形度一般以筒体外侧纤维伸长率来表示。假设被弯曲板材厚度 为s ，r 。、r ，、r 。和b 分别为弯曲前板材的初始曲率内半径、外半径、平 均半径和对应的圆周角：卷成简体后内半径、外半径、平均半径r ：、 r ：和r ，对应于2n 圆周角。按弯曲前后平均周长不变，得： p ( r - 一害) = 2n ( r z 一吾) 母= 2 n ( r 。一詈) ( r t 一詈) ( 2 - - 1 ) 外侧纤维伸长率 = ( 2 r ：一br ，) br 。( 2 2 ) 将( 2 1 ) 式代入( 2 2 ) 式，经化简后得到： 邵：一罢 8 5 一一 ( 2 q r l r 2 一三 这是以外径表示的计算外侧纤维伸长率的公式，又称为 c a p e n t e r f l o y d 公式。如果将r = r l + s ，r 2 = r 2 + s 代入( 2 3 ) 式，可 得计算外侧纤维伸长率的表达式： ( + s ) ( ，i + 要) 一意一 心。4 ( + s ) ( 吒+ 三) 1 0 哈尔滨j 程大学硕士学位论文 如果将r ，= r 。一詈，r z = r 一詈代入( 2 - - 4 ) 式，假定r 。兰，r u + 詈一r 。， 则得计算外侧纤维伸长率的中径表达式： 一嘉”寺 cz _ s ， 厶k 将( 2 5 ) 式用百分率表示： e 2 半旷静 cz 川， 这个公式又称为z i c k 公式。卷制球形工件时，考虑到横向约束应变相 当于( 1 + p ) ，对弹性状态u = 0 3 ，则( 2 6 ) 式变为： ：6 5 - s 0 一旦1 ( 2 7 ) r r 。 对塑性状态u = 0 5 ，则得： e ：7 5 ss _ a 一旦) ( 2 - - 8 ) r r o 公式( 2 7 ) 和( 2 8 ) 称为球体的z i c k 公式。 蛆上公式是以平均周长不变为基础推导出来的，如果考虑中性层偏移， 即r 不再是平均半径( 中径) 而是中性层半径，则外侧纤维伸长率按下 式计算： e = 1 0 0 ( s - y ) r ( 2 9 ) 式中 y 一中性层至内侧纤维的距离 r中性层处的半径，对单层钢板 ( 2 1 0 ) 由于单层均质钢板只有当相对弯曲半径小于5 后刊有明显的中性层偏 移，而一般卷板机上的相对弯曲半径最小只考虑到l o ，所以不必考虑 中性层偏移。可是对复合钢板，因为基层与复层金属的机械性能不同， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 即使相对弯曲半径并不很小，中性层也会发生明显的偏移，这对计算 坯料展开长度和外侧纤维伸长率都有较大的影响。复合板中性层偏移 量y 值可以用以下方法进行计算： 假定( 1 ) 板材受到力矩m 的纯弯曲如图2 2 所示，处于线塑性应 力状态，卷弯时不考虑径向应力，只考虑切向应力；( 2 ) 变形中性层 与切向应力中性层一致；( 3 ) 板厚不减薄。由平衡条件得： 。，护= f c 以d f 式中f t 、f c 一一相应于受拉伸、受压缩的应力图的面积。 以中性层为坐标起点，则上式可写为： 厂q b d y = b d y ( 2 一 式中y 一中性层到内壁的距离，b 一板宽，y 一板厚方向的动点坐标 对碳钢：在y r = o 0 0 5 5 时，o ；一o 。； 对不锈钢： 0 2 _ + 詈y 其中o 。和o 。：分别为基层和复层的条件屈服极限。将0 。和0 ：代入( 2 1 1 ) 式得： m 图2 2 受纯弯曲的板材 哈尔滨工程大学硕士学位论文 r 口，。d y = - h ( t s l d y + 奠。( 仉：r d y ) 卜蜚 沪1 2 ) y - 而厂盟 ( 2 一 y 一2 8 ( h + h ) - 4 2 h ：+ 1 8 0 型h ：( 2 - - 1 3 )y = 墨 弘等y s o 4 。o4 一三茸 l - l ， 百 i ， ，y u o r 图2 3 线性纯塑性弯曲的应力状态 m 2 f y o d f 1 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 = 2 胁，+ 等瑚咖 = 吒( 2 f 鱼助) + 1 k o - ：7 s ( 2 f 咖2 咖) 屯s + 警j 屯( 嘉矿+ i k os ：w ) 故 m 咆( t + 笋形( 2 - - 1 4 ) 或m = m a w( 2 1 5 ) 式中k i - - 形状系数， 女。= 谚s ，对矩形，= 1 5 形一抗弯截面模量，对矩形矿= 抬2 ，m 一相对变形弯矩 0 用= t + 筹= 毛每 ，一相对弯曲半径，。= r - s 一相对强化系数，见文献 1 。 板材刚开始弯曲时，没有冷作硬化，故不计强化影响，这时的变形 弯矩称为初始弯矩，用m 。表示 m o = k l 吒形 ( 2 一1 6 ) ( 2 1 4 ) ，( 2 1 5 ) ，( 2 1 6 ) 式是最常用的变形弯矩计算公式。 另外，还有其它的计算公式，例如日本富士车辆工厂采用以下经验 公式： m ：i a 施2 ”吒( f 啪) ( 2 17 ) 4 一 1d 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 式中6 ，s 一所卷板材的宽度和厚度，c m ； 盯，一所卷板材在弯曲状态下的屈服限，t c m 2 d 一所卷简体的内径，c m ； 口与2 = 詈有关的系数，见图2 4 所示。 15 i4 l3 12 1 1 0 图2 4a 与x 的关系 c 回弹： 冷卷筒体的回弹可以用以下方法进行计算： 假定d 和d 分别为回弹前和回弹后的筒体内径，p 为回弹血率半径， 则回弹力矩： m：ej(2-18) p 根据卸荷定理：当弯曲结束时，板材横截面中有作用力，其力矩( 内 部弯曲力矩) 与外加的弯曲力矩平衡，卸荷之后，外加弯矩消失了，板材 在内部弯曲力矩的作用下产生弹性变形，这就是回弹因此： 上：上一土：三一三( 2 一1 9 ) p rrdd 因板材弯曲时所加的外力矩必须达到板材的变形力矩 m 邓，+ 争肋；( 2 - - 2 0 ) 根据( 2 1 8 ) 式等于( 2 2 0 ) 式并将( 2 1 9 ) 式代入得： z 彤c 古一扣c k l + 擎啊 哈尔滨工程大学硕士学位论文 对于矩形，= 击6 s2 ，w = 吉6 s 2 代入上式得： 1 一k o g s d ：上d( 2 2 1 ) l + 盟d e s 如果用相对弯曲半径表示： 卜2 七，墨 即令r ：旦， ( 2 2 2 ) 1 + 2 j i 旦， 1 e ( 2 2 1 ) 和( 2 2 2 ) 是最常用的计算回弹前的简体内径的公式。 一般情况下，热卷时不考虑回弹。但是在4 0 0 8 0 0 范围内还是 有不同程度的回弹量，可以用以下公式进行计算 1 5 。 r = 丽r ( 2 - - 2 3 )1 + n r 卜” 注： 式中r 、r 分别为回弹前后的半径； r 为回弹后的相对弯曲半径，r = r s ；s 为板厚； n 、m 为弯曲硬化系数，几种材料的n 、m 值见表1 1 。 对各种钢号，温度在4 0 0 8 0 0 范围内，弯曲半径数值彼此相差 不大于2 ，因此可用图2 5 来决定弹前相对弯曲半径。 l l lil ， 1l 以 b d o ，者 以珂f 一 历，l 苦j o 夕 0 0 一v 爿。f _f lil li 图2 5 回弹前相对弯曲半径 1 6 n 印阳即酣加。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 表1 1 几种材料的弯曲硬化系数 钢号工件温度 mn b h w 3 5 4 0 0o 1 4 5o 0 0 7 4 5 0 0o1 2 8o 0 0 5 l 8 0 00 1 0 7o 0 0 4 0 2 0 9 4 0 00 0 3 0o 0 0 3 7 6 0 0o 0 3 9o0 0 3 5 8 0 0o 0 3 7o 0 0 1 7 2 3 大直径薄壁筒节计算机虚拟制造 在大直径薄壁筒节成形过程中，成形工艺缺乏系统的、精确的理 论分析手段，而是主要依据长期积累的经验。对于一些关键性的工艺 参数，通过反复的调试、修改才能确定。这就浪费了大量的人力、物 力和时间。而借助于计算机模拟方法，则能使人们获得对于塑性成形 过程规律的认识，能在较短的时间内找到最优的或可行的工艺方案。 气化炉是一种内部复杂的大型复合式卧式容器，气化炉外壳直径 中4 1 0 0 m m ，壁厚5 0 m m ，筒体展开长1 2 7 1 7 m m ，只允许有一条纵缝，因 此必须卷制成形。但由于外壳筒身直径大，壁厚薄，壁厚与直径比只 有1 2 l ，可以预见在卷制过程中钢板的刚性极差，而我们现有的卷 板机主辊筒外径只有中4 6 0 m m ，与由4 1 0 0 m m 的成形尺寸相差甚远，在 卷制过程中如不采取必要的辅助措施来控制钢板的变形方向，将无法 使变形趋向形成圆柱体，甚至会造成钢板严重的冷作硬化现象。为解 决这一问题，我们最初曾考虑到对现有的卷板机进行改造，增加气动 辅助卷圆装置，但由于改造成本过高，改造周期长，不是最合理的工 艺方法。为寻求一种可行的控制钢板在卷制时的变形方向的最佳方法， 我们运用计算机a n s y s 软件对简体的卷制过程进行了模拟。我们按三 哈尔滨工程大学硕士学位论文 种情况进行了模拟，如图2 6 、图2 7 、图2 8 和图2 9 所示。 卷制变形过程 图2 8 为钢板在受到3 0 0 0 k g f 向上的拉力时的卷制变形过程 1 8 瓣r静雾器=潺潺 一、心l 一一、 一 磋一一 霹l。一 、一，黼一 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图2 9 顶点处设有一个刚性支点时钢板的卷制变形过程 图2 9 所示为在卷制时，在假想圆的顶点处设有一个刚性支点时钢 板的卷制变形过程。从图2 6 中我们可以明显的看出，当钢板在不受 任何辅助外力时的卷制过程，其变形方向与我们所期望的相差甚远， 无法卷制成一个简体，也证实我们上面提到的分析结果：而图2 7 、图 2 8 和图2 9 中所示的变形过程，恰恰与我们所期望的非常接近。因 此可以得出结论：在卷制过程中，只要距端部2 0 0 3 0 0 m m 处向钢板施 加一个向上的2 0 0 0 k g f 3 0 0 0 k g f 的力，或在假想圆的顶点处有一刚性 支点时，钢板的变形就会趋向一个圆柱体。由此我们找到了一种可行 的控制钢板变形方向的最佳途径。在实际生产中，我们选择了图2 ：8 的方法，即在卷制过程中，在距钢板端部2 0 0 3 0 0 m m 处，用专用工装 向钢板施加一个向上的2 0 0 0 k g f 3 0 0 0 k g f 的力，在卷制过程中，这个 力的作用点和方向始终保持不变，从而有效地解决了大直径薄壁筒身 的卷制问题，卷制出的简体圆度、椭圆度都非常令人满意，既满足了 生产质量要求，又降低了成本，缩短了周期，取得了很好的效果。 2 4 壳体简身冷卷结合冷精校压制成形技术研究 中3 8 0 0 加压气化炉外径巾4 1 0 4 m m ，单节筒身高度为2 3 0 0 m m 左右， 厚度6 = 5 2 m m ，材质g i n 3 5 。其问形成4 8 m m 的环形水冷夹套，内外壳间 1 9 哈尔滨 程大学硕士学位论文 隙为4 8 5 m m 。由于公差要求严，外部壳体制造难度很大。根据我厂的 现有设备四辊筒卷板机，可卷宽8 0 0 0 m m ，冷卷4 0 m m ，热卷7 0 m m 。一 般多采用热卷方法，即单节筒身纵缝焊接合格后再进行整体正火处理 并结合校圆。但由于我厂卷板机与所在车间的加热设备的规格限制无 法进炉加热。只能采取冷卷和冷校工艺。筒身经冷卷后局部椭圆度严 重超差最大达到3 0 m m ，尤其是纵向焊缝两侧，产生明显的角变形。为 了彻底消除焊缝及母材金属的多次变形所产生的内应力，冷校前对筒 节进行正火+ 回火处理( 见图2 1 0 ) 。 图2 1 0 筒节正火+ 回火曲线 整体热处理后先采用卷板机进行校正。最终校正结果仍不理想， 焊缝两侧各5 0 m m 左右棱角达到最大1 3 m m ，严重超差，无法满足设计 要求。为了确保筒身内径中4 0 0 0 5 m m 的要求，经过多方论证，最后