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高压铝制板翅式换热器的钎焊工艺技术点击：2408 日期：[ 2014-04-26 21:57:50 ] |
| 高压铝制板翅式换热器的钎焊工艺技术 黄安庭 (杭州杭氧股份有限公司) 摘 要：介绍了高压铝制板翅式换热器钎焊工艺特点及一些重要的钎焊操作经验,对产品钎焊的3个温度阶段具体控制进行了描述,并提出了高压铝制板翅式换热器钎焊过程的关键控制要求。 关键词：铝制板翅式换热器 真空炉 钎焊 中图分类号：TQ051·5 文献标识码：B 文章编号：0254-6094(2010)02-0208-03 高压铝制板翅式换热器主要用于大型乙烯冷箱及液氮铣冷箱装置等一些化工设备中,其中板翅式换热器大多在高压、低温工况下运行,介质系含氢烃的复杂混合物,且为多股流、多组分的加热、冷却及部分冷凝与部分蒸发的相变换热,产品结构复杂、制造难度极大。杭氧公司通过引进技术和自主开发相结合的方式,成功研制完成了大型乙烯冷箱十余套,填补了国内生产乙烯冷箱的空白,成为我国大型乙烯冷箱的研制基地,同时还在高压铝制板翅式换热器的研制过程中攻克了许多的技术难关,积累了大量的高压铝制板翅式换热器钎焊技术,使钎焊技术逐渐成熟。 1 研制过程 1992年杭氧公司从美国引进了一台大型真空炉设备,同时也引进了相关的钎焊技术,并于1994年成功研制了第1台高压铝制板翅式换热器,设计压力高达7. 51MPa,该产品按美国ASME规范设计、制造,并出口美国,运行情况良好。在随后的几年中杭氧公司又陆续研制了十余台类似等级的高压板翅式换热器,均出口美国、加拿大及韩国等国,主要用于化工行业。随着高压铝制板翅式换热器制造技术的成熟,于1997年承接了乙烯冷箱国产化项目,该项目是“九五”国家重大装备科研攻关项目,同时也是中石化“九五”规划第1批10个重大国产化攻关项目,杭氧集中了一批板翅式换热器的设计、制造、工艺及质检等方面的专家,成立了攻关小组,解决了成套设计、换热计算及高压板翅式换热器制造等技术难题,完全改变了过去乙烯冷箱成套装置主要靠进口的局面;在1998年还成功研制了大氮肥装置液氮洗冷箱,解决了材料选用、安全系数及爆破试验等难题,该项目是“十五”国家重大装备科研攻关项目;同时在2008~2009年成功研制了天津百万吨乙烯冷箱、上海赛科乙烯冷箱和镇海百万吨乙烯冷箱,设计压力最高达8. 0MPa,百万吨乙烯冷箱项目是我国“十一五”国家重大装备科研攻关项目,该项目的研制成功标志着我国在大型乙烯冷箱制造领域再一次实现了重大突破,开创了大型乙烯冷箱国产化工作的新纪元。 2 钎焊工艺特点 乙烯冷箱中使用的板翅式换热器的设计压力一般为4. 0~8. 0MPa,流道多,最多的在一个单元中有16组通道,结构极其复杂,钎焊难度高。钎焊的芯体使用的主要材料是侧板(3003-O)、封条(3003-H112)、铝带(3003-O, 3004-O+1100-O)、复合板(3003-O包覆BAlSi7)和焊片(BAl-Si4,需要时),它们均属铝锰合金,其化学成分见表1。 3003和3004铝合金与其他金属相比,钎焊比较困难,主要原因是铝对氧的亲和力极大,表面很容易生成一层致密且化学性质稳定、熔点很高(2 050℃)的氧化铝膜,室温时厚约5nm左右,在500℃~600℃的钎焊温度下,膜厚剧增至0. 2μm左右,阻碍钎料与母材的湿润和结合。真空无钎剂钎焊时,仅依靠真空作用难以去除这种氧化膜。因此,为了去除氧化膜并防止铝氧化,必须同时借助某些金属活化剂的作用。实践表明,以镁作活化剂效果最好,因为镁的蒸汽压高,在真空中容易挥发,有利于清除氧化膜。镁作为活化剂加入BAlSi7合金中,其中,一部分固溶于铝中,一部分以MgSi2化合物形态存在。在1mPa的真空条件下镁的蒸发点为250℃,当温度在500℃~580℃范围内时,镁大量地蒸发出来。镁蒸气在真空室中,与氧化性气体(O2、H2O)发生反应,起到净化介质的作用;镁蒸气与氧化膜接触,发生还原反应,使致密平滑的Al2O3膜变质,生成疏松多孔的新氧化层MgAl2O4。铝及铝合金真空钎焊时只能使用铝基钎料,它们的熔点都接近母材的熔点,应该严格控制加热温度和钎焊时间。 3 钎焊过程控制 3.1 工装和温度监控 为了控制工件在热态下的变形,采用高温合金材料制成的网格状夹具将工件组装定位,减少热膨胀对焊缝收缩率的影响。将监视工件温度的热电偶按工艺要求安装在工件表面和通过侧面上的工艺孔引入到工件的中心位置,以便于监测工件的实际温度,防止工件过热或欠热;同时通过炉体热电偶了解炉子内部不同区域的温度状况,在钎焊过程中要密切关注炉体温度和工作温度的对应关系,以判断所显示温度的准确性,这对钎焊质量的影响是至关重要的。 3.2 氧化膜及镁在升温过程中的变化 在过去的真空钎焊工艺中,一般需要通过钎焊过程添加镁块的方式使炉内形成镁气氛,从而达到破除氧化膜的目的,但经过大量的试验证明钎焊过程添加镁块是没有必要的,因为现在使用的复合板是3003-O包覆10%左右的BAlSi7钎焊料,同时根据需要在高压层铺设焊片BAlSi4,在BAlSi7和BAlSi4合金中,当温度400℃时,氧化物表面成分中不会有明显的变化,氧化膜是致密的。虽然在真空度1mPa下镁的蒸发温度为250℃,但是镁在固体中迁移到表面要比在液体中困难的多,而致密的氧化膜又阻碍镁的自由蒸发。当温度升至425℃时,氧化膜呈多孔、龟裂状态,镁蒸气与氧化膜发生还原反应: 3Mg + 4Al2O3→3MgAl2O4+2A,l达到去除氧化膜的目的。 3.3 不同温度区间对升温速率及真空度的要求 产品钎焊的起始阶段要适当控制升温速率,当产品中心温度在65℃之前,设定温度控制在370℃,各调功器功率不宜太大。较慢的加热速率,产品在真空炉内进行低温烘烤,避免突然大量放气,造成真空度大幅度下降。此时如果加热功率过猛,会因为产品处于常温,局部温度不均匀而产生产品的热应力变形。之后可逐步提高设定温度,当产品中心温度为343℃时,扩散泵真空度应优于1. 3mPa,炉顶真空度应优于2. 3mPa,以判断真空炉工况和各泵的抽气性能是否正常,这对下一步的升温至关重要。 产品钎焊的第2阶段(产品中心温度371℃~538℃左右),氧化膜在镁的作用下致使原来致密平滑的表面变成疏松多孔的形态,在温度升高至Al-Si-Mg三元共晶温度551℃时,Mg2Si晶粒溶解,三元液相湿润多孔的氧化膜表面。这个时期内,若真空度低于1mPa,或真空度虽好但漏气率较大时,会在材料表面形成双层氧化物,即紧靠基体的氧化铝和与气相接触的氧化镁,这会对液态钎料的湿润起阻碍作用,不利于液态钎料添充焊缝。在这个阶段,操作人员认真做好产品中心之间、角与角之间、侧表面之间对应点的温度控制和顶、中、底中心与表面温度梯度的控制,严格按钎焊工艺中给出某一温度阶段工件之间、工件与炉温之间的温差误差范围进行温差控制,减少操作过程中温度控制的随意性,以保正各层面的温度均匀上升,这样能控制钎接过程温差过大,使炉温控制在677℃以内,避免炉温超高使产品表面过烧、熔化或穿孔,这也对操作人员提出了更高技能要求。 产品钎焊的第3阶段(产品中心温度538℃~593℃)要对钎焊温度进行准确控制,由于温度超过三元共晶点温度,液相中的镁不断蒸发。对于含硅量在10%左右的Al-Si-Mg合金,在温度达到577℃的固相线时,合金开始熔化,是产品大量吸取热量的阶段,此时角部和侧表面高温区的温度严格控制超高,但整体热量要持续补充。当局部中心温度到达停止加热时,外表要予以保温,在整体终止加热前,外表温度应不低于593℃,以确保产品整体热量的平衡及封条隔板焊缝的饱满。温度继续上升至合金的液相线温度591℃时,则合金全部熔化。在这个温度区间的后期,要放慢升温速率,使工件的表面温度与中心温度之间的差距缩小,防止温度过冲。同时在该阶段会出现温度已达到要求而真空度未达到工艺要求的情况,钎焊人员必须用比较法鉴定每台机组抽气性能是否正常,并对炉门、炉体电极和热电偶等可疑部位进行氦质谱检漏,消除泄漏点,当确定以上两点正常后,考虑零件材料放气,应按斜率曲线升温工艺要求,完成钎接过程。而如果采用降低炉温来提高真空度,瞬间真空度的提高是假象,材料的放气并没有完全释放被泵抽除,而存于炉内,人为降低设定功率,使产品供给的热能断续,从而延长了钎接时间,这是产生产品补焊超标或穿孔的主要原因之一。液态钎料的粘度因温度升高而变小,在毛吸力的作用下流向接缝,形成焊角。随后开始降温,钎焊完成。 4 结束语 高压铝制板翅式换热器的钎焊应根据真空炉的技术参数、产品结构、翅片型式等情况的差异进行适当调整,要根据产品的结构特点和炉子尺寸等制定相应的钎焊工艺,在整个钎焊过程中要严格控制产品内外温差、不同温度下真空度的要求、加温速率和钎焊时间。 8. 0MPa高压铝制板翅式换热器的钎焊技术已趋成熟,现已引进高精密进口冲床和一台可实施自动钎焊的大型真空炉用于研发10. 0MPa等级的高压铝制板翅式换热器,同时通过实施精品工程来不断提高钎焊技术和产品质量。 参考文献 1 ASME锅炉压力容器规范.第二卷B分册. 2007 2 ASME锅炉压力容器规范.第二卷C分册. 2007 |
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