CN101526157B - 高效短流程超高成材率高温合金无缝管制备工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明属合金冶炼和压延加工领域，涉及一种高效短流程超高成材率高温合金无缝管制备技术。流程真空熔炼+保护气氛电渣精炼获高温热塑性优异合金锭，再精密热锻出无需冷机加工就达到热穿孔要求棒坯要求，利用热锻余热可热穿出合金毛管，酸洗后入管材精确轧制与无氧化软化系统，3-5道次轧制和2次软化，将尺寸￠40×5×(900-1000)合金管坯轧制成￠18×1.5×(6000-7500)成品管。从根本上解决制约无缝管材发展两大问题---热穿孔难及成材率低，使合金管材成材率从目前国内外45-55％提高到90％以上，管材制备成本降低30％以上，生产周期缩短1/3以上，将在高温合金无缝管材生产技术方面带来跨越式发展。
Description
技术领域：
本发明属于高温合金及其压延加工领域，涉及一种提高高温合金材料热塑性、从而达到高成材率和短流程为一体的高温合金无缝管超高成材率成套制备技术。
背景技术：
国内外固溶强化类高温合金多为镍基、镍-铁基，并含有大量铬(15-30％)、钨(0.5-2％)、钼(0.5-3％)、铌(0.2-2％)、铝(0.1-5％)、钛(0.1-2％)等合金元素，以保证合金具有足够的高温强度，优异的高温抗氧化和高温抗腐蚀性能，是目前冶金、能源、石化、仪表、电子等领域中大量使用的高温合金。典型牌号：GH3030、GH3039、Inconel600、Inconel690等。
由于合金基体加入大量合金元素后导致合金高温热加工塑性(热塑性)相对较差，在合金毛管批量生产的关键工序--热穿孔上表现尤为突出。长期以来存在热穿孔工序成功率低且不稳定的问题，如GH3039、Inconel690在普通热穿孔机上根本无法热穿成功，即使在高性能热穿孔机上，许多情况还采用先将棒材打引孔然后进行热穿孔工序。此外，即使热穿孔成功后，合金管材成材率根本无法与钢铁同类材料相比，高温合金国内外最高水平为45-55％(从配料到成品管材)。这是由于高温合金热塑性低，锻造热加工时需要切除冒口，开坯后裂纹修磨等材料消耗大(尽管冒口切除部分可回炉，但也带来材料的很大浪费，且由于锻造等热加工带来的氧化等导致材料的杂质增加而影响合金纯净度等)。此外，由于材料锻造后存在的表面微裂纹、折皮等使材料锻造(热轧)后必须先进行机加工，甚至许多情况还要进行超声波探伤后，才能进入热穿孔工序。材料锻造和机加工导致的材料损耗至少20％。由于上述问题长期存在且从未从原理和工艺上彻底解决，以至于行业中普遍认为这是由于高温合金特点所决定，高温合金的热穿孔性能、特别是合金成材率都根本上不可能与钢铁材料无缝管材之成材率进行对比。
近年来，人们在新合金的研究和开发上取得了一系列的科研成果，如国外HaynesAlloy214，国内黄进峰等研制出的系列高性能抗氧化合金(3YC52、OR1300等)，其专利为“高温高强度奥氏体抗氧化腐蚀高温合金”(专利号99126359.6)、“一种抗高温氧化及耐高温腐蚀的高温合金”(专利号200510057416.8)。由于此类新合金除有传统高温合金中大量铬(15-25％Cr)外，还含有相当的铝(3-6％Al)，当Cr2O3在高温下(1100-1350℃)已变得不稳定而严重剥落时，能形成致密稳定Al2O3保护层，从而使传统高温合金，如GH3030、GH3039、Inconel600、Inconel690的使用温度从900-1150℃提高到1100-1350℃，解决了许多高温环境的用材问题。但是，上述合金由于含有大量的铝使合金热塑性进一步下降，如何能真正从原理及技术上彻底解决高温合金热穿孔难题和成材率问题就变得越来越突出和重要。
长期以来，人们采用了各种方法和技术来提高合金的热塑性，也取得了相当的进展。但按照高温合金高热穿孔成功率和高成材率的要求，以下两个方面问题无论从原理还是工艺上，均未得到根本解决。即：(1)如何能真正解决高温合金的热穿孔问题，特别是在普通热穿不锈钢的穿孔设备上，特别是对于新研究开发的高铝高温合金上，实现穿孔工艺近100％成功率和近100％成材率；(2)如何在保证热穿成功前提下，将高温合金无缝管材损耗接近于零(除熔炼烧损、热加工氧化、酸洗导致的极其少量且无法避免的损耗外)，使成材率达到可以与钢铁材料相比的程度(从目前国内外的45-55％提高到80％以上)。若能解决上述两大问题，应该将对此行业带来革命性变革。
发明内容：
本发明的目的在于解决高温合金无缝管材现有技术长期存在的上述两大问题：即高温合金热穿孔困难与成材率低。发明出一套从合金熔炼、冷热加工及软化处理等集成技术，达到以下两大目标：(1)从原理和根本上解决高温合金热穿孔难题，以及高温合金无缝管材成材率低的问题。(2)不仅使高温合金达到接近100％的热穿成功率和成材率，而且将高温合金目前国内外45-55％成材率提高到90％以上的成材率。
本发明的具体技术方案为：
(1)超高热塑性合金锭的制备：高温合金真空熔炼后直接浇注成电极棒，并用氩气保护电渣精炼炉对合金进行精炼成电渣锭。采用此技术路线，达到在保持真空熔炼对合金成分精确控制和脱气优点基础上，避免了普通电渣炉在空气中精炼而使合金气体含量增加的缺点，且发挥出重溶合金有效精炼和改善合金结晶组织的优点。达到从根本上提高高温合金热塑性的作用，为合金的无裂纹热锻(轧)工序做好准备。由此方法制备的合金锭无冒口和缩孔，因此锻造时无缩孔导致的切头等消耗。较传统的真空熔炼+电渣重熔方法成材率提高10％以上，仅仅有真空熔炼和电渣时合金元素约2-4％的高温挥发。
(2)热穿孔管坯的制备：合金锭采用精密模锻或热轧成管坯，与常规锻造相比无需机加工就能达到热穿孔要求。且由于合金热塑性极高，热锻(轧)过程中几乎无任何缩孔和裂纹，故无须修磨，仅有1-2％的氧化皮消耗；且考虑到精密模锻或热轧已达到热穿孔要求，故可省去了机加工程序，提高了10％以上的成材率。
(3)合金热穿孔及毛管的制备：将热锻(轧)后的管坯直接或在保温炉补充热量后立即进行热穿孔工序，由于合金热塑性极高，其热穿孔成功率达到90％以上，同时由于穿孔成功率的提高，穿孔过程成材率达到近100％，仅有约1％的氧化损耗和荒管端面的平头损耗，成材率提高8％以上，优选15％以上，并缩短管坯加热时间1小时以上。到此工序完成时，不仅彻底从根本上解决了高温合金热穿难题，且将成材率提高了至少35％以上。
(4)成品无缝管的制备：毛管酸洗后直接进入管材精确轧制与无氧化软化系统，因此管材轧制过程无需酸洗，轧制道次间隙在惰性气体气氛保护下对管材进行软化处理，软化处理后继续进行管材轧制，因此避免了传统工艺酸洗及氧化对管材的污染；同时采用以轧代拔工艺避免了传统拔制工艺打头造成的材料损耗，材料成材率提高5％以上，生产时间缩短1/3以 上。
综合上述，本发明彻底解决了高温合金热穿孔难题，且使高温合金成材率从目前国内外45-55％成材率提高到90％以上。
具体实施方式：
采用并实施本整套技术，进行了GH3030、GH3039、Incone1600、Alloy214和OR1300等(化学成份见表1)高温合金的无缝管材的生产，取得了理想的效果，成材率达到90.5％以上(表3)。下面是具体实施的工艺及主要参数：
利用50kg中频真空感应炉先将熔化后的合金在真空下浇铸为电渣重熔所需的电极棒，具体参数为真空度<1Pa，电极棒直径80mm，然后电极棒在100kg氩气保护电渣炉中精炼成直径为150mm电渣锭，电渣工艺参数为：电压40V，电流2500A；然后在750kg空气锤上开坯，通过专门加工的精密模锻模具将合金锻造为
棒材，控制终锻温度在1050-1150℃，之后直接进入
热穿孔机穿孔；将热穿出的长度900-1000mm、尺寸为 
合金毛管酸洗，在
两辊冷轧机上两个道次开坯到 
在保护气氛炉温度为1100-1150℃软化10分钟，然后无需酸洗直接用
冷轧管机，并通过三个道次加工到
的成品管材。
表1试验用合金牌号、分析成分
| 牌号 | C | Cr | Ni | A1 | Ti | Fe | Mo | Nb |
| GH3030 | 0.01 | 20.58 | bal | 0.12 | 0.19 | 0.12 | / | / |
| GH3039 | 0.01 | 20.21 | bal | 0.43 | 0.46 | 0.15 | 1.98 | 1.15 |
| Incone1600 | 0.01 | 16.50 | bal | / | / | 7.85 | / | / |
| Alloy214 | 0.008 | 16.60 | bal | 4.85 | / | / | / | / |
| OR1300 | 0.012 | 17.50 | bal | 4.90 | 0.12 | 20.50 | / | / |
表2几种高温合金超高成材率制备技术的工艺流程、效果与数据汇总
注：
(1)VIM-----真空熔炼；ESR(Ar)-----氩气保护下的电渣重熔；
(2)精密热锻(轧)为可直接进入
热穿孔机的坯料尺寸
(3)利用热锻余热可直接穿孔，但若温度低于1050-1150℃，则需要在保温炉中适当加热并保温10分钟后直接进行热穿孔工序；
(4)由于本冶炼制度及工艺参数能保证合金具有极其优异的热塑性，故合金每道工序均能保证100％成功率，上述表格中仅仅列出各种工序下合金的成材率。
Claims (5)
1.一种高效短流程超高成材率高温合金无缝管制备工艺，其特征在于：超高成材率高温合金无缝管制备工艺的工艺流程为：高温合金熔炼、精密热锻或热轧、热穿孔、以轧代拔及保护气氛软化；具体步骤为：(1)真空熔炼+氩气气氛电渣精炼以获得具有高温热塑性合金锭；(2)精密热锻或热轧出无须机加工就达到热穿孔要求的管坯规格；(3)利用热锻或热轧余热直接热穿孔制备出高温合金毛管；(4)毛管酸洗后进入由轧管机和保护气氛软化炉组成的管材精确轧制与无氧化软化系统。
2.根据权利要求1所述的高效短流程超高成材率高温合金无缝管制备工艺，其特征在于：所述高温合金熔炼包括初次熔炼和精炼；初次熔炼采用真空熔炼，以获得脱气脱氧充分、成分精确控制的电极棒；然后采用氩气气氛下的电渣精炼发挥出电渣重熔对合金有效精练、改善结晶组织之优点，获得脱硫充分、具有优异高温热塑性的合金锭。
3.根据权利要求1所述的高效短流程超高成材率高温合金无缝管制备工艺，其特征在于：所述精密热锻或热轧后管坯尺寸精度满足热穿孔要求，管坯无需机加工；同时利用热锻或热轧的余热进行热穿孔。
4.根据权利要求1所述的高效短流程超高成材率高温合金无缝管制备工艺，其特征在于：所述管材精确轧制与无氧化软化系统的管材轧制过程无需酸洗，轧制道次间隙在惰性气体气氛保护下对管材进行软化处理，避免了酸洗及氧化对管材的污染；同时采用以轧代拔工艺避免了传统拔制工艺打头造成的材料损耗。
5.根据权利要求1所述的高效短流程超高成材率高温合金无缝管制备工艺，其适用于高温合金GH3030、GH3039、Incone1600、Incone1601、OR1300、Alloy214、Incone1690。
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