CN101530897B - 具有过渡层的双金属复合管坯、其生产方法及其生产设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有过渡层的双金属复合管坯、其生产方法及其生产设备，生产方法包括加热管模，喷涂涂料；将外层金属液通入管模内离心浇注，浇注完后开启冷却装置冷却管模，待外层内表面温度冷却至低于外层金属液熔点30℃-200℃时停止冷却，并开始浇注过渡层金属液；将过渡层金属液通入管模内离心浇注，浇注完后空气冷却，待过渡层内表面温度冷却至低于过渡层金属液熔点20℃-100℃时停止冷却，并开始浇注内层金属液；将内层金属液通入管模内离心浇注，浇注完后开启冷却装置冷却管模，待外层、过渡层和内层全部凝固后停止冷却。本发明生产方法可精确控制内、外层金属成分，生产的双金属复合管坯不易分层，使用寿命长。

Description

具有过渡层的双金属复合管坯、其生产方法及其生产设备

技术领域

本发明涉及管坯浇注领域，尤其涉及一种具有过渡层的双金属复合管坯、其生产方法及其生产设备。

背景技术

目前，采用离心浇注方法生产双金属复合管坯的工艺为：管模涂料涂布--预热炉内管模加热干燥涂料--两层金属液分别冶炼出炉--第一层待浇注金属液面清渣(拔除金属液表面炉渣)--离心浇注第一层金属液--第二层金属液表面清渣--浇注第二层金属液。该工艺的不足之处在于：由于内外层金属浇注过程中没有中间过渡层的浇注，导致外层金属与内层金属间出现夹渣或过度融合。夹渣导致两层金属分层，过度融合导致内层金属成分大幅度改变，因此该工艺不能生产对内、外层金属成分控制要求比较精确的复合管坯。使得这种浇注复合管坯的工艺虽然在上世纪70年代已有应用，但一直仅限于生产对成分要求不高的铸态复合轧辊、外普碳钢内耐磨铸铁的低端耐磨管。此外，由于现有双金属复合管坯内层金属与外层金属之间没有缓冲过渡层，使用过程中环境温度变化产生的热应力全部集中在内外层金属的结合面上，极易造成结合面分层，大大缩短了由该管坯制得的管材的使用寿命。

发明内容

本发明目的之一是提供一种可精确控制内、外层金属成分、生产的双金属复合管坯完全冶金熔合、不易分层、使用寿命长的具有过渡层的双金属复合管坯的生产方法。

本发明的另一个目的是提供一种内、外层金属成分精确、不易分层、使用寿命长的具有过渡层的双金属复合管坯。

本发明的再一个目的是提供上述具有过渡层的双金属复合管坯的生产设备。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种具有过渡层的双金属复合管坯的生产方法，至少包括以下步骤：

(1)加热管模，然后在管模内表面喷涂涂料，待涂料中的水分排除后停止加热；

(2)将外层金属液通过第一中间包通入管模内离心浇注，浇注完后开启冷却装置冷却管模，待外层内表面温度冷却至低于外层金属液熔点30℃-200℃时停止冷却，并开始浇注过渡层金属液；

(3)将过渡层金属液通过第二中间包通入管模内离心浇注，浇注完后空气冷却，待过渡层内表面温度冷却至低于过渡层金属液熔点20℃～100℃时停止冷却，并开始浇注内层金属液；

(4)将内层金属液通过第二中间包通入管模内离心浇注，浇注完后开启冷却装置冷却管模，待外层、过渡层和内层全部凝固后停止冷却，得具有过渡层的双金属复合管坯。

本发明具有过渡层的双金属复合管坯的生产方法，其中所述过渡层金属液与内层金属液的成分相同，所述过渡层厚度优选为2mm-7mm。

本发明具有过渡层的双金属复合管坯的生产方法，其中在(2)步骤前向外层金属液中加入保护渣，在(3)步骤前向过渡层金属液中加入保护渣，在(4)步骤前向内层金属液中加入保护渣，所述保护渣为萤石，加入量为金属液重量的0.5％-1.5％。

本发明具有过渡层的双金属复合管坯的生产方法，其中在(2)步骤前向第一中间包和管模内通入惰性气体，将管模、第一中间包内的空气排除干净；在(3)步骤前向第二中间包内通入惰性气体，将第二中间包内的空气排除干净。

本发明具有过渡层的双金属复合管坯的生产方法，其中在整个浇注过程中，第一中间包、第二中间包和管模内均充有惰性气体。

本发明具有过渡层的双金属复合管坯的生产方法，其中在(1)步骤中，用位于管模下方的煤气或天然气加热装置对管模进行加热。

本发明具有过渡层的双金属复合管坯的生产方法，其中所述外层金属液是铸铁、铸铁合金、普碳钢、合金结构钢、高合金钢或镍基合金，所述内层金属液是铸铁、铸铁合金、普碳钢、合金结构钢、高合金钢或镍基合金，且外层金属液与内层金属液的成分不同。

本发明还提供了一种由上述具有过渡层的双金属复合管坯的生产方法制得的具有过渡层的双金属复合管坯。

本发明还提供了一种上述具有过渡层的双金属复合管坯的生产设备，包括管模、离心装置、中间包，管模位于离心装置上，管模的浇注端挡板上开有浇注口，中间包的浇注流嘴伸入浇注口内，浇注流嘴与浇注口间留有间隙，中间包有两个，还包括冷却装置和加热装置，加热装置为均匀排列在管模下方的多个天然气或煤气加热嘴，冷却装置包括在管模上方两侧均匀排列的多个冷却水喷淋头，冷却水喷淋头通过管道与冷却水塔相连。

本发明具有过渡层的双金属复合管坯的生产设备，其中所述中间包上开有进气口，所述管模的非浇注端挡板上开有管模进气口。

本发明具有过渡层的双金属复合管坯的生产方法在内、外层之间浇注过渡层，避免了内、外层之间的过度熔合，能更精确地控制管坯内、外层成分，因此可用于生产对内、外层金属成分要求比较精确的复合管坯。

本发明双金属复合管坯由于增加了过渡层，达到了完全冶金熔合，减少了内、外层结合面之间的应力，管坯不易分层，大大提高了由该管坯制成的管材的使用寿命。

本发明具有过渡层的双金属复合管坯的生产设备设置冷却水喷淋装置和天然气/煤气加热装置，可快速对管模进行加热或冷却，操作简单，提高了生产效率。

附图说明

图1为本发明具有过渡层的双金属复合管坯的生产设备的示意图；

图2为图1的A-A剖视图。

具体实施方式

如图1所示，本发明具有过渡层的双金属复合管坯的生产设备包括管模1、离心装置、中间包3、冷却装置和加热装置，管模1位于离心装置的离心造轮2上，管模1的浇注端挡板5上开有浇注口6，中间包3的浇注流嘴7伸入浇注口6内，浇注流嘴7与浇注口6间留有间隙，加热装置为均匀排列在管模1下方的多个天然气或煤气加热嘴8，冷却装置包括在管模1上方两侧均匀排列的多个冷却水喷淋头9，冷却水喷淋头9通过管道10与冷却水塔相连。从喷淋头9喷出的水可收集至回水池，再通入冷却水塔内循环使用。中间包3上开有进气口12，用于通惰性气体。通入中间包3内的惰性气体受热膨胀上升，可将其内的空气排除干净。管模1的非浇注端挡板11上开有管模进气口13，惰性气体从管模进气口13进入管模1内，高温膨胀后惰性气体可从浇注口6与浇注流嘴7之间的间隙排出。浇注时，将浇注包内的金属液倒入中间包3内，再进入管模1内浇注。中间包3有两个，第一中间包用于输送外层金属液，第二中间包用于输送过渡层金属液和内层金属液。浇注包上装有电子秤，用于控制金属液的浇注重量。

浇注过程中，离心速度根据管模内径确定，一般管模转速为50～200G。

实施例1

长度1265毫米，外径254毫米，外层为20#钢、厚度47mm，内层为304L钢、厚度23mm，过渡层采用内层304L钢、厚度约为4mm的具有过渡层的双金属复合管坯的生产过程。

20#钢的熔点约为1520℃，304L钢的熔点约为1450℃。

(1)启动离心装置，使管模转动，转速约为100转/分，点燃煤气或天然气加热装置预热管模，管模预热至200℃时，在管模内表面喷涂水基锆英粉与石英粉的混合涂料，再加热20分钟，待涂料中的水分充分排除后停止加热，并将管模两端的挡板固定好。

(2)浇注外层：将第一中间包对正管模，将管模转速提高到800转/分，开始浇注外层20#钢水。浇注时采用电子秤控制浇注重量，浇注320千克后停止浇注，打开冷却水喷淋装置冷却管模，以使外层钢水凝固。在外层钢水凝固过程中，更换第二中间包。当外层内表面温度达到1490℃时，停止冷却，并开始浇注过渡层金属液。

(3)浇注过渡层：本实施例过渡层采用内层钢水304L钢水。浇注时采用电子秤控制浇注重量，浇注30千克后停止浇注，自然空气冷却，当过渡层内表面温度达到1430℃时，停止冷却，并开始浇注内层金属液。

(4)浇注内层：采用电子秤控制浇注重量，浇注95千克后停止浇注，打开冷却水喷淋装置冷却管模，待外层、过渡层和内层全部凝固后停止冷却，并关闭离心装置。

本实施例1制得的具有过渡层的双金属复合管坯长度为1265mm，外径为254mm，外层为20#钢，外层厚度为47mm，过渡层厚度约为4mm，内层为304L钢，内层厚度为23mm，内径为106mm。

将管模两端的挡板打开，将管坯从管模内推出，去除掉管坯内表面的渣层，对管坯内、外表面进行加工，以去除掉内、外表面的铸造缺陷，该管坯即可用于轧制或挤压，制备成品管材。

外层20#钢水、内层304L钢水的熔炼成分(重量百分比)见表1。

表1

材质	C	Si	Mn	P	S	Cr	Ni	Fe
									外20#钢水	0.195	0.40	0.827	0.020	0.006	0.056	0.036	其余
内304L钢水	0.02	0.490	1.60	0.029	0.003	19.46	11.22	其余

外层为20#钢、内层为304L钢的具有过渡层的双金属复合管坯内、外层的成分检验及要求成分(重量百分比)见表2。

表2

由表1和表2可见，实施例1所得的具有过渡层的双金属复合管坯内、外层成分控制精确，符合成分要求。

在实施例1中，为了使金属液与空气隔绝，有效防止了空气对金属液的不利影响。在浇注外层前，向管模和第一中间包内通惰性气体如氩气，将管模和第一中间包内的空气排除干净。在浇注过渡层前，向第二中间包内通氩气，将第二中间包内的空气排除干净。并在整个浇注过程中，使第一中间包、第二中间包和管模内充有氩气。

为减少管坯中小颗粒夹杂物的含量，在浇注外层过程中，向第一中间包内加入2千克萤石保护渣。在浇注过渡层过程中，向第二中间包内加入0.3千克萤石保护渣。在浇注内层过程中，向第二中间包内加入1.1千克萤石保护渣。

实施例2

长度2667毫米，外径291毫米，外层为16Mn钢、厚度33mm，内层为304钢、厚度14.5mm，过渡层采用内层304钢、厚度约为2.5mm的具有过渡层的双金属复合管坯的生产过程。

16Mn钢的熔点为1518℃，304钢的熔点为1450℃。

(1)启动离心装置，使管模转动，转速约为100转/分，点燃煤气或天然气加热装置预热管模，管模预热至250℃时，在管模内表面喷涂水基锆英粉与石英粉的混合涂料，再加热30分钟，待涂料中的水分充分排除后停止加热，并将管模两端的挡板固定好。

(2)浇注外层：将第一中间包对正管模，向管模和第一中间包内通惰性气体如氩气，将管模和第一中间包内的空气排除干净。在整个浇注过程中，使第一中间包和管模内充有氩气。将管模转速提高到785转/分，开始浇注外层16Mn钢水。在浇注过程中，向第一中间包内加入7.8干克萤石保护渣。浇注时采用电子秤控制浇注重量，浇注570千克后停止浇注，打开冷却水喷淋装置冷却管模，以使外层钢水凝固。在外层钢水凝固过程中，更换第二中间包。当外层内表面温度达到1420℃时，停止冷却，并开始浇注过渡层金属液。

(3)浇注过渡层：本实施例过渡层采用内层钢水304钢水。向第二中间包内通惰性气体如氩气，将第二中间包内的空气排除干净，开始浇注过渡层304钢水。在浇注过程中，向第二中间包内加入0.7千克萤石保护渣。浇注时采用电子秤控制过渡层的浇注重量，浇注80千克后停止浇注，自然空气冷却，当过渡层内表面温度达到1350℃时，停止冷却，并开始浇注内层金属液。

(4)浇注内层：浇注过程中，向第二中间包内加入1.5千克萤石保护渣。采用电子秤控制浇注重量，浇注150千克后停止浇注，打开冷却水喷淋装置冷却管模，待外层、过渡层和内层全部凝固后停止冷却，并关闭离心装置。

本实施例2制得的具有过渡层的双金属复合管坯长度为2667mm，外径为291mm，外层为16Mn钢，外层厚度为33mm，过渡层厚度约为2.5mm，内层为304钢，内层厚度为14.5mm，内径为191mm。

将管模两端的挡板打开，将管坯从管模内推出，去除掉管坯内表面的渣层，对管坯内、外表面进行加工，以去除掉内、外表面的铸造缺陷，该管坯即可用于轧制或挤压，制备成品管材。

外层16Mn钢水、内层304钢水的熔炼成分(重量百分比)见表3。

表3

材质	C	Si	Mn	P	S	Cr	Ni	V	Nb	Ti
											外层16Mn	0.18	0.354	1.71	0.02	0.006	0.032	0.012	0.05	0.05	0.02
内层304	0.038	0.407	2.0	0.02	0.002	20.4	10.8

外层为16Mn钢、内层为304钢的具有过渡层的双金属复合管坯内、外层的要求成分(重量百分比)见表4。

表4

材质	C	Si	Mn	P	S	Cr	Ni	V	Ti	Nb
											外层16Mn	0.16～0.2	≤0.45	≤1.65	≤0.02	≤0.008			≤0.1	≤0.04	≤0.05
内层304	≤0.07	≤0.7	1.2～2.0	≤0.035	≤0.03	18～19	8～11

外层为16Mn钢、内层为304钢的双金属复合管坯内、外层的成分检验(重量百分比)见表5。

表5

材质	C	Si	Mn	P	S	Cr	Ni	V	Nb	Ti
											外：16Mn	0.176	0.346	1.67	0.019	0.005	0.069	0.033	0.045	0.043	0.012
内：304	0.059	0.42	1.85	0.020	0.003	18.25	9.7

由表3、表4和表5可见，实施例2制得的具有过渡层的双金属复合管坯内、外层成分控制精确，符合成分要求。

实施例3

长度1600毫米，外径271毫米，外层为16Mn钢、厚度45mm，内层为825(Ni基合金)钢、厚度32mm，过渡层为纯铁、厚度约为7mm的双金属复合管坯的生产过程。

16Mn钢的熔点约为1518℃，825钢的熔点约为1350℃，纯铁的熔点约1630℃。

(1)启动离心装置，使管模转动，转速约为100转/分，点燃煤气或天然气加热装置预热管模，管模预热至250℃时，在管模内表面喷涂水基锆英粉与石英粉的混合涂料，再加热20分钟，待涂料中的水分充分排除后停止加热，并将管模两端的挡板固定好。

(2)浇注外层：将第一中间包对正管模，向管模和第一中间包内通惰性气体如氩气，将管模和第一中间包内的空气排除干净。在整个浇注过程中，使第一中间包和管模内充有氩气。将管模转速提高到715转/分，开始浇注外层16Mn钢水。在浇注过程中，向第一中间包内加入6千克萤石保护渣。浇注时采用电子秤控制浇注重量，浇注420千克后停止浇注，打开冷却水喷淋装置冷却管模，以使外层钢水凝固。在外层钢水凝固过程中，更换第二中间包。当外层内表面温度达到1320℃时，停止冷却，并开始浇注过渡层金属液。

(3)浇注过渡层：本实施例过渡层采用纯铁钢水。向第二中间包内通惰性气体如氩气，将第二中间包内的空气排除干净，开始浇注过渡层纯铁钢水。在浇注过程中，向第二中间包内加入0.7千克萤石保护渣。浇注时采用电子秤控制过渡层的浇注重量，浇注50千克后停止浇注，自然空气冷却，当过渡层内表面温度达到1570℃时，停止冷却，并开始浇注内层金属液。

(4)浇注内层：浇注过程中，向第二中间包内加入1.5千克萤石保护渣。采用电子秤控制浇注重量，浇注160千克后停止浇注，打开冷却水喷淋装置冷却管模，待外层、过渡层和内层全部凝固后停止冷却，并关闭离心装置。

本实施例3制得的双金属复合管坯长度为1600mm，外径为271mm，外层为16Mn钢，外层厚度为45mm，过渡层为纯铁，厚度约为7mm，内层为825钢，内层厚度为32mm，内径为103mm。

将管模两端的挡板打开，将管坯从管模内推出，去除掉管坯内表面的渣层，对管坯内、外表面进行加工，以去除掉内、外表面的铸造缺陷，该管坯即可用于轧制或挤压，制备成品管材。

外层16Mn钢水、过渡层纯铁、内层825钢水的熔炼成分(重量百分比)见表6。

表6

	C	Si	Mn	P	S	Cr	Mo	Ni	V	Cu	Ti	Fe	Nb
														外层	0.161	0.299	1.65	0.013	0.005				0.074		0.035		0.036
过渡层	0.01	0.3	0.5	0.010	0.002
														内层	0.018	0.20	0.73	0.009	0.003	22.96	3.27	42.52		1.90	0.9	27.8	0.026

外层为16Mn钢、内层为825钢的具有过渡层的双金属复合管坯内、外层的要求成分(重量百分比)见表7。

表7

	C	Si	Mn	P	S	Cr	Mo	Ni	V	Cu	Ti	Fe	Nb
														外16Mn	≤0.18	≤0.45	≤1.65	≤0.02	≤0.008				≤0.1		≤0.04		≤0.05
内825	≤0.05	≤0.5	≤1.0	≤0.02	≤0.02	19.5～23.5	2.5～3.5	38～46		1.5～2.0	0.6～1.2	≥22	≤0.33

外层为16Mn钢、内层为825钢的双金属复合管坯内、外层的成分检验(重量百分比)见表8。

表8

材质	C	Si	Mn	P	S	Cr	Mo	Ni	V	Cu	Ti	Nb	Fe
														16MnVNb	0.157	0.28	1.58	0.012	0.005				0.073		0.03	0.034
825	0.038	0.27	0.69	0.01	0.005	20.46	2.87	38.6		1.75	0.75	0.03	33.96

由表6、表7和表8可见，实施例3制得的具有过渡层的双金属复合管坯内、外层成分控制精确，符合成分要求。

本发明具有过渡层的双金属复合管坯的生产方法与现有浇注工艺相比，具有以下优点：

(1)在内、外层之间浇注过渡层，避免了内、外层之间的过度熔合，能更精确地控制管坯内、外层成分，因此可用于生产对内、外层金属成分要求比较精确的复合管坯，也实现了对内、外层金属成分差别较大的双金属复合管坯的生产。同时，由于增加了过渡层，使双金属复合管坯达到完全冶金熔合，减少了内、外层结合面之间的应力，管坯不易分层，大大提高了由该管坯制成的管材的使用寿命。

(2)现有的双金属复合管坯浇注工艺中，在浇注前必须彻底清除金属液中的冶炼炉渣，主要目的是减少钢水中的夹渣或夹杂物含量。但实际操作中不仅无法保证冶炼炉渣的彻底清除，而且浇注系统如浇注流道脱落的耐火材料、冲刷脱落的涂料等，均一并卷入金属液形成夹杂物，严重降低了管坯的机械性能和热加工性能，导致其不能作为有后续加工轧制或挤压要求的管坯材料。本发明在浇注前向金属液中加入保护渣，使金属液带渣浇注，保护渣在离心力的作用会上浮至管坯的内表面，其上浮过程中，金属液中的小颗粒夹杂物会与保护渣吸附在一起，形成体积较大的夹渣，在离心力的作用下上浮至内表面，从而大大减少了管坯中的小颗粒夹杂物含量，提高了管坯的机械性能和热加工性能，由此得到的管坯可用于轧制或挤压以制备成品管材。

(3)惰性气体保护。在整个浇注过程中，用惰性气体对管模和中间包进行保护，使金属液在整个浇注过程中完全与空气隔绝，有效地防止了空气对金属液的不利影响；同时减小了金属液内气体向外扩散的分压，有利于金属液气体的排出，因此可获得低气体含量的管坯，提高管坯的质量。

(4)为保证涂料中的水分充分排除，现有浇注工艺需要将管模送入专门的加热炉进行预热，通常预热时间不小于2小时。这不仅需要修建专门的预热炉，而且耗时，无法满足大规模的高效率生产需要，仅能用于小批量生产。本发明采用煤气或天然气火焰直接加热管模，不采用加热炉设备，大大提高了生产效率，可用于大批量生产。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种具有过渡层的双金属复合管坯的生产方法，其特征在于至少包括以下步骤：

(1)加热管模，然后在管模内表面喷涂涂料，待涂料中的水分排除后停止加热；

(2)将外层金属液通过第一中间包通入管模内离心浇注，浇注完后开启冷却装置冷却管模，待外层内表面温度冷却至低于外层金属液熔点30℃-200℃时停止冷却，并开始浇注    过渡层金属液；

(3)将过渡层金属液通过第二中间包通入管模内离心浇注，浇注完后空气冷却，待过渡层内表面温度冷却至低于过渡层金属液熔点20℃～100℃时停止冷却，并开始浇注内层金属液；

(4)将内层金属液通过第二中间包通入管模内离心浇注，浇注完后开启冷却装置冷却    管模，待外层、过渡层和内层全部凝固后停止冷却，得具有过渡层的双金属复合管坯；

其中所述过渡层金属液与内层金属液的成分相同，所述过渡层厚度为2mm-7mm；

其中在(2)步骤前向外层金属液中加入保护渣，在(3)步骤前向过渡层金属液中加入保护渣，在(4)步骤前向内层金属液中加入保护渣，所述保护渣为萤石，加入量为金属液重量的0.5％-1.5％。

2.根据权利要求1所述的具有过渡层的双金属复合管坯的生产方法，其特征在于：在(2)步骤前向第一中间包和管模内通入惰性气体，将管模、第一中间包内的空气排除干净；在(3)步骤前向第二中间包内通入惰性气体，将第二中间包内的空气排除干净。

3.根据权利要求2所述的具有过渡层的双金属复合管坯的生产方法，其特征在于：在整个浇注过程中，第一中间包、第二中间包和管模内均充有惰性气体。

4.根据权利要求3所述的具有过渡层的双金属复合管坯的生产方法，其特征在于：在(1)步骤中，用位于管模下方的煤气或天然气加热装置对管模进行加热。

5.根据权利要求4所述的具有过渡层的双金属复合管坯的生产方法，其特征在于：所述外层金属液是铸铁、铸铁合金、普碳钢、合金结构钢、高合金钢或镍基合金，所述内层金属液是铸铁、铸铁合金、普碳钢、合金结构钢、高合金钢或镍基合金，且外层金属液与内层金属液的成分不同。

6.由权利要求1至5任一项所述具有过渡层的双金属复合管坯的生产方法制得的具有过渡层的双金属复合管坯。

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