CN101934370B - 一种喷射成形制备特厚或复合管坯工艺及装置 - Google Patents

Abstract

一种喷射成形制备特厚或复合管坯工艺及装置，将钢水倾倒入中间包中，待中间包中的钢水累积至一定液位后开浇，钢水通过导液管流过雾化喷嘴，雾化喷嘴内部通有高压气体，对流过其中间孔的钢水进行雾化喷射，形成雾化锥，沉积至圆环沉积壳，圆环沉积壳套在可以上下移动及旋转的引锭机构上，随着钢水不断的被雾化、沉积，同时引锭机构带动圆环沉积壳不断的旋转，沉积在上方的金属液滴形成环状雾化层，随着引锭机构的向下运动，环状雾化层不断沉积变长，最终形成管坯；雾化喷嘴的另一边布置轧辊，对雾化、沉积形成的管坯进行轧制。本发明用于制备特厚管坯及复合管坯，工艺设备简单，便于连续化生产。

Description

一种喷射成形制备特厚或复合管坯工艺及装置

技术领域

本发明涉及钢管制造技术，特别涉及一种喷射成形制备特厚或复合管坯工艺及装置。

背景技术

通常的无缝管坯是由实心管坯经穿孔后轧制的。

按生产方法不同可分为热轧管、冷轧管、冷拔管、挤压管等。

(1)热轧无缝管一般在自动轧管机组上生产。实心管坯经检查并清除表面缺陷，截成所需长度，在管坯穿孔端端面上定心，然后送往加热炉加热，在穿孔机上穿孔。在穿孔同时不断旋转和前进，在轧辊和顶头的作用下，管坯内部逐渐形成空腔，称毛管。再送至自动轧管机上继续轧制。最后经均整机均整壁厚，经定径机定径，达到规格要求。利用连续式轧管机组生产热轧无缝钢管是较先进的方法。

(2)若欲获得尺寸更小和质量更好的无缝管，必须采用冷轧、冷拔或者两者联合的方法。冷轧通常在二辊式轧机上进行，钢管在变断面圆孔槽和不动的锥形顶头所组成的环形孔型中轧制。冷拔通常在0.5～100T的单链式或双链式冷拔机上进行。

(3)挤压法即将加热好的管坯放在密闭的挤压圆筒内，穿孔棒与挤压杆一起运动，使挤压件从较小的模孔中挤出。此法可生产直径较小的钢管。

中国专利CN95195732《无缝钢管的制造方法及其制造设备》及中国专利CN02115560《大口径后壁无缝钢管的制造工艺》公布了一种制造无缝钢管的方法及其制造设备，其工序为：

(1)连续铸造方法制造横断面形状为圆形的钢坯；

(2)将钢坯冷却到Ar₁相变点以下温度；

(3)将港普加热到可穿孔的温度；

(4)以200mm/s以下的速度进行穿孔轧制、制造空心管坯；

(5)对空心管坯进行延伸轧制及精轧；

(6)在Ar₃相变点以上对钢管进行再结晶处理；

(7)在Ar₃相变点以上对钢管进行淬火处理；

(8)对钢管进行回火处理。

上述方法存在的主要缺点是：

1.无法生产复合管坯；

2.若制备高合金、硬度高的管坯，顶头的消耗严重，生产成本较高；

3.挤压设备复杂，精度控制要求高；

通常的焊管是采用高频感应焊接或者其它方式加工而成的。

焊管的生产工艺流程为：

开卷-平整-端部剪切及焊接-活套-成形-焊接-内外焊珠去处-预矫正-感应热处理-定径及矫直-涡流检测-切断-水压检测-酸洗-最终检查-包装

中国专利CN01131448.6《大中径高精直缝焊管热连轧新工艺及其设备》公布了制造大中径直缝焊管的新型工艺及其设备。因其成形过程系热塑变形，故变形充分，应力小、精度高，它避免了螺旋焊管焊缝长及焊缝与介质流斜交结污挂垢阻力大等弊端。也比横卷成形的直缝焊管大大也提高了生产效率和质量。故此项技术和设备可促成流水作业和生产自动线，极大地提高产量降低成本。

中国专利CN200510100162.3《焊管生产工艺》公布了一种焊管制造方法，将大直缝埋弧焊管生产工艺是将钢板放在刨边机上，对钢板两边进行刨削加工，输送到成型机，成型后的钢板管筒输送到后弯机，对管筒板边弯曲加工，然后是管筒全长预焊，在焊接前，对成型后钢板管筒的对缝边缘部位平直段进行板边弯曲加工，管筒对缝处的两板边分别在滚压成型机构的上辊压轮和下辊压轮之间移动，管筒对缝处的两板边被上辊压轮和下辊压轮滚压，钢板产生塑性变形，本发明管筒板边弯边设计合理，可以避免钢管产品的尖嘴“桃形”现象，经过后弯的钢板边缘工序尺寸稳定，回弹小，效果良好。

上述工艺存在的局限为：

1.不能加工复合管坯；

2.对于特厚的钢管，在感应加热调制处理过程中不能完全实现；

3.焊管制造过程工艺设备复杂，要求控制精度高。

中国专利CN200410022954.9《喷射沉积制备大型环件的方法及其设备》公开了一种喷射沉积制备大型环件的方法，将熔融金属或合金在惰性气体中雾化，形成颗粒喷射流，直接喷射在较冷的基体上，经撞击、聚结、凝固而形成沉积坯，且坩埚和雾化器的运动以及基体的旋转、升降运动均由智能控制，基体采用内热方法加热，其特征是：熔融金属过热温度为150℃～350℃，喷射高度为100～300mm，雾化气压为0.8～1.2MPa，液流直径为3.0～6.0mm，基体转速为1～10rpm，坩埚运动速率为5～20mm/s，基体升降速度为0.1～1.0mm/min。本发明还公开了该方法所采用的设备。该发明是一种对于大型环件的制备不会产生开裂崩断的喷射沉积制备大型环件的方法。

其主要工艺为：将熔化好的钢水注入中间包中，中间包底部连接雾化喷嘴，通过雾化喷嘴的雾化作用将流下的钢水雾化成细小的颗粒液滴，沉积在旋转的芯棒上，芯棒在旋转的同时作前后往复移动，管坯的壁厚由喷射时间和金属的供给速度决定，而管坯的长度由基体往返距离而定。整个雾化过程通常在密闭的雾化仓中进行，底部具有排除废气和粉尘的料仓。这种方法的主要优点是能够控制不同径向位置的组织，能够制备出壁厚较大的管坯。但其缺点是：基体、沉积坯及基体支撑座等在制备的过程中需往返直线运动。由于沉积坯件和一起运动的部件质量大，造成惯性很大，难以控制，从而制约了沉积管坯的尺寸和质量规模，同时使得往返速度不可能很快，也制约了沉积坯的冷速。

发明内容

本发明的目的提出一种喷射成形制备特厚或复合管坯工艺及装置，一种全新的管坯制备工艺，用于制备特厚管坯及复合管坯，工艺、设备简单，便于连续化生产；而且，管坯晶粒细小，组织均匀，可以极大的提高管坯材料的性能，使之在恶劣环境中也能不易损坏。

本发明的技术方案是，

基于上述几种制备管坯工艺的特点，本发明设计一种垂直的管坯沉积器及雾化系统，将钢液熔化后倒入中间包，中间包在累积一定的钢水后开浇，管坯沉积器在旋转的同时向下拉动；在雾化喷嘴的另一边布置轧辊，沉积成形的管坯同时经过轧制整形校正后由底部的出口拉出，最终形成管坯。

具体地，本发明的喷射成形制备特厚或复合管坯工艺，钢水倾倒入中间包中，待中间包中的钢水累积至一定液位后开浇，钢水通过导液管流过雾化喷嘴，雾化喷嘴内部通有高压气体，对流过其中间孔的钢水进行雾化喷射，形成雾化锥，沉积至圆环沉积壳，圆环沉积壳套在可以上下移动及旋转的引锭机构上，随着钢水不断的被雾化、沉积，同时引锭机构带动圆环沉积壳不断的旋转，沉积在上方的金属液滴形成环状雾化层，随着引锭机构的向下运动，环状雾化层不断沉积变长，最终形成管坯；雾化喷嘴的另一边布置轧辊，对雾化、沉积形成的管坯进行轧制。

进一步，在制备复合管坯时，中间包采用双出口中间包，对应设置的雾化喷嘴分直喷喷嘴、斜喷喷嘴；将钢液注入中间包后，直喷喷嘴垂直喷射沉积制备内层管坯，斜喷喷嘴喷射沉积制备外层管坯，喷射好的复合管坯经过轧辊后轧制成形，由引锭机构向下拉出，经过矫直系统和切割后形成符合规格长度的复合管坯。

所述的雾化喷嘴内部通有高压气体，气体压力为1～3MPa，对流过雾化喷嘴中间孔的钢水进行雾化喷射，形成雾化锥。

所述的雾化锥具有一定的厚度分布，20～70mm。

另外，本发明所述的引锭机构上下移动速度为2～15mm/min，旋转速度180～360r/min。

所述的轧辊旋转速度为5r～20r/min。

本发明的喷射成形制备特厚或复合管坯的装置，其包括，中间包；雾化喷嘴，设置于中间包下方，与连接在中间包下方的导液管相套，雾化喷嘴设通气管；引锭机构，设置于雾化喷嘴下方，具有可咬住管坯的内部管壁、有内部扩张功能的爪形机构；轧制机构，布置于雾化喷嘴一侧；包括，二轧辊以及相应的连接轴和电机；二轧辊分别对应位于管坯内外侧；管坯矫直机构，包括，矫直辊及驱动轴，每对矫直辊由前后左右四个矫直辊组成，上下两排矫直辊分别相隔位于管坯上下部；雾化喷嘴、轧制机构及引锭机构都密闭在密闭仓中。

又，还设有管坯切割机，位于管坯外侧，随着管坯做等速及环向运动。

所述的雾化喷嘴包括垂直喷射沉积制备内层管坯的直喷喷嘴和喷射沉积制备外层管坯的斜喷喷嘴。

另外，所述的上下两排矫直辊相隔2～5m距离。

将需要制备的母合金熔化并升温至一定温度后，倾倒入中间包中，待中间包中的钢水累积至一定液位后开浇，钢水通过导液管流过雾化喷嘴，雾化喷嘴内部通有高压气体，对流过其中间孔的钢水进行雾化喷射，形成雾化锥，雾化锥具有一定的厚度分布，沉积至圆环沉积壳，圆环沉积壳套在可以上下移动及旋转的引锭机构上。

随着钢水不断的被雾化沉积，同时引锭机构带动圆环沉积壳不断的旋转，沉积在上方的金属液滴形成环状雾化层，随着引锭机构的向下运动，环状雾化层不断沉积变长，最终形成管坯。

在雾化系统的另一侧布置有轧制机构，其主要组成为电机、轴、轧辊，在工作时由电机带动轴，轴带动轧辊旋转，对雾化形成的管坯进行轧制密实。其中雾化系统、轧辊及引锭系统都密闭在雾化仓中，形成的管坯被引锭机构带动一定距离后释放，引锭机构上行回到起始引锭位置，来回往复运动，形成复合规格长度的管坯。

引锭机构是具有内部扩张功能的爪形机构，在进行拉坯操作时，其内部齿牙张开，咬住管坯的内部管壁，待向下拉动到一定程度后，火焰切割完成后，齿牙松开，整个机构回退到初始位置。

管坯矫直机构包括矫直辊及驱动轴，每对矫直辊由前后左右四个矫直辊组成，上下两排矫直辊相隔2～5m距离，在工作状态时，矫直辊逆时针旋转，管坯做向下运动，已经喷射好的管坯不断的被矫直拉出。

管坯切割机，在管坯不断向下运动的过程中，焊机随着管坯做等速运动，同时喷射火焰对管坯进行切割。

本发明的有益效果

1.本发明能够制备特厚的复合合金管坯。

2.与传统的制备无缝钢管技术相比，本发明技术能够制备许多高合金、高熔点及高硬度管坯；不需要顶头穿孔作业，无顶头消耗磨损；能够制备不同厚度的复合管坯。

3.与传统的焊管工艺技术相比，本发明技术设备简单；不需要高频感应加热及水淬处理；通体材质一致，不会出现局部的材料弱化现象。

4.与传统的喷射成形制备管坯工艺技术相比，本发明技术变水平喷射为厚度方向喷射，使得管坯能够在长度方向上更加自由，该发明加入了管坯轧制过程及矫直切割系统，使得管坯的生产一次性完成，节约了大量的能量和成本。

5.本发明流程短，设备及工序简洁。

6.本发明利用喷射成形技术制备管坯，一次成形，内部晶粒细化，钢管不易磨损。

7.利用本发明工艺还能够添加第二相金属及非金属粒子，制备硬化材料管坯。

附图说明

图1为本发明一实施例的结构示意图；

图2为本发明另一实施例的结构示意图；

图3为本发明管坯矫直机构的结构示意图；

图4为本发明管坯切割示意图。

具体实施方式

参见图1，本发明喷射成形制备特厚管坯工艺：

1)中间包及导液管的烘烤

利用石墨加热系统或者煤气烘烤系统将中间包1及导液管进行充分的预热烘烤，去除耐材中的水分，烘烤温度达到约1200℃。

2)钢水熔炼

在钢包中熔炼符合成份要求的钢水2，达到合适的温度后，出钢，倾倒入中间包1。

3)高压雾化气体开启

在雾化喷嘴3中通入高压惰性气体，通过流量计调至合适的流量和压力，压力为1～3MPa。

4)浇注及雾化

当中间包1中的钢水2达到一定液位后，提起塞棒，进行浇注；雾化喷嘴3内部高压气体对流过其中间孔的钢水2进行雾化喷射，形成雾化锥4，雾化锥4具有一定的厚度分布(20～70mm)，沉积至圆环沉积壳6，圆环沉积壳6套在可以上下移动(2～15mm/min)及旋转(180～360r/min)的引锭机构11上。

随着钢水2不断的被雾化沉积，同时引锭机构11带动圆环沉积壳6不断的旋转，沉积在上方的金属液滴形成环状雾化层，随着引锭机构11的向下运动，环状雾化层不断沉积变长，最终形成管坯5。

5)轧制

当管坯沉积至一定长度时，开启电机，电机7带动轴8，轴带动轧辊9旋转(5r～20r/min)，对雾化形成沉积好的的管坯5进行轧制密实。其中雾化系统、轧辊及引锭系统都密闭在密闭仓10中，形成的管坯5被引锭机构11带动一定距离后释放，引锭机构11上行回到起始引锭位置，来回往复运动，形成复合规格长度的管坯5。

6)矫直

随着管坯长度的增长，通过矫直系统矫直辊12对管坯3进行矫直。

7)切割

当管坯3达到符合规格的长度后，开启火焰切割机13进行切割。

8)沉积机构回退

管坯3切割完成后，沉积机构回退到初始位置继续进行拉坯操作。

参见图2，本发明工艺制作复合管坯。

在制备复合管坯时，中间包采用双出口中间包2，将钢液注入中间包2后，直喷喷嘴3垂直喷射沉积制备内层管坯5，斜喷喷嘴3’形成雾化锥4’，喷射沉积制备外层管坯51，喷射好的复合管坯经过轧辊9后轧制成形，由引锭机构11向下拉出，经过矫直系统和切割后形成符合规格长度的复合管坯。

实施例1

喷射成形制备内层50mm，外层5mm后的复合管坯。

将熔炼炉中的母合金加热到1650℃后，倾倒入中间包，待中间包中的钢水达到2/3中包高度后，开浇，启动雾化气体的压力达到3MPa，轧辊轧制力5t，预设圆环沉积壳的直径为500mm，设定引锭机构的转速为180r/min，拉速10mm/min，引锭机构拉坯长度设定为3m，矫直间隔设置为1m，矫直力为30t，火焰切割机运行速度为10mm/min，待管坯达到3m后进行火焰切割，引锭机构回退到初始位置继续进行拉坯操作。

实施例2

喷射成形制备内层40mm，外层3mm后的复合管坯。

将熔炼炉中的母合金加热到1660℃后，倾倒入中间包，待中间包中的钢水达到2/3中包高度后，开浇，启动雾化气体的压力达到2.5MPa，轧辊轧制力4t，预设圆环沉积壳的直径为400mm，设定引锭机构的转速为200r/min，拉速8mm/min，引锭机构拉坯长度设定为2.5m，矫直间隔设置为0.5m，矫直力为20t，火焰切割机运行速度为8mm/min，待管坯达到2.5m后进行火焰切割，引锭机构回退到初始位置继续进行拉坯操作。

实施例3

喷射成形制备内层60mm，外层12mm后的复合管坯。

将熔炼炉中的母合金加热到1680℃后，倾倒入中间包，待中间包中的钢水达到2/3中包高度后，开浇，启动雾化气体的压力达到3.5MPa，轧辊轧制力7t，预设圆环沉积壳的直径为550mm，设定引锭机构的转速为160r/min，拉速12mm/min，引锭机构拉坯长度设定为5m，矫直间隔设置为1.5m，矫直力为35t，火焰切割机运行速度为12mm/min，待管坯达到5m后进行火焰切割，引锭机构回退到初始位置继续进行拉坯操作。

本发明能够连续生产特厚或复合管坯，并利用具有近终形特性的喷射成形技术制备，其晶粒细小，组织均匀，可以极大的提高管坯材料的性能，使之在恶劣环境中也能不易损坏。除此之外，本发明工艺应用的设备为常规冶金中的基本设备，较易实施，便于工业化生产。

Claims (9)

1.一种喷射成形制备特厚或复合管坯工艺，钢水倾倒入中间包中，待中间包中的钢水累积至一定液位后开浇，钢水通过导液管流过雾化喷嘴，雾化喷嘴内部通有高压气体，对流过其中间孔的钢水进行雾化喷射，形成雾化锥，垂直喷射沉积或斜喷沉积至圆环沉积壳，圆环沉积壳套在可以上下移动及旋转的引锭机构上，随着钢水不断的被雾化、沉积，同时引锭机构带动圆环沉积壳不断的旋转，沉积在上方的金属液滴形成环状雾化层，圆环沉积壳随着引锭机构的向下运动，沉积在圆环沉积壳上方的环状雾化层不断沉积变长，最终形成管坯；同时，雾化喷嘴的另一边布置轧辊，对雾化、沉积形成的管坯内外侧进行轧制。

2.如权利要求1所述的喷射成形制备特厚或复合管坯工艺，其特征是，在制备复合管坯时，中间包采用双出口中间包，对应设置的雾化喷嘴分直喷喷嘴、斜喷喷嘴；将钢液注入中间包后，直喷喷嘴垂直喷射沉积制备内层管坯，斜喷喷嘴喷射沉积制备外层管坯，喷射好的复合管坯经过轧辊内外侧轧制成形，由引锭机构向下拉出，经过矫直系统和切割后形成符合规格长度的复合管坯。

3.如权利要求1或2所述的喷射成形制备特厚或复合管坯工艺，其特征是，所述的雾化喷嘴内部通有高压气体，气体压力为1～3MPa，对流过雾化喷嘴中间孔的钢水进行雾化喷射，形成雾化锥。

4.如权利要求1或2所述的喷射成形制备特厚或复合管坯工艺，其特征是，所述的雾化锥具有一定的厚度分布，20～70mm。

5.如权利要求1或2所述的喷射成形制备特厚或复合管坯工艺，其特征是，所述的引锭机构上下移动速度为2～15mm/min，旋转速度180～360r/min，所述的轧辊旋转速度为5r～20r/min。

6.如权利要求1或2所述的喷射成形制备特厚或复合管坯工艺，其特征是，还设有管坯切割机，位于管坯外侧，随着管坯做等速及环向运动。

7.喷射成形制备特厚或复合管坯的装置，其特征是，包括，

中间包，

雾化喷嘴，设置于中间包下方，与连接在中间包下方的导液管相套；雾化喷嘴设通气管；该雾化喷嘴包括垂直喷射沉积制备内层管坯的直喷喷嘴和喷射沉积制备外层管坯的斜喷喷嘴；

引锭机构，设置于雾化喷嘴下方，具有可咬住管坯的内部管壁、有内部扩张功能的爪形机构；

轧制机构，布置于雾化喷嘴一侧；包括，二轧辊以及相应的连接轴和电机；二轧辊分别对应位于管坯内外侧；

管坯矫直机构，包括，矫直辊及驱动轴，每对矫直辊由前后左右四个矫直辊组成，上下两排矫直辊分别相隔位于管坯上下部；

雾化喷嘴、轧制机构及引锭机构都密闭在密闭仓中。

8.如权利要求7所述的喷射成形制备特厚或复合管坯的装置，其特征是，还设有管坯切割机，位于管坯外侧，随着管坯做等速及环向运动。

9.如权利要求7所述的喷射成形制备特厚或复合管坯的装置，其特征是，所述的上下两排矫直辊相隔2～5m距离。

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