CN102581250B - 一种离心铸造的TP310Cb/T11双金属复合管坯及其生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种离心铸造的TP310Cb/T11双金属复合管坯及其生产方法，属于管坯铸造领域，包括管坯内层、管坯外层及管坯过渡层，首先通过控制原料管坯的选取，控制其内层、外层和过渡层的成分，先浇注外层，然后浇注过渡层，最后浇注内层，过渡层熔合外层、内层熔合过渡层，利用过渡层缓和内外层之间的成分差别，同时达到完全熔合的目的，从而大大缓解了内外层之间的界面应力，避免内外层交界面的应力集中，提高了使用寿命，同时，内外层的冶金熔合减少了内外层热传导的热阻，从而提高了双金属管的热传导效率。

Description

一种离心铸造的TP310Cb/T11双金属复合管坯及其生产方法

技术领域

本发明涉及一种用于生产双金属无缝锅炉钢管的原料管坯的双金属复合管的选材及生产方法，属于管坯铸造领域，尤其是一种离心铸造的双金属复合管坯及其生产方法。

背景技术

TP310Cb/T11双金属复合管是煤气化锅炉管道材料，主要用于带有腐蚀性气氛的换热器。

煤气化炉主要用于火力发电厂等热能交换要求较高的领域，由于燃烧烟煤或无烟煤中含有S等杂质，燃烧后产生SO₂等腐蚀性介质，管子的材料主要要求应能够承受高温耐腐蚀性，通常多采用高强度不锈钢，比如TP310Cb等。但是，不朽锈耐热钢的导热系数小，管道的热导率效率低，影响了整体锅炉的使用效率及能源利用率。为了在保证耐高温腐蚀的条件下，增加导热效率，采用外不朽锈耐热钢、内层低合金钢复合管子来代替单金属的不朽锈耐热钢管。TP310Cb /T11双金属复合管是外层采用TP310Cb材质，内层采用T11材质的双金属复合管，外层材料TP310Cb具有良好的耐热性及耐蚀性，可满足耐热耐腐蚀要求，内层材质T11具有较高的导热系数，可以提高换热管道的整体换热效率，节约能源，是普通TP310Cb单金属管的理想替代品。

煤气化炉用双金属复合管有较高的使用要求，需要同时保证其耐热耐蚀性及高热导率。要满足上述要求，需要双金属复合管内外层之间没有热阻，即内外层能够无间隙冶金结合，保证较低的导热系数，提高传热效率。

目前国内此种双金属的生产工艺尚属空白。国外采用的生产工艺为是首先利用机械嵌套的方法，在外层管的内表面、内层管的外表面涂抹渗透剂，然后将两种材质的钢管嵌合在一起，结合面密封抽真空， 放置到炉内高温长时间加热，通过内外层交界面的原子扩散将两者结合到一起。此种方法不会形成全部完全的冶金结合，交界面的缝隙会在内外层热量传输过程中产生较大的热阻，影响换热效率。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种离心铸造的双金属复合管坯及其生产方法，利用过渡层使内外层之间完全熔合，内外层结合层具有很高的结合强度高，大大缓解了内外层之间的界面应力，能使整支管子的应力分布均匀，避免内外层交界面的应力集中，从而提高了双金属管的使用寿命；同时减少了内外层热传导的热阻，提高了双金属管的热传导效率；提高了成品管的外层抗腐蚀性，方法简便，便于热处理。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种离心铸造的TP310Cb/T11双金属复合管坯，其特征在于所述双金属复合管坯包括管坯内层、管坯外层及管坯过渡层；

复合管坯内层成分的重量百分比为：C 0.05～0.15, Si 0.50～1.00, Mn 0.30～0.60, P ≤0.025, S ≤0.015, Cr 1.00～1.50, Mo 0.44～0.65，其余为Fe和杂质；

复合管坯外层成分的重量百分比为：C ≤0.03, Si ≤0.75, Mn ≤2.00, P ≤0.02, S ≤0.015, Cr 25.0～26.0, Ni 17.0～23.0,Mo 0.3～0.6, Nb 0.2～0.6,N 0.03～0.3，其余为Fe和杂质；

复合管坯过渡层成分的重量百分比为：C 0.005～0.10，Si 0.01～0.7，Mn 0.01～1.4，P 0.003～0.03，S 0.003～0.02，Cr 0.5～6.0，Mo 0.01～0.5，Ni 0.01～5.0，其余为Fe和杂质。

对上述内容作进一步限制，成型后的无缝钢管复合管内层的性能标准要求为：屈服强度≥205MPa，抗拉强度≥415MPa，延伸率≥30%。本发明中复合管外层是高Cr、Ni含量的奥氏体不锈钢，不用做固溶处理也具有良好的耐腐蚀性。

一种离心铸造的TP310Cb/T11双金属复合管坯的生产方法，其特征在于：包括以下步骤

步骤一：检测复合管坯管坯中外层、内层及过渡层选材的成分，合格后熔化管坯，准备浇注；

步骤二：先浇注外层，并控制外层钢水的凝固速度，间隔一定时间t1后，浇注过渡层，停顿一定时间t2后，浇注内层钢水；

步骤三：待内层钢水冷却后，拔管则完成双金属复合管坯材料。

对上述方法做进一步限制，浇注过渡层时，控制外层内表面温度为1250～1350℃。

对上述方法做进一步限制，浇注内层时，控制过渡层内表面温度为1450～1510℃。

对上述方法做进一步限制，t1控制在150～180秒，t2控制在10～14秒。

对上述方法做进一步限制，在进行外层、过渡层及内层的钢水浇注时，采用了保护气体及保护渣的双重保护。本发明采用惰性气体保护，避免浇注过程中钢水氧化，同时大大降低了管坯中的气体含量；采用保护渣技术，利用保护渣的渣洗原理，在离心力的作用下，使得钢水内的夹杂物充分上浮去除夹渣；使得管坯的内外层质量达到精炼水平，挤压（热轧）或轧制后的成品管完全满足夹杂物含量的要求及性能要求，完全可以满足煤气化锅炉用管的需要。

本发明中，双金属复合管坯生产时采用过渡层来把内层和外层进行熔合，其选择这种方式的条件：（1）外层低熔点、内层高熔点双金属复合管坯浇注时采用过渡层浇注方案，以避免内层过渡熔合外层，造成内层的成分超差；（2）内外层成分相差较大时采用过渡层浇注方案（对于熔点差别较大的钢种而言，其成分差别也比较大）；（3）过渡层的成分、性能不得对管坯及成品管产生不利影响。因此，对于TP310Cb/T11双金属复合管坯而言，过渡层的成分控制主要控制C、Cr的含量，过多的C或Cr会形成Cr的碳化物，增加过渡层的脆性，给管坯的挤压、热处理、冷轧等带来不利因素，使得废品率大大增加。

对于外层TP310Cb耐热不锈钢而言，既要做到耐高温抗腐蚀性，又要避免在生产过程中，与内层T11热处理矛盾的问题，由于每类材料均有自己独特的热处理目的及热处理工艺参数，比如外层TP310Cb的热处理目的是为了提高耐腐蚀性，需要高温固溶处理，即1050～1150℃加热淬水冷却。内层T11热处理目的是为了获得适合的力学性能，热处理工艺为要正火和回火处理，910～950℃加热空冷到室温，然后加热到620～720℃，空冷，故对外层TP310Cb的成分进行了部分调整。比如：

1）外层TP310Cb中的C含量控制在下限。外层TP310Cb的耐腐蚀性与其C含量关系极为密切，C越低，耐腐蚀性越好，而且在不进行固溶处理的情况下，也能保证其耐腐蚀性。管子的热处理以内层T11为主，不在考虑外层，也就是说，将外层的C含量控制在极低的水平，可以在保证外层的耐腐蚀性的前提下，解决了两种材料热处理工艺相互矛盾的问题。

2）为了保证外层TP310Cb的耐腐蚀性，将Cr控制在其含量的上限，25～26%。

3）为了保证外层TP310Cb的耐腐蚀性，将外层P、S含量控制在0.020以下，提高外层不锈钢的抗硫化腐蚀能力。

4）TP310Cb标准成分中的Nb含量为0.2～0.6%，主要是为了形成碳化物，提高材料的机械性能，同时可以减少Cr的碳化物的形成，提高材料的耐腐蚀性能。N主要的目的为了固溶强化，提高材料的力学性能，同时可以代替Ni，减少贵重合金的用量，以增加奥氏体组织，减少或消除晶界网状高温析出相，避免挤压（或热轧）裂纹。但是，N对于耐腐蚀没有影响。对于双金属复合管而言，外层TP310Cb主要要求的是耐高温腐蚀的能力，对力学性能没有要求，所以，保留了Nb的含量，减少了N的含量。另外，N的减少，对于冷轧或冷拔等冷加工而言，可以大大减少加工硬化，有利于其软化处理。

5）少量增加Mo含量，增加TP310Cb的热强性，有利于TP310Cb的挤压（或热轧）变形。为提高挤压（或热轧）合格率提供条件。

6）外层增加N，有利于提高TP310Cb的高温抗蠕变强度，在双金属管生产加热保温过程中，外层中的N会向内层扩散，增加内层的高温强度。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：在管坯浇注时，过渡层熔合外层、内层熔合过渡层，利用过渡层缓和内外层之间的成分差别，同时达到完全熔合的目的；过渡层比采用高温扩散挤压（热轧）工艺生产的双金属管的过渡层厚十几倍或几十倍，内外层结合层具有很高的结合强度，大大缓解了内外层之间的界面应力，能使整支管子的应力分布均匀，避免内外层交界面的应力集中，从而提高了双金属管的使用寿命；同时，过渡层减少了内外层热传导的热阻，从而提高了双金属管的热传导效率；外层TP310Cb成分调整提高了成品管的抗腐蚀性，同时解决了内外层金属热处理矛盾的问题。

具体实施方式

下面通过三种管号的双金属复合管的加工，对本发明做进一步说明。

首先检测TP310Cb/T11挤压（热轧）原料管坯的内外层成分，其内层、外层和过渡层的成分控制要求要求见表1（重量百分比）。

表1   原料管坯内外层、及过渡层成分控制要求

在保护气体及保护渣的双重保护下，先浇注外层TP310Cb钢水，控制TP310Cb钢水的凝固速度，待一定间隔时间后，浇注过渡层，过渡层浇注时，外层内表面的温度大约为1250～1350℃。过渡层钢水采用纯铁或内层T11。停顿一定时间浇注内层T11钢水。内层浇注时过渡层的内表面温度大约为1450～1510℃。内层钢水冷却后拔管则成为双金属复合管坯材料。

内外层及过渡层钢水冶炼成分见表2（光谱成分）。

表2    内、外及过渡层钢水冶炼成分

离心管坯浇注工艺见表3。浇注外层管模转速为570rpm，浇注过渡层及内层时管模转速为800rpm。

表3    离心浇注工艺主要参数

上述实施例中生产出的外TP310Cb/内T11双金属复合挤压管坯，内外层金属形成良好的冶金结合。管坯经机加工后进行热挤压、冷轧等加工，在整个变形加工过程中，内外层保持良好的结合，不产生任何分层或撕裂缺陷。为锅炉换热器的高效运行提供了可能。

本发明中双金属复合管坯的优点：

1、管坯内外层全部冶金熔合，可直接用于热挤压（热轧）或轧制，加工成TP310Cb /T11双金属复合无缝钢管；

2、外层TP310Cb成分调整提高了成品管的抗腐蚀性，同时解决了内外层金属热处理矛盾的问题；

3、冶金结合的结合层，弱化了热量传递势垒，提高了内外层金属之间的热传导系数，同时提高了TP310Cb /T11双金属复合管的传热效率。

4、内外层结合层具有很高的结合强度，能使整支管子的应力分布均匀，不会造成局部较大的应力集中，大大增加了双金属管的使用寿命。

5、采用惰性气体保护，避免浇注过程中钢水氧化，同时大大降低了管坯中的气体含量；

6、采用保护渣技术，利用保护渣的渣洗原理，在离心力的作用下，使得钢水内的夹杂物充分上浮去除夹渣；使得管坯的内外层质量达到精炼水平；

7、该工艺可以生产用户要求的任何厚度比例的TP310Cb/T11双金属复合管坯材料。

Claims (7)

1.一种离心铸造的TP310Cb/T11双金属复合管坯，其特征在于所述双金属复合管坯包括管坯内层、管坯外层及管坯过渡层；

复合管坯内层成分的重量百分比为：C 0.05～0.15, Si 0.50～1.00, Mn 0.30～0.60, P ≤0.025, S ≤0.015, Cr 1.00～1.50, Mo 0.44～0.65，其余为Fe和杂质；

复合管坯外层成分的重量百分比为：C ≤0.03, Si ≤0.75, Mn ≤2.00, P ≤0.02, S ≤0.015, Cr 25.0～26.0, Ni 17.0～23.0,Mo 0.3～0.6, Nb 0.2～0.6,N 0.03～0.3，其余为Fe和杂质；

复合管坯过渡层成分的重量百分比为：C 0.005～0.10，Si 0.01～0.7，Mn 0.01～1.4，P 0.003～0.03，S 0.003～0.02，Cr 0.5～6.0，Mo 0.01～0.5，Ni 0.01～5.0，其余为Fe和杂质。

2.根据权利要求1所述的一种离心铸造的TP310Cb/T11双金属复合管坯，其特征在于成型后的无缝钢管复合管内层的性能标准要求为：屈服强度≥205MPa，抗拉强度≥415MPa，延伸率≥30%。

3.根据权利要求１所述的一种离心铸造的TP310Cb/T11双金属复合管坯的生产方法，其特征在于：包括以下步骤

步骤一：检测复合管坯管坯中外层、内层及过渡层选材的成分，合格后熔化管坯，准备浇注；

步骤二：先浇注外层，并控制外层钢水的凝固速度，间隔一定时间t1后，浇注过渡层，停顿一定时间t2后，浇注内层钢水；

步骤三：待内层钢水冷却后，拔管则完成双金属复合管坯材料。

4.根据权利要求3所述的一种离心铸造的TP310Cb/T11双金属复合管坯的生产方法，其特征在于浇注过渡层时，控制外层内表面温度为1250～1350℃。

5.根据权利要求3所述的一种离心铸造的TP310Cb/T11双金属复合管坯的生产方法，其特征在于浇注内层时，控制过渡层内表面温度为1450～1510℃。

6.根据权利要求3所述的一种离心铸造的TP310Cb/T11双金属复合管坯的生产方法，其特征在于t1控制在150～180秒，t2控制在10～14秒。

7.根据权利要求3所述的一种离心铸造的TP310Cb/T11双金属复合管坯的生产方法，其特征在于在进行外层、过渡层及内层的钢水浇注时，采用了保护气体及保护渣的双重保护。