CN103962558A - 一种喷射成形连续制备复合管坯的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种喷射成形连续制备复合管坯的方法，金属熔液通过中间包底部的导液管流经雾化喷嘴时，被雾化喷嘴内喷出的高压高速惰性气体雾化成细小的颗粒，形成一个雾化锥，雾化颗粒沉积在下方的管坯基体上，管坯基体在旋转、同时水平设置的管坯支撑机构的带动下向前移动，当管坯沉积完毕之后在管坯支撑机构的带动下缓慢移出设备，后续的管坯同时跟进，进行连续生产，最终形成复合管坯。本发明工艺、设备简单，便于连续化生产；而且，对内层基体管坯材料要求较低，喷覆层管坯晶粒细小，组织均匀，可以极大的提高复合管坯的性能，可以满足在恶劣环境下使用；特别是，管坯生产没有长度限制。

Description

一种喷射成形连续制备复合管坯的方法

技术领域

本发明涉及复合钢管制造技术，特别涉及一种喷射成形连续制备复合管坯的方法。

背景技术

传统的管坯制造技术可以生产无缝管坯，但是难以生产复合管坯，即使要生产也是难度比较大。

现有的一些生产复合管坯的技术大多利用喷射成形的方式。

如中国专利CN200410022954.9公开了一种喷射沉积制备大型环件的方法，利用惰性气体将将熔融金属或合金雾化，形成颗粒颗粒，直接喷射在基体上，经撞击、聚结、凝固形成沉积坯，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。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。

这种方法的主要优点是能够控制不同径向位置的组织，能够制各出壁厚较大的管坯。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，另外利用该工艺只能生产一定长度的复合管坯，并且管坯安装和取送不方便，限制了该工艺的发展。

中国专利CN101934370A公开了一种垂直制备特厚或复合管坯的工艺及设备。该工艺是通过将钢水雾化并沉积在圆环沉积壳上，圆环沉积壳套在可以上下移动及旋转的引锭机构的带动下一边旋转一边下移，形成管坯，同时在一侧布置轧辊对沉积后的管坯进行轧制。

该专利所提及的管坯生产工艺在实际生产过程中不能有效保证管坯的内外壁的光滑，即使在生产过程中同时进行轧制，也只能起到微弱的效果，同时在边喷制下进行轧制，极易导致管坯中心发生偏移，严重情况下甚至可以导致管坯从引锭杆上脱落，对于复合管坯的制备难度更大。所喷制的管坯的规格和长度受到极大的限制，轧制机构放置在设备内部会造成设备整体非常庞大，增大操作难度，在实际生产中也不合理。

发明内容

本发明的目的提出一种喷射成形连续制备复合管坯的方法，工艺、设备简单，便于连续化生产；而且，对内层基体管坯材料要求较低，喷覆层管坯晶粒细小，组织均匀，可以极大的提高复合管坯的性能，可以满足在恶劣环境下使用，特别是，管坯生产没有长度限制。

为达到上述目的，本发明的技术方案是，

本发明设计一种水平设置的管坯支撑机构及雾化系统，金属熔液通过中间包底部的导液管流经喷嘴时，被喷嘴内喷出的高压高速惰性气体雾化成细小的颗粒，形成一个雾化锥，雾化颗粒沉积在下方的管坯基体上，管坯基体在旋转、同时水平设置的管坯支撑机构的带动下向前移动，当管坯沉积完毕之后在管坯支撑机构的带动下缓慢移出设备，后续的管坯同时跟进，进行连续生产，最终形成复合管坯。

具体地，本发明的一种喷射成形连续制备复合管坯的方法，将雾化喷嘴设置在一充入惰性气体进行保护的空间内，雾化喷嘴通过导液管连接中间包，当待喷射的金属熔液的温度和成分满足要求之后将金属熔液倾倒入预热后的中间包中，金属熔液通过导液管流过雾化喷嘴，雾化喷嘴内部通有氮气或氩气，对流过其中间孔的金属熔液进行雾化喷射，形成雾化锥，管坯基体水平放置在旋转和前进的轨道上，管坯基体在雾化喷嘴下方自一侧向另一侧水平移动同时旋转；管坯基体在水平移动过程中待沉积部位同时被高频感应线圈加热；随着金属熔液不断被雾化、沉积一边旋转一边前进，当管基体坯移动至一定长度，另一侧自动夹持管坯，同时旋转和沉积，最终将整个管坯基体上均匀沉积一层，形成复合管坯；同时当长度达到所要求的程度之后，将已经喷制完毕的复合管坯移至储存库缓慢冷却，同时后续的管坯基体紧跟着在被快速感应加热之后移动至喷射沉积位置，开始进行新的一根复合管坯的喷制。

进一步，采用感应加热的方式将母合金熔化成成分和温度都符合要求的金属熔液，整个冶炼过程单独在外部进行，后续移至中间包位置将金属熔液倾倒至中间包内，或将整个熔炼炉放置在设备内部，使整个熔炼过程处于真空状态，并且处于惰性气体保护下。

又，利用感应加热系统或者电阻丝烘烤系统将中间包及导液管进行充分的预热烘烤，烘烤温度900～1200℃。

再有，在连续制备复合管坯时，雾化喷嘴采用单喷嘴或者多喷嘴，对流出导液管的金属熔液进行雾化；雾化喷嘴采用限制式喷嘴或者非限制式扫描雾化喷嘴。

所述的雾化喷嘴并排排列，内部通有高压气体，对从导液管流出的金属熔液进行雾化喷射，形成雾化锥。

限制式雾化喷嘴的雾化压力为0.5～2.5MPa；非限制式扫描雾化喷嘴的一级雾化压力为0.1～0.6MPa，二级雾化压力为0.5～2MPa。

所述的金属熔液过热度为150～350℃。

所述管坯基体支撑和旋转机构为一组可以带动管坯基体旋转和移动的传动装置，管坯基体在该传动装置的带动下移动和旋转，移动速度为10～250mm/min，旋转速度10～250rpm。

另外，本发明设置高频感应加热装置，在管坯基体进入雾化锥之前，在1～3min内将管坯基体表面快速加热到700～1000℃。

高频感应加热装置的加热频率在3000～10000Hz，功率在100-500KW。

本发明的有益效果：

1.本发明能够连续制备复合管坯，可以在普通钢管上喷覆一层高合金材料，形成性能优良的复合管坯，可以应用在条件恶劣的环境下，以较低的成本达到较高的性能。

2.与传统的制备管坯技术相比，本发明技术能够制备许多高合金、高硬度复合管坯；不需要其他复杂设备进行后续的处理；并且可以制备不同厚度、不同长度的复合管坯，可以通过简单的复合达到良好的使用效果。

3.与传统的喷射成形制备管坯工艺技术相比，本发明改变了原有的限定长度、限定厚度喷制管坯且不能连续生产的弊端，管坯长度不受设备规模限制，并且可以通过调节相关工艺参数来连续喷制不同长度，不同喷覆厚度的复合管坯，达到连续生产，提高生产效率。

4.本发明流程短，设备及工序简洁。

5.本发明利用喷射成形技术连续制备复合管坯，一次成形，喷覆层晶粒细小，提高使用性能。

附图说明

图1为本发明一实施例的示意图。

图2为本发明双喷嘴的结构示意图。

具体实施方式

参见图1，本发明的喷射成形连续制备复合管坯的方法如下：

1、将雾化喷嘴4设置在一充入惰性气体进行保护的空间内，雾化喷嘴4通过导液管3连接中间包2，利用感应加热系统或者电阻丝烘烤系统将中间包2及导液管3进行充分的预热烘烤，烘烤温度达到900～1200℃。

2、金属熔液熔炼，在熔炼炉1中进行相关合金成分要求的金属熔液5的熔炼，达到一定的过热度温度后，通过熔炼炉1倾转装置进行倾转，将温度和成分满足要求的金属熔液5倾倒入已经预热的中间包2。

3、金属熔液5通过导液管3流过雾化喷嘴4，雾化喷嘴4内部通入氮气或氩气，通过气体控制系统将气站传送的惰性气体调至合适的流量和压力，根据雾化喷嘴形式的不同，设置相关的压力。

4、浇注及雾化

当中间包2中的金属熔液5经过底部的导液管3流出；雾化喷嘴4内部高压气体对从导液管3流出的金属熔液5进行雾化喷射，形成雾化锥6；管坯基体7水平放置在旋转和前进的轨道上，管坯基体7在雾化喷嘴4下方自一侧向另一侧水平移动同时旋转；雾化后的小颗粒沉积在一边旋转一边移动的管坯基体7上；管坯基体7在水平移动过程中待沉积部位进入雾化锥之前同时被高频感应线圈8快速感应加热；管坯基体表面温度为700～1000℃，管坯移动速度为2～25mm/min，旋转速度10～120rpm。

随着金属熔液5不断的被雾化，雾化颗粒逐渐沉积在连续移动和旋转的管坯基体7上，形成环状复合层，随着管坯支撑和旋转装置的带动下边移动边旋转，最终形成厚度一定，整个长度上都喷覆一层复合层的复合管坯。

5、当管坯基体7沉积和移动的同时，另外一个管坯基体被放置在轨道上，并在支撑和旋转机构的带动下逐渐通过高频感应线圈8进行预热后进入雾化锥6，通过沉积形成复合工件。前面已经喷制完成的复合工件在全部离开雾化锥6之后通过自动装置移动至储存区，进行缓冷或者热处理操作，整个过程形成连续制备复合管坯。

参见图2，本发明在连续制备复合管坯时，雾化喷嘴4采用双喷嘴，对流出导液管3的金属熔液进行雾化。

实施例1

喷射成形制备长度为5m，内层20mm、外层2mm厚的复合管坯。

将熔炼炉中的母合金加热到1600℃后，倾倒入中间包，当钢水从导液管流出时启动雾化气体的压力达到2MPa，同时在支撑和旋转机构的带动下管坯移动速度为15～20mm/min，旋转速度20～60rpm匀速通过快速加热感应线圈，利用感应加热的方式将表面预热到800℃，然后进入雾化锥区域，逐渐形成复合工件，在第一根管坯移动和旋转的同时，另外一根管坯随之放置在支撑机构上，形成连续作业，最终喷制长度为5m、复合层厚度为2mm的复合管坯。

实施例2

喷射成形制备长度为3m，内层30mm，外层4mm厚的复合管坯。

将熔炼炉中的母合金加热到1580℃后，倾倒入中间包，当钢水从导液管流出时启动雾化气体的压力达到2MPa，同时在支撑和旋转机构的带动下管坯移动速度为7～10mm/min，旋转速度30～60rpm匀速通过高频感应线圈，利用感应加热的方式将表面预热到900℃，然后进入雾化锥区域，逐渐形成复合工件，在第一根管坯移动的同时，另外一根管坯随之放置在支撑机构上，形成连续作业，连续喷制长度为3m、复合层厚度为4mm的复合管坯。

实施例3

喷射成形制备长度为10m，内层100mm，外层5mm厚的复合管坯。

将熔炼炉中的母合金加热到1580℃后，倾倒入中间包，当钢水从导液管流出时启动雾化气体的压力达到1.2MPa，同时在支撑和旋转机构的带动下管坯移动速度为5～7mm/min，旋转速度10～60rpm匀速通过高频感应线圈，利用感应加热的方式将表面预热到950℃，然后进入雾化锥区域，逐渐形成复合工件，在第一根管坯移动和旋转的同时，另外一根管坯随之放置在支撑机构上，形成连续作业，最终喷制长度为10m、复合层厚度为5mm的复合管坯。

本发明能够连续生产各种长度和直径的复合管坯，并利用快速加热机构提高管坯基体的温度，增加复合层和管坯基体达到冶金结合的程度。所喷制的复合管坯晶粒细小，组织均匀，可以极大的提高复合管坯材料的性能，使之在恶劣环境中也能小易损坏。除此之外，本发明工艺应用的设备不受所喷制复合工件的长度限制，操作简单，较易实施，便于工业化生产。

Claims (10)

1.一种喷射成形连续制备复合管坯的方法，将雾化喷嘴设置在一充入惰性气体进行保护的空间内，雾化喷嘴通过导液管连接中间包，当待喷射的金属熔液的温度和成分满足要求之后将金属熔液倾倒入预热后的中间包中，金属熔液通过导液管流过雾化喷嘴，雾化喷嘴内部通有氮气或氩气，对流过其中间孔的金属熔液进行雾化喷射，形成雾化锥，管坯基体水平放置在旋转和前进的轨道上，管坯基体在雾化喷嘴下方自一侧向另一侧水平移动同时旋转；管坯基体在水平移动过程中待沉积部位同时被高频感应线圈加热；随着金属熔液不断被雾化、沉积一边旋转一边前进，当管基体坯移动至一定长度，另一侧自动夹持管坯，同时旋转和沉积，最终将整个管坯基体上均匀沉积一层，形成复合管坯；同时当长度达到所要求的程度之后，将已经喷制完毕的复合管坯移至储存库缓慢冷却，同时后续的管坯基体紧跟着在被快速感应加热之后移动至喷射沉积位置，开始进行新的一根复合管坯的喷制。

2.如权利要求1所述的喷射成形连续制备复合管坯的方法，其特征是，采用感应加热的方式将母合金熔化成成分和温度都符合要求的金属熔液，整个冶炼过程单独在外部进行，后续移至中间包位置将金属熔液倾倒至中间包内，或将整个熔炼炉放置在熔炼舱内部，使整个熔炼过程处于真空状态，并且处于惰性气体保护下。

3.如权利要求1所述的喷射成形连续制备复合管坯的方法，其特征是，利用感应加热系统或者电阻丝烘烤系统将中间包及导液管进行充分的预热烘烤，烘烤温度900～1200℃。

4.如权利要求1所述的喷射成形连续制备复合管坯的方法，其特征是，在连续制备复合管坯时，雾化喷嘴采用单喷嘴或者多喷嘴，对流出导液管的金属熔液进行雾化；雾化喷嘴采用限制式喷嘴或者非限制式扫描雾化喷嘴。

5.如权利要求1或4所述的喷射成形连续制备复合管坯的方法，其特征是，所述的雾化喷嘴并排排列，内部通有高压氮气或氩气，对从导液管流出的金属熔液进行雾化喷射，形成雾化锥。

6.如权利要求4所述的喷射成形连续制备复合管坯的方法，其特征是，限制式雾化喷嘴的雾化压力为0.5～2.5MPa；非限制式扫描雾化喷嘴的一级雾化压力为0.1～0.6MPa，二级雾化压力为0.5～2MPa。

7.如权利要求1所述的喷射成形连续制备复合管坯的方法，其特征是，所述的金属熔液过热度为150～350℃。

8.如权利要求1所述的喷射成形连续制备复合管坯的方法，其特征是，所述管坯基体支撑和旋转机构为一组可以带动管坯基体旋转和移动的传动装置，管坯基体在该传动装置的带动下移动和旋转，移动速度为10～250mm/min，旋转速度10～250rpm。

9.如权利要求1所述的喷射成形连续制备复合管坯的方法，其特征是，还设置高频感应加热装置，在管坯基体进入雾化锥之前，在1～3min内将管坯基体表面快速加热到700～1000℃。

10.如权利要求9所述的喷射成形连续制备复合管坯的方法，其特征是，所述的高频感应加热装置的加热频率在3000～10000Hz，功率在100-500KW。