CN104169015A - 用于终端消费者、具有最少内部和外部氧化、具有尺寸和顺序能选择的晶粒的管及管的制造方法 - Google Patents

Abstract

在管制造工业中，现今已知有五种制造管的方法。第一种是借助于压机挤出熔化的金属。第二种是借助于被称为“穿孔”或“穿轧”的旋转层合系统。第三种是由层合的条带获得的焊接的预制管。第四种被称为“铸造&卷绕”系统，从而直接由熔体获得的预制管被三重辊系统层合。最后是创新性的方式，从而连续竖向铸造从熔体连续地直接制造预制管。前四个系统广泛用于工业中，以制造所谓的“预制管”，其直径通常为60mm或更高，这应当称为“老式预制管”。不同的方法应用于老式预制管，以使其具有最终市场所要求的较小的直径和厚度。本发明在说明书中考虑到通过连续竖向铸造机器的生产线来实施该生产方法，直接从熔体生产预制管，这应当称为“新式预制管”。之后，作为第二步骤，新式预制管穿过两个同时、同步的拉长机器，最后穿过感应退火炉。因此，产品能够进行商用，满足国际标准，其可以通过利用工业常规方法拉长而减小到较小的尺寸。

Description

用于终端消费者、具有最少内部和外部氧化、具有尺寸和顺序能选择的晶粒的管及管的制造方法

本发明的创新性方法表示专利申请1935-2011和PCT/CL2012/00013的继续，并且解决了根据专利申请1935-2011和PCT/CL2012/00013处理新式预制管以形成标准商业管所具有的技术问题。

传统的工序

如之前所述，传统的方法通常始于材料的熔化，利用该材料，通常称为“锭料”（技术术语）的圆筒在9.8cm（3.5英寸）到25.4cm（10英寸）或更大的范围内浇铸。然后，这些锭料在高温下被加热，然后在高压压机中挤出，或者借助于机械系统穿孔和拉长，结果形成在工业中已知的“预制管”，这种预制管如同本文指出的在本说明书中将被称为“老式预制管”。这种老式预制管具有的长度由锭料的尺寸和重量预先确定。在工业中，锭料的重量一般在75到400千克之间震荡，这限制了老式预制管的尺寸，原因是其必须受限于挤出压机或穿孔机的容量。

当形成老式预制管时，其经过一系列拉长处理，这些拉长处理基本上包括通过利用牵引而拉伸和降低其壁厚，使其通过：

i、碳化钨冲模；

ii、利用“塞子”或“卡盘”或“心轴”。

均在图1和2中示出。

换言之，老式系统包括使管穿过冲模或中空板，该冲模或中空板的孔具有碳化钨壁，具有的直径小于所提及的管。管穿过所述孔（在其一端处的直径减小之后），直径稍稍大于孔的塞子或金属圆筒被放置在预制管内。因此，当向管施加牵引时，所述的塞子被管推动，在穿过冲模时锁定和允许壁厚的减小，如图1和2所示。执行这个处理是必要的，原因是初始的老式预制管的直径大于60mm，这需要将直径减小，直到获得商业标准测量值。重要的是要指出，在每个拉长处理中减小不超过30%的管起始尺寸。根据后者，管必须重复地穿过该拉长处理，以获得商业所需的直径。例如，根据ASTM标准B-88，大量生产的最终产品通常为标称3/4英寸，其实际直径为7/8英寸（22.22mm），该产品必须穿过至少10道处理，以获得这些直径（图4），这增加了处理的成本，因此增加了管的成本，尤其是由于以下相关供应的消耗：

*高能量消耗，

*不必要的材料成本增加，

*劳动密集过度，和

*引发老式预制管的切割（或材料损失），这主要是由3个原因导致的：

-首先，为了将管在冲模中穿过（使其穿过冲模的孔）并且由此能够相对于管施加牵引，需要减小尺寸（一端逐渐变细），每次管穿过使得每个管的首段30或40变形，于是材料损失。

-损失的第二个来源是材料破损。当管的直径变小时，牵引变得更加强烈，且材料在每次穿过时都累积应力变形。如果管中存在瑕疵，那么管断裂而产生材料损失。

-最后，损失的第三个来源是产品的最终尺寸成形，其将直接取决于老式预制管的长度或锭料的重量和最终消费者所要求的尺寸。

本发明的创新性方法

本发明的生产方法包括使三阶段生产线统一，以获得标准管，其等同于传统生产线的方法的八分之一。这可以从图5中看出。

以下将描述这种在线生产过程的各阶段：

连续竖向铸造

连续竖向铸造方法为十九世纪七十年代产生的方法，用于专门制造无氧高导电性（OFHC）盘条。

在2008年5月期间，在生产连续中空盘条的Madeco处的这些机器之一中出现了不成功的铸造。在多次突破和测试之后，该联系中空盘条最终变成了专利申请1935-2011和申请PCT/CL2012/00013的起源。

从那时到今日，已经尝试了不同的方式来从这种类型的铸造机器获得管。已经能够对于38x2.5mm的预制管使得铸造方法标准化。

关于铸造机器的操作，以下是熔融过程和铸造开始的描述。

自动加载机将铜阴极进给到熔炉中，在熔炉中，熔化的金属的温度保持为1160+5°C，覆盖有薄片形式的石墨层，以部分地避免氧化。

在开始铸造过程之前，特定的冷却剂被提供给石墨基体、高岭土质耐火纤维杯、石墨杯和研钵，均如图7所示。

铸造过程始于插入钢管（“钓竿”），在钢管的末端上具有一块穿孔的钢（图8）。当该组件被插入到液态金属中时，液态金属进入石墨基体，并且固化在穿孔点上，其短时间进行沉淀，然后钓竿借助于牵引机器和夹辊被向上拉动（图9和图10），当金属预制管已经穿过牵引台时，钓竿被移除且该点被切割（图11）。在该时刻，预制管自身立起来，并且被带到接收器，这些预制管聚集在该接收器处。自此以后，所述的用该方法制成的预制管将被称为“新式预制管”。

这些新式预制管具有两个特定特性，这两个特定特性将它们与老式预制管区分开，且妨碍它们减小到适于销售的尺寸。这些是：

a、它们的结构无序微序列（取决于它们的冷却）和大尺寸晶粒，它们产生：

i、拉长过程中预制管的易碎性；和，

ii、拉长过程中微小裂纹的舒适外观；以及

b、它们导致快速氧化，在拉长过程中由于散发无氧化物颗粒而使得预制管产生破损。

利用该方法中所述的本发明，已经成功解决了所有上述问题。

管的材料包括金属和/或非金属、合金、金属化合物、金属-陶瓷合金、陶瓷或聚合物，优选为铜。

本发明的一个目的是确保新式预制管（仅由连续竖向铸造机器获得）能够最终形成为适于销售的产品所需的额外步骤的序列。

本发明的另一个目的是获得一种管，其中可以选择针对其应用所要求的晶粒类型，包括具有最小程度氧化或没有氧化的管。

优选地由铜制成的、利用以下所述方法获得的管的某些特性在于：其具有的晶粒的形成是均匀的，优选地是等轴的，平均晶粒尺寸在0.025mm到0.050mm的范围内，优选地为0.040mm。

此外，在化学上，铜管具有的硫浓度在2ppm–12ppm范围内，优选地为6.6ppm，并且该铜管具有的氧浓度在5ppm–12ppm范围内，优选地为10.5ppm。

参照本发明提出的方法，将表明所要求的步骤顺序。

拉长过程

如针对老式系统已经说明的，拉长过程大体上包括：利用牵引拉伸和减小管的壁厚，以使管穿过碳化钨冲模，管内具有塞子或卡盘或心轴，直到获得期望的结果。存在执行拉长过程的不同方式，如图2和3所示。

用于源自连续竖向铸造的新式预制管的拉长类型为浮动塞子类型，如以上提及的图2所示。

从连续铸造接收新式预制管，其测量值为38.00x2.50mm+/-5%。然后，其被带到拉长区，在该拉长区，由于串联工作的两个拉长机器的连接和同步而执行双拉长过程。

在开始拉长过程之前制备该材料。新式预制管被带到靠近夹具钻孔器，在这里其内侧被润滑，插入碳化钨塞子（图1），随后在卷起的管的开始处形成一个点，然后在该点处插入卷绕机，以便利用石蜡作为润滑/冷却剂，以恒定速度启动拉长生产线。新式预制管穿过第一拉长机器（图12），然后穿过应力调节器（图13），接下来所述的新式预制管穿过第二拉长机器（图14），该第二拉长机器利用所述的润滑剂/冷却剂执行第二区段减小，以最终将材料聚集在插入到篮子中的接收器内（图15），在该篮子中，材料被传递到以下的阶段（退火烘箱和冷却腔室）。

退火烘箱和冷却腔室

在这个过程中恢复管的机械特性（管发生再结晶）。

在没有这个步骤的情况下，将不可能在拉长过程中控制预制管的易碎性，原因是其具有的结构布置能够具有微小裂开，如上所述，具有无序的和大尺寸的晶粒，以及他们伴随有快速氧化，这在拉长过程中由于无氧颗粒的散布而产生破损。不解决这些问题，不可能满意地执行拉长过程。

从拉长机接收的材料被手动地插入到炉的入口引导件中（图16）。

为了开始该过程，利用惰性气体（优选氮）吹扫新式预制管的内侧。然后，其进入一腔室，在该腔室处，溶剂（例如松脂）施加到管的外部，以去除润滑剂和影响该过程的其它元素，例如粉尘、刨花或污渍等等。然后，管进入炉，在该炉中，感应线圈用来对材料进行加热。该炉以优选40米/分钟的最大速度和5000Amp的最大电流强度运转。随后，管穿过冷却腔室，在该冷却腔室处，金属的温度下降到室温，以最终将管滚到篮子中。在传递到该区域期间涂覆保护蜡。

利用同样的惰性气体（优选氮）恒定地渗透炉和冷却腔室的区域。

最终的产品是具有等轴晶粒结构的管，该等轴晶粒结构的平均尺寸为0.040mm。另外，因为其在惰性环境中运转，所以避免了在管的表面上形成氧化，因此该最终的产品与商业上确认的特性保持一致。

当该过程是已知的时，利用连续竖向铸造的管制造过程相对于传统工序所存在的原理上的优点在于：

1、其增加了产率，原因是许多连续竖向铸造生产线的尺寸比传统工序高20倍（分别为1500kg对75kg），这使得能量的使用优化了大约18%，材料的损失优化了大约40%。

2、其不需要用于制造圆筒的预先熔融，原因是该生产线自身具有小型熔融工序。这降低了传统熔融过程的能量消耗和污染物排放，原因是其通过感应进行加热。

3、其允许获得不同尺寸的管，尤其是在结束过程中在较短时间内获得较小直径的管。这对于能量消耗和材料损失而言是非常重要的特性，原因是获得该最终产品需要较少的处理步骤。

4、能够由具有较小直径的预制管开始，这使得能够以较高的安全性和质量获得较小直径的管，原因是熔融已经暴露于较小的应力。在最佳的情况下，传统系统中再处理的百分比达到25%；利用竖向连续铸造过程和为本发明目的的过程，再处理能够达到5%。

5、穿过竖向连续铸造过程的最终的管在化学成分上有所不同，如表I中所示，其中可以看到S和O₂的减少。

6、在感应炉中退火的预制管的95%的均匀晶粒的尺寸具有平均尺寸为0.040mm的等轴晶粒结构（图17）。

7、对于3/4L的产品，利用连续竖向铸造，1000kg的处理时间比传统过程快45%。

8、连续竖向铸造生产所需的人员比传统过程中使用的人员少35%。

9、可以选择想要使管有形化的晶粒的类型。

相比之下，经由本发明的方法获得的管自身与现有技术的方法的产品完全不同。

可以基于以下的表II分析这些物理特性：

表II

从表II的分析中可以清楚看到，本发明的方法的晶粒分布是非常均匀的，这减小氧化的速度和管的劣化。测试的其余部分是现有技术的部分，其中非均匀晶粒和/或大晶粒占据较大空间，在该空间中，氧气渗透，增加了其产生多个空间的分布的可变性，从而使得氧气渗透更加容易。

晶粒尺寸和硬度的组合为到最终消费者的管产品提供了较佳的机械性能。

最后，倒数第二行中出现的预制管与最接近本发明的改进相对应，表的最后一行对应于本发明申请的创新性系统。

附图说明：

图1。

（1）冲模

（2）塞子

图2。

（1）冲模

（2）塞子

（3）预制管

图3。

（1）冲模

（3）固定的心轴

（4）预制管

图4。

（5）传统的处理

（5a）熔融

（5b）刺穿或旋转压力系统

（5c）酸洗

（5d）逐渐变细1

（5e）工作台120,000lbs。

（5f）逐渐变细2

（5g）工作台50,000lbs。

（5h）大型块10,000lbs。

（7）切割处理

图5。

（6）连续竖向铸造过程

（6a）连续熔融

（6b）串联拉长

（6c）退火

（6d）卷绕

（7）切割处理

图6

（5）传统处理

（5a）熔融

（5b）刺穿或旋转压力系统

（5c）酸洗

（5d）逐渐变细1

（5e）工作台120,000lbs。

（5f）逐渐变细2

（5g）工作台50,000lbs。

（5h）大型块10,000lbs。

（6）连续竖向铸造过程

（6a）连续熔融

（6b）串联拉长

（6c）退火

（6d）卷绕

（7）切割处理

图7

图8

（8）挤压辊

（9）牵引辊

（10）钓管

（11）冷却水

（12）炉

（13）高岭土质耐火纤维套筒

（14）钓点

（15）石墨杯

（16）液态铜

（17）石墨基体

图9。

（14）钓点

（18）新式预制管

（19）固化前面

图10。

（14）钓点

（18）新式预制管

（19）固化前面

图11。

（18）新式预制管

（19）固化前面

图12。

图13。

图14。

图15。

图16。

图17。

图18。不同的现有技术方法和本发明的当前方法中所获得的产品的比较显微图。

（20）利用现有技术中已知的退火处理的连续竖向铸造方法的铜管区段，该区段具有大尺寸、非均匀晶粒，具有用于氧化的空间。

（21）不利用连续铸造系统的现有技术中已知的传统方法的铜管区段，该区段具有大晶粒、离析，具有用于氧化的足够的空间。

（22）在连续铸造形成新式预制管之后，本发明的方法的铜管区段，该区段具有均匀形成的晶粒，具有最小的离析，具有最小的用于氧化的空间。

申请的例子

作为本申请的例子，应当注意的是，制造用于建造工业的标称3/4英寸的标准管。

当1300-1500千克的新式预制管已经被熔融和通过连续竖向铸造而被铸造时，它们被带到拉长过程区段，以用于在两个拉长机器中进行第一和第二拉长，这两个拉长机器同时工作，直到获得优选地为30.00x1.44mm的直径。

这些拉长机器的产品聚集在篮子中，如图15所示，其将拉长过程与退火过程连接起来。

在退火之后，在圆形拉长机中处理材料，给出单个拉长底切，最后在笔直拉长机中给出最终的底切。

相比之下，在传统的方法中，对于在之前的例子中提及的用于建造工业的同样的标称3/4英寸的管，该方法的流程可见于图4。在该传统方法中，管初始被挤出或者借助于前述机械处理而获得。然后，当管变热和变形时，需要进行操纵以将其清洁掉所有的杂质或氧化物痕迹。对于后者，执行称为“酸洗”的处理，该处理包括化学浴，以去除这些杂质。当管被清洁时，形成一点，使得其能够被搓捻。当已经完成这些时，管被带到拉长区；管被拉伸所在这些区为大约30到40米长。

当在该区上执行初始减小并生产直径接近期望直径的管时，管在辊中利用圆形拉长机器通向拉长处理。这具有与该区相同的功能，但是具有较小的直径和较长的管。当已经获得期望的直径和厚度时，管被切割成商业上所需的长度。

在之前所附的表I中表示出所有这些根据本说明的比较。

Claims (14)

1.一种用于最终消费者的管，其具有最小的内部氧化和外部氧化，其特征在于，该管的晶粒的尺寸和顺序能够被选择。

2.根据权利要求1所述的管，其特征在于，该管的结构条件包括金属和/或非金属、合金、金属化合物、金属-陶瓷合金、陶瓷或聚合物，优选为铜。

3.根据权利要求2所述的管，其特征在于，该管具有均匀形成的晶粒，该晶粒优选地为等轴的晶粒，具有的平均晶粒尺寸在0.025mm到0.050mm的范围内，优选地为0.040mm。

4.根据权利要求2所述的管，其特征在于，该管具有的硫浓度在2ppm–12ppm范围内，优选地为6.6ppm，并且该管具有的氧浓度在5ppm–12ppm范围内，优选地为10.5ppm。

5.一种用于最终消费者的管的生产方法，该管具有最小的内部氧化和外部氧化，由此能够获得直径比初始预制管小的管，该方法全部借助于用于在连续竖向铸造中形成预制管的处理来执行，该连续竖向铸造优化了能量消耗、劳动力、产率、材料损失和污染物的产生，其特征在于，该方法包括以下阶段：

a）利用逐渐变细设备制备从连续竖向铸造处理获得的预制管，该预制管的内部被润滑并且插入拉长卡盘，然后，在预制管滚动开始处形成一点，该点被插入在卷轴中；

b）以恒定速度启动第一拉长机；

c）从第一拉长机出来的管穿过串联设置的张力调节设备；

d）已经穿过第一拉长机的、由张力调节设备容纳的管传递到也串联设置的第二拉长机，在该第二拉长机处执行第二减小；

e）从第二拉长机出来的材料连续地聚集在篮子中；

f）聚集的、已经穿过两个拉长机的材料进入退火炉，以便重组最终管的微观结构，降低氧化速度，使其能够被搓捻；

g）利用惰性气体吹扫管的内部；

h）清洁管的外部；

i）该炉通过感应加热该管；

j）将该管快速传递到冷却腔室中；

k）在篮子中卷绕最终的管，以形成其后续尺寸。

6.根据权利要求5的生产方法，其特征在于，阶段j）生产DHP（“脱氧高磷”）管，该管的测量值的范围为从直径22.22mm、厚度1.14mm到直径4.76mm、厚度0.30mm，优选地直径为38mm，壁厚为2.5mm。

7.根据权利要求5的生产方法，其特征在于，该方法的输入速度包括1m/min的最大连续竖向铸造速度、50L/min的水流和8巴的水压。

8.根据权利要求5的生产方法，其特征在于，同时地且串联地工作的拉长机的原材料为在连续竖向铸造中生产的预制管，在第一减小中减小的范围为30.25%到38.38%，优选地为38.38%，在第二减小中减小的范围为22.69%到26.78%，优选地为26.78%，累计获得的减小的范围为46.08%到54.88%，优选地为54.88%。

9.根据权利要求5的生产方法，其特征在于，拉长机在点c）和e）处以35m/min的平均速度工作，并且它们还在每个机器中具有冷却系统。

10.根据权利要求9的生产方法，其特征在于，石蜡用作外部润滑/冷却剂。

11.根据权利要求5的生产方法，其特征在于，感应炉与拉长机器的生产一起工作，工作速度优选地在6m/min–40m/min的范围内，电力优选地在1200–5000A的范围内。

12.根据权利要求11的生产方法，其特征在于，感应炉以40m/min的速度、优选地以600Kva的电力进行工作。

13.根据权利要求11的生产方法，其特征在于，在进入炉之前，用于点h）的溶剂优选地为松脂，并且在冷却区域和卷绕区域之间使用保护蜡。

14.根据权利要求5的生产方法，其特征在于，从点g）向前使用的惰性气体优选地为氮。