CN105014311B - 一种三层结构双金属冶金复合管的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种三层结构双金属冶金复合管的制备方法，首先采用消失模铸造的方法，浇注出内层和外层薄壁高合金耐蚀管坯，然后采用砂型铸造与消失模铸造结合的方法，以内外层高合金管坯为型芯，中间层以EPS造型，浇注出中间层碳钢管坯，得到不锈钢/碳钢/不锈钢三层结构双金属复合管坯。将所得三层结构双金属管坯，经过三辊热轧扩径变形制造三层结构双金属复合管。本发明通过消失模铸造的方法得到高精度的内层及外层金属表面，内、外层金属厚度可控；三辊热轧扩径变形抗力小，三层金属间高强度冶金结合，内、外层表面精度高，椭圆度好，壁厚精度高。
Description
技术领域
本发明属于双金属复合管制备技术领域，公开一种不锈钢/碳钢/不锈钢三层结构双金属冶金复合管制备方法。
背景技术
双金属复合管作为一种新型管材，以其良好的抗腐蚀性能和较为便宜的价格在国外海洋油气田开发中得到了广泛的应用，然而在国内海上油气田开发中的应用并不多见。不锈钢/碳钢/不锈钢三层结构双金属冶金复合管是由中间层碳钢材料和内、外层抗腐蚀合金钢材料制成的，在保证管材强度的前提下，满足管材内、外壁耐腐蚀要求。冶金结合界面复合管以其良好的界面及力学性能，成为油气田大规模用管的首选，特别是热轧复合管，凭借其较高的可靠性和较强的品种适应性，在双金属管材众多生产工艺的竞争中脱颖而出。
传统方法生产的冶金复合管型材，界面未能实现完全的冶金结合，仍存在部分间隙，这些间隙往往是裂纹扩展、腐蚀开裂的起点。海上油气田管材铺设成本高昂，良好的界面结合是保证管材稳定服役的先决条件。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种三层结构双金属冶金复合管的制备方法，用于制备由不锈钢/碳钢/不锈钢三层结构双金属复合管坯，并经扩径的方法制备双金属冶金复合管，通过三层金属在浇注过程中的熔合，以及三辊热轧扩径工艺中的塑性变形，获得冶金结合良好的不锈钢/碳钢/不锈钢三层结构双金属复合管，加强各层之间的结合强度，达到完全冶金结合的目的，大大缓解层之间的界面应力，减少界面处的应力集中，防止在界面处产生裂纹扩展，避免出现腐蚀开裂的起点，提高了成品管的抗腐蚀能力，保证复合管服役的稳定性和可靠性，延长了管线的服役寿命。
为了解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：
一种三层结构双金属冶金复合管的制备方法，所述的三层结构为不锈钢/碳钢/不锈钢，采用二次浇注制备不锈钢/碳钢/不锈钢三层结构双金属管坯包括管坯内层、外层高合金耐蚀钢和管坯中间层碳钢，而后通过热轧工艺制造双金属复合管，具体步骤如下：
步骤一：采用消失模铸造方法，选用EPS造型，使用高频感应炉冶炼高合金钢，在负压下进行浇注，落砂清理后分别得到内、外层薄壁高合金管；
步骤二：采用砂型铸造与消失模铸造结合的方法，选用适当规格的EPS造型得到低碳钢中间层的模型，以内、外层薄壁高合金管为型芯，三者之间采用小间隙配合，满足内外薄壁同心的要求，利用感应线圈对三层结构装配体进行预热，将其作为铸造模具放入砂箱，砂箱可以控制温度，防止其冷却过快，利用型砂充满砂箱底部以及外壁的部分，冶炼一炉碳钢，浇注中间层EPS模型，得到不锈钢/碳钢/不锈钢三层结构双金属管坯；
步骤三：通过三辊阿塞尔轧管机对所得不锈钢/碳钢/不锈钢三层结构双金属管坯进行热轧扩径，根据变形量选择轧制道次，在轧制温度区间内完成双金属复合管的扩径过程。
进一步的，步骤一的消失模铸造采用一浇一冒浇注系统，步骤二的砂型铸造与消失模铸造结合采用阶梯注入式浇注系统。
进一步的，步骤一的消失模铸造中，浇注温度为1600℃，在0.05MPa的负压下进行浇注，浇注速度控制在6kg/s，步骤二的砂型铸造与消失模铸造结合工艺中，对三层结构装配体进行预热，预热温度为1000℃-1300℃。
进一步的，步骤三的阿塞尔轧管机的热轧扩径工艺为，轧制温度为950-1100℃，阿塞尔轧辊的送进角γ为5-8°；展开角α设置在3-6°之间；开口角β设置为4-6°，轧辊转数为200-300转/分。
本发明的优点：
消失模铸造的铸件尺寸形状精确，重复性好，铸件的表面光洁度高，污染少，具有精密铸造的特点。为了进一步减少铸造内部缺陷，提高成品率，消失模铸造采用一浇一冒浇注系统，既能使气体有效排出，又能使铸件顺序凝固，使顶部得到高合金钢金属液的补充，将金属最后的凝固位置转移到冒口和浇口杯中，使缩松、缩孔等铸造缺陷最大限度的转移出管坯。
中间层碳钢浇注前对三层结构装配体进行预热，在随后的凝固过程中,内、外层与中间层的接触区域会出现一定厚度的熔融区,随后这一部分熔融区首先凝固,然后中间层钢液从两侧向中间逐渐凝固，中间层与内、外层金属之间将形成牢固的冶金结合。
中间层碳钢的砂型铸造与消失模铸造结合工艺采用阶梯注入式浇注系统，保证充型平稳，减少对内、外层高合金管坯管壁的冲刷，避免金属液发生飞溅、氧化及由此而形成的铸件缺陷，补缩作用好。
采用阿塞尔轧管机对不锈钢/碳钢/不锈钢三层结构双金属复合管坯进行热轧，壁厚精度高，内、外层金属表面精度能够保持在±(4％-7％)以内。
三辊扩径工艺在较高温度区间内有利于对热加工性能差、塑性较低的高合金钢进行大塑性变形，促进不锈钢/碳钢/不锈钢三层结构双金属复合管复合界面的冶金复合。
采用二次浇注工艺，通过三层金属在浇注过程中的熔合，实现了界面的无间隙、连接成分平滑过渡，层界面低应力全冶金结合。避免了使用传统复杂的冶金复合工艺，不仅降低了生产成本，生产过程简便。
附图说明
图1：本发明工艺流程图。
图2：本发明砂型铸造示意图。
图3：在管的纵向中心平面的三个阿塞尔轧棍之一。
图4：阿塞尔轧辊输送角γ俯视图。
图中标号：1-浇口；2-直浇道；3-中箱；4-外型芯；5-下箱；6-上箱；7-冒口；8-内型芯；9-型腔；10-型砂；11-内层金属；12-中间层金属；13-外层金属；α-展开角；β-开口角；γ-送进角。
具体实施方式
实施例1
参见附图1和附图2，(1)选用直径0.5mm的EPS珠粒，使用间歇式蒸汽预发机在150℃下制备密度为0.02-0.025g/cm3的薄壁模型，模型尺寸为Φ169×5mm，反复涂覆水基涂料后烘干，选用硅砂为原料在砂箱中振动造型，使用高频感应炉冶炼高合金钢12Cr，消失模铸造采用一浇一冒浇注系统，浇注温度为1600℃，在0.05MPa的负压下进行浇注，浇注速度控制在6kg/s左右，刚开始慢浇，将直浇道通过后立即大量快浇，待到快要充满型腔时再放慢浇注速度，落砂清理后得到内层薄壁高合金12Cr管坯，内层管坯直径为169mm，壁厚为5mm，用同样的浇注工艺得到外层管坯直径211mm，壁厚为5mm；
(2)以薄壁高合金12Cr管坯为型芯，采用EPS造型得到尺寸为Φ201×16mm的中间层模型，以内外两层薄壁高合金管为型芯，与EPS造型三者之间采用小间隙配合作为铸造模具造型，保证三者之间处于同心的位置，使用高频感应炉冶炼09MnV碳钢一炉，浇注温度设定为1500℃，浇注速度控制在6kg/s，采用阶梯注入式浇注系统，铸出中间层09MnV管坯，得到Φ211×26mm不锈钢/碳钢/不锈钢三层结构双金属复合管坯。
在对中间层碳钢浇注前对三层结构装配体进行预热，在随后的凝固过程中，内、外层与中间层的接触区域会出现一定厚度的熔融区,随后这一部分熔融区首先凝固,然后中间层钢液从两侧向中间逐渐凝固，中间层与内、外层金属之间将形成牢固的冶金结合。本发明中，利用感应线圈对三层结构装配体进行预热，将其作为铸造模具放入砂箱，砂箱可以控制温度，防止其冷却过快，预热温度为1000℃-1300℃。
(3)采用阿塞尔轧管机对所得Φ211×26mm三层结构双金属复合管坯进行热轧，插棒取值间隙较小，轧制温度控制在950-1100℃，进行一道次轧制，总当量变形1.81。经过阿塞尔轧管机轧热轧之后切割一段双金属复合管进行分析，在复合界面处未发现裂纹及其他缺陷，双金属复合管整管壁厚不均度为6％,内层与外层壁厚3.0-4.0mm，中间层壁厚11.0-12.0mm，双金属管外径215-220mm。
实施例2
参见附图1和附图2，(1)选用直径0.5mm的EPS珠粒，使用间歇式蒸汽预发机在150℃下制备密度为0.02-0.025g/cm3的薄壁模型，模型尺寸为Φ154×9mm，反复涂覆水基涂料后烘干，选用硅砂为原料在砂箱中振动造型，使用高频感应炉冶炼高合金钢12Cr，消失模铸造采用一浇一冒浇注系统，浇注温度为1600℃，在0.05MPa的负压下进行浇注，浇注速度控制在6kg/s左右，刚开始慢浇，将直浇道通过后立即大量快浇，待到快要充满型腔时再放慢浇注速度，落砂清理后得到内层薄壁高合金12Cr管坯，内层管坯直径为154mm，壁厚为9mm，用同样的浇注工艺得到外层管坯直径218mm，壁厚为9mm；
(2)以薄壁高合金12Cr管坯为型芯，采用EPS造型得到尺寸为Φ200×23mm的中间层模型，以内外两层薄壁高合金管为型芯，与EPS造型三者之间采用小间隙配合作为铸造模具造型，保证三者之间处于同心的位置，使用高频感应炉冶炼09MnV碳钢一炉，浇注温度设定为1500℃，浇注速度控制在6kg/s，采用阶梯注入式浇注系统，铸出中间层09MnV管坯，得到Φ218×41mm不锈钢/碳钢/不锈钢三层结构双金属复合管坯。
在对中间层碳钢浇注前对三层结构装配体进行预热，在随后的凝固过程中,内、外层与中间层的接触区域会出现一定厚度的熔融区,随后这一部分熔融区首先凝固,然后中间层钢液从两侧向中间逐渐凝固，中间层与内、外层金属之间将形成牢固的冶金结合。本发明中，利用感应线圈对三层结构装配体进行预热，将其作为铸造模具放入砂箱，砂箱可以控制温度，防止其冷却过快，预热温度为1000℃-1300℃。
(3)采用阿塞尔轧管机对所得Φ218×41mm三层结构双金属复合管坯进行热轧，插棒取值间隙较小，轧制温度控制在950-1100℃，进行三道次轧制，第一道次当量变形1.52，第二道次当量变形1.67，第三道次当量变形1.89。经过阿塞尔轧管机轧热轧之后切割一段双金属复合管进行分析，在复合界面处未发现裂纹及其他缺陷，双金属复合管整管壁厚不均度为6.5％,内、外层壁厚3.0-4.0mm，中间层壁厚10.0-11.0mm，双金属管外径230-238mm。
参见附图3和附图4，在以上实例中，阿塞尔轧辊的送进角γ为5-8°；展开角α设置在3-6°之间；开口角β设置为4-6°，轧辊转数为200-300转/分。
应当明确的是，因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，按本发明构思所做出的显而易见的改进和修饰都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种三层结构双金属冶金复合管的制备方法，其特征在于，所述的三层结构为不锈钢/碳钢/不锈钢，采用二次浇注制备不锈钢/碳钢/不锈钢三层结构双金属管坯包括管坯内层、外层高合金耐蚀钢和管坯中间层碳钢，而后通过热轧工艺制造双金属复合管，具体步骤如下：
步骤一：采用消失模铸造方法，选用EPS造型，使用高频感应炉冶炼高合金钢，在负压下进行浇注，落砂清理后分别得到内、外层薄壁高合金管；
步骤二：采用砂型铸造与消失模铸造结合的方法，选用适当规格的EPS造型得到低碳钢中间层的模型，以内、外层薄壁高合金管为型芯，三者之间采用小间隙配合，满足内外薄壁同心的要求，利用感应线圈对三层结构装配体进行预热，将其作为铸造模具放入砂箱，砂箱可以控制温度，防止其冷却过快，利用型砂充满砂箱底部以及外壁的部分，冶炼一炉碳钢，浇注中间层EPS模型，得到不锈钢/碳钢/不锈钢三层结构双金属管坯；
步骤三：通过三辊阿塞尔轧管机对所得不锈钢/碳钢/不锈钢三层结构双金属管坯进行热轧扩径，根据变形量选择轧制道次，在轧制温度区间内完成双金属复合管的扩径过程；
步骤二中，中间层碳钢浇注前对三层结构装配体进行预热，在随后的凝固过程中，内、外层与中间层的接触区域会出现一定厚度的熔融区,随后这一部分熔融区首先凝固,然后中间层钢液从两侧向中间逐渐凝固，中间层与内、外层金属之间将形成牢固的冶金结合。
2.根据权利要求1所述三层结构双金属冶金复合管的制备方法，其特征在于：步骤一的消失模铸造采用一浇一冒浇注系统，步骤二的砂型铸造与消失模铸造结合采用阶梯注入式浇注系统。
3.根据权利要求1所述三层结构双金属冶金复合管的制备方法，其特征在于：步骤一的消失模铸造中，浇注温度为1600℃，在0.05MPa的负压下进行浇注，浇注速度控制在6kg/s，步骤二的砂型铸造与消失模铸造结合工艺中，对三层结构装配体进行预热，预热温度为1000℃-1300℃。
4.根据权利要求1所述三层结构双金属冶金复合管的制备方法，其特征在于：步骤三的阿塞尔轧管机的热轧扩径工艺为，轧制温度为950-1100℃，阿塞尔轧辊的送进角γ为5-8°；展开角α设置在3-6°之间；开口角β设置为4-6°，轧辊转数为200-300转/分。
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