CN105598410A - 一种三层双金属离心浇铸耐磨管及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种三层双金属离心浇铸耐磨管及其制备方法，该耐磨管包括高铬铸铁内外层，低碳钢或不锈钢或低合金钢中间层，其制备方法包括分别将高铬铸铁、低碳钢或不锈钢或低合金钢熔炼成金属液并预处理，在模筒内壁喷涂防护层并预热，离心浇铸中间层，离心浇铸内层和外层，逐步降低模筒转速完成浇铸。本发明工艺简单、成材率高、实用性强，制备的耐磨管外表面由高铬铸铁金属层包覆，不但耐腐蚀性好，还具有优异的抗固液两相流冲蚀磨损性能。

Description

一种三层双金属离心浇铸耐磨管及其制备方法
技术领域
本发明涉及钢管制备技术领域，具体涉及一种三层双金属离心浇铸耐磨管及其制备方法。
背景技术
双金属离心浇铸复合管是近年快速发展的一种工程管道，在船舶、疏浚、采矿、水泥等行业有着广泛的应用。通常情况下，双金属离心浇铸复合管的内层由耐磨性和耐腐蚀性较高的高铬铸铁组成，而外层则由强韧性较大的合金钢或低碳钢组成。相比传统的单金属管材，双金属离心浇铸复合管因为兼具了强韧性大、耐磨性高和耐腐蚀性强的优点而具有更长的服役寿命。
然而，随着现代工业的发展，在实际应用中发现双金属离心浇铸复合管的外层管在一些特殊服役环境下仍具有较低的服役寿命。例如，当双金属复合管的外层管为不锈钢材质时，因为不锈钢具有较低的耐磨性使得不锈钢外层管在粉料冲击和流体冲刷下易于发生磨损失效；而当外层管为低碳钢或低合金钢时，因其具有较低的耐腐蚀性使得外层管在湿热气氛下易于发生腐蚀失效。为了克服上述问题，在实际生产中常用的方法为增加外层管的厚度，而这无疑增加了管材的制造成本。因此，在保证双金属复合管强韧性及耐磨性的前提下，尽可能的提高复合管外层金属的耐磨性及耐腐蚀性是提高复合管服役寿命的一个重要发展方向。
发明内容
本发明的目的在于解决现有双金属离心浇铸复合管外层易磨损、易腐蚀的问题，提供一种三层双金属离心浇铸耐磨管及其制备方法。
本发明的技术方案如下：
一种三层双金属离心浇铸耐磨管，包括内层、中间层和外层，所述内外层均为高铬铸铁材质，中间层为低碳钢或不锈钢或低合金钢材质。
如前所述三层双金属离心浇铸耐磨管的制备方法，包括以下步骤：a分别将高铬铸铁、低碳钢或不锈钢或低合金钢熔炼成金属液，依次进行去渣、脱氧处理并在预设温度进行保温，b在模筒内壁喷涂防护层并预热，c将低碳钢或不锈钢或低合金钢金属液倒入旋转的模筒内离心浇铸中间层，d将高铬铸铁金属液倒入旋转的模筒内离心浇铸内层和外层，e逐步降低模筒转速完成浇铸。
优选的，步骤a所述预设温度为1500-1700℃。
优选的，步骤b喷涂防护层前先将模筒加热至300℃并保持300转/min的转速，所述防护层为锆英砂隔离层，喷涂完成后停止转动模筒并将其置于500℃下保温1h。
优选的，步骤c、d离心浇注时模筒的转速为343-437转/min。
优选的，步骤d离心浇铸内层和外层前需将中间层冷却至特定温度T，所述特定温度T由下式决定
T = T 0 - η 2 δ D 0 α
式中T0——低碳钢或不锈钢或低合金钢的熔点；
d——耐磨管高铬铸铁外层的厚度；
D0——模筒内径，D0不小于400mm；
a——低碳钢或不锈钢或低合金钢的线膨胀系数；
η——修正系数，η的值在0.8-1.3之间。
优选的，步骤d中高铬铸铁金属液从模筒另一端倒入，浇铸完成5min后调节模筒转速至250转/min并保持5min。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：1.采用双液双金属离心浇铸实现了三层复合耐磨管的制备，工艺简单、成材率高、实用性强；2.高铬铸铁在氧化性腐蚀气氛中，其表面能生成一层很薄且附着致密的氧化膜，从而使制备的耐磨管具有很高的耐腐蚀性能；3.高铬耐蚀铸铁属于白口铸铁，其硬度较高，而且耐热性也很好。因此三层双金属离心浇铸耐磨管的外表面由高铬铸铁金属层包覆时，管材不但耐腐蚀性好，还有优异的抗固液两相流冲蚀磨损性能。
附图说明
图1为本发明三层双金属离心浇铸耐磨管的结构示意图；
图2为本发明实施例1制备的三层双金属离心浇铸耐磨管实物剖面图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明耐磨管中间层材料可以为低碳钢、不锈钢、低合金钢中的一种以及其他性质类似钢材。模筒尺寸D0可依据实际情况确定，其内径一般不低于400mm，计算特定温度T的修正系数在0.8-1.3范围内，其具体数值由实验确定。
实施例1
a熔炼金属液及前处理。将高铬铸铁和低碳钢废料分别置于两个电炉中单独熔炼，待高铬铸铁和低碳钢金属完全熔化后对金属液分别进行去渣和脱氧处理，随后调整电炉加热功率将高铬铸铁和低碳钢金属液的温度分别控制在1540℃和1640℃
b模筒喷涂及预热。将内壁清理干净的模筒置于电阻炉中加热，待模筒温度达到300℃时将模筒吊至离心机滚轮上。开启电机使模筒的转速保持在300转/分钟，随后向模筒内喷涂锆英砂隔离层。喷涂结束后关停模筒驱动电机，将模筒吊装至电阻炉中于500℃保温一小时进行烘烤处理。
c离心浇铸中间层。在熔炼金属以及预热模筒的同时，对浇包也进行烘烤预热处理。将预热好的模筒从电阻炉中吊至离心机滚轮上，开启电机使模筒的转速保持在343转/分钟，随后将电炉中的低碳钢金属液倒入预热好的浇包中，通过电子称控制倒入浇包中的金属液质量为875公斤。最后将浇包中的低碳钢金属液倒入旋转的模筒内，完成低碳钢中间层1的离心浇铸。
d离心浇铸内层和外层。通过红外测温仪测量转动模筒内低碳钢中间层的温度，待低碳钢中间层温度降至1100℃时，将电炉内的高铬铸铁金属液倒入浇包中，倒入的质量为470公斤。待模筒内的低碳钢中间层温度降至特定温度T＝730℃时，将浇包内的高铬铸铁金属液倒入旋转的模筒内。此时高铬铸铁金属液将完全覆盖低碳钢中间层的内表面，并反渗入低碳钢中间层和模筒之间的间隙，实现对低碳钢中间层外表面进行包覆。高铬铸铁金属液浇铸结束后等待5分钟，随后调低模筒转速至250转/每分钟并保持5分钟，接下来逐步调低模筒转速，完成耐磨管高铬铸铁内层2、外层3的离心浇铸。
此处，低碳钢熔点T0＝1450℃，耐磨管高铬铸铁外层的厚度δ＝4mm，模筒内径D0＝704mm，低碳钢线膨胀系数α＝15×10-6/℃，修正系数η＝0.95，由此计算得到特定温度T为730℃。
图1为本发明制备的三层双金属离心浇铸耐磨管结构示意图，图2为本发明实施例1制备的三层双金属离心浇铸耐磨管实物局部剖面图。该三层耐磨管的外径为700mm，长3500mm，低碳钢中间层厚度大约为15mm，高铬铸铁内层和外层的厚度约为4-4.5mm，高铬铸铁外层均匀的包覆在低碳钢中间层的表面，这将极大地改善复合管外表面的耐磨性及耐腐蚀性。
实施例2
a熔炼金属液及前处理。将高铬铸铁和低碳钢废料分别置于两个电炉中单独熔炼，待高铬铸铁和低碳钢金属完全熔化后对金属液分别进行去渣和脱氧处理，随后调整电炉加热功率将高铬铸铁和低碳钢金属液的温度分别控制在1560℃和1670℃
b模筒喷涂及预热。将内壁清理干净的模筒置于电阻炉中加热，待模筒温度达到300℃时将模筒吊至离心机滚轮上。开启电机使模筒的转速保持在300转/分钟，随后向模筒内喷涂锆英砂隔离层。喷涂结束后关停模筒驱动电机，将模筒吊装至电阻炉中于500℃保温一小时进行烘烤处理。
c离心浇铸中间层。在熔炼金属以及预热模筒的同时，对浇包也进行烘烤预热处理。将预热好的模筒从电阻炉中吊至离心机滚轮上，开启电机使模筒的转速保持在385转/分钟，随后将电炉中的低碳钢金属液倒入预热好的浇包中，通过电子称控制倒入浇包中的金属液质量为860公斤。最后将浇包中的低碳钢金属液倒入旋转的模筒内，完成低碳钢中间层1的离心浇铸。
d离心浇铸内层和外层。通过红外测温仪测量转动模筒内低碳钢中间层的温度，待低碳钢中间层温度降至1100℃时，将电炉内的高铬铸铁金属液倒入浇包中，倒入的质量为555公斤。待模筒内的低碳钢中间层温度降至特定温度T＝850℃时，将浇包内的高铬铸铁金属液倒入旋转的模筒内。此时高铬铸铁金属液将完全覆盖低碳钢中间层的内表面，并反渗入低碳钢中间层和模筒之间的间隙，实现对低碳钢中间层外表面进行包覆。高铬铸铁金属液浇铸结束后等待5分钟，随后调低模筒转速至250转/每分钟并保持5分钟，接下来逐步调低模筒转速，完成耐磨管高铬铸铁内层2、外层3的离心浇铸。
此处，低碳钢熔点T0＝1450℃，耐磨管高铬铸铁外层的厚度δ＝4.3mm，模筒内径D0＝904mm，低碳钢线膨胀系数α＝15×10-6/℃，修正系数η＝0.945，由此计算得到特定温度T为850℃。
实施例2制备的三层耐磨管的外径为900mm，长2500mm，低碳钢中间层厚度约为16mm，高铬铸铁外层和内层的厚度分别约为4.3mm和6mm。
实施例3
a熔炼金属液及前处理。将高铬铸铁和低碳钢废料分别置于两个电炉中单独熔炼，待高铬铸铁和低碳钢金属完全熔化后对金属液分别进行去渣和脱氧处理，随后调整电炉加热功率将高铬铸铁和低碳钢金属液的温度分别控制在1570℃和1670℃。
b模筒喷涂及预热。将内壁清理干净的模筒置于电阻炉中加热，待模筒温度达到300℃时将模筒吊至离心机滚轮上。开启电机使模筒的转速保持在300转/分钟，随后向模筒内喷涂锆英砂隔离层。喷涂结束后关停模筒驱动电机，将模筒吊装至电阻炉中于500℃保温一小时进行烘烤处理。
c离心浇铸中间层。在熔炼金属以及预热模筒的同时，对浇包也进行烘烤预热处理。将预热好的模筒从电阻炉中吊至离心机滚轮上，开启电机使模筒的转速保持在437转/分钟，随后将电炉中的低碳钢金属液倒入预热好的浇包中，通过电子称控制倒入浇包中的金属液质量为985公斤。最后将浇包中的低碳钢金属液倒入旋转的模筒内，完成低碳钢中间层1的离心浇铸。
d离心浇铸内层和外层。通过红外测温仪测量转动模筒内低碳钢中间层的温度，待低碳钢中间层温度降至1100℃时，将电炉内的高铬铸铁金属液倒入浇包中，倒入的质量为660公斤。待模筒内的低碳钢中间层温度降至特定温度T＝980℃时，将浇包内的高铬铸铁金属液倒入旋转的模筒内。此时高铬铸铁金属液将完全覆盖低碳钢中间层的内表面，并反渗入低碳钢中间层和模筒之间的间隙，实现对低碳钢中间层外表面进行包覆。高铬铸铁金属液浇铸结束后等待5分钟，随后调低模筒转速至250转/每分钟并保持5分钟，接下来逐步调低模筒转速，完成耐磨管高铬铸铁内层2、外层3的离心浇铸。
此处，低碳钢熔点T0＝1450℃，耐磨管高铬铸铁外层的厚度δ＝4.5mm，模筒内径D0＝1204mm，低碳钢线膨胀系数α＝15×10-6/℃，修正系数η＝0.942，由此计算得到特定温度T为980℃。
实施例3制备的三层耐磨管的外径为1200mm，长2000mm，低碳钢中间层厚度约为17mm，高铬铸铁外层和内层的厚度分别约为4.5mm和7mm。
实施例4
a熔炼金属液及前处理。将高铬铸铁和不锈钢分别置于两个电炉中单独熔炼，待高铬铸铁和不锈钢完全熔化后对金属液分别进行去渣和脱氧处理，随后调整电炉加热功率将高铬铸铁和不锈钢金属液的温度分别控制在1500℃和1700℃。
b模筒喷涂及预热。将内壁清理干净的模筒置于电阻炉中加热，待模筒温度达到300℃时将模筒吊至离心机滚轮上。开启电机使模筒的转速保持在300转/分钟，随后向模筒内喷涂锆英砂隔离层。喷涂结束后关停模筒驱动电机，将模筒吊装至电阻炉中于500℃保温一小时进行烘烤处理。
c离心浇铸中间层。在熔炼金属以及预热模筒的同时，对浇包也进行烘烤预热处理。将预热好的模筒从电阻炉中吊至离心机滚轮上，开启电机使模筒的转速保持在366转/分钟，随后将电炉中的不锈钢金属液倒入预热好的浇包中，通过电子称控制倒入浇包中的金属液质量为620公斤。最后将浇包中的不锈钢金属液倒入旋转的模筒内，完成不锈钢中间层1的离心浇铸。
d离心浇铸内层和外层。通过红外测温仪测量转动模筒内不锈钢中间层的温度，待不锈钢中间层温度降至1100℃时，将电炉内的高铬铸铁金属液倒入浇包中，倒入的质量为680公斤。待模筒内的不锈钢中间层温度降至特定温度T＝900℃时，将浇包内的高铬铸铁金属液倒入旋转的模筒内。此时高铬铸铁金属液将完全覆盖不锈钢中间层的内表面，并反渗入不锈钢中间层和模筒之间的间隙，实现对不锈钢中间层外表面进行包覆。高铬铸铁金属液浇铸结束后等待5分钟，随后调低模筒转速至250转/每分钟并保持5分钟，接下来逐步调低模筒转速，完成耐磨管高铬铸铁内层2、外层3的离心浇铸。
此处，不锈钢熔点T0＝1422℃，耐磨管高铬铸铁外层的厚度δ＝5mm，模筒内径D0＝1004mm，不锈钢线膨胀系数α＝19.1×10-6/℃，修正系数η＝1.0，由此计算得到特定温度T为900℃。
实施例4制备的三层耐磨管的外径为1000mm，长2000mm，不锈钢中间层厚度约为14mm，高铬铸铁外层和内层的厚度分别约为5mm和8mm。
对比试验表明，本发明制造的三层双金属离心浇铸耐磨管在实际使用中，内外层材料在水沙固液两相流冲蚀磨损工况下的耐磨性是普通35SiMn材料的5-8倍。

Claims (7)

1.一种三层双金属离心浇铸耐磨管，其特征在于：所述耐磨管包括内层、中间层和外层，内层和外层均为高铬铸铁材质，中间层为低碳钢或不锈钢或低合金钢材质。
2.如权利要求1所述的三层双金属离心浇铸耐磨管的制备方法，其特征在于包括以下步骤：a分别将高铬铸铁、低碳钢或不锈钢或低合金钢熔炼成金属液，依次进行去渣、脱氧处理并在预设温度进行保温，b在模筒内壁喷涂防护层并预热，c将低碳钢或不锈钢或低合金钢金属液倒入旋转的模筒内离心浇铸中间层，d将高铬铸铁金属液倒入旋转的模筒内离心浇铸内层和外层，e逐步降低模筒转速完成浇铸。
3.如权利要求2所述的三层双金属离心浇铸耐磨管的制备方法，其特征在于：步骤a所述预设温度为1500-1700℃。
4.如权利要求2所述的三层双金属离心浇铸耐磨管的制备方法，其特征在于：步骤b喷涂防护层前先将模筒加热至300℃并保持300转/min的转速，所述防护层为锆英砂隔离层，喷涂完成后停止转动模筒并将其置于500℃下保温1h。
5.如权利要求2所述的三层双金属离心浇铸耐磨管的制备方法，其特征在于：步骤c、d离心浇注时模筒的转速为343-437转/min。
6.如权利要求2所述的三层双金属离心浇铸耐磨管的制备方法，其特征在于：步骤d离心浇铸内层和外层前需将中间层冷却至特定温度T，所述特定温度T由下式决定
T = T 0 - η 2 δ D 0 α
式中T0——低碳钢或不锈钢或低合金钢的熔点；
δ——耐磨管高铬铸铁外层的厚度；
D0——模筒内径，D0不小于400mm；
α——低碳钢或不锈钢或低合金钢的线膨胀系数；
η——修正系数，η的值在0.8-1.3之间。
7.如权利要求2所述的三层双金属离心浇铸耐磨管的制备方法，其特征在于：步骤d中高铬铸铁金属液从模筒另一端倒入，浇铸完成5min后调节模筒转速至250转/min并保持5min。
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