CN106893971A - 一种金属管道表面在线合金化方法及装置 - Google Patents

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Abstract

一种金属管道表面在线合金化方法及装置，将待合金化金属管道置于前输送机构上，同时开启气体进气阀门，确保待合金化金属管道处于惰性环境中；在前输送机构作用下，待合金化金属管道首先穿过快速加热系统后升温至所需温度，达到金属管道合金化条件，然后在保温系统中行进保温，最后金属管道进入冷却系统中，冷却至100℃以下，完成管道表面合金化处理。整个金属管道在行进过程中处于逆向惰性气体保护环境中。本发明能够很好地完成金属表面合金化所需的苛刻条件(惰性气氛保护、快速升温、高温保温、动态在线等)，并且具有操作简单，效率高，合金化层厚度可控，扩散层质量高等优点。

Description

一种金属管道表面在线合金化方法及装置
技术领域
本发明属于金属管道表面热处理技术领域，具体涉及一种金属管道表面在线合金化方法及装置。
背景技术
金属管道在实际使用、服役过程中会不可避免的出现管壁的腐蚀、摩擦磨损以及微裂纹等问题，为了保证生产安全、延长管道服役寿命并降低经济成本，需在金属管道服役前对其管壁进行预强化处理，表面合金化是提高管道表面物化性能的有效途径之一。
表面合金化是指通过金属原子扩散及与金属表面层发生化学反应等改变基体金属表面的成分和组织的一种技术，在机械制造中主要应用的是铝、铬、硅、钒、锌等的表面合金化层或渗层；一般采用粉末包覆法或者熔盐法，但对于长管道表面的合金化层制备来说，包覆法或者熔盐法成本高、耗时长、效率低、不易实现，若将合金粉末制备成一种金属料浆喷涂于管道表面，之后再对其进行合金化热处理将不失为一种行之有效的方法。
金属管道在表面均匀喷涂一层特殊的金属料浆之后，进行合金化热处理将是成功制备合金化层的关键；为了达到理想的合金化热处理效果，经料浆喷涂的金属管道合金化热处理制度将包括预热、快速升温、保温以及冷却等阶段；预热的温度较低，主要目的是烘干金属料浆内部水分及挥发性有机物，确保管道表面与料浆金属粉的充分接触，消除间隙、内孔等缺陷；为防止金属粉末在升温过程中由于出现挥发、变质而造成成分偏差，拟采用快速升温即2min甚至1min之内升温至900℃-1100℃的方式至原子扩散温度，减少升温过程中合金粉的挥发；保温过程确保料浆中金属原子的扩散及与管道表面化学反应的发生，即表面合金化层的形成阶段；全程合金化热处理过程采用惰性气体保护直至冷却至100℃以内以防止管道表面的氧化。
对于所要求的快速升温、高温保温、全程惰性环境以及在线动态合金化过程为一体的热处理工艺，目前现有的管道在线热处理装置无法满足此要求并完成表面合金化过程。
发明内容
本发明的目的在于针对金属管道表面合金化层制备要求，提供了一种金属管道表面在线合金化方法和装置，该装置能够在线动态快速完成管道表面合金化层的制备，省时、高效。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种金属管道表面在线合金化装置，包括设备底座、管道输送机构、第一工作台、第二工作台、快速加热系统、保温系统、冷却系统、电、气柜控制系统以及高度能够调节的支撑平台系统；其中，所述第一工作台、第二工作台及支撑平台系统设置在设备底座上，快速加热系统和保温系统固定于支撑平台系统顶部，冷却系统末端开设有气体进气阀门，通过气体进气阀门通入惰性气体使金属管道全程在气体惰性环境中；管道输送机构、快速加热系统、保温系统以及冷却系统均与电、气柜控制系统相连；金属管道在管道输送机构的作用下，依次经快速加热系统、保温系统和冷却系统完成合金化。
本发明进一步的改进在于，支撑平台系统包括下固定框架和上支撑平台，下固定框架设置有若干用于起支撑作用并能够调节高度的定位光杆，快速加热系统设置在穿出上支撑平台的定位光杆上，保温系统同样设置在穿出上支撑平台的定位光杆上，通过分别调节快速加热系统底部的定位光杆和保温系统底部的定位光杆的高度，使快速加热系统和保温系统位于同一水平轴线上。
本发明进一步的改进在于，管道输送机构包括前输送机构以及后牵引机构，前输送机构设置在第一工作平台上，后牵引机构设置在冷却系统内；前输送机构以及后牵引机构结构相同；前输送机构和后牵引机构均包括若干滚轮，所有滚轮均通过同步带连接同一台电机。
本发明进一步的改进在于，前输送机构、快速加热系统以及保温系统均设置在壳体内，壳体前端开口，壳体末端密封，且前输送机构与快速加热系统之间设置有若干用于夹持金属管道的夹棍，壳体内位于保温系统的末端设置有若干用于夹持金属管道的夹棍，壳体与冷却系统之间密封连接。
本发明进一步的改进在于，冷却系统包括带有水套冷却的长方形箱体，箱体内设置有多个用于喷出起保护作用和冷却作用的气体的气环；箱体前端与壳体密封连接。
本发明进一步的改进在于，箱体侧壁上设置有能够活动的密封立板。
本发明进一步的改进在于，快速加热系统包括若干套装于待合金化金属管道上的感应加热线圈及用于控制感应加热线圈的功率控制设备。
一种金属管道表面在线合金化方法，将待合金化金属管道置于前输送机构上，同时开启气体进气阀门，确保待合金化金属管道处于惰性环境中；在前输送机构作用下，待合金化金属管道首先穿过快速加热系统后升温至所需温度，达到金属管道合金化条件，然后在保温系统中行进保温，最后金属管道进入冷却系统中，冷却至100℃以下，完成管道表面合金化处理。
本发明进一步的改进在于，通过调节待合金化金属管道行进的速率，实现待合金化金属管道各点在该温度下保温所需时间。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明在合金化的过程中，待合金化金属管道经输送机构输送至快速加热系统、保温系统以及冷却系统通孔，在穿过的过程中，快速加热系统及保温系统对管道进行快速升温与保温，冷却系统末端通过气体进气阀门逆向通入惰性气体，金属管道全程在逆向气体惰性环境中完成合金化实验过程，输送机构前端为敞开式，确保惰性气体的排放与管道的输送。本发明中快速加热系统和保温系统置于高度可调的支撑平台系统上，可对长度在1.2m～50m、管径为20mm～500mm的金属管进行表面合金化过程，且管道在进入快速升温系统时可瞬间完成升温过程，同时在保温系统中完成保温环节。
进一步的，同时在冷却系统端采用气环对管道进行气氛冷却，可实现快速冷却。
进一步的，通过分别调节快速加热系统底部的定位光杆和保温系统底部的定位光杆的高度，使快速加热系统和保温系统位于同一水平轴线上。
进一步的，冷却系统设置有能够活动的密封立板，待金属管完成合金化过程并完全进入到冷却系统冷却之后便可打开密封立板取出管道，然后再关上密封立板，等待下一段完成合金化的金属管道。
进一步的，前输送机构、快速加热系统以及保温系统均设置在壳体内，壳体前端开口，壳体末端密封，且前输送机构与快速加热系统之间设置有若干用于夹持金属管道的夹棍，壳体内位于保温系统的末端设置有若干用于夹持金属管道的夹棍，夹棍可以实现不同长度的金属管道的合金化。壳体与冷却系统之间密封连接，使得金属管道从始至终均处于惰性环境中，且金属管道与惰性气体为逆向接触。
本发明通过将待合金化金属管道置于前输送机构上，同时开启气体进气阀门，确保惰性环境；在前输送机构作用下，待合金化金属管道首先穿过快速加热系统后升温至所需温度，达到金属管道合金化条件，然后在保温系统中行进保温，最后金属管道进入冷却系统中，冷却至100℃以下，完成管道表面合金化处理。整个装置处于半封闭状态，冷却系统末端封闭，从冷却系统末端通入惰性气体，管道输送机构前端开口，由冷却系统末端进气阀通入惰性气体，整个金属管道在行进过程中处于逆向惰性气体保护环境中。本发明能够很好地完成金属表面合金化所需的苛刻条件(惰性气氛保护、快速升温、高温保温、动态在线等)，并且具有操作简单，效率高，合金化层厚度可控，扩散层质量高等优点。
进一步的，本发明中管道输送机构的行进速率连续可调，输送速率范围为0～200mm/min，合金管道在管道运输机构的动力作用下，在行进过程中即完成整个合金化过程，直至管道末端进入冷却系统冷却，实现管道在线动态连续合金化过程。
附图说明
图1为本发明的结构装置示意图；
图2为实施例1所对应的合金化层组织微观形貌；
图3为实施例2所对应的合金化层组织微观形貌。
图4为实施例3所对应的合金化层组织微观形貌。
图5为实施例4所对应的合金化层组织微观形貌。
图中，1为设备底座，2为第一工作台，3为第二工作台，4为支撑平台系统，5为管道输送机构，6为快速加热系统，7为保温系统，8为冷却系统，9为电、气柜控制系统，10为夹辊，11为下固定框架，12为上支撑平台，13为定位光杆，14为前输送机构，15为后牵引机构，16为合金化管道，17为气体进气阀门。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图1，本发明所述的一种金属管道表面在线合金化装置，包括设备底座1、支撑平台系统4、管道输送机构5、第一工作台2、第二工作台3、快速加热系统6、保温系统7、冷却系统8以及电、气柜控制系统9等；其中，所述第一工作台2、第二工作台3及支撑平台系统4下端均固定于设备底座1上，快速加热系统6和保温系统7固定于支撑平台系统4顶部，支撑平台系统4包括下固定框架11和上支撑平台12，下固定框架11设置有若干用于起支撑作用并能够调节高度的定位光杆13，具体的，快速加热系统6设置在穿出上支撑平台12的定位光杆上，同样的，保温系统7设置在穿出上支撑平台12的定位光杆上，通过分别调节快速加热系统6底部的定位光杆和保温系统7底部的定位光杆的高度，可以使快速加热系统6和保温系统7位于同一水平轴线上。
管道输送机构5用于输送金属管，并且管道输送机构5固定于第一工作台2上，具体的，管道输送机构5包括前输送机构14以及后牵引机构15，前输送机构14设置在第一工作平台2上，后牵引机构15设置在冷却系统8内。前输送机构14以及后牵引机构15结构相同；前输送机构14包括若干滚轮，后牵引机构15包括若干滚轮，所有滚轮均通过同步带连接同一台电机，金属管放置在滚轮上，在滚轮的作用下，金属管道能够前进。采用一台电机传动调节速度，保证前后同步输送，且输送速率连续可调。冷却系统8固定于第二工作台3上。
前输送机构14、快速加热系统6以及保温系统7均设置在壳体内，壳体前端开口，壳体末端密封，且前输送机构14与快速加热系统6之间设置有若干用于夹持金属管道的夹棍10，壳体内位于保温系统的末端设置有若干用于夹持金属管道的夹棍10，设置夹棍10可以使得不同长度的金属管道均能够实现在线合金化；壳体与冷却系统8之间密封连接。
冷却系统8前端与壳体密封连接，末端开设有用于向冷却系统内通入惰性气体的气体进气阀门17，通入惰性气体后，是待合金化金属管道惰性气体环境中。
需要说明的是，快速加热系统6包括感应加热线圈及用于控制感应加热线圈的功率控制设备，感应线圈应能套接于待合金化金属管道上，可实现快速加热。快速加热系统6和保温系统7可对长度在1.2m～50m、管径为20mm～500mm的金属管进行表面合金化过程，且金属管在进入快速升温系统6时可瞬间完成升温过程，同时在保温系统7中完成保温环节；由冷却系统8末端逆向通入惰性气体提供金属管合金化所需惰性环境及冷却系统所需冷却介质；金属管道在管道输送机构5的动力作用下，在行进过程中即完成整个合金化过程，直至金属管道末端进入冷却系统8冷却，实现金属管道在线动态连续合金化过程；冷却系统8采用侧开启式密封装置，即侧开启式密封装置包括带有水套冷却的长方形箱体，箱体前端与壳体密封连接，具体的，箱体与壳体相连通，采用密封卡箍进行密闭。末端开设有气体进气阀门17，箱体内设置有多个用于喷出起保护作用和冷却作用的气体的气环，从气体进气阀门17通入气体后，气体进入环形通道形成气环对进入到冷却系统中的金属管道进行冷却，由于壳体前端开口，所以惰性气体从气体进气阀门17进入后，从壳体前端排出，惰性气体与待合金化金属管道逆向接触；箱体侧壁设置有密封立板，待金属管完成合金化过程并完全进入到冷却系统8冷却之后便可打开密封立板取出金属管道，然后再关上密封立板，等待下一段完成合金化的金属管道。
所述电、气柜控制系统9包括人机交互界面及相关继电原器件、气体控制部件等。管道输送机构5、快速加热系统6、保温系统7以及冷却系统8均与电、气柜控制系统9相连。
定位光杆13能够穿过上支撑平台12，并可上下滑动进行调节高度，同时保证了上支撑平台12稳定。
基于上述金属管道表面在线合金化装置的方法：将待合金化试验金属管道置于管道输送机构5的前输送机构14上，根据金属管道外径调节夹辊10的间隙及下固定框架11上的定位光杆13，使金属管道轴线与快速加热系统6、保温系统7以及冷却系统8均处于同一水平轴线上，同时开启气体进气阀门17，确保惰性环境；在管道输送机构5的前输送机构14作用下，金属管道首先穿过快速加热系统6后迅速升温至所需温度，达到金属管道合金化条件，然后在保温系统7中继续行进保温，行进过程的速率可确保管道各点均能在该温度下恒温保持所需时间，最后金属管道进入冷却系统8中，在带有水套冷却的长形箱体以及内部多组逆向惰性气体气环的冷却方式下管道温度迅速冷却至100℃以下，打开外侧密封立板取出管道，然后再关上密封立板，等待下一段完成合金化的金属管道的冷却，从而实现管道表面合金化所需要的惰性气体环境保护、快速升温、高温保温、快速冷却以及动态在线连续式的技术要求，完成管道表面合金化处理。
本发明中保温系统7包括多台串联的高温电阻炉以及用于控制电阻炉的功率控制设备，待合金化金属管道16可穿过多台串联的高温电阻炉。
多个高温电阻炉能够实现不同温度下的保温，这样在实际生产中，可以根据需要进行不同温度下的保温。
以下将对表面喷涂有料浆的Super304H不锈钢锅炉管进行表面合金化处理。不锈钢锅炉管表面喷涂的料浆根据实际需要均可以调整，并且涂有不同种类的料浆的锅炉管均可以采用本发明的装置和方法实现合金化。
实施例1
本发明所述的一种金属管道表面在线合金化方法具体包括以下步骤：
1)将表面喷涂有料浆的Super304H不锈钢锅炉管置于管道输送机构5的前输送机构14上，调节夹辊10的间隙及上支撑平台12的定位光杆13，使管道轴线与快速加热系统6、保温系统7以及冷却系统8等均处于同一水平轴线上；
2)将电阻炉组全部升温至950℃，接通快速加热系统6的高压电源，调节功率大小确保管道经过线圈时的温度达到950～980℃之间；
3)打开冷却系统8末端的惰性气体进气阀门17，排气10min，使整个系统处于惰性气氛保护环境中；同时打开长形箱体的水套冷却系统；
4)开启管道输送机构5，以20mm/min的行进速率进入快速加热系统及保温系统；
5)管道通过后直接进入快速冷却系统8，待全部进入并冷却至100℃后打开外侧密封立板取出管道，然后再关上密封立板，即完成管道的表面合金化过程。
所述待表面合金化锅炉管尺寸为Φ50*8*2000mm。
实施例2
本发明所述的一种金属管道表面在线合金化方法具体包括以下步骤：
1)将表面喷涂有料浆的Super304H不锈钢锅炉管置于管道输送机构的前输送机构上，调节夹辊的间隙及上支撑平台的定位光杆，使管道轴线与快速加热系统、保温系统以及冷却系统等均处于同一水平轴线上；
2)将电阻炉组全部升温至950℃，接通快速加热系统的高压电源，调节功率大小确保管道经过线圈时的温度达到950～980℃之间；
3)打开冷却系统末端的惰性气体进气阀门，排气10min，使整个系统处于惰性气氛保护环境中；同时打开长形箱体的水套冷却系统；
4)开启管道输送结构，以150mm/min的行进速率进入快速加热区及保温区；
5)管道通过后直接进入快速冷却系统，待全部进入并冷却至100℃后打开外侧密封立板取出管道，然后再关上密封立板，即完成管道的表面合金化过程。
所述待表面合金化锅炉管尺寸为Φ25*5*2000mm。
实施例3
本发明所述的一种金属管道表面在线合金化方法具体包括以下步骤：
1)将表面喷涂有料浆的Super304H不锈钢锅炉管置于管道输送机构的前输送机构上，调节夹辊的间隙及上支撑平台的定位光杆，使管道轴线与快速加热系统、保温系统以及冷却系统等均处于同一水平轴线上；
2)将电阻炉组全部升温至1050℃，接通快速加热系统的高压电源，调节功率大小确保管道经过线圈时的温度达到1050～1100℃之间；
3)打开冷却系统末端的惰性气体进气阀门，排气10min，使整个系统处于惰性气氛保护环境中；同时打开长形箱体的水套冷却系统；
4)开启管道输送结构，以20mm/min的行进速率进入快速加热区及保温区；
5)管道通过后直接进入快速冷却系统，待全部进入并冷却至100℃后打开外侧密封立板取出管道，然后再关上密封立板，即完成管道的表面合金化过程。
所述待表面合金化锅炉管尺寸为Φ150*10*2000mm。
实施例4
本发明所述的一种金属管道表面在线合金化方法具体包括以下步骤：
1)将表面喷涂有料浆的Super304H不锈钢锅炉管置于管道输送机构的前输送机构上，调节夹辊的间隙及上支撑平台的定位光杆，使管道轴线与快速加热系统、保温系统以及冷却系统等均处于同一水平轴线上；
2)将电阻炉组全部升温至1050℃，接通快速加热系统的高压电源，调节功率大小确保管道经过线圈时的温度达到1050～1100℃之间；
3)打开冷却系统末端的惰性气体进气阀门，排气10min，使整个系统处于惰性气氛保护环境中；同时打开长形箱体的水套冷却系统；
4)开启管道输送结构，以200mm/min的行进速率进入快速加热区及保温区；
5)管道通过后直接进入快速冷却系统，待全部进入并冷却至100℃后打开外侧密封立板取出管道，然后再关上密封立板，即完成管道的表面合金化过程。
所述待表面合金化锅炉管尺寸为Φ150*8*2000mm。
图2为实施例1所对应的合金化层组织微观形貌，图3为实施例2所对应的合金化层组织微观形貌，图4为实施例3所对应的合金化层组织微观形貌，图5为实施例4所对应的合金化层组织微观形貌；从各实施例锅炉管表面合金化层微观形貌(图2～图5)可以看出，整个扩散层组织为双层结构，内层为合金化层，其组织结构均匀、平整，无裂纹、脱落及未扩散等缺陷，合金化层与基体结合良好，厚度合适。
经测试，实施例1-4合金化层平均厚度分别为41μm，28μm，56μm，37μm，其耐锅炉煤灰/烟气腐蚀性也较基体优异许多。

Claims (9)

1.一种金属管道表面在线合金化装置，其特征在于，包括设备底座(1)、管道输送机构(5)、第一工作台(2)、第二工作台(3)、快速加热系统(6)、保温系统(7)、冷却系统(8)、电、气柜控制系统(9)以及高度能够调节的支撑平台系统(4)；其中，所述第一工作台(2)、第二工作台(3)及支撑平台系统(4)设置在设备底座(1)上，快速加热系统(6)和保温系统(7)固定于支撑平台系统(4)顶部，冷却系统(8)末端开设有气体进气阀门(17)，通过气体进气阀门(17)通入惰性气体使金属管道全程在气体惰性环境中；管道输送机构(5)、快速加热系统(6)、保温系统(7)以及冷却系统(8)均与电、气柜控制系统(9)相连；金属管道在管道输送机构(5)的作用下，依次经快速加热系统(6)、保温系统(7)和冷却系统(8)完成合金化。
2.根据权利要求1所述的一种金属管道表面在线合金化装置，其特征在于，支撑平台系统(4)包括下固定框架(11)和上支撑平台(12)，下固定框架(11)设置有若干用于起支撑作用并能够调节高度的定位光杆(13)，快速加热系统(6)设置在穿出上支撑平台(12)的定位光杆上，保温系统(7)同样设置在穿出上支撑平台(12)的定位光杆上，通过分别调节快速加热系统(6)底部的定位光杆和保温系统(7)底部的定位光杆的高度，使快速加热系统(6)和保温系统(7)位于同一水平轴线上。
3.根据权利要求1所述的一种金属管道表面在线合金化装置，其特征在于，管道输送机构(5)包括前输送机构(14)以及后牵引机构(15)，前输送机构(14)设置在第一工作平台(2)上，后牵引机构(15)设置在冷却系统(8)内；前输送机构(14)以及后牵引机构(15)结构相同；前输送机构(14)和后牵引机构(15)均包括若干滚轮，所有滚轮均通过同步带连接同一台电机。
4.根据权利要求3所述的一种金属管道表面在线合金化装置，其特征在于，前输送机构(14)、快速加热系统(6)以及保温系统(7)均设置在壳体内，壳体前端开口，壳体末端密封，且前输送机构(14)与快速加热系统(6)之间设置有若干用于夹持金属管道的夹棍(10)，壳体内位于保温系统的末端设置有若干用于夹持金属管道的夹棍(10)，壳体与冷却系统(8)之间密封连接。
5.根据权利要求4所述的一种金属管道表面在线合金化装置，其特征在于，冷却系统(8)包括带有水套冷却的长方形箱体，箱体内设置有多个用于喷出起保护作用和冷却作用的气体的气环；箱体前端与壳体密封连接。
6.根据权利要求5所述的一种金属管道表面在线合金化装置，其特征在于，箱体侧壁上设置有能够活动的密封立板。
7.根据权利要求1所述的一种金属管道表面在线合金化装置，其特征在于，快速加热系统(6)包括若干套装于待合金化金属管道(16)上的感应加热线圈及用于控制感应加热线圈的功率控制设备。
8.一种基于权利要求4所述装置的金属管道表面在线合金化方法，其特征在于，将待合金化金属管道置于前输送机构(14)上，同时开启气体进气阀门(17)，确保待合金化金属管道处于惰性环境中；在前输送机构(14)作用下，待合金化金属管道首先穿过快速加热系统(6)后升温至所需温度，达到金属管道合金化条件，然后在保温系统(7)中行进保温，最后金属管道进入冷却系统(8)中，冷却至100℃以下，完成管道表面合金化处理。
9.根据权利要求8所述的一种金属管道表面在线合金化方法，其特征在于，通过调节待合金化金属管道行进的速率，实现待合金化金属管道各点在该温度下保温所需时间。
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