CN108348971B - 由耐腐蚀钢生产高压无缝气瓶的方法 - Google Patents

Abstract

由耐腐蚀钢制成的坯件(1)涂覆有由水玻璃构成的厚度为20μm至150μm的涂层(2)，该涂层在15℃至60℃下固化，并且在感应炉中被加热至1180℃至1260℃的温度。加热的坯件(1)在没有通过水力除鳞进行冷却的情况下被转移到挤压机中并且在挤压机中被挤压，同时涂层(2)破碎成碎片并且大部分被去除。然后在水平拉伸压力机中进行拉伸，并且进行颈缩。在形成气瓶的最终形状后，涂层(2)的剩余物通过压力喷砂被去除。制造了容积为5升至260升的耐腐蚀薄壁无缝高压气瓶。

Description

由耐腐蚀钢生产高压无缝气瓶的方法

技术领域

本发明涉及材料成形领域，即使用热反向挤压方法由耐腐蚀钢生产高压气瓶的方法，该方法得到了完全解决以专门能够获得没有氢脆和内表面腐蚀的高压无缝气瓶。

背景技术

目前，高压无缝钢气瓶使用反向挤压和拉伸方法利用根据CZ专利243247的工艺来生产。

当使用根据CZ专利243247的过程时，首先从方形或圆形截面的坯料切割出钢坯。将钢坯在感应炉中加热至1000至1250℃的输出温度，在此之后，将钢坯自动地转移到除鳞装置中，在除鳞装置中，进行高压水喷射以去除坯件表面的鳞垢。然后通过堆垛机将每个单独的坯件插入到挤压机中，在挤压机中，每个单独的坯件被镦锻和反向挤压。反向挤压过程分两步实现。在第一步骤的过程中，将坯件插入到具有竖向移动的压头、圆柱形插入件和装有穿孔头的穿孔心轴的模具中；在该模具中，通过挤压而由所述坯件生产内部光滑、没有突起或凸起的厚壁空心半成品。在挤压机中的挤压结束时，半成品的底部基本被挤压至最终的厚度，然而，半成品的直径比最终产品大。在挤压机完成反向挤压后，通过机械手将半成品从挤压机中移出，旋转90°，并且在此位置将其坐置到水平拉伸压力机中，其中在水平拉伸压力机中将进行第二步骤的成形，即反向拉伸。在该第二步骤的过程中，将半成品放置在具有气瓶的最终内径的拉伸心轴上，在此之后，通过剥离环和装有减速辊的滚筒对半成品进行挤压。心轴上的半成品被滚轧，在该过程中，将发生半成品壁的厚度的大约25％至85％的重新成形，并且半成品将获得期望的外径和内径。另外，鳞垢的其余部分将会脱落。在半成品通过剥离环和滚筒后，将半成品底部插入到精整模具中，从而形成气瓶底部的最终形状。然后，在拉伸心轴向后移动的过程中，借助剥离钳将半成品从拉伸心轴拉出。在实用新型CZ U 20492中提到了通过滚轧进行半成品加工的阶段。在通过滚轧进行最终成形之后，用空气对空心的半成品进行后冷却，并且随后对其进行颈缩，即，通过旋转成形进行闭合以形成常见几何形状的钢制气瓶。

高压无缝气瓶的现有的生产过程的缺点在于其不允许使用反向挤压和拉伸方法由耐腐蚀钢生产气瓶，因为当使用常规的反向挤压和拉伸方法时耐腐蚀材料会劣化，并且不能够由其生产安全的高压无缝气瓶。

目前也存在允许由耐腐蚀管件生产高压气瓶的过程。这些过程是在两侧上进行管件部段的颈缩的过程。然而，在无缝的形式下，只有具有简单形状的双颈气瓶才能用这些过程制造，因为这些过程不允许底部的无缝闭合。使用这些过程也可以生产由不同类型的合金(比如铬-钼)制成的气瓶。然而，由于这些过程不能够生产壁足够薄的管件作为起始半成品，因此使用基于管件的生产方法制成的所有这种压力瓶具有厚壁结构，并且因而它们的显著缺点在于质量非常大。特别在体积越来越大的情况下，如此大的重量的气瓶使处理、存储和运输变得复杂。现有的厚壁气瓶的另一缺点在于强度低。

在钢铁工业中，在铸造生产领域中已知使用水玻璃以保护铸模免于损坏。在该领域中，铸模的内表面有时设置有由水玻璃构成的涂层，从而该涂层可以防止熔融金属与模具表面直接接触，由此增加模具的使用寿命。这种涂层能够抵抗铸造生产中使用的高温。水玻璃在铸造行业中还用作铸造砂模生产的加强部件。

发明内容

本发明消除了上述缺点。设计了由耐腐蚀钢制造无缝高压气瓶的新方法，该新方法允许由耐腐蚀钢生产薄壁无缝式气瓶以实现较大的且高容积的高压气瓶。

本发明从制造无缝高压气瓶的现有方法开始。将钢坯形式的初始部件在感应炉中加热，然后将其插入到挤压机中；在挤压机中，起始部件在两个步骤中被镦锻和反向挤压。由此，在第一步骤的过程中，将坯件插入到具有圆柱形插入件和竖向移动的穿孔工具的模具中，并且在此处通过挤压而模制坯件，直到由坯件模制出具有内腔、壁和底部的厚壁空心半成品。在此之后，将半成品从挤压机中取出，旋转90°，并且在该位置处将其坐置到水平拉伸压力机中；在水平拉伸压力机中，进行第二步骤的成形，即反向拉伸。在该第二步骤的过程中，将半成品放置在具有与生产的气瓶的期望的最终内径相对应的直径的拉伸心轴上，而在该拉伸压力机中，通过剥离环和装有减速辊的滚筒挤压半成品，其中，半成品通过减速辊在心轴上被滚轧。长时间进行这种滚轧直到半成品获得与生产的气瓶的要求的最终尺寸相对应的期望的外径和内径。然后，通过将半成品底部插入到精整模具中来形成气瓶底部的最终形状，并且随后在拉伸心轴向后移动的过程中借助剥离钳将半成品从拉伸心轴上拉出，并且进行后冷却。最后，对以这种方式制造的半成品进行颈缩，由此完成所制造的气瓶的形状。根据本发明的新的技术方案的实质在于，在感应炉中加热之前，坯件的至少85％的表面涂覆有由基于水玻璃的材料构成的厚度为20μm至150μm的涂层，该涂层通过在15至60℃的温度下干燥而固化，并且只有在进行这种固化之后坯件才在感应炉中经受加热。

呈水玻璃悬浮液的形式的基于水玻璃的材料例如通过借助喷嘴喷涂或者刷涂被施加至坯件。水玻璃悬浮液在此处表示含有20％至40％重量的硅酸钠或硅酸钾或这些硅酸盐的混合物以及80％至40％重量的水的悬浮液，而在存在诸如硼硅酸盐和/或腐蚀抑制剂之类的附加剂的情况下，这些附加剂的含量最多为20％的重量。

具有由基于水玻璃的材料构成的涂层的坯件在感应炉中被加热至1180℃至1260℃的温度。

然后，当具有涂层的坯件在感应炉中被加热时，将具有涂层的坯件从感应炉中取出，并且在持续坯件的最低温度1110℃的过程中，将坯件插入到挤压机中，优选地，在从感应炉中取出与插入到挤压机中之间不进行水力除鳞。

在第一步骤的机械加工的过程中，在穿孔的过程中，通过将穿孔工具有意地推向坯件，由基于水玻璃的材料构成的涂层破碎成碎片，同时其在挤压机中挤压的过程中开裂，直到至少其主要部分(意指层的厚度)被去除。

然后，当由半成品形成气瓶的最终形状时，基于水玻璃的涂层的剩余物优选地通过用磨料对半成品的外表面和内表面进行压力喷砂而被从半成品的表面去除。

坯件优选地由耐腐蚀钢制成，而所得到的气瓶制成为容积范围从5升至260升的无缝气瓶，并且对于所述范围内的任何容积都制成为单颈或双颈气瓶。

上述容积的薄壁无缝高压气瓶优选地借助本发明来制造。在第二步骤的成形中，半成品的壁被压至2mm至21.5mm的厚度。

本发明可用于制造无缝高压气瓶。本发明使得能够由耐腐蚀钢制造耐腐蚀型式的这些气瓶以实现较大且从5升到260升的高容积的气瓶。本发明使得能够由与现有方法相比范围显著更宽的高强度耐腐蚀钢制造薄壁型式的这些气瓶。使用本发明，与现有技术相比，可以实现高压气瓶的质量的极大的减少，并且可以节省用于气瓶生产的材料。到目前为止，这些容积的无缝薄壁型式是不可能的。根据本发明的气瓶具有高机械阻力和耐压性。根据本发明的气瓶具有相对非常低的质量，与现有技术相比，这有助于进行操作、存储和运输。与目前制造的例如用于水肺潜水、呼吸器、用于校准气体等的气瓶相比，根据本发明的气瓶差不多减轻了三分之二。选择使用耐腐蚀钢用于进行生产使得能够将这些气瓶用于未加工的天然气以及用于在现有气瓶由普通的铬钼钢制成的情况下当与高压下的气体反应时引起氢脆和加速腐蚀的气体和混合物。

附图说明

使用附图说明本发明，其中，图1以截面图的方式示出了具有所施加的由水玻璃构成的涂层的坯件，图2示出了坯件上的涂层的固化阶段，图3示出了将坯件从感应炉直接重新定位到挤压机中的阶段，并且图4A、图4B示出了坯件在挤压机中的挤压过程，其中，图4A示出了坯件中的未来的气瓶腔的挤压阶段，图4B示出了在挤压的过程中来自半成品的涂层的破裂和脱落的后续阶段。

具体实施方式

借助图1至图4以及下文描述的用于天然气的储存、运输和使用的耐腐蚀高压无缝气瓶的生产方法在图形上示出了本发明的实施例的示例。

首先从具有方形或圆形截面的耐腐蚀钢坯带材切割出制造具有生产容积的气瓶所需的尺寸的部件。每个单独的部件即起始钢坯1在其至少85％的表面上涂覆有由基于水玻璃的材料构成的涂层2。施加的层的厚度是20μm至150μm。通常称为水玻璃的悬浮液用作基于水玻璃的材料。为了本发明的目的，基于水玻璃的悬浮液表示含有20％至40％重量的硅酸钠或硅酸钾或其混合物以及80％至40％重量的水的悬浮液。可以含有硼硅酸盐附加剂和腐蚀抑制剂(比如六亚甲基四胺、苯乙胺、磷酸盐等)和/或可能的其他附加剂，条件是它们在悬浮液中不超过20％重量的量。

下面给出了悬浮液的材料成分的示例。

悬浮液I

材料 在悬浮液中的重量％

硅酸盐(硅酸钠或硅酸钾或其混合物)………………20

水………………………………………………………80

附加剂…………………………………………………0

悬浮液II

材料 在悬浮液中的重量％

硅酸盐(硅酸钠或硅酸钾或其混合物)………………40

水………………………………………………………60

附加剂…………………………………………………0

悬浮液III

材料 在悬浮液中的重量％

硅酸盐(硅酸钠或硅酸钾或其混合物)………………30

水………………………………………………………60

附加剂(硼硅酸盐和腐蚀抑制剂的量为1:1)………10

悬浮液IV

材料 在悬浮液中的重量％

硅酸盐(硅酸钠或硅酸钾或其混合物)………………40

水………………………………………………………40

附加剂(硼硅酸盐和未确定的附加剂)………………20

可以通过刷涂或喷涂来施加该涂层2。在施加后，让涂层在15至60℃的温度下干燥直至固化。在低于15℃的温度下固化的情况下不会发生充分的固化，从而在随后的感应炉中加热期间会发生不希望的涂层2的开裂和脱落。在高于60℃的固化的情况下，在干燥过程中将立即发生不希望的涂层2的开裂。在所述范围内的固化期间，在坯件1的表面上会形成用作保护套的均质层。对于干燥过程或在干燥过程之后，将坯件1放入到感应炉中，在感应炉中，坯件1通过逐渐加热被加热至1180℃至1260℃的温度。在加热过程中，感应炉中所含的坯件1的表面不会高温氧化，也不会在即将在没有涂层2的情况下进行加热时进行更多的坯件1的锻造焊接。通过机器手送料器3将具有涂层2的加热过的坯件1从感应炉中取出，并且在从感应炉中取出后立即将其插入到挤压机的模具4中而没有明显冷却下来，持续其至少1110℃的温度。

与目前为止使用的工艺相比，在现有工艺中在从感应炉中取出与插入到挤压机中之间通常进行的水力喷射除鳞步骤被跳过了。跳过目前为止必需的水力喷射除鳞步骤是非常重要的，因为这样可以防止冷却80℃以上，从而消除在通过高压水射流除鳞来清除高温加热产生的鳞垢的过程中常见的温度梯度和温度波动的形成。另外，通过跳过除鳞可以精确控制坯件1的温度。

在挤压机中，坯件1以及随后由坯件1形成的半成品5在两个步骤中被镦锻和反向挤压。由此，在第一步骤的过程中，将坯件1放置在挤压机模具4的底部6处，并且在此处通过终止于构成穿孔工具7的穿孔心轴的竖直移动的压头来挤压坯件1。如图4A、图4B所示，坯件1在挤压机模具4的底部6处通过挤压被模制，直到由其模制出具有内腔、壁和底部的厚壁空心半成品5为止。在该第一步骤的机械加工期间，在穿孔过程中，通过将穿孔工具7推向坯件1和由坯件1制成的半成品5，由基于水玻璃的材料构成的涂层2破碎成碎片，涂层2开裂，并且在挤压机中挤压的过程中几乎所有的该涂层2都被去除。在挤压期间，水玻璃附加剂从涂层2到达半成品5的表面层，直至10μm的最大深度，这些剩余物稍后通过喷砂被去除。上述挤压在半成品5的温度持续在1100℃至1200℃期间发生。在较低的温度下，不会发生第一半成品5的均匀成型，并且在半成品5的本体上会出现横向裂纹。相反，当温度超过1200℃时，原始奥氏体晶粒会氧化，材料会发生所谓的烧坏，并且因此会发生材料的不可逆的劣化。在不使用涂层2的情况下，半成品5不能被挤出并拉伸成期望的形状，或者不能使用耐腐蚀钢作为材料和/或结果不能导致具有期望的机械和压力强度的薄壁无缝高压气瓶的生产。

在挤压机中完成加工之后，将半成品5从挤压机中取出，旋转90°，并且在这个位置处将其坐置到水平拉伸压力机中，在水平拉伸压力机中进行反向拉伸的第二步骤的成形。在该第二步骤的过程中，将半成品5放置在具有与所生产的气瓶的期望的最终的内径相对应的直径的拉伸心轴上，并且在该拉伸压力机中，通过剥离环和装设有减速辊的滚筒来挤压半成品5，其中，半成品5借助减速辊在心轴上被滚轧。长时间进行滚轧直到半成品5获得期望的外径和内径。然后，通过将半成品5底部插入到精整模具中来形成气瓶底部的最终的形状，并且随后在拉伸心轴向后移动的过程中，借助剥离钳将半成品5从拉伸心轴上拉出，并且对其进行后冷却，并且随后通过已知的方法利用旋转成形或模锻工艺进行颈缩。这样，完成了制造的气瓶的形状。

基于水玻璃的涂层2的剩余物通过用磨料(例如钢丸和铸铁砂粒)对半成品的外表面和内表面进行压力喷砂而被从半成品5的表面去除。

容积范围从5升到260升的耐腐蚀无缝压力气瓶对于所述范围内的任何容积都可以通过使用根据本发明的方法制造为单颈或双颈气瓶。在第二步骤的成形中，本发明允许将半成品5的壁挤压至薄壁式气瓶的厚度而不损失所制造的气瓶的质量特性。半成品5的壁被压至2mm至21.5mm的厚度。这样，根据所需的气瓶容积、气瓶所指定的压力以及对气瓶的质量特性和机械强度的要求，在上述范围内具体选择气瓶的壁厚。

图1至图4仅示出了与根据本发明的气瓶的生产过程的新步骤直接相关的步骤。本领域中已知的并且在背景技术段落中描述的其他步骤和工艺不需要使用图来阐明。

Claims (17)

1.一种由耐腐蚀钢生产高压无缝气瓶的方法，在所述方法中，将初始的钢坯件(1)在感应炉中加热，然后将所述坯件(1)插入到挤压机中；在所述挤压机中，所述坯件(1)在两个步骤中被镦锻和反向挤压，其中在第一步骤的过程中，将所述坯件(1)插入到具有竖向移动的穿孔工具(7)的模具(4)中，并且在所述模具(4)中通过挤压而模制所述坯件(1)，直到由所述坯件(1)模制出具有内腔、壁和底部的厚壁空心半成品(5)；在此之后，将所述半成品(5)从所述挤压机中取出，旋转90°，并且在该位置处将所述半成品(5)坐置到水平拉伸压力机中；在所述水平拉伸压力机中，进行反向拉伸的第二步骤的成形，在该第二步骤的过程中，将所述半成品(5)放置在具有与生产的气瓶的所需的最终内径相对应的直径的拉伸心轴上，并且在该拉伸压力机中，通过剥离环和装有减速辊的滚筒挤压所述半成品(5)，其中，所述半成品(5)通过所述减速辊在所述心轴上被滚轧，同时长时间进行这种滚轧直到所述半成品(5)获得所需的外径和内径；在此之后，通过将所述半成品(5)的底部插入到精整模具中而形成气瓶底部的最终形状，并且随后在所述拉伸心轴向后移动的过程中借助剥离钳将所述半成品(5)从所述拉伸心轴上拉出，并且进行后冷却，并且随后进行颈缩，由此完成制造的气瓶的形状，其特征在于，在所述感应炉中加热之前，所述坯件(1)在其至少85％的表面上涂覆有由基于水玻璃的材料构成的厚度为20μm至150μm的涂层(2)，所述涂层(2)通过在15℃至60℃的温度下干燥而固化，并且只有在进行这种固化之后所述坯件(1)才在所述感应炉中经受加热。

2.根据权利要求1所述的由耐腐蚀钢生产高压无缝气瓶的方法，其特征在于，通过喷涂或通过刷涂被施加到所述坯件(1)的材料由含有20％至40％重量的硅酸钠或硅酸钾或这些硅酸盐的混合物以及40％至80％重量的水的悬浮液构成，而在存在硼硅酸盐和/或腐蚀抑制剂的附加剂的情况下，所述附加剂的含量最多为20％的重量。

3.根据权利要求1或2所述的由耐腐蚀钢生产高压无缝气瓶的方法，其特征在于，具有由基于水玻璃的材料构成的所述涂层(2)的所述坯件(1)在所述感应炉中被加热至1180℃至1260℃的温度。

4.根据权利要求1或2所述的由耐腐蚀钢生产高压无缝气瓶的方法，其特征在于，在具有涂层(2)的所述坯件(1)在所述感应炉中被加热之后，具有涂层(2)的所述坯件(1)被从所述感应炉中取出，并且在持续所述坯件(1)的最低温度1110℃的过程中，所述坯件(1)被插入到所述挤压机中，而在从所述感应炉中取出与插入到所述挤压机中之间不进行水力喷射除鳞。

5.根据权利要求3所述的由耐腐蚀钢生产高压无缝气瓶的方法，其特征在于，在具有涂层(2)的所述坯件(1)在所述感应炉中被加热之后，具有涂层(2)的所述坯件(1)被从所述感应炉中取出，并且在持续所述坯件(1)的最低温度1110℃的过程中，所述坯件(1)被插入到所述挤压机中，而在从所述感应炉中取出与插入到所述挤压机中之间不进行水力喷射除鳞。

6.根据权利要求1,2,5中任一项所述的由耐腐蚀钢生产高压无缝气瓶的方法，其特征在于，在所述第一步骤的机械加工的过程中，在穿孔的过程中，通过将所述穿孔工具(7)推向所述坯件(1)，由基于水玻璃的材料构成的所述涂层(2)破碎成碎片，并且所述涂层(2)在所述挤压机中挤压的过程中开裂，直到至少所述涂层(2)的主要部分被去除。

7.根据权利要求3所述的由耐腐蚀钢生产高压无缝气瓶的方法，其特征在于，在所述第一步骤的机械加工的过程中，在穿孔的过程中，通过将所述穿孔工具(7)推向所述坯件(1)，由基于水玻璃的材料构成的所述涂层(2)破碎成碎片，并且所述涂层(2)在所述挤压机中挤压的过程中开裂，直到至少所述涂层(2)的主要部分被去除。

8.根据权利要求4所述的由耐腐蚀钢生产高压无缝气瓶的方法，其特征在于，在所述第一步骤的机械加工的过程中，在穿孔的过程中，通过将所述穿孔工具(7)推向所述坯件(1)，由基于水玻璃的材料构成的所述涂层(2)破碎成碎片，并且所述涂层(2)在所述挤压机中挤压的过程中开裂，直到至少所述涂层(2)的主要部分被去除。

9.根据权利要求6所述的由耐腐蚀钢生产高压无缝气瓶的方法，其特征在于，在由所述半成品(5)形成所述气瓶的最终形状之后，基于水玻璃的涂层(2)的剩余物通过对所述半成品(5)的外表面和内表面进行压力喷砂而被从所述半成品(5)的表面去除。

10.根据权利要求7或8所述的由耐腐蚀钢生产高压无缝气瓶的方法，其特征在于，在由所述半成品(5)形成所述气瓶的最终形状之后，基于水玻璃的涂层(2)的剩余物通过对所述半成品(5)的外表面和内表面进行压力喷砂而被从所述半成品(5)的表面去除。

11.根据权利要求1,2,5,7,8,9中任一项所述的由耐腐蚀钢生产高压无缝气瓶的方法，其特征在于，所述坯件(1)由耐腐蚀钢制成，而所得到的气瓶制成为容积范围从5升至260升的无缝气瓶，并且对于所述范围内的任何容积都制成为单颈或双颈气瓶。

12.根据权利要求3所述的由耐腐蚀钢生产高压无缝气瓶的方法，其特征在于，所述坯件(1)由耐腐蚀钢制成，而所得到的气瓶制成为容积范围从5升至260升的无缝气瓶，并且对于所述范围内的任何容积都制成为单颈或双颈气瓶。

13.根据权利要求4所述的由耐腐蚀钢生产高压无缝气瓶的方法，其特征在于，所述坯件(1)由耐腐蚀钢制成，而所得到的气瓶制成为容积范围从5升至260升的无缝气瓶，并且对于所述范围内的任何容积都制成为单颈或双颈气瓶。

14.根据权利要求6所述的由耐腐蚀钢生产高压无缝气瓶的方法，其特征在于，所述坯件(1)由耐腐蚀钢制成，而所得到的气瓶制成为容积范围从5升至260升的无缝气瓶，并且对于所述范围内的任何容积都制成为单颈或双颈气瓶。

15.根据权利要求10所述的由耐腐蚀钢生产高压无缝气瓶的方法，其特征在于，所述坯件(1)由耐腐蚀钢制成，而所得到的气瓶制成为容积范围从5升至260升的无缝气瓶，并且对于所述范围内的任何容积都制成为单颈或双颈气瓶。

16.根据权利要求11所述的由耐腐蚀钢生产高压无缝气瓶的方法，其特征在于，在所述第二步骤的成形中，所述半成品(5)的壁被压制2mm至21.5mm的厚度。

17.根据权利要求12-15中任一项所述的由耐腐蚀钢生产高压无缝气瓶的方法，其特征在于，在所述第二步骤的成形中，所述半成品(5)的壁被压制2mm至21.5mm的厚度。