CN110039031B - 一种浇注双金属管坯的装置及其浇注方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种浇注双金属管坯的装置，通过控制浇铸顺序、浇铸速度及芯棒的直径大小，来控制管坯的结构、外径和内径大小及内层耐蚀合金的厚度，为双金属冶金复合管提供优质的管坯，对无需进行后续处理的双金属管，也可一次成型；本发明还公开了一种浇注双金属管坯的装置的浇注方法，所有双金属复合管的浇铸过程在真空状态下进行，提高管体和界面的纯净度；先放置大直径芯棒，浇铸外层金属，再更换小直径芯棒，浇铸内层金属，中间根据外层凝固温度，内层浇铸温度和更换时间来实现双金属冶金结合，并保证内外层金属的厚度均匀。水冷循环与液态金属凝固方向一致，保证液态金属快速冷却，且能够及时进行上部补缩，实现组织致密，横截面等轴晶率高。

Description

一种浇注双金属管坯的装置及其浇注方法
技术领域
本发明属于金属浇注领域，尤其是一种浇注双金属管坯的装置及其浇注方法。
背景技术
针对酸性油气田服役环境，石油管内壁均匀腐蚀及点蚀穿孔失效频繁发生，有些石油管甚至几个月就发生腐蚀穿孔。根据环境中的H2S分压、CO2分压、Cl-质量浓度、温度、压力和液体流动情况，按照耐蚀性越来越强的顺序，可选用的耐蚀合金材质有低碳合金钢、奥氏体不锈钢、马氏体不锈钢、双相不锈钢、镍基合金等。目前常用的酸性油气田用耐蚀管多用奥氏体不锈钢(316L、304)、马氏体不锈钢管(超级13Cr)、双相不锈钢(2205、2507)、镍基合金管(825、G3)等，但纯耐蚀合金油管价格非常昂贵，严重影响其推广使用。双金属复合管大大降低了耐蚀管的成本，将外层碳钢的高强度和内层耐蚀合金的防腐性能有机结合，既提高性能，又降低成本。
双金属复合管主要有两种结合方式：机械复合管和冶金复合管。机械复合管在高温和复杂载荷下，由于膨胀系数不同，或者发生内压或者外挤时，内层耐蚀管容易发生失稳、鼓泡、脱落等失效现象。冶金结合的复合管能克服机械复合管的上述缺陷，由于冶金复合管界面通过高温扩散方式结合，界面强度高，同时也解决了常规涂/镀层受力情况下易脱落问题。
真空水冷模铸法，与目前常用制备双金属复合管的离心浇铸法相比，更适合用于制造双金属冶金复合管，其特征有：1)可立式浇铸，浇铸金属凝固方向与内外水循环强冷方向一致，保证铸模内钢液迅速冷却、结晶、凝固、成坯，管坯表面光洁，成材率≥95％；2)管坯内组织致密，无疏松、偏析，横截面等轴晶率高；3)真空状态下，可降低管坯内部及表面夹杂物含量，提高界面纯净度。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种浇注双金属管坯的装置及其浇注方法。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种浇注双金属管坯的装置，包括真空炉，真空炉内设有空心圆柱水冷铸模，空心圆柱水冷铸模内设有外层管芯棒，外层管芯棒的顶部设有第一立柱，空心圆柱水冷铸模、外层管芯棒及第一立柱三者的轴线重合；
第一立柱的顶部位于真空炉外盖上的旋转圆环上，所述旋转圆环上还设有第二立柱，所述第二立柱与第一立柱关于旋转圆环中心对称，第二立柱底部设有内层管芯棒，外层管芯棒直径大于内层管芯棒；
以第一立柱为轴线从内到外等距设有若干内层管浇道和若干外层管浇道，内层管浇道和外层管浇道底部延伸至空心圆柱水冷铸模内，顶部用于浇注金属液体；
所述空心圆柱水冷铸模、外层管芯棒及内层管芯棒内均设有通道，与冷水循环系统相连。
进一步的，真空炉内底部设有定位机构，定位机构与空心圆柱水冷铸模、位于空心圆柱水冷铸模内的外层管芯棒和位于空心圆柱水冷铸模内的内层管芯棒均同轴。
进一步的，内层管浇道为6个，彼此之间距离相等。
进一步的，外层管浇道为6个，彼此之间距离相等。
进一步的，冷水循环系统中的冷却水分别从空心圆柱水冷铸模、外层管芯棒及内层管芯棒的通道底部进入，进行热交换后从通道顶部再次进入冷水循环系统内冷却。
进一步的，真空炉外盖由紧固螺栓固定在炉体上。
一种浇注双金属管坯的装置的浇注方法，包括：
启动真空装置，使真空炉内真空度在预设范围内；
将外层管芯棒放置到空心圆柱水冷铸模内；
开启冷水循环系统，冷水分别从空心圆柱水冷铸模、外层管芯棒和内层管芯棒的通道底部进入，顶部流出；
浇铸外层管，将金属液体从外层管浇道顶部浇注；
待外层管凝固后，上提第一立柱至外层管芯棒完全不在空心圆柱水冷铸模内，旋转旋转圆环交换外层管芯棒和内层管芯棒的位置，下推内层管芯棒进入空心圆柱水冷铸模内；
浇铸内层管，将金属液体从内层管浇道顶部浇注；
待内层管凝固冷却后，上提第二立柱。
进一步的，浇注到外层管浇道内的金属液体为碳钢钢水。
进一步的，浇铸到内层管浇道内的金属液体为耐蚀合金液态金属。
进一步的，通道内冷却水水温≤70℃。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
一种浇注双金属管坯的装置及其浇注方法，根据不同双金属冶金复合管双层金属的浇铸需求，控制浇铸顺序、浇铸速度及芯棒直径大小，来控制管坯的结构、外径和内径大小及内层耐蚀合金的厚度，为双金属冶金复合管提供优质的管坯，对无需进行后续处理的双金属管，也可一次成型；双金属复合管的浇铸过程在真空状态下进行，提高管体和界面的纯净度；先放置大直径芯棒，浇铸外层金属，再更换小直径芯棒，浇铸内层金属，中间根据外层凝固温度，内层浇铸温度和更换时间来实现双金属冶金结合，并保证内外层金属的厚度均匀；浇注过程中水冷循环方向与液态金属凝固方向一致，能够保证液态金属快速冷却，及时进行上部补缩，实现组织致密，横截面等轴晶率高。
附图说明
图1为本发明的浇注双金属管坯的装置在浇注外层管时的结构示意图；
图2为本发明的浇注双金属管坯的装置在交换浇注外层管和内层管位置时的结构示意图；
图3为本发明的浇注双金属管坯的装置在浇注内层管时的结构示意图；
图4为真空炉俯视结构示意图；
图5为外层管浇道和内层管浇道的布置图。
其中：1-第一立柱；2-外层管浇道；3-内层管浇道；4-空心圆柱水冷铸模；5-外层管芯棒；6-第二立柱；7-内层管芯棒；8-冷水循环系统；9-真空炉；10-定位机构；11-旋转圆环；12-紧固螺栓；13-外层碳钢管；14-内层耐蚀合金管。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图1，图1为本发明的浇注双金属管坯的装置在浇注外层管时的结构示意图；一种浇注双金属管坯的装置，真空炉9里设有定位机构10，空心圆柱水冷铸模4设在其内由定位机构10定位，真空炉9的上端面的第一圆周和第二圆周分别设有6条内层管浇道3和6条外层管浇道2，第一圆周、第二圆周同轴及空心圆柱水冷铸模4第三者同轴，空心圆柱水冷铸模4顶部中心设有第一立柱1，第一立柱1上部设在真空炉9上端面的旋转圆环11上，旋转圆环11还设有与第一立柱1关于圆环对称的第二立柱6，第二立柱6底部设有内层管芯棒7，内层管芯棒7、空心圆柱水冷铸模4及内层管浇道3内设有贯穿上下端面的通道，与冷却水循环系统8相连。
参见图2，图2为本发明的浇注双金属管坯的装置在交换浇注外层管和内层管位置时的结构示意图；在外层管成型完毕后，将第一立柱1和第二立柱6提起，分别带动外层管芯棒5和内层管芯棒7，使两者高于空心圆柱水冷铸模4，旋转旋转圆环11，使两者交换位置。
参见图3，图3为本发明的浇注双金属管坯的装置在浇注内层管时的结构示意图；通过交换外层管芯棒5和内层管芯棒7的位置，使之处于空心圆柱水冷铸模4内，此种状态可以用于浇注内层管。
参见图4，图4为真空炉俯视结构示意图；真空炉9的顶盖由紧固螺栓12固定。
参见图5，图5为外层管浇道和内层管浇道的布置图；外层管浇道2和内层管浇道3同轴设置在两个圆周上，外层管浇道2所处的第二圆周直径大于内层管浇道3所处的第一圆周直径。
一种浇注双金属管坯的装置的装配方法，包括：
S1.加工水冷模铸金属模型：根据所加工双金属复合管结构尺寸要求及内外层金属特性，设计加工带底空心圆柱水冷铸模4、外层管芯棒5和内层管芯棒7；
S2.将加工好的铸模和芯棒安装在真空炉内：将空心圆柱水冷铸模4放置于真空炉9内，由定位机构10定位，将外层管芯棒5连接与可上下移动第一立柱1下面，同理连接内层管芯棒7于第二立柱6下面；
S3.将第一立柱1和第二立柱6固定于真空炉9盖上的旋转圆环11上：第一立柱1和第二立柱6在旋转圆环11上的角度呈180°；
S4.将真空炉9盖固定于炉体上：盖体上通过加密封圈和涂抹密封脂的方式可保证炉内密封，同时用紧固螺栓12固定于炉体上。
一种浇注双金属管坯的装置的浇注方法，包括
启动真空装置，使真空炉9内真空度在预设范围内；
将外层管芯棒5放置到空心圆柱水冷铸模4内；
开启冷水循环系统8，冷水分别从空心圆柱水冷铸模4、外层管芯棒5和内层管芯棒7的通道底部进入，顶部流出；
浇铸外层管，将金属液体从外层管浇道2顶部浇注；
待外层管凝固后，上提第一立柱1至外层管芯棒5完全不在空心圆柱水冷铸模4内，旋转旋转圆环11交换外层管芯棒5和内层管芯棒7的位置，下推内层管芯棒7进入空心圆柱水冷铸模4内；
浇铸内层管，将金属液体从内层管浇道3顶部浇注；
待内层管凝固冷却后，上提第二立柱6。
本发明提供一种浇注双金属管坯的实施例，如下：
一种Φ210mm×25mm 304不锈钢/N80双金属冶金复合管管坯浇注方法，具体步骤如下：
S1.加工水冷模铸金属模型：加工内径为Φ210mm空心圆柱水冷铸模4，加工外径为Φ180mm外层管芯棒5和外径为Φ160mm的内层管芯棒7；
S2.将加工好的铸模和芯棒安装在真空炉内：将空心圆柱水冷铸模4放置于真空炉内的定位机构10上，将外层管芯棒5连接与可上下移动第一立柱1下面，同理连接内层管芯棒7于第二立柱6下面；
S3.将第一立柱1和第二立柱6固定于真空炉盖上的旋转圆环11上：第一立柱1和第二立柱6在旋转圆环11上的相对角度为180°；
S4.将真空炉9盖固定于炉体上：盖体上通过加密封圈和涂抹密封脂的方式可保证炉内密封，同时用紧固螺栓12固定于炉体上；
S5.启动真空装置，保证炉内真空度；
S6.下放外层管芯棒5：将外层管芯棒5同心放置于空心圆柱水冷铸模4内，同样通过定位机构10进行定位；
S7.开启水冷循环系统：空心圆柱水冷铸模4、外层管芯棒5和内层管芯棒7内水流均自下而上循环，控制水流量和流速，保证水温≤70℃，；
S8.浇铸外层N80油管用钢钢水：6个外层管浇道2同时浇铸；
S9.待外层N80管冷却至850℃时，上提外层管芯棒5和内层管芯棒7，将旋转圆环11旋转180°，交换外层管芯棒5和内层管芯棒7的位置，下放内层管芯棒7进入空心圆柱水冷铸模4内，同样通过定位机构10定位，保证芯棒和铸模同心；
S10.浇铸内层304不锈钢钢水：6个内层管浇道3同时浇铸；
S11.上提内层管芯棒7，具体为：待内层304不锈钢凝固冷却后，上提内层管芯棒7；
S12.打开排气阀，释放干燥空气进入真空炉9内；
S13.开真空炉盖；
S14.开模：打开空心圆柱水冷铸模4，取出双金属冶金复合管管坯。
经上述方法制备的Φ210mm×25mm 304不锈钢/N80双金属冶金复合管管坯，外层管N80钢厚度为15mm，内层管304不锈钢厚度为10mm，界面扩散层厚度30μm，内外层组织致密、无疏松、表面光滑。
一种浇注双金属管坯的装置，可根据不同双金属冶金复合管双层金属的浇铸需求，通过控制浇铸顺序、浇铸速度及芯棒的直径大小，来控制管坯的结构、外径和内径大小及内层耐蚀合金的厚度，为双金属冶金复合管提供优质的管坯，对无需进行后续处理的双金属管，也可一次成型；所有双金属复合管的浇铸过程在真空状态下进行，提高管体和界面的纯净度；先放置大直径芯棒，浇铸外层金属，再更换小直径芯棒，浇铸内层金属，中间根据外层凝固温度，内层浇铸温度和更换时间来实现双金属冶金结合，并保证内外层金属的厚度均匀；水冷循环方向与液态金属凝固方向一致，保证液态金属快速冷却，且能够及时进行上部补缩，实现组织致密，横截面等轴晶率高。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种浇注双金属管坯的装置，其特征在于，包括真空炉（9），真空炉（9）内设有空心圆柱水冷铸模（4），空心圆柱水冷铸模（4）内设有外层管芯棒（5），外层管芯棒（5）的顶部设有第一立柱（1），空心圆柱水冷铸模（4）、外层管芯棒（5）及第一立柱（1）三者的轴线重合；
第一立柱（1）的顶部位于真空炉（9）外盖上的旋转圆环（11）上，所述旋转圆环上还设有第二立柱（6），所述第二立柱（6）与第一立柱（1）关于旋转圆环中心对称，第二立柱（6）底部设有内层管芯棒（7），外层管芯棒（5）直径大于内层管芯棒（7）；
以第一立柱（1）为轴线从内到外等距设有若干内层管浇道（3）和若干外层管浇道（2），内层管浇道（3）和外层管浇道（2）底部延伸至空心圆柱水冷铸模（4）内，顶部用于浇注金属液体；
所述空心圆柱水冷铸模（4）、外层管芯棒（5）及内层管芯棒（7）内均设有通道，与冷水循环系统（8）相连；
冷水循环系统（8）中的冷水分别从空心圆柱水冷铸模（4）、外层管芯棒（5）及内层管芯棒（7）的通道底部进入，进行热交换后从通道顶部再次进入冷水循环系统（8）内冷却。
2.根据权利要求1所述的浇注双金属管坯的装置，其特征在于，真空炉（9）内底部设有定位机构（10），定位机构（10）与空心圆柱水冷铸模（4）、位于空心圆柱水冷铸模（4）内的外层管芯棒（5）和位于空心圆柱水冷铸模（4）内的内层管芯棒（7）均同轴。
3.根据权利要求1所述的浇注双金属管坯的装置，其特征在于，内层管浇道（3）为6个，彼此之间距离相等。
4.根据权利要求1所述的浇注双金属管坯的装置，其特征在于，外层管浇道（2）为6个，彼此之间距离相等。
5.根据权利要求1所述的浇注双金属管坯的装置，其特征在于，真空炉（9）外盖由紧固螺栓（12）固定在炉体上。
6.一种根据权利要求1-5任一项所述的浇注双金属管坯的装置的浇注方法，其特征在于，包括：
启动真空装置，使真空炉（9）内真空度在预设范围内；
将外层管芯棒（5）放置到空心圆柱水冷铸模（4）内；
开启冷水循环系统（8），冷水分别从空心圆柱水冷铸模（4）和外层管芯棒（5）的通道底部进入，顶部流出；
浇铸外层管，将金属液体从外层管浇道（2）顶部浇注；
待外层管凝固后，上提第一立柱（1）至外层管芯棒（5）完全不在空心圆柱水冷铸模（4）内，旋转旋转圆环（11）交换外层管芯棒（5）和内层管芯棒（7）的位置，下推内层管芯棒（7）进入空心圆柱水冷铸模（4）内；
浇铸内层管，将金属液体从内层管浇道（3）顶部浇注；
待内层管凝固冷却后，上提第二立柱（6）。
7.根据权利要求6所述的浇注双金属管坯的装置的浇注方法，其特征在于，浇注到外层管浇道（2）内的金属液体为碳钢钢水。
8.根据权利要求6所述的浇注双金属管坯的装置的浇注方法，其特征在于，浇铸到内层管浇道（3）内的金属液体为耐蚀合金液态金属。
9.根据权利要求6所述的浇注双金属管坯的装置的浇注方法，其特征在于，通道内冷水水温≤70 ℃。
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