CN111168037A - 一种不锈钢/碳钢复合管及其制作工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种不锈钢/碳钢复合管的制作工艺，本发明对基层管内表面(也即内壁)精整以获得良好的结合面状态，为后续熔合准备，并且通过对基层管内壁进行粗糙度加工，使得基层管和复合层能够紧密的结合在一起，增加结合面面积，从而增大复合层与基层之间的结合强度。本发明通过浇注与复合层材质相同的浇注液来获得复合层，并且通过基层管和设置在基层管内的陶瓷模具成型复合层。在浇注过程中，本发明同时向上移动陶瓷模具，使得陶瓷模具不断挤压从顶部注入的浇注液，而且结合陶瓷模具底部的冷却系统可对浇注液进行快速冷却，从而定型得到复合层。本发明自动化程度高，无需大量人工操作，提高了产品稳定性及生产效率。

Description

一种不锈钢/碳钢复合管及其制作工艺

技术领域

本发明涉及复合管制备技术领域，具体涉及一种不锈钢/碳钢复合管及其制作工艺。

背景技术

双金属复合材料是通过各式复合技术将两种性能不同的金属复合在一起制备的新型材料，既发挥了复层材料耐腐蚀、耐热、耐磨损等性能，又结合了基层材料的强度和刚度，使其获得单一组元金属无法企及的综合性能，更加适应工业与科技快速发展对于材料越来越高的要求。

不锈钢复合管通过在碳钢或低合金钢钢管上以一定工艺结合一层具有高耐蚀性不锈钢的层状复合材料，适应高腐蚀环境的，同时极大地节约昂贵的不锈钢用量，显著降低生产成本。目前双金属复合管成型技术，主要包括机械成型法和冶金成型法，其中机械成型法主要有机械扩径法、爆炸扩径法、定径法等方法，冶金成型法主要有热轧制，热挤压和离心铸造等方法。

有研究者通过锥形挤压模具挤压胀大内衬管，实现与外基管间的机械结合。该方法优点在于生产效率高，适用于大规模生产，但界面间机械结合强度不高，拉拔过程管壁容易产生变形不均，造成开裂等问题。

也有研究者先通过固液复合方式实现界面间冶金结合，再通过拉拔处理提高复合管综合力学性能与物理性能。相较于只进行单一固液复合的双金属，该方法能有效解决浇注温度过高容易形成界面中间化合物的问题，但相对于不锈钢/结构钢进行固液结合，界面附近中间化合物为硬相碳化物，拉拔时容易造成应力集中，诱发裂纹，且该方法拉拔前后需进行两次热处理，影响生产效率。

还有研究者通过消失模铸造制作复合管的内/外不锈钢复层，砂型铸造制作碳钢中间层，经三辊热轧扩径制成三层结构双金属冶金复合管。该方法生产复合管产品精度高，热轧变形抵抗力小，但砂型铸造与消失模铸造法前置生产工艺复杂，生产环境恶劣，且产品管径受热轧扩径设备尺寸限制，无法生产超过一定管径的双金属复合管。

还有研究者通过同一离心管模内先后浇注碳钢外管与不锈钢内管的方式形成复合。离心铸造可以实现内、外管界面良好的冶金结合，但同时工艺设备复杂，存在内壁质量不高、内管形状不均匀等问题，且离心管管径、长度超过一定范围后，离心铸造过程产生的离心力也可能导致外层碳钢管产生形变。

综上所述，目前还没有一种通过固液复合法高效生产大规格碳钢/不锈钢复合管的方法。为解决复合管固液复合浇注过程中的温度控制问题、表面质量问题、生产效率问题，开发一种新型的碳钢/不锈钢固液复合浇注设备显得尤为关键。

发明内容

为了解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种不锈钢/碳钢复合管及其制作工艺，本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种不锈钢/碳钢复合管的制作工艺，不锈钢/碳钢复合管的复合层和基层的材质分别选自不锈钢或碳钢，并且复合层和基层的材质不同，制作工艺包括以下步骤：

(1)基层管的表面处理

取与预计复合层材质相同的管材作为基层管，将基层管的内壁进行精整后加工出具有粗糙度的结合面；

(2)基层管的预热

将基层管调运至加热炉中并在惰性气氛或还原气氛中进行预热，以达到浇注所需的预热温度；

(3)浇注

将基层管调运至浇注区，然后将陶瓷模具降吊至基层管内底部并进行对中，陶瓷模具与基层管之间形成浇筑腔体，通过设置在陶瓷模具顶部的盛钢桶盛放与复合层材质相同的浇注液，并控制浇注液温度在浇注液液相线上50-70℃；

开启盛钢桶的出钢口进行浇注，并且在浇注过程中通过升降系统将陶瓷模具向上匀速运动，同时利用配置在陶瓷模具底部的冷却系统对浇注得到的复合层进行冷却，直至浇注完毕，得到复合管坯体；

(4)热处理

将复合管坯体降温冷却，然后进行热处理，得到不锈钢/碳钢复合管。

本发明的不锈钢/碳钢复合板可以以不锈钢作为复合层、碳钢作为基层，也可以以碳钢作为复合层、不锈钢作为基层。以本发明的技术构思作为指导，本领域技术人员还可以衍生出其他材质金属复合管的制作工艺，亦在本发明的保护范围之内，例如用于海洋平台的钛-碳钢复合板。

本发明对基层管内表面(也即内壁)精整以获得良好的结合面状态，为后续熔合准备，并且通过对基层管内壁进行粗糙度加工，使得基层管和复合层能够紧密的结合在一起，增加结合面面积，从而增大复合层与基层之间的结合强度。本发明通过浇注与复合层材质相同的浇注液来获得复合层，并且通过基层管和设置在基层管内的陶瓷模具成型复合层。在浇注过程中，本发明同时向上移动陶瓷模具，使得陶瓷模具不断挤压从顶部注入的浇注液，而且结合陶瓷模具底部的冷却系统可对浇注液进行快速冷却，从而定型得到复合层。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，步骤(3)还包括：在浇注过程中，控制基层管旋转。

本发明通过旋转基层管，使得浇注至基层管和陶瓷模具之间的浇注液(也可以称之为钢水)混合均匀，提高复合层质量。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述基层管的旋转速率为100-400r/min。

优选地，基层管的旋转速率为100r/min、360r/min或400r/min。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，步骤(3)中，陶瓷模具的移动速率为1-20mm/s。

本发明通过在浇注过程中一边浇注一边移动陶瓷模具并且还同时对陶瓷模具下方的坯壳进行冷却，在陶瓷模具的挤压作用下，使得复合层的表面质量相比于离心铸造的固液结合方式明显提高，使得复合层内壁平整，避免产生不规则形状，同时通过陶瓷模具挤压还可提高复合层内部质量，改善苏松(缩孔)和偏析的问题，并且还可以提高复合层与基层之间的结合力，而且陶瓷模具移动过程也是脱模过程，当浇注液浇注至基层管顶部时，陶瓷模具移动至顶部，最后移除基层管外，整个工艺流程十分顺畅而且快捷，大大提高了生产效率。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，步骤(3)中，冷却系统对复合层的冷却速度不低于20℃/s。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，步骤(1)中，具有粗糙度的结合面通过在基层管内壁加工螺纹得到。

处理加工螺纹，还可以通过打磨或腐蚀的方式来提高基层管的粗糙度。本发明实施例包括但不限于前述所提及的几种方式。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，步骤(2)中，预热包括以下具体过程：先利用加热炉对炉体内部环境预热然后对基层管预热，炉体内部的预热温度为100-1800℃，基层管的预热温度为100-1500℃、预热时间为0.1-10h。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，步骤(4)中，冷却速度为10-100℃/s，冷却方式为炉冷、空冷、堆冷、水淬和油淬中的一种或多种组合；热处理为退火、正火、回火和淬火中的一种或多种组合。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述陶瓷模具包括进口段、位于进口段下方的出口段以及连接在进口段与出口段之间的过渡段；进口段的直径小于出口段的直径，过渡段呈锥度结构，且锥度为0.5％/m-3％/m。

本发明的陶瓷模具的中部过渡段为锥度设计，且锥度范围为0.5-3％/m，可在浇注过程中对未完全凝固的不锈钢复层起挤压作用，提升不锈钢复层内部及表面质量。

一种不锈钢/碳钢复合管，采用上述制作工艺制备得到，不锈钢/碳钢复合管包括材质不同的复合层和基层，复合层和基层的材质分别选自不锈钢或碳钢，复合层与基层之间通过具有粗糙度的结合面连接。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，不锈钢/碳钢复合管的管径100-6000mm，高度100-6000mm，基层为碳钢管，厚度100-300mm，复合层为不锈钢层，厚度10-30mm。

本发明具有以下有益效果：

本发明采用固液复合的方式生产碳钢/不锈钢复合管，降低了生产过程对真空度的要求，不锈钢/碳钢间界面通过熔合实现冶金结合，强度足以满足后续热轧生产的需求。

本发明通过合理设计高温陶瓷模具形状及运动方式，在浇注过程中对不锈钢复层产生挤压作用，通过压力提高固液界面冶金结合强度的同时，改善了不锈钢复层的表面及内部质量；外壁的碳钢管也可在浇注过程中同步进行旋转，进一步提高界面结合强度，并改善不锈钢复层的均匀性。

本发明自动化程度高，无需大量人工操作，提高了产品稳定性及生产效率。

附图说明

图1为本发明中浇注系统示意图；

图2为本发明中陶瓷模具结构示意图；

图3为本发明中生产系统结构示意图。

图中：1-浇注区，2-基层管，3-旋转组件，4-陶瓷模具，5-盛钢桶，6-升降机构，7-浇注腔体，8-浇钢通道，9-驱动件，10-升降定位轴，40-进口段，41-出口段，42-过渡段，12-冷却系统，13-气氛保护系统，14-预处理机构，15-加热炉，16-加热系统，17-热处理机构，140-废钢回收桶。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

本发明下列实施例以碳钢为基层管，碳钢管1为Q235碳素结构钢材质，管径1500mm，壁厚150mm，高度3000mm；复合层为不锈钢进行说明。当然，本发明的其他实施例还可以以不锈钢为基层管，复合层为碳钢。

实施例1：

一种不锈钢/碳钢复合管的制作工艺，包括以下步骤：

(1)基层管的表面处理

取碳钢管，将基层管的内壁进行精整后加工出具有粗糙度的结合面。加工过程铁屑可回收利用。

(2)基层管的预热

将所述基层管调运至加热炉中并在惰性气氛或还原气氛中进行预热，以达到浇注所需的预热温度。预热包括以下具体过程：先利用加热炉对炉体内部环境预热然后对所述基层管预热，炉体内部的预热温度为100℃，所述基层管的预热温度为100℃、预热时间为10h。

(3)浇注

将所述基层管调运至浇注区，然后将陶瓷模具降吊至所述基层管内底部并进行对中，所述陶瓷模具与所述基层管之间形成浇筑腔体，通过设置在所述陶瓷模具顶部的盛钢桶盛放与复合层材质相同的浇注液，并控制浇注液温度在浇注液液相线上50℃。

开启所述盛钢桶的出钢口进行浇注，并且在浇注过程中通过升降系统将所述陶瓷模具向上匀速运动，移动速率为1mm/s。同时利用配置在所述陶瓷模具底部的冷却系统对浇注得到的复合层进行冷却，冷却速度不低于20℃/s。浇注完毕，得到复合管坯体。在浇注过程中，控制基层管旋转。基层管的旋转速率为100r/min。

(4)热处理

将所述复合管坯体降温冷却，冷却速度为10℃/s。空冷至980℃后进行淬火，随后进行1h中温回火，回火温度400℃；完全冷却后进行探伤，检验，精整，包装，得到不锈钢/碳钢复合管。

实施例2：

一种不锈钢/碳钢复合管的制作工艺，包括以下步骤：

(1)基层管的表面处理

取碳钢管，将基层管的内壁进行精整后加工出具有粗糙度的结合面。加工过程铁屑可回收利用。

(2)基层管的预热

将所述基层管调运至加热炉中并在惰性气氛或还原气氛中进行预热，以达到浇注所需的预热温度。预热包括以下具体过程：先利用加热炉对炉体内部环境预热然后对所述基层管预热，炉体内部的预热温度为1800℃，所述基层管的预热温度为1500℃、预热时间为0.1h。

(3)浇注

将所述基层管调运至浇注区，然后将陶瓷模具降吊至所述基层管内底部并进行对中，所述陶瓷模具与所述基层管之间形成浇筑腔体，通过设置在所述陶瓷模具顶部的盛钢桶盛放与复合层材质相同的浇注液，并控制浇注液温度在浇注液液相线上70℃。

开启所述盛钢桶的出钢口进行浇注，并且在浇注过程中通过升降系统将所述陶瓷模具向上匀速运动，移动速率为20mm/s。同时利用配置在所述陶瓷模具底部的冷却系统对浇注得到的复合层进行冷却，冷却速度不低于20℃/s。浇注完毕，得到复合管坯体。在浇注过程中，控制基层管旋转。基层管的旋转速率为400r/min。

(4)热处理

将所述复合管坯体降温冷却，冷却速度为100℃/s。空冷至1020℃后进行淬火，随后进行1h中温回火，回火温度400℃；完全冷却后进行探伤，检验，精整，包装，得到不锈钢/碳钢复合管。

实施例3：

一种不锈钢/碳钢复合管的制作工艺，包括以下步骤：

(1)基层管的表面处理

取碳钢管，将基层管的内壁进行精整后加工出具有粗糙度的结合面。加工过程铁屑可回收利用。

(2)基层管的预热

将所述基层管调运至加热炉中并在惰性气氛或还原气氛中进行预热，以达到浇注所需的预热温度。预热包括以下具体过程：先利用加热炉对炉体内部环境预热然后对所述基层管预热，炉体内部的预热温度为1000℃，所述基层管的预热温度为1000℃、预热时间为5h。

(3)浇注

将所述基层管调运至浇注区，然后将陶瓷模具降吊至所述基层管内底部并进行对中，所述陶瓷模具与所述基层管之间形成浇筑腔体，通过设置在所述陶瓷模具顶部的盛钢桶盛放与复合层材质相同的浇注液，并控制浇注液温度在浇注液液相线上60℃。

开启所述盛钢桶的出钢口进行浇注，并且在浇注过程中通过升降系统将所述陶瓷模具向上匀速运动，移动速率为10mm/s。同时利用配置在所述陶瓷模具底部的冷却系统对浇注得到的复合层进行冷却，冷却速度不低于20℃/s。浇注完毕，得到复合管坯体。在浇注过程中，控制基层管旋转。基层管的旋转速率为300r/min。

(4)热处理

将所述复合管坯体降温冷却，冷却速度为50℃/s。空冷至1000℃后进行淬火，随后进行1h中温回火，回火温度400℃；完全冷却后进行探伤，检验，精整，包装，得到不锈钢/碳钢复合管。

下面结合本发明提供的生产系统进一步说明。

如图1所示，一种不锈钢/碳钢复合管浇注系统，包括浇注区1、基层管2、用于驱动基层管2转动的旋转组件3、陶瓷模具4、盛钢桶5以及升降机构6。盛钢桶5内可盛放不锈钢钢液作为复合在基层管2内壁上的复合层，且该复合层的材质与基层管2的材质不同。

基层管2通过旋转组件3竖直设置在所述浇注区1内，陶瓷模具4位于基层管2内部且分别与基层管2内壁和底壁之间均具有浇注腔体7，盛钢桶5位于基层管2内且与陶瓷模具4顶端之间具有浇钢通道8，浇钢通道8与浇注腔体7相连通，升降机构6的下端分别与盛钢桶5和陶瓷模具4相连接，通过升降机构6带动盛钢桶5和陶瓷模具4沿基层管2竖直升降。

高温陶瓷模具4采用氧化铝材质制成。预热后的基层管2吊运至浇注区1并通过旋转组件3进行定位，通过顶部升降机构6将陶瓷模具4降至基层管2的底部，浇注前将陶瓷模具4预热至1400℃，陶瓷模具4与基层管2间通过升降机构6的定位轴实现对中，二者间距位浇注腔体7，优选该间距为15mm，即为待浇复合层的复层厚度。高瓷模具顶部安装有盛钢桶5，用于盛放复合层钢液并控制浇注过热度在液相线上50-70℃，浇注过程中，打开盛钢桶5的出钢口，钢液由出钢口流入至浇钢通道8进而流入至浇注腔体7内，由盛钢桶5内部控流装置控制浇注速度，同时顶部升降机构6带动陶瓷模具4以1.2mm/s的速度上升，且基层管2在这一过程中由旋转组件3带动以15转/min的速度进行旋转，陶瓷模具4底部配有冷却系统12，在模具提升过程中通过高压氩气对刚离开陶瓷模具4接触面的不锈钢复层内壁以不小于20℃/s的速度进行冷却。从而使得浇注全程浇注区1内保持惰性气氛或还原性气氛，保证浇注效果。

为了提高升降机构6的使用性能，本发明中，升降机构6包括驱动件9以及连接在驱动件9上的升降定位轴10，且升降定位轴10的下端分别与盛钢桶5和陶瓷模具4相连接。通过驱动件9的驱动作用带动升降定位轴10的升降，进而带动盛钢桶5和陶瓷模具4以一定的速度升降，升降可靠稳定，提高了在上升过程中钢液流出至浇注腔体7内的均匀性。

为了提高复合层内部及表面的质量，如图2所示，本发明中，所述陶瓷模具4包括进口段40、位于进口段40下方的出口段41以及连接在进口段40与出口段41之间的过渡段42；进口段40的直径小于出口段41的直径，过渡段42呈锥度结构，且锥度为0.5％/m-3％/m。过渡段42长度150mm，可在浇注过程中对未完全凝固的复合层起挤压作用，提升复合层内部及表面质量。

如图3所示，本发明还提供了一种不锈钢/碳钢复合管生产系统，包括浇注系统、浇注前对基层管2进行处理的预处理机构14、加热炉15、加热系统16以及对浇注后的复合管进行热处理的热处理机构17；加热系统16与气氛保护系统13分别通过管道与所述加热炉15相连通。

通过预处理机构14对基层管2内壁进行精整，从而并进一步加工提高粗糙度以增大碳钢/不锈钢结合面面积及结合强度。通过加热炉15对基层管2进行预热，先利用加热炉15内部环境温度对基层管2进行预热，浇注前再通过加热系统16对基层管2内壁加热，直至所述基层管2达到预定加热温度100-1800℃，预热时间预热时间0.1-10小时，预热全程加热炉15中保持惰性气氛或还原性气氛。如前所述通过浇注系统实现基层管2与复合钢液的固液复合，复合后的复合管结构可靠，质量好。复合后的复合管通过吊具吊移至热处理机构17，按照生产要求制定降温、热处理操作工艺，其中降温方式包括炉冷、空冷、堆冷、水淬、油淬中的一种或多种，所述热处理工艺流程包括退火、正火、回火、淬火中的一种或多种。探伤检验合格后进行精整、包装。

预处理机构14包括用于对基层管2进行精整的精整件以及位于基层管2下方的废钢回收桶140。在精整过程中，通过精整件对基层管2的内壁进行螺纹加工、打磨或腐蚀等方式，从而提升粗糙度，精整后的钢屑则掉落至废钢回收桶140内进行回收，避免加工环境的污染且回收后的钢屑可用于其他加工，实现回收再利用。

通过吊具将浇注前的基层管2吊移至浇注区内，且将浇注后的复合管吊移至热处理池和回火处理部。生产过程全程基层管2及浇注后的复合管处于直立状态，并通过顶部吊具及加热炉15中导轨进行运输。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种不锈钢/碳钢复合管的制作工艺，其特征在于，所述不锈钢/碳钢复合管的复合层和基层的材质分别选自不锈钢或碳钢，并且所述复合层和所述基层的材质不同，所述制作工艺包括以下步骤：

(1)基层管的表面处理

取与预计复合层材质相同的管材作为基层管，将基层管的内壁进行精整后加工出具有粗糙度的结合面；

(2)基层管的预热

将所述基层管调运至加热炉中并在惰性气氛或还原气氛中进行预热，以达到浇注所需的预热温度；

(3)浇注

将所述基层管调运至浇注区，然后将陶瓷模具降吊至所述基层管内底部并进行对中，所述陶瓷模具与所述基层管之间形成浇筑腔体，通过设置在所述陶瓷模具顶部的盛钢桶盛放与复合层材质相同的浇注液，并控制浇注液温度在浇注液液相线上50-70℃；

开启所述盛钢桶的出钢口进行浇注，并且在浇注过程中通过升降系统将所述陶瓷模具向上匀速运动，同时利用配置在所述陶瓷模具底部的冷却系统对浇注得到的复合层进行冷却，直至浇注完毕，得到复合管坯体；

(4)热处理

将所述复合管坯体降温冷却，然后进行热处理，得到不锈钢/碳钢复合管。

2.根据权利要求1所述的不锈钢/碳钢复合管的制作工艺，其特征在于，步骤(3)还包括：在浇注过程中，控制基层管旋转。

3.根据权利要求2所述的不锈钢/碳钢复合管的制作工艺，其特征在于，所述基层管的旋转速率为100-400r/min。

4.根据权利要求1所述的不锈钢/碳钢复合管的制作工艺，其特征在于，步骤(3)中，所述陶瓷模具的移动速率为1-20mm/s。

5.根据权利要求1所述的不锈钢/碳钢复合管的制作工艺，其特征在于，步骤(3)中，冷却系统对复合层的冷却速度不低于20℃/s。

6.根据权利要求1-5任一项所述的不锈钢/碳钢复合管的制作工艺，其特征在于，步骤(1)中，具有粗糙度的结合面通过在所述基层管内壁加工螺纹得到。

7.根据权利要求1-5任一项所述的不锈钢/碳钢复合管的制作工艺，其特征在于，步骤(2)中，所述预热包括以下具体过程：

先利用加热炉对炉体内部环境预热然后对所述基层管预热，炉体内部的预热温度为100-1800℃，所述基层管的预热温度为100-1500℃、预热时间为0.1-10h。

8.根据权利要求1-5任一项所述的不锈钢/碳钢复合管的制作工艺，其特征在于，步骤(4)中，冷却速度为10-100℃/s，冷却方式为炉冷、空冷、堆冷、水淬和油淬中的一种或多种组合；

热处理为退火、正火、回火和淬火中的一种或多种组合。

9.根据权利要求1-5任一项所述的不锈钢/碳钢复合管的制作工艺，其特征在于，所述陶瓷模具包括进口段、位于所述进口段下方的出口段以及连接在所述进口段与所述出口段之间的过渡段；

所述进口段的直径小于所述出口段的直径，过渡段呈锥度结构，且锥度为0.5％/m-3％/m。

10.一种不锈钢/碳钢复合管，其特征在于，采用权利要求1-9任一项所述的制作工艺制备得到，所述不锈钢/碳钢复合管包括材质不同的复合层和基层，所述复合层和基层的材质分别选自不锈钢或碳钢，所述复合层与基层之间通过具有粗糙度的结合面连接。

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