CN111230072A - 一种不锈钢/碳钢复合管浇注系统及其浇注工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种不锈钢/碳钢复合管浇注系统及其浇注工艺，包括浇注区、基层管、用于驱动基层管转动的旋转组件、陶瓷模具、盛钢桶以及升降机构；该系统及工艺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；通过合理设计陶瓷模具形状及运动方式，在浇注过程中对复层产生挤压作用，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；外壁的基层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；该方案自动化程度高，提高了产品稳定性及生产效率。
Description
技术领域
本发明涉及双金属复合材料的制备领域，具体涉及一种不锈钢/碳钢复合管浇注系统及其浇注工艺。
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。
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/不锈钢复合管的浇注系统及浇注方法。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系统及浇注工艺显得尤为关键。
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/碳钢复合管浇注系统及其浇注工艺。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种不锈钢/碳钢复合管浇注系统，包括浇注区、基层管、用于驱动基层管转动的旋转组件、陶瓷模具、盛钢桶以及升降机构；
所述基层管通过旋转组件竖直设置在所述浇注区内，所述陶瓷模具位于所述基层管内部且分别与所述基层管内壁和底壁之间均具有浇注腔体，所述盛钢桶位于所述基层管内且与所述陶瓷模具顶端之间具有浇钢通道，所述浇钢通道与所述浇注腔体相连通，所述升降机构的下端分别与所述盛钢桶和陶瓷模具相连接，通过所述升降机构带动盛钢桶和陶瓷模具沿所述基层管竖直升降。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，所述升降机构包括驱动件以及连接在所述驱动件上的升降定位轴，且所述升降定位轴的下端分别与所述盛钢桶和陶瓷模具相连接。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，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，使得陶瓷模具整体呈锥度结构，且锥度为0.5％/m-3％/m。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，所述盛钢桶内设置有控温装置及控流装置。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，所述基层管的底端且与所述陶瓷模具相对应位置设置有冷却系统，通过所述冷却系统对离开陶瓷模具的复合层进行冷却。
本发明还提供了一种不锈钢/碳钢复合管的浇注工艺，基于上述浇注系统进行浇注，包括以下步骤：
步骤①：对基层管进行预热，并将预热后的基层管吊运至浇注区的旋转组件上安装固定；
步骤②：对陶瓷模具进行预热，预热温度100-1500℃，并将陶瓷模具降吊至基层管内底部进行对中，使得所述陶瓷模具与所述基层管之间形成浇注腔体；
步骤③：对盛钢桶内的浇注液进行加热，并控制浇注液温度在浇注液液相线上50-70℃；
步骤④：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机构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。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，步骤中，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。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，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，陶瓷模具沿基层管内垂直方向做匀/变速运动的速度1-20mm/s。
本发明具有以下有益效果：本发明所提供的一种不锈钢/碳钢复合管浇注系统及其浇注工艺，
(1)该系统及工艺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。
(2)通过合理设计陶瓷模具形状及运动方式，在浇注过程中对复层产生挤压作用，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；外壁的基层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。
(3)该方案自动化程度高，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。
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。
实施例一：
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、钢液盛放桶以及升降机构6。
碳钢/不锈钢复合管管径100-6000mm，高度500-6000mm，外壁为基层管2，厚度100-300mm，内壁为复合层，厚度10-30mm。基层管2可采用不锈钢管或碳钢管，钢液盛放桶内可盛放不锈钢钢液或碳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。即本发明的不锈钢/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。
基层管2通过旋转组件3竖直设置在浇注区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，所述钢液盛放桶位于所述基层管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与所述浇注腔体7相连通，升降机构6的下端分别与所述钢液盛放桶和陶瓷模具4相连接，通过升降机构6带动钢液盛放桶和陶瓷模具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钢液盛放桶，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，打开钢液盛放桶的出钢口，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，由钢液盛放桶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的下端分别与所述钢液盛放桶和陶瓷模具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，进而带动钢液盛放桶和陶瓷模具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，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与所述出口段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。
实施例二：
本发明还提供了一种不锈钢/碳钢复合管的浇注工艺，基于上述浇注系统进行浇注，包括以下步骤：
步骤①：对基层管2进行预热，并将预热后的基层管2吊运至浇注区1的旋转组件3上安装固定。
步骤②：对陶瓷模具4进行预热，预热温度100-1500℃，并将陶瓷模具4降吊至基层管2内底部进行对中，使得所述陶瓷模具4与所述基层管2之间形成浇注腔体；
步骤③：对盛钢桶5内的浇注液进行加热，并控制浇注液温度在浇注液液相线上50-70℃；
步骤④：开启所述盛钢桶5的出钢口进行浇注，并且在浇注过程中通过升降机构将所述陶瓷模具4向上运动，且该陶瓷模具4沿基层管2内垂直方向做匀/变速运动的速度1-20mm/s。同时利用配置在所述陶瓷模具4底部的冷却系统12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。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。
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。
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 (9)
1.一种不锈钢/碳钢复合管浇注系统，其特征在于，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)；
所述基层管(2)通过旋转组件(3)竖直设置在所述浇注区(1)内，所述陶瓷模具(4)位于所述基层管(2)内部且分别与所述基层管(2)内壁和底壁之间均具有浇注腔体(7)，所述盛钢桶(5)位于所述基层管(2)内且与所述陶瓷模具(4)顶端之间具有浇钢通道(8)，所述浇钢通道(8)与所述浇注腔体(7)相连通，所述升降机构(6)的下端分别与所述盛钢桶(5)和陶瓷模具(4)相连接，通过所述升降机构(6)带动盛钢桶(5)和陶瓷模具(4)沿所述基层管(2)竖直升降。
2.根据权利要求1所述的不锈钢/碳钢复合管浇注系统，其特征在于，所述升降机构(6)包括驱动件(9)以及连接在所述驱动件(9)上的升降定位轴(10)，且所述升降定位轴(10)的下端分别与所述盛钢桶(5)和陶瓷模具(4)相连接。
3.根据权利要求1所述的不锈钢/碳钢复合管浇注系统，其特征在于，所述陶瓷模具(4)包括进口段(40)、位于所述进口段(40)下方的出口段(41)以及连接在所述进口段(40)与所述出口段(41)之间的过渡段(42)；
所述进口段(40)的直径小于所述出口段(41)的直径，使得陶瓷模具(4)整体呈锥度结构，且锥度为0.5％/m-3％/m。
4.根据权利要求1所述的不锈钢/碳钢复合管浇注系统，其特征在于，所述盛钢桶(5)内设置有控温装置及控流装置。
5.根据权利要求4所述的不锈钢/碳钢复合管浇注系统，其特征在于，所述基层管(2)的底端且与所述陶瓷模具(4)相对应位置设置有冷却系统(12)，通过所述冷却系统(12)对离开陶瓷模具(4)的复合层进行冷却。
6.一种不锈钢/碳钢复合管的浇注工艺，其特征在于，基于权利要求1至5任一项所述的浇注系统进行浇注，其包括以下步骤：
步骤①：对基层管(2)进行预热，并将预热后的基层管(2)吊运至浇注区的旋转组件(3)上安装固定；
步骤②：对陶瓷模具(4)进行预热，预热温度100-1500℃，并将陶瓷模具(4)降吊至基层管(2)内底部进行对中，使得所述陶瓷模具(4)与所述基层管(2)之间形成浇注腔体(7)；
步骤③：对盛钢桶(5)内的浇注液进行加热，并控制浇注液温度在浇注液液相线上50-70℃；
步骤④：开启所述盛钢桶(5)的出钢口进行浇注，并且在浇注过程中通过升降机构将所述陶瓷模具(4)向上匀速运动，同时利用配置在所述陶瓷模具(4)底部的冷却系统(12)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。
7.根据权利要求6所述的不锈钢/碳钢复合管的浇注工艺，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。
8.根据权利要求7所述的不锈钢/碳钢复合管的浇注工艺，其特征在于，冷却系统对复合层的冷却速度不低于20℃/s。
9.根据权利要求8所述的不锈钢/碳钢复合管的浇注工艺，其特征在于，陶瓷模具(4)沿基层管(2)内垂直方向做匀/变速运动的速度1-20mm/s。
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