CN111906277A - 一种双金属复合管坯生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于双金属复合管技术领域，具体涉及一种双金属复合管坯生产方法,将内层实心材料与外层空心材料之间采用电渣重熔方法，使内层实心材料在外层空心材料内熔化复合制得复合管坯，内层实心材料在熔化堆积上升过程中，对下部已经熔化复合的部分进行保温使其缓慢冷却；内层实心材料与外层空心材料完成复合后得到复合管坯，将得到的复合坯料加热至700℃‑800℃并保温，然后冷却至200℃以下出炉空冷。对下部已经熔化复合的部分进行保温使其缓慢冷却，即在复合过程中就消除其应力；在复合完成后再次消除应力，以保组织一致，克服由于耐磨高硬度的材质韧性差而导致裂纹的产生。

Description

一种双金属复合管坯生产方法

技术领域

本发明属于双金属复合管技术领域，具体涉及一种双金属复合管坯生产方法。

背景技术

双金属复合管具有含碳量高、耐冲击、热膨胀率低、耐压、耐高温，安装成熟，规格齐全的优点，目前已有不少厂家生产的双金属复合管广泛应用于油田、化工、电力等工业领域，其适用范围越来越广泛，带来的经济、环境、社会效益也更加明显。

金属复合管是采用复合技术，通过两种不同材质金属材料的机械性能旋压嵌套复合至一起，其采用的基本原理为：外基管负责承压和管道刚性支撑的作用，内衬管承担耐腐蚀的作用。常见生产工艺有：热成型法、冷成型法、离心铸造和离心铝热剂法、爆炸焊成型法、堆焊成型法和电磁成型法等，这些方法各有优点但是也同时存在各自的局限性，比如对技术要求比较高，需要经验丰富的相关人员进行操作，有的只是机械结合，高温环境下会分层失效，或者实验成本较高，操作复杂等问题。

同时，也有采用电渣重熔的方法制备复合管，即使内层材料熔化在外层空心材料中形成复合管坯，但由于电渣重熔后两种金属材质的本身材料性能不同，会导致生产出的复合管存在内应力，组织一致性差，容易产生裂纹等缺陷。目前内层为不锈钢外层为碳钢的复合管，在后续进行打孔加工时，由于内层不锈钢的特殊性能，打孔难度很大，几乎不能成功，不锈钢无法热轧的性能使目前加工后的复合管坯，并不适用于下一步管坯的打孔加工工艺。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种双金属复合管坯生产方法，该方法可以有效消除内应力，保证组织一致性。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种双金属复合管坯生产方法，内层实心材料与外层空心材料之间采用电渣重熔方法制备复合管坯，电渣重熔是指：在外层空心材料中加入引弧剂和电渣料，通电加热使内层实心材料在外层空心材料内熔化制得复合管坯，内层实心材料在熔化堆积上升过程中，对下部已经熔化复合的部分进行保温使其缓慢冷却；内层实心材料与外层空心材料完成复合后得到复合管坯，将得到的复合坯料加热至700℃-800℃并保温，然后冷却至200℃以下出炉空冷。

将得到的复合坯料度先加热到450℃到500℃保持10小时，再经过8小时的加热，达到600℃到650℃保持8小时，最后加热到700℃到800℃保持20小时，然后开始随炉缓冷降到640℃到660℃保持60小时，最终降到200℃出炉空冷。

通电加热时，通过获取外层空心材料的温度变化，判断外层空心材料与内层实心材料之间的内部复合区温度的变化，配合所需电压、电流达到内层熔化、外层内壁熔化不流动的程度，使内层实心材料熔化堆积上升。

当外层空心材料的温度处于900℃-1050℃时，控制电压为30V-40V，电流为1000A-2000A。

对电渣重熔中所采用的电渣料进行预烘烤，烘烤温度为600℃-800℃，烘烤时间不小于4小时，然后放入保温炉中保温待用。

内层实心材料在外层空心材料内熔化复合过程中，加入保护气体Ar和He并吹入粉料Na₂B₄O₅(OH)₄·8H₂O和(C₆H₁0O₅)n。

电渣重熔中所采用的电渣料包括：CaF₂、Al₂O₃、CaO、MgO、TiO₂、Al、CaC₂。

在外层空心材料中先放入引弧剂TiO₂、CaF₂，然后加入电渣料CaF₂，最后加入剩余电渣料；将渣料点燃，并通过内层实心材料的旋转对点燃后的渣料进行搅拌。

CaF₂的化学成分根据所需钢种的含量选择一类或二类萤石；

CaO的化学成分为CaO％≥98、Si₂％≤1.0、H₂O％≤0.20、S％≤0.05、烧损％≤3.0；

MgO的粒度为0-50mm，其成分为：MgO％≥9、Si₂％≤2.2、CaO％≤2.0、颗粒体积密度g/cm3≥3.45；

TiO₂的化学成分含量为TiO₂≥99.5、Si₂≤0.25、Fe₂O₃≤0.1、P₂O₅≤0.05、SO₃≤0.05、Cu≤0.02、Pb Sn Sb Bi As≤0.001、烧碱≤0.5，其中，Si₂的粒度为1-3mm，Si₂≥95％；Al为铝粉，粒度为0.3-3mm，含量Al≥99％，H₂O≤0.03％。

对复合完毕的复合管坯进行去氧化皮，探伤检验，锯掉两头，并用深孔钻钻中心通孔，形成内层为不锈钢可热轧的复合管坯。

本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：

内层实心材料在熔化堆积上升过程中，对下部已经熔化复合的部分进行保温使其缓慢冷却，即在复合过程中就消除其应力；当内层实心材料与外层空心材料完成复合后得到复合管坯，将得到的复合坯料加热至700℃-800℃并保温，然后冷却至200℃以下出炉空冷，即在复合完成后再次消除应力，以保组织一致，克服由于耐磨高硬度的材质韧性差而导致裂纹的产生，为后续复合管加工的热轧工艺奠定基础。

通过获取外层空心材料的温度变化，判断外层空心材料与内层实心材料之间的内部复合区温度的变化，配合所需电压、电流达到内层熔化、外层内壁熔化不流动的程度，使内层实心材料熔化堆积上升，保证内外层材料充分复合。

通过用两种不同贵贱及性能的金属管用特种工艺方法组合而成，是综合两种金属管的优点，避免两种金属管的缺点，是一种物尽其用的好金属管种。将金属加温到熔点以上，原子在游离状态下形成新的组合的产物，是一种原子结合的双金属管，使用过程中不起皮、不掉块硬揉耐腐蚀熔于一体，性能较优。

成品管基层通过电渣熔炼自上而下的顺序结晶，改善了复合钢制作毛坯内部的结晶组织，使用顺序结晶大大降低了传统离心浇铸法的偏杆，减少了钢液的氢、氮的增加量和二次氧化，做到了钢材质量质的飞跃。

配合惰性气体Ar、He与空气中的H、N、O隔绝，喷如Na2B4O5(OH)4.8H2O、(C₆H₁₀O₅)n粉料制作气体带走钢中的H、N、O等有害气体，使制作复合坯料再上一个等级。

附图说明

图1为本发明的工艺流程示意图；

图2为本发明的温度曲线示意图；

图3是本发明熔复区示意图；

图4是本发明保温罩的一种结构示意图；

图5是本发明保温罩的另一种结构示意图；

具体实施方式

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，都属于本发明保护的范围。

如图1和2所示，一种双金属复合管坯生产方法,包括以下步骤：

原料准备：外层空心材料和内层实心材料(电极母材)

准备电渣料，根据所用钢材的不同，用CaF₂、Al₂O₃、CaO、MgO、TiO₂、Al、CaC2配制。使用前对电渣料进行烘烤，烘烤是用600度到800度的环境烘烤4小时以上，目的是烤干渣料里面的水分含量，保证水分里面的H气体不进入钢中。

其加入顺序为：先放入电阻小的引弧剂(TiO₂、CaF₂)一小块，然后加入相比较电阻小熔点低的电渣料CaF₂，然后加入剩余电渣料，在外层空心材料内炼渣；点燃渣料后旋转电极搅拌渣液保证没有生渣(固态渣料)达到1500度(配制渣料熔点在1180度—1450度之间)。

将内层实心材料在外层空心材料内熔化，随着母材熔化堆积上升，下部缓慢冷却，避免产生应力；电渣复合完毕，将得到的复合坯料加热至700℃-800℃并保温，然后冷却至200℃以下出炉空冷，以保组织一致，消除内应力。

具体的：外层空心材料可以用实心的棒料掏孔制作；或者在穿孔机上制作所需规格的无缝管。内层实心材料，可以用电弧炉、中频炉等炼制化学成分符合要求的元钢作为复合管坯母材。内层材质为不锈钢，外层材质为碳钢的复合管

备渣料CaF₂、Al₂O₃、CaO、MgO、TiO₂、Al、CaC2，粉料Na₂B₄O₅(OH)₄·8H₂O和(C₆H₁0O₅)n，惰性气体Ar、He。

渣料的化学成分即粒度要求：

CaF₂其化学成分应符合下表含量(％)

【说明一类、二类的区别及用途】答：一类和二类的区别是说萤石的纯净度含硫量的不同，对钢中含硫量有影响。为了达到所需钢种含量的要求来选择一类或二类萤石。

Al₂O₃化学成分应符合GB8178-87规定，为一般工业纯，最低不超过三级，其Al₂O₃≥98.4％，Si₂≤0.06％,灼减≤0.8％，杂质Na2O应严控，Na2O≤0.65％。

CaO的化学成分应符合下表规定

CaO％	Si<sub>2</sub>％	H<sub>2</sub>O％	S％	烧损％
					≥98	≤1.0	≤0.20	≤0.05	≤3.0

MgO粒度0-50mm，其成分如下：

MgO％	Si<sub>2</sub>％	Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>％	CaO％	颗粒体积密度g/cm3
					≥96	≤2.2	---	≤2.0	≥3.45

TiO₂的化学成分含量(％)

(Si₂)≥95％，为一般工业纯，粒度1-3mm。

铝粉：Al≥99％，粒度是0.3-3mm，H2O≤0.03％。

所有渣料在使用前必须烘烤，然后在炉中保温随用随取。箱式电阻炉加热时，渣料装在不锈钢箱内加热。

炼渣：按顺序加入配制渣料在外层空心材料内炼渣，温度至1300℃左右，用电极母材在空心材料内旋转熔化，同时加入保护气体Ar和He并吹入粉料Na₂B₄O₅(OH)₄·8H₂O和(C₆H₁0O₅)n熔化堆积上升，下部缓慢保温冷却、退火。

熔化复合过程：如图3所示，首先在熔复区用红外线测温仪获取外皮温度，(900℃-1050℃)由此来判断内部复合区温度的变化，在配以合适的电压、电流(30V-40V 1000A-2000A)达到外层熔化但不流动，内层熔化的效果。

如图4和5所示，熔炼复合逐步形成，保温罩跟熔复区不断上升(保温罩有软保温罩和硬保温罩两种。软保温罩采用耐高温石棉布制成、硬保温罩采用不锈钢与耐高温石棉布制成伸缩节组成)达到保温缓冷的效果，不至于内部开裂、发纹、复合面拉伤等缺相发生。

复合完毕之后将复合坯料以缓慢的速度加热至700℃-800℃，经过适当的保温，随炉缓冷至200℃以下出炉空冷。目的是给下一步锯两头和钻中心孔创造条件。优选，先加热到450℃到500℃保持10小时，再经过8小时的加热，达到600℃到650℃保持8小时，最后加热到700℃到800℃保持20小时，然后开始随炉缓冷降到640℃到660℃保持60小时，最终降到200℃出炉空冷；整体来讲就是将复合坯料以缓慢的速度加热至700℃-800℃，经过适当的保温，随炉缓冷至200℃一下出炉空冷，消除应力耐磨高硬度的材质韧性差避免裂纹的产生，以保组织一致，消除内应力。

后续加工：对复合完毕的复合管坯进行去氧化皮，探伤检验，探伤检测头尾工艺缺陷部位、定锯口位置，锯两头，并用深孔钻钻中心通孔，形成内层为不锈钢可热轧的复合管坯，为下一道工序打基础。

穿孔轧制：使用穿孔机进行穿孔、轧制成所要求规格的管坯，穿孔机穿孔后，轧制包括矫直机矫直、拔长以及定内外尺寸，对管坯进行打孔为后续复合管加工的热轧工艺奠定基础。

精加工：对轧制后的管坯进行冷却、复检及定尺。

用两种不同贵贱及性能的金属管用特种工艺方法组合而成，是综合两种金属管的优点，避免两种金属管的缺点，是一种物尽其用的好金属管种，可以广泛适用于电力、煤炭、城乡建设、船舶、石油化工、机械、核工业、等行业。而本发明中成品管基层通过电渣熔炼自上而下的顺序结晶，改善了复合钢制作毛坯内部的结晶组织，顺序结晶大大降低了传统离心浇铸法的偏杆，减少了钢液的氢、氮的增加量和二次氧化，做到了钢材质量质的飞跃。

本发明工艺双金属电渣冶金熔合无缝复合管是在金属加温到熔点以上，原子在游离状态下形成新的组合的产物，是一种原子结合的双金属管，使用过程中不起皮、不掉块硬揉耐腐蚀熔于一体，性能大大优于目前同类产品。

上面仅对本发明的较佳实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化，各种变化均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种双金属复合管坯生产方法，内层实心材料与外层空心材料之间采用电渣重熔方法制备复合管坯，电渣重熔是指：在外层空心材料中加入引弧剂和电渣料，通电加热使内层实心材料在外层空心材料内熔化制得复合管坯，其特征在于：内层实心材料在熔化堆积上升过程中，对下部已经熔化复合的部分进行保温使其缓慢冷却；内层实心材料与外层空心材料完成复合后得到复合管坯，将得到的复合坯料加热至700℃-800℃并保温，然后冷却至200℃以下出炉空冷。

2.根据权利要求1所述的一种双金属复合管坯生产方法，其特征在于：将得到的复合坯料度先加热到450℃到500℃保持10小时，再经过8小时的加热，达到600℃到650℃保持8小时，最后加热到700℃到800℃保持20小时，然后开始随炉缓冷降到640℃到660℃保持60小时，最终降到200℃出炉空冷。

3.根据权利要求1所述的一种双金属复合管坯生产方法，其特征在于：通电加热时，通过获取外层空心材料的温度变化，判断外层空心材料与内层实心材料之间的内部复合区温度的变化，配合所需电压、电流达到内层熔化、外层内壁熔化不流动的程度，使内层实心材料熔化堆积上升。

4.根据权利要求3所述的一种双金属复合管坯生产方法，其特征在于：当外层空心材料的温度处于900℃-1050℃时，控制电压为30V-40V，电流为1000A-2000A。

5.根据权利要求1所述的一种双金属复合管坯生产方法，其特征在于：对电渣重熔中所采用的电渣料进行预烘烤，烘烤温度为600℃-800℃，烘烤时间不小于4小时，然后放入保温炉中保温待用。

6.根据权利要求1所述的一种双金属复合管坯生产方法，其特征在于：内层实心材料在外层空心材料内熔化复合过程中，加入保护气体Ar和He并吹入粉料Na₂B₄O₅(OH)₄·8H₂O和(C₆H₁0O₅)n。

7.根据权利要求1所述的一种双金属复合管坯生产方法，其特征在于：电渣重熔中所采用的电渣料包括：CaF₂、Al₂O₃、CaO、MgO、TiO₂、Al、CaC₂。

8.根据权利要求7所述的一种双金属复合管坯生产方法，其特征在于：在外层空心材料中先放入引弧剂TiO₂、CaF₂，然后加入电渣料CaF₂，最后加入剩余电渣料；将渣料点燃，并通过内层实心材料的旋转对点燃后的渣料进行搅拌。

9.根据权利要求7所述的一种双金属复合管坯生产方法，其特征在于：

CaF₂的化学成分根据所需钢种的含量选择一类或二类萤石；

CaO的化学成分为CaO％≥98、Si₂％≤1.0、H₂O％≤0.20、S％≤0.05、烧损％≤3.0；

MgO的粒度为0-50mm，其成分为：MgO％≥9、Si₂％≤2.2、CaO％≤2.0、颗粒体积密度g/cm3≥3.45；

TiO₂的化学成分含量为TiO₂≥99.5、Si₂≤0.25、Fe₂O₃≤0.1、P₂O₅≤0.05、SO₃≤0.05、Cu≤0.02、Pb Sn Sb Bi As≤0.001、烧碱≤0.5，其中，Si₂的粒度为1-3mm，Si₂≥95％；Al为铝粉，粒度为0.3-3mm，含量Al≥99％，H₂O≤0.03％。

10.根据权利要求1所述的一种双金属复合管坯生产方法，其特征在于：对复合完毕的复合管坯进行去氧化皮，探伤检验，锯掉两头，并用深孔钻钻中心通孔，形成内层为不锈钢可热轧的复合管坯。

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