CN116237481A - 一种Fe-Ni-Cr高温合金管材铸型装置及其连铸方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种Fe‑Ni‑Cr高温合金管材铸型装置及其连铸方法，包括铸型支撑架，铸型支撑架上设置有保温炉，保温炉上对应合金熔体进口的外侧设置有感应加热保温机构，保温炉上设置有氮化硼铸型机构，氮化硼铸型机构的上端设置有石墨冷却机构，石墨冷却机构的外侧设置有水冷铜套，保温炉内的Fe‑Ni‑Cr高温合金熔体通过氮化硼铸型机构连铸加工成Fe‑Ni‑Cr高温合金管材，本发明采用定向凝固，无需芯材，装置简单且无焊缝，晶界较少，具有很高的耐腐蚀性能，极大的降低了管材连铸过程中存在的管材断裂、充型不足、管材成形不稳定和芯材断裂等风险，对连续铸造管材产品的效率提升和质量改进，具有非常重要的意义。

Description

一种Fe-Ni-Cr高温合金管材铸型装置及其连铸方法
技术领域
本发明属于合金管材加工技术领域，具体涉及一种Fe-Ni-Cr高温合金管材铸型装置及其连铸方法。
背景技术
Fe-Ni-Cr合金是一种时效强化型高强度高温耐蚀合金，在油气、化工、海洋等工程领域有着广泛的应用，由于Fe-Ni-Cr高温耐蚀合金管材合金成分复杂，难加工变形、偏析严重、生产流程长等问题，导致质量优异的高温合金管材难以批量生产，具有较低效益，生产具有特殊性能特殊长度的管材更是在质量上难以保障，技术人员难以整体控制管材的综合性能调控。
目前传统高温合金无缝管材主要还是采用“离心铸造管坯-焊接拼合-多道次冷轧-退火”、“熔炼-均匀化退火-锻造开坯-热挤压-多道次冷轧-中间退火”和“熔炼-均匀化退火-铸锭开坯-穿孔-旋压-退火”的方式，但采取上述传统方法，连带设备较多，且易产生如下问题：1、采用离心铸造管-焊接的方式制备管坯，会造成成分分布不均匀，管材性能难以保证，不能够直接生产较长的高温合金管型材；2、高温合金冷成形困难，热挤压工艺参数难以调控；3、热穿孔的管坯易产生裂纹甚至发生破碎，而采用机械钻孔在坯料较长时难以保证同轴度，不仅穿孔质量参差不齐，而且生产效益较低。
并且生产高温合金管材的铸型设备大多不是一体式连铸设备，空心管材的连铸设备的结晶器内套材料为石墨，石墨易与Cr金属元素产生反应，不仅会破坏石墨结晶器，还会对铸件本身造成影响，因此目前的铸型设备很难满足高温合金连铸需求，无法应用于高温合金管材连铸成型，为此我们提出一种Fe-Ni-Cr高温合金管材铸型装置及其连铸方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种Fe-Ni-Cr高温合金管材铸型装置及其连铸方法，采用定向凝固，无需芯材，装置简单且无焊缝，晶界较少，具有很高的耐腐蚀性能，极大的降低了管材连铸过程中存在的管材断裂、充型不足、管材成形不稳定和芯材断裂等风险，提高Fe-Ni-Cr系高温耐蚀合金管生产效率、质量和稳定性。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种Fe-Ni-Cr高温合金管材铸型装置，包括铸型支撑架，所述铸型支撑架上设置有保温炉，所述保温炉上设置有合金熔体进口和合金管材牵引口，所述保温炉上对应所述合金熔体进口的外侧设置有感应加热保温机构，所述合金熔体进口通过浇筑炉向所述保温炉内填加Fe-Ni-Cr高温合金熔体；
所述保温炉上对应所述合金管材牵引口的内侧设置有氮化硼铸型机构，所述氮化硼铸型机构的上端设置有与所述铸型支撑架连接的石墨冷却机构，所述石墨冷却机构的外侧设置有水冷铜套，所述保温炉内的Fe-Ni-Cr高温合金熔体通过所述氮化硼铸型机构连铸加工成Fe-Ni-Cr高温合金管材，所述Fe-Ni-Cr高温合金管材通过所述石墨冷却机构和所述水冷铜套冷却，并通过牵引机构持续拉拔至指定长度，完成所述Fe-Ni-Cr高温合金管材的连铸加工。
优选的，所述保温炉上对应所述合金熔体进口的位置处设置有液位及温度检测机构。
优选的，所述氮化硼铸型机构为采用铜、氮化硼和石墨制作的复合铸型机构。
优选的，所述水冷铜套外接有冷却循环系统，所述水冷铜套内循环流通有冷却介质。
一种Fe-Ni-Cr高温合金管材铸型装置的连铸方法，包括如下步骤：
A：预热保温炉和氮化硼铸型机构，将保温炉和氮化硼铸型机构预热至设定温度，然后将氮化硼铸型机构插入保温炉内的合金管材牵引口的内侧，然后通过冷却循环系统向水冷铜套内循环注入冷却介质；
B：然后开启感应加热保温机构，然后将熔炼好的Fe-Ni-Cr高温合金熔体通过浇筑炉转移注入到保温炉内，感应加热保温机构对保温炉内的Fe-Ni-Cr高温合金熔体进行加热保温，将保温炉内的Fe-Ni-Cr高温合金熔体的温度保持在设定温度区间；
C：然后开启液位及温度检测机构，液位及温度检测机构对保温炉内的Fe-Ni-Cr高温合金熔体液位和温度进行实时检测，将保温炉内的Fe-Ni-Cr高温合金熔体液位和温度保持在低警戒值之上；
D：保温炉内的Fe-Ni-Cr高温合金熔体流动接触到氮化硼铸型机构，根据需要制备的Fe-Ni-Cr高温合金管材的厚度，Fe-Ni-Cr高温合金熔体在氮化硼铸型机构内停留一段时间，然后Fe-Ni-Cr高温合金熔体在氮化硼铸型机构内结晶凝固，形成所需厚度的柱状晶坯壳，然后通过石墨冷却机构和水冷铜套对柱状晶坯壳进行冷却，并从合金管材牵引口延伸出来；
E：然后启动牵引机构，通过牵引机构恒速将柱状晶坯壳拉成Fe-Ni-Cr高温合金管材，然后牵引机构持续拉拔，Fe-Ni-Cr高温合金熔体通过浇筑炉持续补充到保温炉内，将保温炉内的Fe-Ni-Cr高温合金熔体液位高度保持在低警戒值之上；
F：当牵引机构牵引Fe-Ni-Cr高温合金管材达到所需长度时，停止向保温炉内补充Fe-Ni-Cr高温合金熔体，并将Fe-Ni-Cr高温合金管材切断，然后再对Fe-Ni-Cr高温合金管材进行下一工序处理。
优选的，在步骤A中，所述保温炉和所述氮化硼铸型机构采用灼热法进行预热，所述保温炉的预热设定温度为1150-1300℃，所述氮化硼铸型机构的预热设定温度为1000-1100℃。
优选的，在步骤A中，所述水冷铜套内冷却介质的流速为750-850L/h，所述水冷铜套内的冷却介质的温度为20-25℃。
优选的，在步骤B中，所述浇筑炉内的Fe-Ni-Cr高温合金熔体温度为1750-1800℃。
优选的，在步骤B中，所述保温炉内的Fe-Ni-Cr高温合金熔体温度为1450-1500℃。
优选的，在步骤E中，所述牵引机构的牵引速度为30-40mm/min。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明中Fe-Ni-Cr高温合金管材铸型装置通过上引式连铸方式，并通过氮化硼铸型机构连铸加工成Fe-Ni-Cr高温合金管材，有效解决Fe-Ni-Cr高温合金管材上引连铸过程中Fe、Cr合金元素与传统石墨铸型机构发生反应的问题，采用铜、氮化硼和石墨组合的氮化硼铸型机构上引连铸Fe-Ni-Cr高温合金管材，将氮化硼侵入合金熔体致使熔体结晶凝固，形成沿连铸方向定向凝固的柱状晶坯壳，直接上引连铸坯壳成管，无需安装成形芯材，氮化硼和熔体接触不会与Fe、Cr等元素反应，形成的柱状晶管材具有较高的力学性能，氮化硼易碎，不可急冷急热，预热1000℃的氮化硼在促使熔体凝固结晶的同时还会同Fe-Ni-Cr高温合金熔体形成温度梯度，Fe-Ni-Cr高温合金熔体结晶凝壳后上引出来用水冷铜套和石墨冷却机构组合的冷却方式快速冷却，可直接制备出定向凝固的柱状晶的Fe-Ni-Cr高温合金管材，晶界较少，具有高耐腐蚀性，极大地提高生产效率；
2、本发明采用不同于传统冷型铸造的连续定向凝固技术，可制备沿连铸方向具有高取向性的Fe-Ni-Cr高温合金管材，能够充分利用材料的柱状晶结构并降低合金的冷变形抗力，实现高成材率、高效率、高质量稳定性的高温合金无缝管材的制备，方法简单，无需太多人为控制干涉；
3、本发明提出的基于复合铸型上引连铸Fe-Ni-Cr高温合金管材的生产方法，无需芯材，简化结晶器，减少工艺流程，操作简单可直接生产Fe-Ni-Cr高温合金管材，极大的降低管材连铸过程中存在的管材断裂、充型不足、管材成形不稳定和芯材断裂等风险，对连续铸造管材产品的效率提升和质量改进，具有非常重要的意义。
附图说明
图1为本发明的Fe-Ni-Cr高温合金管材铸型装置结构示意图；
图2为本发明的Fe-Ni-Cr高温合金管材铸型装置的连铸流程示意图。
图中：1、铸型支撑架；2、保温炉；201、合金熔体进口；202、合金管材牵引口；3、感应加热保温机构；4、浇筑炉；5、氮化硼铸型机构；6、石墨冷却机构；7、水冷铜套；8、Fe-Ni-Cr高温合金管材；9、牵引机构；10、液位及温度检测机构。
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。
请参阅图1-图2，本发明提供的Fe-Ni-Cr高温合金管材铸型装置，包括铸型支撑架1，铸型支撑架1上设置有保温炉2，保温炉2上设置有合金熔体进口201和合金管材牵引口202，保温炉2上对应合金熔体进口201的外侧设置有感应加热保温机构3，合金熔体进口201通过浇筑炉4向保温炉2内填加Fe-Ni-Cr高温合金熔体，保温炉2上对应合金熔体进口201的位置处设置有液位及温度检测机构10；
保温炉2上对应合金管材牵引口202的内侧设置有氮化硼铸型机构5，氮化硼铸型机构5为采用铜、氮化硼和石墨制作的复合铸型机构，氮化硼铸型机构5的上端设置有与铸型支撑架1连接的石墨冷却机构6，石墨冷却机构6的外侧设置有水冷铜套7，水冷铜套7外接有冷却循环系统，水冷铜套7内循环流通有冷却介质，保温炉2内的Fe-Ni-Cr高温合金熔体通过氮化硼铸型机构5连铸加工成Fe-Ni-Cr高温合金管材8，Fe-Ni-Cr高温合金管材8通过石墨冷却机构6和水冷铜套7冷却，并通过牵引机构9持续拉拔至指定长度，完成Fe-Ni-Cr高温合金管材8的连铸加工。
本发明中Fe-Ni-Cr高温合金管材铸型装置通过上引式连铸方式，并通过氮化硼铸型机构5连铸加工成Fe-Ni-Cr高温合金管材8，有效解决Fe-Ni-Cr高温合金管材8上引连铸过程中Fe、Cr合金元素与传统石墨铸型机构发生反应的问题，采用铜、氮化硼和石墨组合的氮化硼铸型机构5上引连铸Fe-Ni-Cr高温合金管材8，将氮化硼侵入合金熔体致使熔体结晶凝固，形成沿连铸方向定向凝固的柱状晶坯壳，直接上引连铸坯壳成管，无需安装成形芯材，氮化硼和熔体接触不会与Fe、Cr等元素反应，形成的柱状晶管材具有较高的力学性能，氮化硼易碎，不可急冷急热，预热1000℃的氮化硼在促使熔体凝固结晶的同时还会同Fe-Ni-Cr高温合金熔体形成温度梯度，Fe-Ni-Cr高温合金熔体结晶凝壳后上引出来用水冷铜套7和石墨冷却机构6组合的冷却方式快速冷却，可直接制备出定向凝固的柱状晶的Fe-Ni-Cr高温合金管材8，晶界较少，具有高耐腐蚀性，极大地提高生产效率。
本发明采用不同于传统冷型铸造的连续定向凝固技术，可制备沿连铸方向具有高取向性的Fe-Ni-Cr高温合金管材8，能够充分利用材料的柱状晶结构并降低合金的冷变形抗力，实现高成材率、高效率、高质量稳定性的高温合金无缝管材的制备，方法简单，无需太多人为控制干涉。
本实施例中，制备外径为40mm，壁厚4mm的Fe-37Ni-15Cr高温合金管材的连铸方法，包括如下步骤：
A：采用灼热法预热保温炉2和氮化硼铸型机构5，将保温炉2预热至1150℃，氮化硼铸型机构5的预热至1000℃，然后将氮化硼铸型机构5插入保温炉2内的合金管材牵引口202的内侧，然后通过冷却循环系统向水冷铜套7内循环注入冷却介质，水冷铜套7内冷却介质的流速为800L/h，水冷铜套7内的冷却介质的温度为23℃；
B：然后开启感应加热保温机构3，然后将熔炼好的Fe-Ni-Cr高温合金熔体通过浇筑炉4转移注入到保温炉2内，浇筑炉4内的Fe-Ni-Cr高温合金熔体温度为1750℃，感应加热保温机构3对保温炉2内的Fe-Ni-Cr高温合金熔体进行加热保温，将保温炉2内的Fe-Ni-Cr高温合金熔体的温度保持在设定温度区间，保温炉2内的Fe-Ni-Cr高温合金熔体温度为1450℃；
C：然后开启液位及温度检测机构10，液位及温度检测机构10对保温炉2内的Fe-Ni-Cr高温合金熔体液位和温度进行实时检测，将保温炉2内的Fe-Ni-Cr高温合金熔体液位和温度保持在低警戒值之上，预防保温炉2内的Fe-Ni-Cr高温合金熔体液位和温度过低，造成断坯或破坏定向凝固温度梯度，影响Fe-Ni-Cr高温合金管材8的连铸加工；
D：保温炉2内的Fe-Ni-Cr高温合金熔体流动接触到氮化硼铸型机构5，根据需要制备的Fe-Ni-Cr高温合金管材8的壁厚4mm，Fe-Ni-Cr高温合金熔体在氮化硼铸型机构5内停留54s，然后Fe-Ni-Cr高温合金熔体在氮化硼铸型机构5内自下而上结晶凝固，形成所需厚度的柱状晶坯壳，然后通过石墨冷却机构6和水冷铜套7对柱状晶坯壳进行冷却，水冷铜套7先降低石墨冷却机构6的温度，再由冷却机构6对柱状晶坯壳进行冷却，所制备的柱状晶坯壳的晶粒分布均匀，晶界较少，具有高耐腐蚀性，并从合金管材牵引口202延伸出来；
E：然后启动牵引机构9，通过牵引机构9恒速将柱状晶坯壳拉成Fe-Ni-Cr高温合金管材8，牵引机构9的牵引速度为34mm/min，然后牵引机构9持续拉拔，Fe-Ni-Cr高温合金熔体通过浇筑炉4持续补充到保温炉2内，将保温炉2内的Fe-Ni-Cr高温合金熔体液位高度保持在低警戒值之上；
F：当牵引机构9牵引Fe-Ni-Cr高温合金管材8达到所需长度时，停止向保温炉2内补充Fe-Ni-Cr高温合金熔体，并将Fe-Ni-Cr高温合金管材8切断，然后再对Fe-Ni-Cr高温合金管材8进行下一工序处理。
将本发明制备的Fe-Ni-Cr高温合金管材8与传统工艺制备的Fe-Ni-Cr高温合金管材8进行性能对比，如下表1所示：
表1：
Figure SMS_1
本发明提出的基于复合铸型上引连铸Fe-Ni-Cr高温合金管材8的生产方法，无需芯材，简化结晶器，减少工艺流程，操作简单可直接生产Fe-Ni-Cr高温合金管材8，极大的降低管材连铸过程中存在的管材断裂、充型不足、管材成形不稳定和芯材断裂等风险，对连续铸造管材产品的效率提升和质量改进，具有非常重要的意义。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种Fe-Ni-Cr高温合金管材铸型装置，其特征在于，包括铸型支撑架（1），所述铸型支撑架（1）上设置有保温炉（2），所述保温炉（2）上设置有合金熔体进口（201）和合金管材牵引口（202），所述保温炉（2）上对应所述合金熔体进口（201）的外侧设置有感应加热保温机构（3），所述合金熔体进口（201）通过浇筑炉（4）向所述保温炉（2）内填加Fe-Ni-Cr高温合金熔体；
所述保温炉（2）上对应所述合金管材牵引口（202）的内侧设置有氮化硼铸型机构（5），所述氮化硼铸型机构（5）的上端设置有与所述铸型支撑架（1）连接的石墨冷却机构（6），所述石墨冷却机构（6）的外侧设置有水冷铜套（7），所述保温炉（2）内的Fe-Ni-Cr高温合金熔体通过所述氮化硼铸型机构（5）连铸加工成Fe-Ni-Cr高温合金管材（8），所述Fe-Ni-Cr高温合金管材（8）通过所述石墨冷却机构（6）和所述水冷铜套（7）冷却，并通过牵引机构（9）持续拉拔至指定长度，完成所述Fe-Ni-Cr高温合金管材（8）的连铸加工。
2.根据权利要求1所述的一种Fe-Ni-Cr高温合金管材铸型装置，其特征在于：所述保温炉（2）上对应所述合金熔体进口（201）的位置处设置有液位及温度检测机构（10）。
3.根据权利要求1所述的一种Fe-Ni-Cr高温合金管材铸型装置，其特征在于：所述氮化硼铸型机构（5）为采用铜、氮化硼和石墨制作的复合铸型机构。
4.根据权利要求1所述的一种Fe-Ni-Cr高温合金管材铸型装置，其特征在于：所述水冷铜套（7）外接有冷却循环系统，所述水冷铜套（7）内循环流通有冷却介质。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的一种Fe-Ni-Cr高温合金管材铸型装置的连铸方法，其特征在于，包括如下步骤：
A：预热保温炉（2）和氮化硼铸型机构（5），将保温炉（2）和氮化硼铸型机构（5）预热至设定温度，然后将氮化硼铸型机构（5）插入保温炉（2）内的合金管材牵引口（202）的内侧，然后通过冷却循环系统向水冷铜套（7）内循环注入冷却介质；
B：然后开启感应加热保温机构（3），然后将熔炼好的Fe-Ni-Cr高温合金熔体通过浇筑炉（4）转移注入到保温炉（2）内，感应加热保温机构（3）对保温炉（2）内的Fe-Ni-Cr高温合金熔体进行加热保温，将保温炉（2）内的Fe-Ni-Cr高温合金熔体的温度保持在设定温度区间；
C：然后开启液位及温度检测机构（10），液位及温度检测机构（10）对保温炉（2）内的Fe-Ni-Cr高温合金熔体液位和温度进行实时检测，将保温炉（2）内的Fe-Ni-Cr高温合金熔体液位和温度保持在低警戒值之上；
D：保温炉（2）内的Fe-Ni-Cr高温合金熔体流动接触到氮化硼铸型机构（5），根据需要制备的Fe-Ni-Cr高温合金管材（8）的厚度，Fe-Ni-Cr高温合金熔体在氮化硼铸型机构（5）内停留一段时间，然后Fe-Ni-Cr高温合金熔体在氮化硼铸型机构（5）内自下而上结晶凝固，形成所需厚度的柱状晶坯壳，然后通过石墨冷却机构（6）和水冷铜套（7）对柱状晶坯壳进行冷却，并从合金管材牵引口（202）延伸出来；
E：然后启动牵引机构（9），通过牵引机构（9）恒速将柱状晶坯壳拉成Fe-Ni-Cr高温合金管材（8），然后牵引机构（9）持续拉拔，Fe-Ni-Cr高温合金熔体通过浇筑炉（4）持续补充到保温炉（2）内，将保温炉（2）内的Fe-Ni-Cr高温合金熔体液位高度保持在低警戒值之上；
F：当牵引机构（9）牵引Fe-Ni-Cr高温合金管材（8）达到所需长度时，停止向保温炉（2）内补充Fe-Ni-Cr高温合金熔体，并将Fe-Ni-Cr高温合金管材（8）切断，然后再对Fe-Ni-Cr高温合金管材（8）进行下一工序处理。
6.根据权利要求5所述的一种Fe-Ni-Cr高温合金管材铸型装置的连铸方法，其特征在于：在步骤A中，所述保温炉（2）和所述氮化硼铸型机构（5）采用灼热法进行预热，所述保温炉（2）的预热设定温度为1150-1300℃，所述氮化硼铸型机构（5）的预热设定温度为1000-1100℃。
7.根据权利要求5所述的一种Fe-Ni-Cr高温合金管材铸型装置的连铸方法，其特征在于：在步骤A中，所述水冷铜套（7）内冷却介质的流速为750-850L/h，所述水冷铜套（7）内的冷却介质的温度为20-25℃。
8.根据权利要求5所述的一种Fe-Ni-Cr高温合金管材铸型装置的连铸方法，其特征在于：在步骤B中，所述浇筑炉（4）内的Fe-Ni-Cr高温合金熔体温度为1750-1800℃。
9.根据权利要求5所述的一种Fe-Ni-Cr高温合金管材铸型装置的连铸方法，其特征在于：在步骤B中，所述保温炉（2）内的Fe-Ni-Cr高温合金熔体温度为1450-1500℃。
10.根据权利要求5所述的一种Fe-Ni-Cr高温合金管材铸型装置的连铸方法，其特征在于：在步骤E中，所述牵引机构（9）的牵引速度为30-40mm/min。
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