雙金屬管復(fù)合技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

雙金屬管復(fù)合技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

3雙金屬復(fù)合管金礦熔合工藝設(shè)計金屬陶合離心鑄造的雙金屬復(fù)合管，真正實現(xiàn)了國內(nèi)外金屬陶合的結(jié)合，形成了自生梯度復(fù)合界面。它在盡可能解決傳統(tǒng)復(fù)合方法中解決了界面脫、復(fù)合界面應(yīng)力集中、管道連接部分焊接應(yīng)力集中（或內(nèi)部焊接斷裂）、耐腐蝕性差等問題。雙金屬復(fù)合管冶金熔合離心鑄造的原理是將兩種金屬液依次澆入同一旋轉(zhuǎn)的錠模中,在離心力的作用下形成具有冶金熔合層的空心雙金屬管坯——冶金熔合離心坯,如圖10所示,其后經(jīng)其他變形加工方法制成成品。冶金熔合離心鑄造雙金屬復(fù)合管的工藝流程如圖11所示。技術(shù)關(guān)鍵在于內(nèi)外層金屬的選取,應(yīng)選取各種物理性能參數(shù)(尤其是熱膨脹系數(shù),金屬固態(tài)、液態(tài)收縮率等)相近的兩種金屬,以減小二者之間的差異,控制好二者在鑄造過程中的溫度梯度、收縮量以及隨后的熱處理工藝。用離心鑄造法可澆鑄Φ80~900mm×10~300mm的多種具有冶金熔合層的雙金屬管,與冷/熱變形配合可生產(chǎn)Φ6~550mm、壁厚大于1mm的成品管。3.1初心為等厚度下的離心鑄造復(fù)合管離心鑄造雙金屬復(fù)合管是采用離心變速澆鑄、內(nèi)外層間低熔點絕熱熔劑洗渣、惰性氣體保護等工藝來實現(xiàn)兩種金屬的復(fù)合,形成成品套、輥或復(fù)合管坯,缺陷少、質(zhì)量高。采用離心鑄造工藝,為實現(xiàn)界面冶金結(jié)合創(chuàng)造了條件,在液態(tài)下使雙層材料熔合成型,實現(xiàn)了界面的無間隙、連接成分平滑過渡,層界面低應(yīng)力全冶金結(jié)合。離心鑄造復(fù)合管坯可通過擠壓或其他常規(guī)縱軋工藝(如周期軋管、自動軋管、連軋管等)生產(chǎn)不同規(guī)格的雙金屬復(fù)合管,外20Cr/內(nèi)1Cr18-Ni9Ti離心坯擠壓的雙金屬復(fù)合管如圖12所示。離心鑄造工藝生產(chǎn)的復(fù)合管除具有其他熱加工復(fù)合管全部優(yōu)點外,還具有如下特點:(1)內(nèi)外層金屬結(jié)合強度高。其一,兩層金屬之間形成良好的過渡層,過渡層的厚度為50~130μm,成為良好的成分梯度過渡區(qū)(圖13),從而使不同金屬因溫度變化產(chǎn)生的熱應(yīng)力大幅度下降。其二,內(nèi)外層金屬過渡層剪切強度非常高,是爆炸復(fù)合管的3~5倍。外20Cr/內(nèi)1Cr18Ni9Ti復(fù)合管車削加工鋼屑如圖14所示,通過車削加工下來的鋼屑可以看出,兩層金屬沒有出現(xiàn)任何分離和開裂現(xiàn)象,仍然保持一個整體,如同加工單金屬一樣。(2)便于制作各種管件。由于兩層金屬具有良好的過渡層,因此可與單金屬鋼管相同進行任意冷加工,可以采用傳統(tǒng)的單金屬管件制作工藝(如液壓成型制作三通、四通,模具推制彎頭等),直接利用管材制作管件。此外,也可以現(xiàn)場熱煨制作小角度彎曲管件。冶金熔合離心坯冷加工復(fù)合管件如圖15所示。(3)可以實現(xiàn)內(nèi)外層金屬強韌性互補。由于良好的冶金結(jié)合,內(nèi)外層金屬機械性能可以有效互補。如當(dāng)外層金屬采用高強度合金鋼時,管材雖可承受更高工作壓力,但高強度鋼塑性往往偏低;而內(nèi)層金屬采用抗腐蝕的不銹鋼,其高塑性則可有效地彌補整體塑性,從而提高管材高壓使用條件下的安全性,防止管線脆性破裂。(4)易于連接和修復(fù)。離心鑄造的冶金復(fù)合管可以任意鋸切,可以在管線的任意位置開孔接支線或儀表。即使發(fā)生因點蝕帶來局部腐蝕滲漏,也不會發(fā)生沿結(jié)合層的大面積腐蝕,可同常規(guī)單金屬一樣,采用局部焊補修復(fù)即可。(5)可以避免應(yīng)力集中。由于內(nèi)外層的材質(zhì)不同,熱膨脹系數(shù)也就不同,內(nèi)外層金屬必然產(chǎn)生不同的收縮(或膨脹)。冶金復(fù)合管管線焊接后,因其內(nèi)外層冶金結(jié)合,結(jié)合強度即為金屬本體強度,其應(yīng)力分散在管段無窮點上,不會發(fā)生應(yīng)力集中。(6)提高了管線安全性能。當(dāng)管線發(fā)生爆裂時,冶金復(fù)合管因其結(jié)合方式為冶金結(jié)合,內(nèi)層不銹鋼或鎳基合金的高韌性會對裂口產(chǎn)生很好的止裂效果,從而避免管線的長距離破壞。(7)可以用作鑄態(tài)耐磨復(fù)合管。特別是難以熱變形的內(nèi)層耐磨覆層,如熱電廠、礦山的煤粉、礦粉、油砂等高磨蝕材料輸送使用的耐磨管線,采用外層普通碳鋼(易于常規(guī)焊接連接)、內(nèi)層Cr26等高鉻耐磨鑄鐵的雙金屬復(fù)合管。(8)相對其他各種方法生產(chǎn)的冶金熔合復(fù)合管,離心鑄造工藝成本低,成材率高。(9)可以廣泛應(yīng)用于各種行業(yè)。這種具有良好冶金結(jié)合的復(fù)合管,可廣泛用于特種鍋爐、高腐蝕性油氣田、化工行業(yè)等腐蝕環(huán)境和熱電廠、礦山等高磨蝕環(huán)境。3.2離心鑄造雙金屬復(fù)合管坯生產(chǎn)試驗(1)過渡層完全冶金熔合,冶金結(jié)合強度高。雙金屬復(fù)合鋼管的冶金熔合技術(shù),其主要技術(shù)原理是利用離心鑄造技術(shù),分層澆鑄不同合金成分的鋼水,使內(nèi)外層金屬熔合控制在一定厚度范圍內(nèi),形成完全的冶金熔合,其冶金熔合層結(jié)合強度明顯高于傳統(tǒng)爆炸焊接與過盈配合的結(jié)合強度。(2)鐵基合金與鎳基合金復(fù)合在國內(nèi)尚屬首次。雖然離心鑄造雙金屬復(fù)合管坯在國內(nèi)外已有個別鋼種報道,但研究都集中在離心澆鑄雙金屬鑄態(tài)耐磨鋼管上,對鐵基和鎳基合金系統(tǒng)規(guī)?；囼炆跎佟?jù)了解,外10鋼/內(nèi)304、外10鋼/內(nèi)GH600、外12CrMo/內(nèi)1Cr18Ni9Ti、外20Cr/內(nèi)1Cr18Ni9Ti、外20Cr/內(nèi)304、外35CrMo/內(nèi)0Cr13Mo、外35CrMo/內(nèi)0Cr13Ni5Mo、外10鋼/內(nèi)60Si2Mn、外10鋼/內(nèi)55CrMnMo等雙金屬復(fù)合管坯的生產(chǎn)試驗在國內(nèi)尚屬首次。離心澆鑄具有冶金熔合層的雙金屬復(fù)合無縫鋼管的制造方法,完全揭示出離心澆鑄雙金屬管坯的熔合本質(zhì),因而合格率能達到95%以上。(3)內(nèi)外層兩種不同材質(zhì)的雙金屬復(fù)合管坯對于冶金熔合技術(shù)要求更為苛刻。目前國內(nèi)外雙金屬管的生產(chǎn)工藝大部分采用過盈配合、擠壓熔合、爆炸焊接或消失模鑄造等工藝,雖然也有利用離心鑄造技術(shù)生產(chǎn)雙金屬管的工藝技術(shù),但有關(guān)外層材質(zhì)為碳鋼和低合金鋼、內(nèi)層為鎳基合金的雙金屬復(fù)合管坯的文獻很少。3.3新復(fù)合管的應(yīng)用范圍和研究3.3.1雙金屬金屬復(fù)合鋼管的生產(chǎn)(1)耐腐蝕管線管。高含H2S/CO2油氣田的腐蝕環(huán)境惡劣,地面管線腐蝕嚴重,X52NS/2205或者X60/825雙金屬復(fù)合管的使用,提供了一種解決地面管線腐蝕問題的有效途徑,無論是技術(shù)上還是經(jīng)濟上都優(yōu)勢明顯。(2)耐磨輸送管。水泥輸送管和鉆井泵缸套在要求高耐磨的同時,必須具備良好的強韌性,同時還可進行管段之間的組焊,對整個管道起支撐作用。采用外承壓內(nèi)耐磨的雙金屬冶金復(fù)合管材(外45鋼/內(nèi)Cr26),既能發(fā)揮兩種材料的性能潛力、提高綜合性能,又能降低生產(chǎn)成本、提高經(jīng)濟效益。(3)鍋爐管。新興鑄管股份有限公司用冶金熔合離心坯擠壓冷軋的304L/Gr.A-1復(fù)合管成功應(yīng)用在東方鍋爐股份有限公司制造的鍋爐上,替代了外耐蝕內(nèi)抗壓的熱擴過盈配合機械復(fù)合管,并為冶金雙金屬復(fù)合鋼管的雙層界面探傷制定了相應(yīng)的超聲波檢測操作規(guī)程。(4)復(fù)合軋輥。采用離心復(fù)合鑄造法生產(chǎn)的雙金屬復(fù)合軋輥,具有外工作層組織致密、鑄造缺陷少、力學(xué)性能好及表面耐磨層硬度高、使用壽命長、生產(chǎn)效率高等特點。北京中冶設(shè)備研究設(shè)計總院有限公司采用離心復(fù)合法在Ф900mm×1800mm立式離心機上制備了Ф275mm×400mm的高鉻鑄鐵/灰鐵復(fù)合軋輥。(5)依靠新興鑄管股份有限公司、攀鋼集團江油長城特殊鋼有限公司(簡稱攀長鋼)、北京科技大學(xué)各自的優(yōu)勢和實力,通過離心鑄造、擠壓生產(chǎn)的具有冶金熔合層的雙金屬復(fù)合管,在要求管線耐蝕、耐磨、耐壓的石油、化工、鍋爐行業(yè)擴展了應(yīng)用空間。3.3.2離心復(fù)合鑄造5坯(1)3層包覆離心鑄造高溫塑變性能較差的GH625坯擠壓成管材。(2)高速鋼離心復(fù)合鑄造軋輥。(3)雙金屬復(fù)合管的連接(焊接和法蘭連接)。(4)3層包覆離心鑄造塑變性能較差的可鍛鑄鐵坯軋制成型。4離心鎖銷的問題和解決辦法4.1影響鑄坯質(zhì)量的因素當(dāng)內(nèi)層金屬液澆鑄較早時會出現(xiàn)兩種金屬液的混熔,澆鑄較晚則出現(xiàn)分層,使得鑄坯質(zhì)量不穩(wěn)定,比如層間氧化、兩層混合、外層內(nèi)表面鋼渣不易脫離等影響鑄坯質(zhì)量,特別是當(dāng)外層金屬比內(nèi)層金屬凝固溫度低時澆鑄就更為困難。解決措施:(1)添加層間絕熱熔劑,一般是采用渣化速度快、熔點低的熔劑;(2)控制外層內(nèi)表面溫度及內(nèi)層澆鑄溫度;(3)內(nèi)層分批澆鑄并降低錠模旋轉(zhuǎn)頻率(30%~60%)或分散澆鑄流量;(4)使用定量稱料裝置等。4.2樹種單一,表面可澆鑄由于金屬液是通過牛角槽式中間包澆入管模,金屬液在管模內(nèi)腔的軸向落點固定,當(dāng)外層金屬液已澆入管模成型,并間隔一定時間澆入內(nèi)層金屬液時,勢必會沖擊外層金屬內(nèi)表面使之重熔,造成深度凹坑。解決措施:采用二孔式水口澆鑄裝置,如圖16所示。該裝置的特點是能大幅度減少因內(nèi)層金屬液沖擊外層金屬內(nèi)表面造成的深度凹坑,以及能避免冷端“缺肉”、焊合不良等缺陷。4.3管坯壁厚均不穩(wěn)定管模高速旋轉(zhuǎn),造成金屬液附著在管模內(nèi)壁和兩端擋板內(nèi)側(cè),形成的管坯內(nèi)徑在軸向上表現(xiàn)為中間大兩端小,即所謂的“肚大口小”管坯壁厚不均現(xiàn)象,如圖17所示。解決措施:適當(dāng)降低管模轉(zhuǎn)速,調(diào)整管模主動輪組和從動輪組之間的間距,使主/從動輪組靠近管模兩端。4.4進一步冷卻劑對金屬的回收離心坯澆鑄成型后,需要進行內(nèi)外表面車削、去端面和分切。不同系列管模生產(chǎn)出的雙金屬毛坯經(jīng)加工后的金屬收得率見表2。其實,在實際生產(chǎn)中,從毛坯加工到擠壓(或熱軋),甚至進一步冷軋完成,金屬的收得率更低。例如:X60/2205復(fù)合管,由毛坯Φ270mm×86mm×750mm加工成Φ260mm×76mm×710mm時,金屬的收得率為83.6%;再次擠壓成Φ114.3mm×7.5mm×10000mm(復(fù)合管頭部壁厚軸向不均,需要切掉2m,后部還有擠壓壓余),金屬的收得率為84%,即從毛坯到成品的金屬收得率只有70.2%。解決措施:使用合適的管模系列,減少外表面剝皮量和端部切余量;擠壓時在壓頭冷墊的前部加一普碳鋼熱墊,減少擠壓壓余造成的金屬切損。5在其他方面的應(yīng)用和發(fā)展。在一般應(yīng)冶金熔合離心鑄造技術(shù)是實現(xiàn)兩種及以上金屬復(fù)合成為雙金屬復(fù)合管的一種重要方法,是未來工業(yè)應(yīng)用潛力最大的冶金復(fù)合技術(shù)之一,具有很大的經(jīng)濟技術(shù)效益,可廣泛應(yīng)用于鍋爐、石油、化工、礦山等行業(yè),以及未來的3層包覆熔合材料研究領(lǐng)域。利用該技術(shù)在一些廉價的基層金屬上熔合一種特殊性能(防腐、耐磨)金屬覆層,用以取代昂貴的整體合金,節(jié)約貴金屬及戰(zhàn)略材料,使廉價材料獲得應(yīng)用,從而大幅度降低成本。同時,可以兼用兩種金屬的優(yōu)勢(比如外防腐內(nèi)承壓、外承壓內(nèi)抗磨等)和互補特性。另外,還可以用來研制新材料和代用材料,制造出在性能上與傳統(tǒng)冶金方法根本不同的復(fù)合合金,應(yīng)用在太空、高溫和化學(xué)腐蝕環(huán)境下工作的機械零件上。冶金熔合離心鑄造技術(shù)已呈現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用和發(fā)展前景。盡管冶金熔合離心鑄造技術(shù)近年來得到快速發(fā)展,但作為大范圍的商業(yè)應(yīng)用仍受到很多限制,僅就生產(chǎn)工藝來說,主要有以下問題仍需解決:(1)雙金屬管坯的長度受限。由于澆鑄金屬液所用管模的兩端,其中一端需通入氣體進行保護澆鑄,另一端才能作為牛角槽或金屬流槽的澆鑄入口,不能實現(xiàn)雙液兩端澆鑄。雙液分批同端澆鑄,使得管坯在長度上受到限制(目前研發(fā)的雙金屬管坯最大長度為4m)。(2)簡潔實用數(shù)學(xué)模擬模型的建立。雙層離心鑄造是一個快速的動態(tài)過程,存在許多遠離平衡的物理、冶金現(xiàn)象。為方便計算,往往對雙層離