双金属管复合技术的发展现状

双金属管复合技术的发展现状

3双金属复合管金矿熔合工艺设计金属陶合离心铸造的双金属复合管，真正实现了国内外金属陶合的结合，形成了自生梯度复合界面。它在尽可能解决传统复合方法中解决了界面脱、复合界面应力集中、管道连接部分焊接应力集中（或内部焊接断裂）、耐腐蚀性差等问题。双金属复合管冶金熔合离心铸造的原理是将两种金属液依次浇入同一旋转的锭模中,在离心力的作用下形成具有冶金熔合层的空心双金属管坯——冶金熔合离心坯,如图10所示,其后经其他变形加工方法制成成品。冶金熔合离心铸造双金属复合管的工艺流程如图11所示。技术关键在于内外层金属的选取,应选取各种物理性能参数(尤其是热膨胀系数,金属固态、液态收缩率等)相近的两种金属,以减小二者之间的差异,控制好二者在铸造过程中的温度梯度、收缩量以及随后的热处理工艺。用离心铸造法可浇铸Φ80~900mm×10~300mm的多种具有冶金熔合层的双金属管,与冷/热变形配合可生产Φ6~550mm、壁厚大于1mm的成品管。3.1初心为等厚度下的离心铸造复合管离心铸造双金属复合管是采用离心变速浇铸、内外层间低熔点绝热熔剂洗渣、惰性气体保护等工艺来实现两种金属的复合,形成成品套、辊或复合管坯,缺陷少、质量高。采用离心铸造工艺,为实现界面冶金结合创造了条件,在液态下使双层材料熔合成型,实现了界面的无间隙、连接成分平滑过渡,层界面低应力全冶金结合。离心铸造复合管坯可通过挤压或其他常规纵轧工艺(如周期轧管、自动轧管、连轧管等)生产不同规格的双金属复合管,外20Cr/内1Cr18-Ni9Ti离心坯挤压的双金属复合管如图12所示。离心铸造工艺生产的复合管除具有其他热加工复合管全部优点外,还具有如下特点:(1)内外层金属结合强度高。其一,两层金属之间形成良好的过渡层,过渡层的厚度为50~130μm,成为良好的成分梯度过渡区(图13),从而使不同金属因温度变化产生的热应力大幅度下降。其二,内外层金属过渡层剪切强度非常高,是爆炸复合管的3~5倍。外20Cr/内1Cr18Ni9Ti复合管车削加工钢屑如图14所示,通过车削加工下来的钢屑可以看出,两层金属没有出现任何分离和开裂现象,仍然保持一个整体,如同加工单金属一样。(2)便于制作各种管件。由于两层金属具有良好的过渡层,因此可与单金属钢管相同进行任意冷加工,可以采用传统的单金属管件制作工艺(如液压成型制作三通、四通,模具推制弯头等),直接利用管材制作管件。此外,也可以现场热煨制作小角度弯曲管件。冶金熔合离心坯冷加工复合管件如图15所示。(3)可以实现内外层金属强韧性互补。由于良好的冶金结合,内外层金属机械性能可以有效互补。如当外层金属采用高强度合金钢时,管材虽可承受更高工作压力,但高强度钢塑性往往偏低;而内层金属采用抗腐蚀的不锈钢,其高塑性则可有效地弥补整体塑性,从而提高管材高压使用条件下的安全性,防止管线脆性破裂。(4)易于连接和修复。离心铸造的冶金复合管可以任意锯切,可以在管线的任意位置开孔接支线或仪表。即使发生因点蚀带来局部腐蚀渗漏,也不会发生沿结合层的大面积腐蚀,可同常规单金属一样,采用局部焊补修复即可。(5)可以避免应力集中。由于内外层的材质不同,热膨胀系数也就不同,内外层金属必然产生不同的收缩(或膨胀)。冶金复合管管线焊接后,因其内外层冶金结合,结合强度即为金属本体强度,其应力分散在管段无穷点上,不会发生应力集中。(6)提高了管线安全性能。当管线发生爆裂时,冶金复合管因其结合方式为冶金结合,内层不锈钢或镍基合金的高韧性会对裂口产生很好的止裂效果,从而避免管线的长距离破坏。(7)可以用作铸态耐磨复合管。特别是难以热变形的内层耐磨覆层,如热电厂、矿山的煤粉、矿粉、油砂等高磨蚀材料输送使用的耐磨管线,采用外层普通碳钢(易于常规焊接连接)、内层Cr26等高铬耐磨铸铁的双金属复合管。(8)相对其他各种方法生产的冶金熔合复合管,离心铸造工艺成本低,成材率高。(9)可以广泛应用于各种行业。这种具有良好冶金结合的复合管,可广泛用于特种锅炉、高腐蚀性油气田、化工行业等腐蚀环境和热电厂、矿山等高磨蚀环境。3.2离心铸造双金属复合管坯生产试验(1)过渡层完全冶金熔合,冶金结合强度高。双金属复合钢管的冶金熔合技术,其主要技术原理是利用离心铸造技术,分层浇铸不同合金成分的钢水,使内外层金属熔合控制在一定厚度范围内,形成完全的冶金熔合,其冶金熔合层结合强度明显高于传统爆炸焊接与过盈配合的结合强度。(2)铁基合金与镍基合金复合在国内尚属首次。虽然离心铸造双金属复合管坯在国内外已有个别钢种报道,但研究都集中在离心浇铸双金属铸态耐磨钢管上,对铁基和镍基合金系统规模化试验甚少。据了解,外10钢/内304、外10钢/内GH600、外12CrMo/内1Cr18Ni9Ti、外20Cr/内1Cr18Ni9Ti、外20Cr/内304、外35CrMo/内0Cr13Mo、外35CrMo/内0Cr13Ni5Mo、外10钢/内60Si2Mn、外10钢/内55CrMnMo等双金属复合管坯的生产试验在国内尚属首次。离心浇铸具有冶金熔合层的双金属复合无缝钢管的制造方法,完全揭示出离心浇铸双金属管坯的熔合本质,因而合格率能达到95%以上。(3)内外层两种不同材质的双金属复合管坯对于冶金熔合技术要求更为苛刻。目前国内外双金属管的生产工艺大部分采用过盈配合、挤压熔合、爆炸焊接或消失模铸造等工艺,虽然也有利用离心铸造技术生产双金属管的工艺技术,但有关外层材质为碳钢和低合金钢、内层为镍基合金的双金属复合管坯的文献很少。3.3新复合管的应用范围和研究3.3.1双金属金属复合钢管的生产(1)耐腐蚀管线管。高含H2S/CO2油气田的腐蚀环境恶劣,地面管线腐蚀严重,X52NS/2205或者X60/825双金属复合管的使用,提供了一种解决地面管线腐蚀问题的有效途径,无论是技术上还是经济上都优势明显。(2)耐磨输送管。水泥输送管和钻井泵缸套在要求高耐磨的同时,必须具备良好的强韧性,同时还可进行管段之间的组焊,对整个管道起支撑作用。采用外承压内耐磨的双金属冶金复合管材(外45钢/内Cr26),既能发挥两种材料的性能潜力、提高综合性能,又能降低生产成本、提高经济效益。(3)锅炉管。新兴铸管股份有限公司用冶金熔合离心坯挤压冷轧的304L/Gr.A-1复合管成功应用在东方锅炉股份有限公司制造的锅炉上,替代了外耐蚀内抗压的热扩过盈配合机械复合管,并为冶金双金属复合钢管的双层界面探伤制定了相应的超声波检测操作规程。(4)复合轧辊。采用离心复合铸造法生产的双金属复合轧辊,具有外工作层组织致密、铸造缺陷少、力学性能好及表面耐磨层硬度高、使用寿命长、生产效率高等特点。北京中冶设备研究设计总院有限公司采用离心复合法在Ф900mm×1800mm立式离心机上制备了Ф275mm×400mm的高铬铸铁/灰铁复合轧辊。(5)依靠新兴铸管股份有限公司、攀钢集团江油长城特殊钢有限公司(简称攀长钢)、北京科技大学各自的优势和实力,通过离心铸造、挤压生产的具有冶金熔合层的双金属复合管,在要求管线耐蚀、耐磨、耐压的石油、化工、锅炉行业扩展了应用空间。3.3.2离心复合铸造5坯(1)3层包覆离心铸造高温塑变性能较差的GH625坯挤压成管材。(2)高速钢离心复合铸造轧辊。(3)双金属复合管的连接(焊接和法兰连接)。(4)3层包覆离心铸造塑变性能较差的可锻铸铁坯轧制成型。4离心锁销的问题和解决办法4.1影响铸坯质量的因素当内层金属液浇铸较早时会出现两种金属液的混熔,浇铸较晚则出现分层,使得铸坯质量不稳定,比如层间氧化、两层混合、外层内表面钢渣不易脱离等影响铸坯质量,特别是当外层金属比内层金属凝固温度低时浇铸就更为困难。解决措施:(1)添加层间绝热熔剂,一般是采用渣化速度快、熔点低的熔剂;(2)控制外层内表面温度及内层浇铸温度;(3)内层分批浇铸并降低锭模旋转频率(30%~60%)或分散浇铸流量;(4)使用定量称料装置等。4.2树种单一,表面可浇铸由于金属液是通过牛角槽式中间包浇入管模,金属液在管模内腔的轴向落点固定,当外层金属液已浇入管模成型,并间隔一定时间浇入内层金属液时,势必会冲击外层金属内表面使之重熔,造成深度凹坑。解决措施:采用二孔式水口浇铸装置,如图16所示。该装置的特点是能大幅度减少因内层金属液冲击外层金属内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管坯壁厚均不稳定管模高速旋转,造成金属液附着在管模内壁和两端挡板内侧,形成的管坯内径在轴向上表现为中间大两端小,即所谓的“肚大口小”管坯壁厚不均现象,如图17所示。解决措施:适当降低管模转速,调整管模主动轮组和从动轮组之间的间距,使主/从动轮组靠近管模两端。4.4进一步冷却剂对金属的回收离心坯浇铸成型后,需要进行内外表面车削、去端面和分切。不同系列管模生产出的双金属毛坯经加工后的金属收得率见表2。其实,在实际生产中,从毛坯加工到挤压(或热轧),甚至进一步冷轧完成,金属的收得率更低。例如:X60/2205复合管,由毛坯Φ270mm×86mm×750mm加工成Φ260mm×76mm×710mm时,金属的收得率为83.6%;再次挤压成Φ114.3mm×7.5mm×10000mm(复合管头部壁厚轴向不均,需要切掉2m,后部还有挤压压余),金属的收得率为84%,即从毛坯到成品的金属收得率只有70.2%。解决措施:使用合适的管模系列,减少外表面剥皮量和端部切余量;挤压时在压头冷垫的前部加一普碳钢热垫,减少挤压压余造成的金属切损。5在其他方面的应用和发展。在一般应冶金熔合离心铸造技术是实现两种及以上金属复合成为双金属复合管的一种重要方法,是未来工业应用潜力最大的冶金复合技术之一,具有很大的经济技术效益,可广泛应用于锅炉、石油、化工、矿山等行业,以及未来的3层包覆熔合材料研究领域。利用该技术在一些廉价的基层金属上熔合一种特殊性能(防腐、耐磨)金属覆层,用以取代昂贵的整体合金,节约贵金属及战略材料,使廉价材料获得应用,从而大幅度降低成本。同时,可以兼用两种金属的优势(比如外防腐内承压、外承压内抗磨等)和互补特性。另外,还可以用来研制新材料和代用材料,制造出在性能上与传统冶金方法根本不同的复合合金,应用在太空、高温和化学腐蚀环境下工作的机械零件上。冶金熔合离心铸造技术已呈现出广阔的应用和发展前景。尽管冶金熔合离心铸造技术近年来得到快速发展,但作为大范围的商业应用仍受到很多限制,仅就生产工艺来说,主要有以下问题仍需解决:(1)双金属管坯的长度受限。由于浇铸金属液所用管模的两端,其中一端需通入气体进行保护浇铸,另一端才能作为牛角槽或金属流槽的浇铸入口,不能实现双液两端浇铸。双液分批同端浇铸,使得管坯在长度上受到限制(目前研发的双金属管坯最大长度为4m)。(2)简洁实用数学模拟模型的建立。双层离心铸造是一个快速的动态过程,存在许多远离平衡的物理、冶金现象。为方便计算,往往对双层离