雙金屬管復合技術的發展現狀

3雙金屬復合管金礦熔合工藝設計金屬陶合離心鑄造的雙金屬復合管，真正實現了國內外金屬陶合的結合，形成了自生梯度復合界面。它在盡可能解決傳統復合方法中解決了界面脫、復合界面應力集中、管道連接部分焊接應力集中（或內部焊接斷裂）、耐腐蝕性差等問題。雙金屬復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,其后經其他變形加工方法制成成品。冶金熔合離心鑄造雙金屬復合管的工藝流程如圖11所示。技術關鍵在于內外層金屬的選取,應選取各種物理性能參數(尤其是熱膨脹系數,金屬固態、液態收縮率等)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合管離心鑄造雙金屬復合管是采用離心變速澆鑄、內外層間低熔點絕熱熔劑洗渣、惰性氣體保護等工藝來實現兩種金屬的復合,形成成品套、輥或復合管坯,缺陷少、質量高。采用離心鑄造工藝,為實現界面冶金結合創造了條件,在液態下使雙層材料熔合成型,實現了界面的無間隙、連接成分平滑過渡,層界面低應力全冶金結合。離心鑄造復合管坯可通過擠壓或其他常規縱軋工藝(如周期軋管、自動軋管、連軋管等)生產不同規格的雙金屬復合管,外20Cr/內1Cr18-Ni9Ti離心坯擠壓的雙金屬復合管如圖12所示。離心鑄造工藝生產的復合管除具有其他熱加工復合管全部優點外,還具有如下特點:(1)內外層金屬結合強度高。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(圖13),從而使不同金屬因溫度變化產生的熱應力大幅度下降。其二,內外層金屬過渡層剪切強度非常高,是爆炸復合管的3~5倍。外20Cr/內1Cr18Ni9Ti復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,兩層金屬沒有出現任何分離和開裂現象,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,也可以現場熱煨制作小角度彎曲管件。冶金熔合離心坯冷加工復合管件如圖15所示。(3)可以實現內外層金屬強韌性互補。由于良好的冶金結合,內外層金屬機械性能可以有效互補。如當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。離心鑄造的冶金復合管可以任意鋸切,可以在管線的任意位置開孔接支線或儀表。即使發生因點蝕帶來局部腐蝕滲漏,也不會發生沿結合層的大面積腐蝕,可同常規單金屬一樣,采用局部焊補修復即可。(5)可以避免應力集中。由于內外層的材質不同,熱膨脹系數也就不同,內外層金屬必然產生不同的收縮(或膨脹)。冶金復合管管線焊接后,因其內外層冶金結合,結合強度即為金屬本體強度,其應力分散在管段無窮點上,不會發生應力集中。(6)提高了管線安全性能。當管線發生爆裂時,冶金復合管因其結合方式為冶金結合,內層不銹鋼或鎳基合金的高韌性會對裂口產生很好的止裂效果,從而避免管線的長距離破壞。(7)可以用作鑄態耐磨復合管。特別是難以熱變形的內層耐磨覆層,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(易于常規焊接連接)、內層Cr26等高鉻耐磨鑄鐵的雙金屬復合管。(8)相對其他各種方法生產的冶金熔合復合管,離心鑄造工藝成本低,成材率高。(9)可以廣泛應用于各種行業。這種具有良好冶金結合的復合管,可廣泛用于特種鍋爐、高腐蝕性油氣田、化工行業等腐蝕環境和熱電廠、礦山等高磨蝕環境。3.2離心鑄造雙金屬復合管坯生產試驗(1)過渡層完全冶金熔合,冶金結合強度高。雙金屬復合鋼管的冶金熔合技術,其主要技術原理是利用離心鑄造技術,分層澆鑄不同合金成分的鋼水,使內外層金屬熔合控制在一定厚度范圍內,形成完全的冶金熔合,其冶金熔合層結合強度明顯高于傳統爆炸焊接與過盈配合的結合強度。(2)鐵基合金與鎳基合金復合在國內尚屬首次。雖然離心鑄造雙金屬復合管坯在國內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耐磨鋼管上,對鐵基和鎳基合金系統規模化試驗甚少。據了解,外10鋼/內304、外10鋼/內GH600、外12CrMo/內1Cr18Ni9Ti、外20Cr/內1Cr18Ni9Ti、外20Cr/內304、外35CrMo/內0Cr13Mo、外35CrMo/內0Cr13Ni5Mo、外10鋼/內60Si2Mn、外10鋼/內55CrMnMo等雙金屬復合管坯的生產試驗在國內尚屬首次。離心澆鑄具有冶金熔合層的雙金屬復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,因而合格率能達到95%以上。(3)內外層兩種不同材質的雙金屬復合管坯對于冶金熔合技術要求更為苛刻。目前國內外雙金屬管的生產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生產雙金屬管的工藝技術,但有關外層材質為碳鋼和低合金鋼、內層為鎳基合金的雙金屬復合管坯的文獻很少。3.3新復合管的應用范圍和研究3.3.1雙金屬金屬復合鋼管的生產(1)耐腐蝕管線管。高含H2S/CO2油氣田的腐蝕環境惡劣,地面管線腐蝕嚴重,X52NS/2205或者X60/825雙金屬復合管的使用,提供了一種解決地面管線腐蝕問題的有效途徑,無論是技術上還是經濟上都優勢明顯。(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。采用外承壓內耐磨的雙金屬冶金復合管材(外45鋼/內Cr26),既能發揮兩種材料的性能潛力、提高綜合性能,又能降低生產成本、提高經濟效益。(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復合管成功應用在東方鍋爐股份有限公司制造的鍋爐上,替代了外耐蝕內抗壓的熱擴過盈配合機械復合管,并為冶金雙金屬復合鋼管的雙層界面探傷制定了相應的超聲波檢測操作規程。(4)復合軋輥。采用離心復合鑄造法生產的雙金屬復合軋輥,具有外工作層組織致密、鑄造缺陷少、力學性能好及表面耐磨層硬度高、使用壽命長、生產效率高等特點。北京中冶設備研究設計總院有限公司采用離心復合法在Ф900mm×1800mm立式離心機上制備了Ф275mm×400mm的高鉻鑄鐵/灰鐵復合軋輥。(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)、北京科技大學各自的優勢和實力,通過離心鑄造、擠壓生產的具有冶金熔合層的雙金屬復合管,在要求管線耐蝕、耐磨、耐壓的石油、化工、鍋爐行業擴展了應用空間。3.3.2離心復合鑄造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)高速鋼離心復合鑄造軋輥。(3)雙金屬復合管的連接(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影響鑄坯質量的因素當內層金屬液澆鑄較早時會出現兩種金屬液的混熔,澆鑄較晚則出現分層,使得鑄坯質量不穩定,比如層間氧化、兩層混合、外層內表面鋼渣不易脫離等影響鑄坯質量,特別是當外層金屬比內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)控制外層內表面溫度及內層澆鑄溫度;(3)內層分批澆鑄并降低錠模旋轉頻率(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,金屬液在管模內腔的軸向落點固定,當外層金屬液已澆入管模成型,并間隔一定時間澆入內層金屬液時,勢必會沖擊外層金屬內表面使之重熔,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層金屬液沖擊外層金屬內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管坯壁厚均不穩定管模高速旋轉,造成金屬液附著在管模內壁和兩端擋板內側,形成的管坯內徑在軸向上表現為中間大兩端小,即所謂的“肚大口小”管坯壁厚不均現象,如圖17所示。解決措施:適當降低管模轉速,調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,需要進行內外表面車削、去端面和分切。不同系列管模生產出的雙金屬毛坯經加工后的金屬收得率見表2。其實,在實際生產中,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在其他方面的應用和發展。在一般應冶金熔合離心鑄造技術是實現兩種及以上金屬復合成為雙金屬復合管的一種重要方法,是未來工業應用潛力最大的冶金復合技術之一,具有很大的經濟技術效益,可廣泛應用于鍋爐、石油、化工、礦山等行業,以及未來的3層包覆熔合材料研究領域。利用該技術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,節約貴金屬及戰略材料,使廉價材料獲得應用,從而大幅度降低成本。同時,可以兼用兩種金屬的優勢(比如外防腐內承壓、外承壓內抗磨等)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冶金方法根本不同的復合合金,應用在太空、高溫和化學腐蝕環境下工作的機械零件上。冶金熔合離心鑄造技術已呈現出廣闊的應用和發展前景。盡管冶金熔合離心鑄造技術近年來得到快速發展,但作為大范圍的商業應用仍受到很多限制,僅就生產工藝來說,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(目前研發的雙金屬管坯最大長度為4m)。(2)簡潔實用數學模擬模型的建立。雙層離心鑄造是一個快速的動態過程,存在許多遠離平衡的物理、冶金現象。為方便計算,往往對雙層離