（材料加工工程专业论文）空心管坯电磁连铸技术研究.pdf

大连理工大学博士学位论文 空心管坯电磁连铸技术研究 摘要 空心管坯连铸技术被认为是管材生产更深层次的近终形制造技术。如何获得优质空 心管坯使其能够满足在铸态下直接* l n 的要求，是实现空心管坯连铸连轧，即管材近终 形制造技术的关键。电磁加工技术具有无接触、无污染和清洁性等优点。电磁场在连铸 领域的成功应用及新的电磁连铸技术的不断涌现，促进了连铸坯质量的不断提高，为以 制备优质空心管坯为目的的空心管坯电磁连铸技术的开发提供了契机。 本文以制备优质空心管坯为目的，结合电磁加工技术的应用，研究了空心金属管坯 的电磁连铸技术。作者参与了国家自然科学基金一上海宝钢“钢铁联合研究基金”资助 的“空心金属管坯电磁连续铸造基础研究”和中国科学院精密铜管研究中心合作进行的 “水平连续铸造空心铜管坯电磁改性研究”等项目，并以此为课题完成了博士学位论文。 主要研究内容包括： 设计并制作了一套空心金属管坯半连续铸造模拟实验装置，采用低熔点合金在该装 置上进行了空心管坯的成形实验研究。探讨了浇注系统、浇注温度、牵引速度等工艺参 数以及内结晶器的冷却腔结构和锥度等对空心管坯成形的影响规律。通过优化内结晶器 的结构设计、合理调整工艺参数，成功铸造出截面尺寸为中6 0 x1 5 m m 的空心管坯。 根据空心管坯连铸过程的凝固特点，建立了空心管坯连铸过程温度场数值模拟计算 模型，编制了相应的温度场模拟软件。在此基础上进行了工艺参数及内结晶器侧喷水位 置对初始段及稳定状态凝固过程影响规律的模拟研究，为工艺参数及内结晶器的优化设 计提供依据。 低熔点的s n p b 合金空心管坯连铸模拟实验表明，连铸管坯存在表观质量差、缺陷 多、凝固组织晶粒粗大且周向分布均匀性差等问题。为了获得高质量的空一t 5 管坯，本文 提出了在外结晶器外侧施加工频旋转电磁场和中频电磁场来改善铸坯质量的空心管坯 电磁连铸新技术，并采用成分相同的低熔点s n p b 合金进行了空心管坯电磁连铸实验。 结果表明： 1 ) 管坯连铸过程中，施加工频旋转电磁场，可改善空心管坯的表观质量，减弱或 消除管坯的表面缺陷；细化管坯宏观凝固组织，促进柱状晶向等轴晶的转变，显著改善 宏观凝固组织的周向均匀性；溶质元素沿空心管坯径向分布的均匀性较未施加工频旋转 电磁场时有较大改善。 2 ) 管坯连铸过程中，在开缝外结晶器外施加中频电磁场，能够显著提高空心管坯 的表观质量，消除表面缺陷；可细化空心管坯的宏观凝固组织，但对提高组织周向均匀 性作用不大。 为进一步改善中频电磁场作用下空心管坯的质量，提出了h i 型热顶技术和冷坩埚 技术相结合的空心管坯热顶电磁连铸新技术。采用浸入式浇口浇注，并在连铸过程中施 加中频电磁场，不仅空一i l , 管坯的表观质量显著改善，凝固组织得到明显细化，凝固组织 的周向均匀性也得到显著改善；溶质元素沿管坯径向分布的均匀性显著提高。 低熔点的s n - p b 合金空心管坯电磁连铸技术的成功开发，为开展以制备优质高熔点 合金管坯为目的的空心钢管坯电磁连铸技术研究奠定了基础。 摘要 提出在结晶器外施加电磁场来改善铸坯质量的空心铜管坯水平电磁连铸技术，以中 8 3 2 1 m m 空心铜管坯水平连铸成形系统结构为基础，设计制作了工频和中频电磁场作 用下水平连铸空心铜管坯电磁成形系统在实验室建立了一套中试规模的空心铜管坯水 平电磁连铸设备，并进行了空心铜管坯水平电磁连铸实验，在国内首次成功连铸出多根 水平电磁连铸空心铜管坯。结果表明：施加工频电磁场，可显著细化组织，提高周向组 织均匀性及力学性能；施加中频电磁场，不仅组织细化，力学性能提高，管坯的外表面 质量也得到显著改善。 关键词：连续铸造水平连铸空心管坯电磁连铸力学性能宏观组织 r e s e a r c ho n e l e c t r o m a g n e t i cc o n t i n u o u sc a s t i n g o fh o l l o wt u b e a b s t r a c t c o n t i n u o u sc a s t i n go fh o l l o wt u b ei sc o n s i d e r e da sa p r o f o u n dn e a rn e ts h a p et e c h n o l o g y f o rp i p ep r o d u c t i o n t op r o d u c eh o l l o wt u b e s ，w h i c hc a l ls a t i s f yt h er e q u i r e m e n t so fd i r e c t r o l l i n gi nc a s t i n gc o n d i t i o n s ，i st h ek e yt or e a l i z ec o n t i n u o u sc a s t i n g d i r e c tr o l l i n go f h o l l o w t u b e s n l cs u c c e s s f u i a p p l i c a t i o n o fe l e c t r o m a g n e t i cf i e l di nc o n t i n u o u s c a s t i n g a n dt h e e m e r g e n c eo fn o v e le l e c t r o m a g n e t i cc o n t i n u o u sc a s t i n gt e c h n o l o g i e si m p r o v et h eq u a l i t yo f c a s tt u b e sa n da l s op r o v i d eac h a n c ef o rd e v e l o p i n gt e c h n o l o g y , w h i c hi sa i m i n gt op r o d u c e h o l l o wt u b e sw i t h h i g hq u a i l t y , f o re l e c t r o m a g n e t i cc o n t i n u o u sc a s t i n go f h o l l o w t u b e a i m i n g t o p r o d u c eh i g hq u a l i t y h o l l o wt u b e s ，e l e c t r o m a g n e t i cc o n t i n u o u s c a s t i n g t e c h n o l o g yo f h o l l o wt u b ew a ss t u d i e db ya p p l y i n ge l e c t r o m a g n e t i cp r o c e s st e c h n o l o g y t h e a u t h o rf o r t u n a t e l yp a r t i c i p a t e di nt w op r o j c o t s ：o n ei s b a s i cr e s e a r c ho ne l e c t r o m a g n e t i c c o n t i n u o u sc a s t i n go fh o l l o wt l l b e ”s u p p o r t e db yi r o na n ds t e e lc o o p e r a t i o nr e s e a r c h f o u n d a t i o nc o s p o n s o r e db yn a t i o n a in a t u r a is c i e n c ef o u n d a t i o na n ds h a n g i l a ib a o s t e e l g r o u pc o r p o r a t i o n a n dt h eo t h e ri s “r e s e a r c ho nt h ee 舵c t o f e l e c t r o m a g n e t i cf i e l do nc u t u b e sd u r i n gh o r i z o n t a lc o n t i n u o u sc a s t i n g ”c o o p e r a t e sw i t hr e s e a r c hc e n t e ro fp r e c i s e c o p p e rt u b eo f t h ec h i n e s ea c a d e m i co fs c i e n c e t h i sd o c t o r a ld i s s e r t a t i o ni sf i n i s h e do n b a s i so f t h ea b o v er e s e a r c hw o r k s m a i nr e s e a r c hr e s u i t sa r ea sf 0 1 l o w s ： t h ee x p e r i m e n t a la p p a r a t u sw a sd e s i g n e df o rs e m i c o n t i n u o u sc a s t i n go f h o l l o wt u b e t h e s h a p i n g o f h o l l o wt u b e sw a ss t u d i e d b yu s i n ga l o w e r m e l t i n gp o i n ta l l o ya se x p e r i m e n t a l m a t e r i a l t h ee f f e c t so ft e c h n i q u ep a r a m e t e r s ，c o o l i n gc a v i t ys t r u c t u r ea n de o n i c i t yo f i r m e r - m o l do ns h a p i n go f h o l l o wt u b e sw e r ed i s c u s s e d ah o l l o wt u b eo f6 0 m m - d i a m e t e r w i t h t h eh o l eb e i n g15 m m d i a m e t e rw a sc o n t i n u o u sc a s ts u c c e s s f u l l yb yo p t i m i z i n gt 1 1 es t r u c t u r e o fi n n e r m o l da n d s e t t i n gu po f r e a s o n a b l ep a r a m e t e r s a c c o r d i n g t ot h e s o l i d i f i c a t i o nf e a t u r e so fh o l l o wt u b e s ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n c o m p u t a t i o nm o d e lo ft e m p e r a t u r en e l dw a se s t a b l i s h e df o rs i m u l a t i n gt h eh e a tt r a n s f e r d u r i n gc o n t i n u o u sc a s t i n gp r o c e s s 1 1 记e f f e c t so f k e yt e c h n i q u ep a r a m e t e r sa n dt h ep o s i t i o no f s e c o n dc o o l i n gs p o u t i n go ns o l i d i f i c a t i o nw e r ea n a l y z e dt op r o v i d eg u i d e sf o ro p t i m i z a t i o n s o f t e c h n i q u ep a r a m e t e r sa n ds t r u c t u r eo f i n n e r - m o l d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t so fc o n t i n u o u sc a s t i n go fh o l l o wt u b e ss h o w e dt h a tt h e r ew e r e m a n yp r o b l e m ss u c ha sp o o rs u r f a c eq u a i l t y , t o om a n yf a u l t s ，a n dc o a r s ec r y s t a l l i n eg r a i n si n s o l i d i f i c a t i o ns t r u c t u r ea n dp o o ru n i f o r m i t yo f s t r u c t u r ei nt h ec i r c u m f e r e n t i a ld i r e c t i o n i no r d e rt o o b t a i nh o l l o wt u b e sw i m h i 曲q u a l i t y , e l e c t r o m a g n e t i cc o n t i n u o u sc a s t i n go fh o l l o wt u b e s w i mi n d u s t r i a lf r e q u e n c yr o t a t i n ge l e c t r o m a g n e t i cf i e l da n dm i d d l e f r e q u e n c ye l e c t r o m a g n e t i c f i e l do u t s i d eo fo u t e r - m o l d sw a s d e v e l o p e d t h e r e s u l t ss h o w e d ： 1 ) i m p o s i n g i n d u s t r i a lf r e q u e n c yr o t a t i n ge l e c t r o m a g n e t i cf i e l dc o u l d i m p r o v e t h es u r f a c e q u a i l t yo f h o l l o wt u b e s ，r e f i n em a c m a t r u c t u r ea n da c c e l e r a t et h et r a n s i t i o nf r o mc o l u m n a r g r a i n s t o e q u i a x e dg r a i n s ，p r o m i n e n t l yi m p r o v et h eu n i f o r m i t yo fm a c r o s t r u c t u r e i n c i r c u m f e r e n t i a ld i r e c t i o n m o r e o v e r , d i s t r i b u t i o no fs o l u t ee l e m e n ta l o n gt h er a d i a i d i r e c t i o no fh o l l o wt u b e sb e c a m em o r eh o m o g e n e o u st h a n 廿1 0 s ew i t h o u ti n d u s t r i a i * 一 a b s n a c t j _ i 一 i _ l ； f r e q u e n c yr o t a t i n ge l e c t r o m a g n e t i cf i e l d 2 ) i m p o s i n g m i d d l ef r e q u e n c y r o t a t i n ge l e c t r o m a g n e t i cf i e l do u t s i d eo f o u t e r - m o l dw i t h s l i t sc o u l di m p r o v et h es u r f a c eq u a l i t yo fh o l l o wt u b e s ，e l i m i n a t et h es u r f a c ed e f e c t sa n d r e f i n em a c r o s t r u c t u r eo f h o l l o wt u b e s h o w e v e r , i th a di i t t l ee f f e c to ni m p r o v e m e n to f u n i f o r m i t yo f m a c r o s t r u c t u r ei nc i r c u m f e r e n t i a ld i r e c t i o n i no r d e rt of u r t h e ri m p r o v et h eq u a l i t yo f h o l l o wt u b e su n d e rt h ec o n d i t i o no f i m p o s i n g m i d d l e 矗e q u e n c ye l e c t r o m a g n e t i cf i e l d ，h o tt o pe l e c t r o m a g n e t i cc o n t i n u o u sc a s t i n go f h o l l o w t u b e sw a s p r o p o s e d w h i c hw b s c h a r a c t e f i z e dw i t ht h ec o m b i n a t i o no f h o t - t o pt e c h n i q u ea n d c o l dc r u c i b l e t e c h n i q u e n o to n l y t h es u r f a c e q u a l i t y w a sr e m a r k a b l y i m p r o v e d a n d s o l i d i f i c a t i o ns t r u c t u r ew a sr e f i n e d ，b u ta l s ot h eu n i f o r m i t yo fs t r u c t u r ei nc i r c u m f e r e n t i a l d i r e c t i o nw a s g r e a t l yi m p r o v e d t h eh o r i z o n t a le l e c t r o m a g n e t i cc o n t i n u o u sc a s t i n gt e c h n i q u eo fh o l l o wc u t u b e ，a i m i n g t oi m p r o v et h eq u a l i t yo fh o l l o wc ut u b e s ，w a sp r o p o s e d b a s e do nt h es h a p i n gs y s t e mo f h o r i z o n t a lc o n t i n u o u sc a s t i n go fh o l l o wt u b e st h ee l e c t r o m a g n e t i cs h a p i n gs y s t e m sw e r e d e s i g n e df o rh o r i z o n t a le l e c t r o m a g n e t i cc o n t i n u o u sc a s t i n go fh o l l o wc ut u b e s 。p i k 缱s c a l e c a s t i n g so f8 3 m m d i a m e t e r w i t hah o l eo f2 l m m d i a m e t e rw e r eh o r i z o n t a lc o n t i n u o u sc a s t s u c c e s s f u l l y t h er e s u l t ss h o w e dt h a t ：i tc o u l db ea b l et or e m a r k a b l yr e f i n et h es o l i d i f i c a t i o n s t r u c t u r e i m p r o v et h eu n i f o r m i t yo fs t r u c t u r e i nc i r c u m f e r e n t i a ld i r e c t i o na n dm e c h a n i c s p r o p e r t i e sb yi m p o s i n gi n d u s t r i a lf r e q u e n c ye l e c t r o m a g n e t i cf i e l d ；w h i l ea m i d d l ef r e q u e n c y e l e c t r o m a g n e t i cf i e l dw a si m p o s e d ，t h es o l i d i f i c a f i o nw a sr e f i n e d ，t h eu n i f o r m i t yo f s t r u c t u r e j nc i r c u m f e r e n t i a ld i r e c t i o na n dm e c h a n i cp r o p e r t i e sw e r ei n c r e a s e d m o r e o v e r , t h es u r f a c e q u a l i t yw a si m p r o v e dr e m a r k a b l y k e y w o r d s ：c o n t i n u o u s c a s t i n g ，h o r i z o n t a l c o n t i n u o u s c a s t i n g , h o l l o w t u b e ， e l e c t r o m a g n e t i cf i e l d ，m e c h a n i cp r o p e r t y , s o l i d i f i c a t i o ns t r u c t u r e i v 大连理工大学博士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 管材是一种具有高附加值的经济型材，在国民经济建设中占有重要地位，世界各国 都十分重视管材生产技术的发展。 在各种管材中，钢管的产量、质量、品种及其生产技术水平的高低被认为是衡量一 个国家工业先进程度的重要标志之一。自2 0 世纪以来，钢铁工业在全球范围内得到了 空前的发展，钢年产量从1 9 0 0 年的3 0 0 0 万吨迅速增加到2 0 0 0 年的8 4 7 亿吨左右。其 中，钢管产量占钢材总产量的1 0 以上，有些发达国家甚至达到1 6 以上。 我国，于1 9 9 6 年钢年产量首次突破i 亿吨，一举成为世界第一产钢大国。随后几 年，钢铁产量直稳居世界之首。尽管如此，我国每年仍有5 0 0 万至7 0 0 万吨高技术含 量、高附加值钢产品依赖进口。市场急需的板、管、带材等高附加值产品，特别是油井、 深井石油管、电站、高压锅炉、石化转化炉、裂解炉( 一台炉就需要1 0 0 吨钢管) 等使 用的不锈钢、耐热钢管、耐蚀钢管，以及军工、钻探等地下工程使用的特种合金管等产 品难于满足日益增长的需求。这些合金管材技术含量高，并且属于高风险产品，要求合 格率为1 0 0 ，一旦出现问题将会造成难以挽回的巨大经济损失。由于国内在管材生产 方面存在生产工艺和装备落后、产品质量水平低、能耗和成本偏高、资源浪费、污染严 重等问题，这些管材3 0 4 0 依赖进口，某些品种甚至完全依靠进口。每年需要花费几 亿美元的外汇【2 1 。这种情况直接制约了我国相关行业技术和经济建设的发展。因此，开 发金属材料制造新技术，提高我国钢材的质量，使我国由钢铁大国转变为钢铁强国是2 1 世纪对我国钢铁业提出的新要求和挑战；研究和开发先进的钢管加工技术是目前国内钢 管生产中共同面临的重大课题。1 9 9 9 年初，国家冶金局专门召开特殊钢管会议，研究部 署钢管的研发和生产工作。 近几年来，随着我国经济的持续发展，国内对铜材等原材料的需求也开始出现快速 增长。2 0 0 2 年，我国铜材产量超过2 5 1 2 万吨，其中铜管产量为5 1 3 万吨，均仅次于 美国，届世界第2 位，已成为世界上重要的铜管生产、出口、进口和消费大国口j 。同国 外发达国家一样，空调用散热管( a c r ) 发展迅速，约占铜管总产量的3 0 。 自9 0 年代开始，具有高效传热特性的内螺纹铜管逐渐代替薄壁光管而成为制造空 调两器( 蒸发器和冷凝器) 传热管的关键材料，从而为国际铜管加工业带来了巨大的商 机4 1 。但是，由于空调设备对能源的消耗很大，并且加重了地球温室效应，造成臭氧层 空洞的扩大，对地球的环境保护造成重大损害。因此，研发新一代具有高精度、高散热 性、高清洁度、轻量化的内螺纹管，提高热交换性能，促进空调设备向着小型、高效、 节能、环保、健康的方向发展，是对内螺纹铜管制造业提出的又个重大技术课题。 1 2 无缝管材生产技术的发展与现状 1 2 1 我国无缝钢管生产技术的发展与现状i 0 1 1 9 5 3 年l o 月，鞍钢无缝钢管厂中1 4 0 m m 自动轧管机组建成投产，我国开始有了自 己的无缝钢管工业，其标准选用原苏联的无缝钢管标准。6 0 7 0 年代，随着大量中 7 6 l o o m m 自动轧管机组及冷拔冷轧机组的相继投产，以及大口径无缝钢管机组( o 3 1 8 m m 、巾2 1 6 m m 周期轧管机组、3 1 5 0 吨热挤压机组、4 0 0 m m 自动轧管机组) 的建 第一章绪论 立，我国无缝钢管的生产能力超过1 0 0 万吨，并能够生产不锈钢、高压锅炉用管、石油 油管、地质钻抒、航空用高精度钢管等要求较高的钢管品种；钢管规格也由中1 4 0 m m 扩展到中6 3 0 m m 。随后，我国逐步制定并完善了适合国情的行业标准，如y b 2 3 1 ，7 0 ( 一 般无缝钢管) 和y b 6 8 0 7 1 ( 航空用结构钢薄壁无缝钢管) 等。8 0 年代以后，我国对现 有轧管机组进行了大量技术改造，期间具有现代水平的宝钢m1 4 0 m m 全浮动芯棒连轧 管机组、成都无缝钢管厂中2 5 0 m m a c c u r o l l 精密轧管机组、天津大无缝钢管厂中2 5 0 m m 限动芯棒连轧管机组和衡阳0 8 9 m m 半浮动芯棒轧管机组相继投产，并开始采用连铸圆 坯直接生产无缝钢管，钢管的质量水平有了明显提高。 总体来说，除了上述几家公司设备较先进外，国内其它单位装备水平普遍落后，多 数为国产设备，仅相当于5 0 年代水平。此外，虽然我国钢管产量在1 9 9 4 年达到3 0 4 万 吨，成为世界第一大无缝钢管生产国，但是钢管在品种和规格方面却极不合理，多数为 一般用途的无缝钢管，石油钻采用管、高压锅炉管、化工用管等关键品种规格少，产量 低，生产能力薄弱，不能满足国内需求。 由于在冷轧冷拔过程中难以消除荒管的内折叠、内裂纹和外表面折叠、导板划伤等 缺陷，我国无缝钢管质量较差，主要表现为尺寸精度低、表面质量差和钢管短而不齐。 表1 1 列出了韩国普通冷轧不锈钢管材同我国同类产品尺寸精度的对比情况。 表1 - 1 中国与韩国冷轧冷拔不锈钢管尺寸精度对比 t a b l e1 - 1d i m e n s i o n a c c u r a c yc o m p a r i s o n o f c o l d r o i l i n ga n dd r a w i n g s t a i n l e s sp i p ei nc h i n aa n dk o r e a n 由上- 述可以看出，设备落后、产品质量差、高性能特种用管缺口大等是当前我国无 缝管材生产中存在的主要闯题。 1 2 2 无缝管材的传统加工工艺 无缝管材生产的实质是将实心的铸坯穿孔并轧制成空心断面的钢管。其基本工序为 管坯准备、加热、穿孔、轧管以及精整或定减径等，工艺流程【5 】如图1 - i 所示。 电炉 精炼 连铸 管坯 加热 穿孔 轧管 i 转炉卜模铸 开坯l 包装- 一检查十精整_ 一矫直一冷却一定减径 l 探伤j 围i - 1 无缝钢管的生产工艺流程 f i g i - i i n d u s t r i a lp r o c e s so f s e a m l e s ss t e e lp i p e 大连理工大学博士学位论文 可以看出，管坯准备和穿孔两道工序是决定无缝管材生产成才率与产品质量的关键 环节。高质量的管坯和优良的穿孔工艺是得到高质量的无缝管材的前提。 管坯按合金种类分，有黑色金属管坯和有色金属管坯；按断面形状分，有圆形、方 形和多边形等几种；按生产方式分，有模铸坯、连铸坯、轧坯和锻坯等。 与其它生产方式相比，采用连铸坯制管成本低、金属利用率高和制管周期短等优点。 7 0 年代以后，随着连铸技术的迅速发展，不仅碳素结构钢管坯，而且结构铜中 c r 2 3 o 、m 0 1 5 - 2 o 、n i l 0 合金总量不超过7 的一些钢种，以及一些奥氏体不 锈钢都可以连铸。连铸坯的表面质量和内部质量优于轧坯质量，加之连铸圆方坯直接穿 孔工艺日臻成熟，客观上满足了采用连铸坯制管的条件，连铸坯被大范围应用于无缝管 材的制备过程中。8 0 年代以后，世界上新建的现代无缝钢管机组均无一例外地采用连铸 坯【6 1 。 由于穿孔的变形特点及穿孔时存在不利的应力状态，对管坯的质量要求比较严格， 因为管坯上的任何缺陷都会带到钢管上，而且有缺陷的地方往往会造成应力集中，通过 塑性变形( 穿孔变形) ，缺陷会加深、加长。管坯的常见缺陷包括表面缺陷和内部缺陷。 表面缺陷是指表面和靠近表面的缺陷，深度不超过0 7 m m 时危险不大。内部缺陷主要 指缩孔、中心缩松、非金属夹杂物聚集、含有气体。当上述缺陷大量存在时，穿孔过程 中容易造成内部缺陷和内表面缺陷。生产实践证明，管材内外表面上的缺陷常常是由非 金属夹杂物的聚集造成的，因为有些非金属夹杂物在轧制过程中不能承受大的塑性变 形，金属的致密度受到破坏。有的非金属夹杂物分布在晶界上，减弱晶粒间的联系，使 金属塑性降低，最终导致金属破裂而出现缺陷。 1 2 3 国内外高合金管材的生产 不锈钢等高合金无缝管材，国外主要采用挤压机生产。比如瑞典山特维克厂用3 0 0 0 吨挤压机，德国莱姆厂采用3 4 0 0 吨挤压机，日本京滨钢铁厂用3 1 5 0 吨挤压机。挤压具 有最佳的应力状态，比较灵活。因此适用于多品种、小批量、塑性低、变形抗力大的高 合金无缝管材的生产。挤压生产高合金无缝管材的工艺流程一般如图1 - 2 所示。 管坯准备。 加热除鳞涂润滑剂 挤压。冷却 + 入库十打印包装十冷加下r _ 检查t 一去润滑剂t 切头十矫直 图1 2 挤压生产无缝钢管工艺流程 f i g 1 - 2i n d u s t r i a lp r o c e s so f s e a m l e s s s t e e lp i p e p r o d u c e db ye x t r u s i o nt e c h n o l o g y 从挤压的变形条件上来看，最适合于采用连铸坯，而且奥氏体不锈钢的连铸在生产 技术上也没有问题。但各国挤压机实际生产所用的管坯多为轧坯或锻坯。如瑞典山特维 克厂的不锈钢管坯是用5 吨钢锭，通过计算机控制在1 8 0 0 吨的快锻水压机上锻成，管 坯直径为1 9 5 m m 、2 4 0r a m 、2 7 0 m m ，直径公差小于1 0 。日本京滨钢铁厂挤压机多 采用轧坯。采用锻坯或轧坯的挤压机，从钢锭到冷轧冷拔成成品管的金属收得率一般为 4 7 左右。除长城特钢公司有3 1 5 0 吨的挤压机外，国内钢管厂没有大型挤压机，同时 受润滑等技术水平的限制，我国多采用模铸、锻造实心圆坯和曼氏斜轧穿孔的方法获得 荒管，然后冷轧生产小批量高合金无缝管材。 通过上述方法获得荒管的工艺对于生产高合金无缝管材来说，存在许多困难和不足， 具体表现在： 1 ) 高合金( 钢) 变形抗力大，热加工温度区间窄，热塑性差，用斜轧穿孔办法生 产荒管很困难，无缝管材的质量问题大部分缘于穿孔，某些合金甚至不得不采 用钻孔，如0 c r l 7 m n l 4 m 0 2 n 、1 c r 2 5 n i 2 0 s i 2 等。 2 ) 金属收得率低。钢锭要经过锻造、车去氧化皮与表面缺陷、切头、定尺寸、定 心后穿孔。这样就会损失很多金属，在斜轧穿孔过程中，金属将产生剧烈变形， 材料所受的应力状态复杂，所以对热塑性差的高合金钢加工难度大，工艺参数 控制不当，极易出废品，造成材料浪费。挤压生产的管材需要切头去尾，又有 挤余，材料利用率更低。 3 ) 使用斜轧穿孔获得荒管，很难在后续加工中得到高质量的成品管。究其原因是 斜轧穿孔易引起荒管内折叠、内裂纹、硌伤和外表面外折叠、导板划伤、粘金 属、螺旋纹、外裂纹等缺陷，这些缺陷在冷拔过程中很难消除。 4 ) 传统工艺非常复杂，为了获得空心的管坯需要锻造、扒皮、定心、加热、穿孔 等多道工序。 5 ) 设备投资大。环形加热炉或斜底加热炉建设费用高，占地面积大。大吨位的挤 压机价格昂贵。所以中小型钢管j 一一般都没有加热管坯的加热炉和斜轧穿孔机。 也没有大型挤压机，只能购买空心管坯。管坯加热时间长，能源消耗大。 随着使用环境的f j 趋严酷，合金含量越来越高，其无缝管材的加工难度也就更大。 为了获得高质量的高合金管材，许多科研工作者无论在传统工艺上还是在新工艺的开发 上都进行了许多研究工作。 为了提高合金无缝管材的成材率，在冶炼、加工各方面均采取各种措施。为提高合 金的热加工性能，应降低o 、p 、s 等有害元素的含量，添加提高热加工性能的合金元 素，例如，减少s 含量，可以提高奥氏体不锈钢的热加工性能，在连续轧管机的轧制中 防止孔穴开裂，在双向不锈钢中添加c e 而固定s 元素，控制s 向晶界的偏析，可改善 双相不锈钢的热加工性能“。 高合金的热塑性比碳素钢差，易产生缺陷，所以对每个钢种来说，最重要的是要在 最佳温度下进行穿孔轧制。为此对难加工的高合金进行热模拟实验以确定合适的穿孔温 度。如g h 5 3 6 的热加工加热温度，最高定为1 1 8 0 ，热加工温度范围定为1 0 0 0 1 1 8 0 【1 2 】。1 c r 2 5 n i 2 0 s i 2 的热加工温度定为9 5 0 1 1 5 0 1 3 1 o c r l 7 m n l 4 m 0 2 n 双相不锈钢 在9 5 0 热扭转时，最终转数只有1 5 转，随着变形温度的提高，热塑性提高，在1 1 5 0 和1 2 5 0 时转数分别达到了4 转和5 转【1 4 1 。 变形速率同样在热穿孔中起重要作用。王永吉【l5 l 等研究了二辊斜轧穿孔机轧辊转速 对高合金荒管质量的影响，结果表明将轧辊转速降到出现分层的临界转速以下时，可以 消除分层缺陷，穿出合格的荒管。田党【j3 】等开展了高温合金穿孔性能的实验研究，研究 结果同样表明在高温合金穿孔时，存在中心发生破裂形成空腔的可能，更有表层破裂时 出现分层缺陷的可能，只有轧辊转速低于临界轧辊转速时，坯料才不出现分层缺陷。 r y a n 和m c q u e e n 对3 0 4 、3 1 6 和3 1 7 等奥氏体不锈钢的热变形行为进行了深入 的研究 1 5 , 1 6 , 1 7 , 1 8 ，研究结果表明，随着台金元素含量的提高，金属的热塑性下降。一般 说来，加工硬化速率、峰值应力、形变激活能和发动动态再结晶的临界应变随着合金元 素的增多或沉淀相的增多而提高。峰值应力与发动动态恢复的临界应变随着变形温度的 降低、应变速率的提高而提高。铸态组织表现出的加工硬化速率，在相同的变形条件下， 比变形态提前出现动态恢复。 前面所述的是在冶炼、加工等方面所采取的各种措施。如果采用空心高合金管坯制 大连理工大学博士学位论文 各荒管，就会省去穿孔工序，节约了能源， 本，同时可以减小合金的高温塑性变形量， 管材。 避免穿孔过程中产生的缺陷，降低了设备成 这些因素都有利于最终得到高质量合金无缝 1 2 4 铜及铜合金管材的生产 目前，铜管材的制备主要是采用传统的挤压一轧制法( 挤轧法) 和水平连铸一行星 轧制法( 铸轧法) 。 1 ) 挤轧法( 低挤压比挤压) 挤轧法经过1 0 0 多年的发展，技术已非常成熟可靠，特别是水封脱皮挤压技术在挤 压机上得到应用后，挤出的管材晶粒组织细小、管坯质量高，内外表面光亮无氧化，不 需要进行酸洗，使得挤轧法成为紫铜管最普遍的生产工艺。挤轧法的另一个优点是能够 生产绝大部分铜及锅合金产品。 挤轧法存在以下缺点：我国多采用“感应熔炼一立式半连续铸造”工艺生产铸坯， 铸坯质量不高时，一旦挤压时脱皮不好，就会将各种铸造缺陷带入以后工序，而国外采 用立式连续铸造，由于设定同一工艺参数生产，铸坯质量稳定，成品质量得到保证；紫 铜管挤压温度商达8 5 0 9 0 0 。c ，经长时间挤压生产后挤压筒内衬磨损较大，对挤出管的 质量和精度产生不利影响；厂房占地面积大，建设周期长，设备投资费用高；金属利用 率低，综合成品率仅在6 8 左右。 2 ) 铸轧法 铸轧法是芬兰奥特昆普公司于2 0 世纪8 0 年代研制开发的铜管生产工艺，直接由水 平连铸机组生产出空心管坯，再由三辊行星轧管机轧制成一定规格的拉伸管坯。由于三 辊行星轧制工艺具有变形迅速、加工率大等特点，制轧件在变形区内的温度迅速升高至 铜的再结晶温度以上，轧件由铸态组织变为完全再结晶组织，晶粒均匀细小，管材壁厚 偏差小。该法具有工艺流程短、成品率高、工模具费用低、能耗低、占地少、投资省等 诸多优点，使产品成本大大降低，在中国、韩国和泰国等国家得到关注和广泛应用。河 南金龙精密铸管有限公司在9 0 年代引进这种生产工艺后，经过十年左右的生产实践， 逐渐掌握并拓展了该生产工艺。水平连铸管坯由最初的中8 2 2 0 1 2 2 0 m m 增大到中9 0 2 3 1 3 0 0 m m ，生产线的综台成品率从8 2 提高到8 5 8 7 ，能够生产出质量稳定的光 面紫铜管，内螺纹管的直径最小可达到中5 m m t ”1 。 该工艺的缺点是：水平连铸采用石墨结晶器，仅能生产无氧铜和磷脱氧铜，而且对 原料要求高，不加或加少量返回废料；目前水平连铸生产的最大规格管坯仅为巾1 0 0 m m ， 受规格限制，单条生产线规模一般为1 1 5 万吨；管坯外表面需经过铣面去除表面缺陷。 1 3 管材近终形制备技术 近终形制备技术( n e a rn e ts h a p et e c h n o l o g y ) 是指制备的毛坯尺寸接近最终产品尺 i j 的制备技术，直接采用空心铸坯制备荒管，被称为管材近终形生产技术，特点是工 序少，周期短，能耗低，一直是广大冶金科研工作者关注的重点。目前有离心铸管技术、 喷射沉积技术和空心管坯连铸技术。 1 3 1 离心铸管技术 离心铸造方法出现于1 9 世纪，在2 0 世纪付诸于工业性生产，1 9 3 8 年德国首次生产 出离心铸管以后，该工艺引起各国的注意。目前国内外在机械、冶金建材、电力和石化 等行业的许多大型成套设备和装置的关键部位均采用了大量离心铸钢或合金钢管。离心 铸钢管的生产技术一直是工业发达国家主要厂家长期研瓮的课题，并严格保密，目前继 续研究和解决的主要技术问题有：1 ) 小口径薄壁离心铸钢管生产，如由5 0 r a m 小口径 管，有效厚度为5 1 m m 。2 ) 在工艺方面主要研究离心铸钢管的铸态宏观组织和对使用 性能的影响。研究结果表明，在相同成分条件下，如果得到合理的铸态宏观组织，高温 性能可提高2 0 左右。3 ) 材质方面大多数研究者都致力于提高材料的抗高温蠕变性能 和抗氧化渗碳性。实现的揞施有二：其一，增加合金含量和合金元素种类；其二，微量 元素合金化，例如日本和埃及的学者进行的h k 4 0 离心铸管的研究，就采用第二种措施。 经过微量元素合金化后的h k - 4 0 离心铸管的高温持久强度，较普通h k 4 0 离心铸管提 高了1 7 倍，使用温度提高了1 0 0 1 2 “， 我国于6 0 年代初开展了离心铸钢管的研究工作，取得了一定的研究成果。但就目 前而言，生产技术、生产能力和规模都远远不足，许多重要的领域还未开发。 冶金部钢铁研究总院将电渣离心浇铸移植到高合金空心铸坯生产，对电渣离心铸管 进行了研