电渣重熔管坯技术在大口径厚壁管生产中的应用

电渣重熔管坯技术在大口径厚壁管生产中的应用

近年来，随着我国高压锅炉、发电厂、石油、天然气等行业的快速发展，用户对厚壁管的需求不断增加。中国自2003年以来一直是制造和消费最大的行业，但在上述规格品种中，中国的生产和消费能力一直难以满足市场的需求。特别是大口径和厚壁缝较大。国内只能生产各种大口径和厚壁缝，直径约为10万吨，这是8万吨的一部分。目前，中国很少有制造直径小于1200mm的极端和极端热态的锅炉行业。据国内公司介绍，即使外国公司能够接受分配，而且高昂的运输期应该在一年后完成，价格也非常高。大口径厚壁管道的生产必须打破国外限制的差距。1生产难点及工艺难点大直径厚壁管的生产与一般结构钢管比较有如下几个突出的难点:1)周期长;2)投资大;3)生产工序多,工艺复杂;4)检测项目多,要求严.目前生产方法主要有锻造镗孔、铸造成形、自由锻、卷制焊接成形、电渣重熔几种.1.1铸造铣孔的技术性能采用锻造镗孔生产大口径厚壁管的主要工艺流程是:电炉冶炼→锻造→锻启退火→粗加工→热处理→精加工→检验→交验入库.锻造镗孔的示意见图1.采用锻造成型的最大特点是锻件金属始终在轴的水平和垂直方向交变受力并均匀变形延伸.成形后经过热处理,纵横向性能差异较小,有利于工件的弯曲成型.而轧制件和热挤压件金属在轧制和热挤压过程中始终沿轧制和挤压方向变形延伸,纤维方向较为明显,纵横向性能差异较大.表1是12CrlMoVG钢锻造镗孔管(内蒙古北方重工集团公司制造)与轧制的国外同类产品性能对比,可见,采用锻造镗孔技术生产的钢管除冲击功与进口钢管有较小差异外,其他性能与进口钢管性能相当.管壁较厚是锻造镗孔技术的优势,但一般整个锻造过程需要2～3次回炉,另外该法的成材率基本在50%左右,使得生产成本非常高.1.2铸造铣孔法铸造缺陷因为厚壁管为形状简单的对称件,且壁厚均匀,采用铸造的方法生产厚壁管的工艺是极为简单的,其铸造原理如图2所示.用铸造的方法生产厚壁管不需要大型设备,生产成本会低于锻造镗孔法.但是,铸造缺陷和组织难以满足性能要求.采用锻造镗孔法生产厚壁管,总锻造比可达4以上.这样,铸锭经高锻造比的塑性变形后,其内部的气孔、缩松等被锻合.金属内部的脆性杂质被打碎,顺着金属主要伸长方向呈碎粒状或链状分布,塑性杂质随金属变形沿主要伸长方向呈带状分布,从而使组织致密、晶粒细化,力学性能提高.尽管铸造法设备简单、生产成本低,但其铸造缺陷难于避免.1.3加内孔的大钢锭和大u-压力机采用自由锻的方式也很容易生产厚壁管.但是,由于管子较长且内径不大,因而内孔直径很难锻出,这样就只好锻成实心棒材再机加内孔.对于大口径厚壁管而言,这种材料上的浪费是极大的,自由锻必不可少的大余量也加剧了这种浪费,这种方法也极大地增加了机加工成本,更为重要的是由于材料利用率极低而不得不使用大钢锭和大吨位压力机,这又使得生产困难且产品性能难以保证.1.4钢管-钢管焊缝用卷板机对板料进行卷制也可得到各种壁厚的钢管,这种方法生产钢管工艺比较简单.它无需专用模具,只需恰当地调整三辊间的距离即可成形所需管径,若弯曲力不足,则实行热卷.此法材料利用率较高,缺点是不能生产无缝钢管而只能生产有缝钢管,此缝隙可通过后续焊接来缝合.虽说现代焊接长大缝隙技术在不断的提高,但是,很难保证焊缝处性能与本体性能相一致.因为承受高压流体的管道的危险截面是纵向截面,卷制钢管的焊缝又恰好为纵向,所以,承受高温高压的管件一般不用卷制钢管.1.5电渣重熔管坯生产的研究上世纪70年代,乌克兰巴顿电焊研究所在实验室内开始电渣重熔管坯技术的开发,电渣重熔管坯技术的原理如下.图3中(a)为最初的实验方法,芯棒的速度和金属液面的位置难于控制,另外管坯的长度也受到芯棒长度的限制,所以没有得到很好的发展.图3中(b)为改进的实验方法,管坯的长度不在受芯棒长度的限制,虽电极制作较为复杂,但其产品质量保持着电渣产品的特性,生产成本相对于锻造镗孔法要低得多.图3中(c)为目前正在实施的方法,管坯的长度不在受芯棒长度的限制,电极制作难度相对有所改善.图4中为采用电渣重熔法生产出的几种规格的管坯.通过对锻造镗孔法、铸造成形法、自由锻造法、卷制成形法和电渣重熔法几种生产大口径厚壁管方法,从生产成本和产品质量角度的比较分析可以认为,电渣重熔管坯技术具有广泛的应用前景和经济价值.2电渣连铸/重熔管坯技术2002年,在结合电渣重熔和连铸技术优点的基础上,我们先后采用结晶器导电技术、双极串连、交换电极、T型结晶器、液位检测等技术开发了“电渣连铸”新技术,经过近8年的努力,目前该技术已经成功转化为工业生产力.在电渣连铸技术的基础上,借鉴乌克兰实验室内生产管坯电渣炉的经验,我们计划开发电渣重熔管坯技术,解决厚壁管生产成本高的问题.2.1生产原理及设备设计在内结晶器、外结晶器和引锭装置构成的环形空间中加入液态炉渣,将自耗电极的端部插入其中.当多支并联的自耗电极、炉渣、底水箱通过短网与变压器形成供电回路时,便有电流从变压器输出通过液态熔渣,使自耗电极的端部被逐渐加热熔化,熔化的金属穿过渣池进入金属熔池,因结晶器中心装有水冷内结晶器,液态金属逐渐凝固成管坯钢锭.当管坯钢锭达到一定高度后,开始抽锭.抽锭速度与自耗电极的熔化速度相匹配,结晶器内钢水液面位置通过钢水液面检测装置进行监测.其生产原理及设备设计简图如图5、图6.2.2重铬管的一些技术(1)钢锭盘的尺寸为了提高充填比减少电极长度,外结晶器需要设计成T型,即电极熔化部分结晶器直径大于钢锭成型部分,内结晶器设计为直桶形.为了减少漏钢漏渣,内外结晶器需要带有合适的锥度.目前我们设计的几种钢锭断面尺寸为Φ900/Φ200mm、Φ900/Φ400mm和Φ650/Φ450mm.(2)其他电源对结晶器渣池供电加载在交换电极时渣温急剧下降,导致钢锭表面形成渣沟较深.为了保持交换电极期间渣温不会急剧下降,需要采用另外一路电源对结晶器渣池供电加温.该电源在正常重熔阶段也可作为辅助电源供电,钢锭的表面质量会有所改善.(3)问题的重熔控制由于电极较长、较细,钢锭较长,另外形成的闭合回路包围面积较大,根据以往的生产经验短网压降会很大,往往在重熔后期会出现变压器功率不足现象.为解决该问题拟采用平行布线和同轴导电技术.(4)傲慢电极为多支并联的小直径电极棒,在T形结晶器内很难实现固渣启动,所以应事先在化渣炉内化好适量的液态炉渣倒入结晶器内.(5)金属粉内电渣的重熔观检测在使用T形结晶器的抽锭电渣重熔技术中,金属液面位置的控制尤为关键,液位过高会出现钢锭拉断的现象,液位过低时常出现漏钢漏渣等问题.国内连铸技术中近年来普遍采用射线法检测结晶器内金属液面,在管坯电渣重熔中也可使用射线法.根据我们的经验,因为熔化速度较慢,设计精度达到±5mm就能够满足技术要求.(6)引用轴的初始连接液态熔渣倒入结晶器后便在引锭底板上凝固成渣壳,影响钢锭与引锭底板之间的连接,这将会成为一个要重点解决的技术难点.(7)钢锭与结晶器渣壳破碎与传统电渣重熔技术不同的是钢锭与结晶器之间存在相对运动,如