CN101530907A - 锅炉用双金属无缝钢管的复合管坯及其生产方法 - Google Patents

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Abstract

一种锅炉用双金属无缝钢管的复合管坯，包括内层和外层，所述内层和外层之间还具有过渡层，所述过渡层分别与内层、外层完全冶金熔合；所述内层由Gr.A－1材料浇注而成，所述过渡层由纯铁或内层材料浇注而成。本发明锅炉用双金属无缝钢管的复合管坯在内层和外层之间具有过渡层，过渡层分别与内、外层完全冶金熔合，减少了内、外层结合面之间的界面应力，管坯不易分层，大大提高了由该管坯制成的锅炉用成品管的使用寿命。

Description

锅炉用双金属无缝钢管的复合管坯及其生产方法
技术领域
本发明涉及一种双金属复合材料，尤其涉及一种锅炉用双金属无缝钢管的复合管坯及其生产方法，该管坯通过挤压或轧制加工成锅炉用双金属无缝钢管。
背景技术
TP304L/Gr.A-1双金属管是黑液锅炉换热器必须管道材料。其成分标准要求见表1。内层性能要求见表2。
表1 内外层材料成分要求
Figure A200910077497D00041
表2 内层材料性能要求
 
屈服强度MPa 抗拉强度MPa 延伸率％
≥255 ≥415 ≥30
黑液锅炉换热器的使用条件对TP304L/Gr.A-1双金属管的质量要求很严，同时对其生产制造的工艺路线提出了更高的要求。目前，国内没有具备该应用条件下使用的TP304L/Gr.A-1双金属管材料的制造加工技术。国外德国、日本的生产工艺是：先将外层TP304L、内层Gr.A-1分别机械加工成管，然后镶套在一起，利用真空技术将内外层交界面的空气抽空，再进行高温处理，利用原子扩散将内外两种材料粘接在一起，在挤压(热轧)时，利用高温挤压(热轧)时的原子界面扩散再次粘接，制得外TP304L、内Gr.A-1双金属管。但内外层金属的结合决定于界面原子扩散，通常因加工过程中的油膜、加热过程中的氧化物膜等阻碍原子扩散的因素存在而受到影响，造成交界面未能全部熔合。内外层未熔合的部分造成锅炉换热时的热阻大大增加，严重影响了锅炉的热量交换。另外，该生产工艺制得的双金属管的内外层的熔合层很薄，只有几到十几微米，由于内外层材质的不同，使用过程中在内外层交界面会形成很大的界面应力，该应力促使内外分层，严重了影响管子的使用寿命。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服上述双金属管的缺点，提供一种具有过渡层、过渡层分别与内、外层完全冶金熔合、不易分层、使用寿命长的锅炉用双金属无缝钢管的复合管坯及其生产方法。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种锅炉用双金属无缝钢管的复合管坯，包括内层和外层，所述内层和外层之间还具有过渡层，所述过渡层分别与内层、外层完全冶金熔合；所述内层由Gr.A-1材料浇注而成，所述过渡层由纯铁或内层材料浇注而成，所述外层成分的重量百分比为：
C：0～0.025％                  Si：0～0.75％                  Mn：0～2.0％
P：0～0.040％                  S：0～0.030％                  Cr：18.0～20.0％
Mo：0.02～0.4％                Ni：8.0～13.0％                N：0.03～0.2％
B：0.0001～0.01％              Fe：其余。
本发明锅炉用双金属无缝钢管的复合管坯，其中所述外层成分的重量百分比优选为：
C：0～0.020％                  Si：0～0.75％                  Mn：0～2.0％
P：0～0.040％                  S：0～0.030％                  Cr：18.0～20.0％
Mo：0.3～0.35％                Ni：8.0～13.0％                N：0.06～0.1％
B：0.005～0.008％              Fe：其余。
本发明锅炉用双金属无缝钢管的复合管坯，其中所述过渡层的厚度优选为2～5mm。
本发明还提供了上述锅炉用双金属无缝钢管的复合管坯的生产方法，包括以下步骤：
(1)将外层金属液通入管模内离心浇注，浇注完后冷却，待外层内表面温度冷却至低于外层金属液熔点150℃～200℃时开始浇注过渡层金属液；
(2)将过渡层金属液通入管模内离心浇注，浇注完后冷却，待过渡层内表面温度冷却至低于内层金属液熔点0～10℃时开始浇注内层金属液；
(3)将内层金属液通入管模内离心浇注，浇注完后冷却，待外层、过渡层、内层全部凝固后停止冷却。
本发明锅炉用双金属无缝钢管的复合管坯的生产方法，其中在(1)步骤前向外层金属液中加入保护渣，在(2)步骤前向过渡层金属液中加入保护渣，在(3)步骤前向内层金属液中加入保护渣，所述保护渣为萤石，加入量为金属液重量的0.5％—1.5％。
为了使外层TP304L既耐腐蚀，又满足后续加工性能，对外层成分做了修改，降低了C含量，并添加了少量N、B、Mo。C含量越低，外层的耐腐蚀性越好。降低C含量可以避免外层TP304L、内层Gr.A-1的热处理工艺冲突等因素，外层TP304L要求1050～1100℃淬水固溶处理以提高其耐腐蚀性能，而内层Gr.A-1则是920℃正火+620℃回火，但是620℃回火会使得外层TP304L耐腐蚀降低，因此通过降低TP304L的C含量，使得在Gr.A-1热处理工艺的条件下，外层TP304L仍能够满足耐腐蚀性要求。N是奥氏体形成元素，其形成奥氏体的能力相当于Ni的30倍，添加少量的N可以代替部分Ni，以增加奥氏体组织，减少或消除晶界网状高温析出相，避免后续挤压或热轧时形成裂纹。添加少量的B可以净化晶界，提高外层TP304L的耐腐蚀性。添加少量Mo，可以增加TP304L的热强性，有利于后续TP304L的挤压或热轧变形，以提高后续挤压或热轧制备成品管材的合格率。
本发明锅炉用双金属无缝钢管的复合管坯在内层和外层之间具有过渡层，过渡层分别与内、外层完全冶金熔合，减少了内、外层结合面之间的界面应力，管坯不易分层，大大提高了由该管坯制成的锅炉用成品管的使用寿命。
具体实施方式
本发明锅炉用双金属无缝钢管的复合管坯的内层成分是标准要求的成分(见表1和表2)，采用Gr.A-1材料浇注。为了保证内层的成分，过渡层金属液一般采用内层金属液，也可以采用纯铁水。过渡层的厚度由挤压或热轧后得到的成品管的允许厚度确定，管坯过渡层的厚度一般为2～5mm。
外层金属液的熔点约为1450℃，内层金属液的熔点约为1510℃。
浇注过程中，冷却装置可以采用位于管模上方的冷却水喷淋装置或其它冷却管模的装置。
浇注过程中，离心速度根据管模内径确定，一般管模转速为50～200G。本发明中，浇注外层时，管模转速一般为600转/分，浇注内层及过渡层时转速一般为900转/分。浇注时采用电子秤控制浇注重量。
实施例1
(1)将410千克外层金属液通入管模内离心浇注，浇注温度为1576℃，浇注完后冷却管模，待外层内表面温度冷却至约1250℃时开始浇注过渡层金属液；
(2)将110千克过渡层金属液通入管模内离心浇注，浇注温度为1642℃，浇注完后冷却，待过渡层内表面温度冷却至约1500℃时开始浇注内层金属液；
(3)将445千克内层金属液通入管模内离心浇注，浇注温度为1642℃，浇注完后冷却管模，待外层、过渡层、内层全部凝固后停止冷却，此时过渡层已分别与内层和外层达到完全冶金熔合。
本实施例中所用金属液成分见表3，过渡层金属液采用内层金属液。所得管坯内、外层成分及过渡层成分见表4。管坯内外表面经机械加工后所得原料管坯的尺寸参数见表5。
为了减少管坯中小颗粒夹杂物的含量，在浇注外层前，向外层金属液中加入5千克萤石保护渣。在浇注过渡层前，向过渡层金属液中加入1.5千克萤石保护渣。在浇注内层前，向内层金属液中加入3千克萤石保护渣。在浇注前向金属液中加入保护渣，使金属液带渣浇注，保护渣在离心力的作用会上浮至管坯的内表面，其上浮过程中，金属液中的小颗粒夹杂物会与保护渣吸附在一起，形成体积较大的夹渣，在离心力的作用下上浮至内表面，从而大大减少了管坯中的小颗粒夹杂物含量，提高了管坯的机械性能和热加工性能。
实施例2
(1)将395千克外层金属液通入管模内离心浇注，浇注温度为1565℃，浇注完后冷却管模，待外层内表面温度冷却至约1300℃时开始浇注过渡层金属液；
(2)将115千克过渡层金属液通入管模内离心浇注，浇注温度为1610℃，浇注完后冷却，待过渡层内表面温度冷却至约1510℃时开始浇注内层金属液；
(3)将450千克内层金属液通入管模内离心浇注，浇注温度为1610℃，浇注完后冷却管模，待外层、过渡层、内层全部凝固后停止冷却，此时过渡层已分别与内层和外层达到完全冶金熔合。
本实施例中所用金属液成分见表3，过渡层金属液采用内层金属液。所得管坯内、外层成分及过渡层成分见表4，管坯内外表面经机械加工后所得原料管坯的尺寸参数见表5。
为了减少管坯中小颗粒夹杂物的含量，在浇注外层前，向外层金属液中加入2千克萤石保护渣。在浇注过渡层前，向过渡层金属液中加入0.6千克萤石保护渣。在浇注内层前，向内层金属液中加入6千克萤石保护渣。
实施例3
(1)将405千克外层金属液通入管模内离心浇注，浇注温度为1572℃，浇注完后冷却管模，待外层内表面温度冷却至约1285℃时开始浇注过渡层金属液；
(2)将120千克过渡层金属液通入管模内离心浇注，浇注温度为1628℃，浇注完后冷却，待过渡层内表面温度冷却至约1503℃时开始浇注内层金属液；
(3)将445千克内层金属液通入管模内离心浇注，浇注温度为1628℃，浇注完后冷却管模，待外层、过渡层、内层全部凝固后停止冷却，此时过渡层已分别与内层和外层达到完全冶金熔合。
本实施例中所用金属液成分见表3，过渡层金属液采用内层金属液。所得管坯内、外层成分及过渡层成分见表4，管坯内外表面经机械加工后所得原料管坯的尺寸参数见表5。
为了减少管坯中小颗粒夹杂物的含量，在浇注外层前，向外层金属液中加入4千克萤石保护渣。在浇注过渡层前，向过渡层金属液中加入1.2千克萤石保护渣。在浇注内层前，向内层金属液中加入4.5千克萤石保护渣。
实施例4
(1)将395千克外层金属液通入管模内离心浇注，浇注温度为1576℃，浇注完后冷却管模，待外层内表面温度冷却至约1270℃时开始浇注过渡层金属液；
(2)将110千克纯铁水通入管模内离心浇注，浇注温度为1623℃，浇注完后冷却，待过渡层内表面温度冷却至约1506℃时开始浇注内层金属液；
(3)将455千克内层金属液通入管模内离心浇注，浇注温度为1607℃，浇注完后冷却管模，待外层、过渡层、内层全部凝固后停止冷却，此时过渡层已分别与内层和外层达到完全冶金熔合。
本实施例中所用金属液成分见表3。所得管坯内、外层成分及过渡层成分见表4，管坯内外表面经机械加工后所得原料管坯的尺寸参数见表5。
为了减少管坯中小颗粒夹杂物的含量，在浇注外层前，向外层金属液中加入6千克萤石保护渣。在浇注过渡层前，向过渡层金属液中加入1.5千克萤石保护渣。在浇注内层前，向内层金属液中加入4千克萤石保护渣。
本发明锅炉用双金属无缝钢管的复合管坯内外表面经机械加工后得到原料管坯，原料管坯再经热挤压、退火、冷轧、成品热处理等工序后制得TP304L/Gr.A-1锅炉用成品管，成品管的内层性能见表6。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Figure A200910077497D00091
表5 管坯经加工后所得原料管坯的尺寸参数
 
项目 外径/mm 内径/mm 外层厚度/mm        过渡层厚度/mm          内层厚度/mm      长度/mm
实施例1 248.6 111.0 17.2 3.5 48.1 2650
实施例2 248.5 112.4 18.2 4.6 45.2 2650
实施例3 249.0 111.3 17.8 4.2 47.0 2650
实施例4 248.3 111.8 18.4 3.1 46.5 2650
表6 成品管的内层性能
 
项目 屈服强度MPa 抗拉强度MPa 延伸率％
实施例1 285 485 33
实施例2 280 450 35
实施例3 280 460 34
实施例4 300 490 32

Claims (7)

1、一种锅炉用双金属无缝钢管的复合管坯，包括内层和外层，其特征在于所述内层和外层之间还具有过渡层，所述过渡层分别与内层、外层完全冶金熔合；所述内层由Gr.A-1材料浇注而成，所述过渡层由纯铁或内层材料浇注而成，所述外层成分的重量百分比为：
C：0～0.025％     Si：0～0.75％           Mn：0～2.0％
P：0～0.040％     S：0～0.030％           Cr：18.0～20.0％
Mo：0.02～0.4％   Ni：8.0～13.0％         N：0.03～0.2％
B：0.0001～0.01％ Fe：其余。
2、根据权利要求2所述的锅炉用双金属无缝钢管的复合管坯，其特征在于所述外层成分的重量百分比为：
C：0～0.020％        Si：0～0.75％           Mn：0～2.0％
P：0～0.040％        S：0～0.030％           Cr：18.0～20.0％
Mo：0.3～0.35％      Ni：8.0～13.0％         N：0.06～0.1％
B：0.005～0.008％    Fe：其余。
3、根据权利要求1或2所述的锅炉用双金属无缝钢管的复合管坯，其特征在于所述过渡层的厚度为2～5mm。
4、权利要求1或2所述锅炉用双金属无缝钢管的复合管坯的生产方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)将外层金属液通入管模内离心浇注，浇注完后冷却，待外层内表面温度冷却至低于外层金属液熔点150℃～200℃时开始浇注过渡层金属液；
(2)将过渡层金属液通入管模内离心浇注，浇注完后冷却，待过渡层内表面温度冷却至低于内层金属液熔点0～10℃时开始浇注内层金属液；
(3)将内层金属液通入管模内离心浇注，浇注完后冷却，待外层、过渡层、内层全部凝固后停止冷却。
5、根据权利要求4所述的生产方法，其特征在于：在(1)步骤前向外层金属液中加入保护渣，在(2)步骤前向过渡层金属液中加入保护渣，在(3)步骤前向内层金属液中加入保护渣，所述保护渣为萤石，加入量为金属液重量的0.5％—1.5％。
6、权利要求3所述锅炉用双金属无缝钢管的复合管坯的生产方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)将外层金属液通入管模内离心浇注，浇注完后冷却，待外层内表面温度冷却至低于外层金属液熔点150℃～200℃时开始浇注过渡层金属液；
(2)将过渡层金属液通入管模内离心浇注，浇注完后冷却，待过渡层内表面温度冷却至低于内层金属液熔点0～10℃时开始浇注内层金属液；
(3)将内层金属液通入管模内离心浇注，浇注完后冷却，待外层、过渡层、内层全部凝固后停止冷却。
7、根据权利要求6所述的生产方法，其特征在于：在(1)步骤前向外层金属液中加入保护渣，在(2)步骤前向过渡层金属液中加入保护渣，在(3)步骤前向内层金属液中加入保护渣，所述保护渣为萤石，加入量为金属液重量的0.5％—1.5％。
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