CN101592265A - 双金属耐磨复合管 - Google Patents
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Abstract
一种双金属耐磨复合管，该管含有外层的碳钢层和内层的耐磨高铬铸铁层，所述的碳钢层为材料为ZG15、ZG25、ZG35三种材料中的任选一种，所述的耐磨层的材料为KMTBCr26G、KMTBCr20MoG、KMTBCr15MoG三种材料中的任选一种。所述的复合管为直管、弯管、三通管、四通管、异形管中的一种。该复合管结合利用了碳钢和高铬铸铁的特性，解决了耐磨性和韧性的问题，同时成本较低，也解决了单一材质难以调和的可焊性和耐磨性的矛盾；使用寿命长，运输、安装、使用方便。
Description
一、技术领域
本发明涉及一种物料远距离压力输送使用的管道，特别是涉及一种双金属耐磨复合管。
二、背景技术
在矿山、冶炼、煤炭、电力等行业中，物料的运输都是采用远距离压力输送，管道承受着相当的压力并经受严重磨损。输送管道一般由直管和不同角度弯管组成，夹带固体粉料的高速气流或液流流过管道时，固体颗粒对管道产生严重的磨损，特别是流过弯管时，在离心力的作用下对弯管的外侧壁的磨损速度远大于直管部位。单一材质的管道无法满足此工况的要求。因考虑其使用安全性，重点放在提高管道的韧性上，重点放在提高管道的韧性上，国内外普遍采用A3、16Mn无缝钢管，致使管道严重磨损，更换频繁。据统计，每年输送无缝、有缝钢管损耗高达几十亿元。停产检修导致损失更无法统计。
目前国内外较为成熟的且使用较为普遍的管道主要有铸石管道、陶瓷复合管、稀土合金耐磨管等，但从实际应用效果来看，有以下缺点：
1、铸石管道
由于工艺原因，铸石管的厚度较大，“傻、大、笨、粗，”在使用上受到很大限制。另外铸石管存在无法克服的玻璃相和空洞，较脆容易破碎，给输送和安装带来很大的困难。由于铸石属于脆性材料，内外两层为机械结合，结合强度低，内衬的整体效果差，在使用中受到浆体的冲击后易于发生破碎或剥落，一方面出现早期失效，另一方面碎片会造成堵塞而影响生产，在实际使用中逐渐减少。
2、陶瓷复合管
组织中的孔隙率较大。只能在低应力和软磨料工况下使用，否则氧化铝硬质点易脱落，失去耐磨性；复合弯管的制作仍然是先制造直管，然后再采取打折线的方法焊接成虾米腰形式，弯管内部是折线形状，改变了物料在弯管中的弧线运动的轨迹，增加了物料的输送阻力；焊接形成死角，物料直接冲刷死角产生早期失效；外管直接焊接，内侧形成裸露层，该处无耐磨性可言；死角处加剧紊流程度，加剧弯管早期磨损失效。由于是非金属与金属复合，热膨胀系数相差甚大，陶瓷层抵抗热膨胀能力较差，在有湿度急剧变化的工况下产生较大热应力，陶瓷层容易出现大面积脱落。
3、稀土合金耐磨钢管
硬度要低的多，抗磨料磨损性能差。由于是单一材质，它解决不了耐磨性和可焊接性的矛盾，耐磨性和韧性都不是最佳的。一般采用砂型铸造，易产生冲砂、夹渣、气孔等缺陷，尺寸精度较差。
中国专利200720090419.6公开了一种钢-高铬镍耐磨复合管，在管体内壁真空吸铸一层高铬镍合金层，该专利中的复合管在一定程度上解决了上述问题，但是由于其采用的高铬镍合金材料中的镍的价格较高，从而决定了其成本较高。
三、发明内容
本发明的目的是为解决上述问题提出一种双金属耐磨复合管。
本发明的技术方案是：一种双金属耐磨复合管，该管含有外层的碳钢层和内层的耐磨高铬铸铁层，所述的碳钢层为材料为ZG15、ZG25、ZG35三种材料中的任选一种，所述的耐磨层的材料为KMTBCr26G、KMTBCr20MoG、KMTBCr15MoG三种材料中的任选一种。
所述的复合管为直管、弯管、三通管、四通管、异形管中的一种。
所述的直管采用离心铸造工艺制作；所述的弯管、三通管、四通管、异形管采用消失模铸造工艺制作。
所述的弯管外侧的耐磨高铬铸铁层壁厚δ1大于内侧的耐磨高铬铸铁层壁厚δ2，其耐磨高铬铸铁层壁厚为连续变厚度结构，耐磨高铬铸铁层截面的外壁中心于内壁的中心距为e＝(δ1-δ2)/2。
所述的离心铸造工艺：
(1)管模预热；选择合适的管模，预热至500℃；
(2)喷涂料；管模冷却至250-300℃后喷涂2.0-2.5MM涂料；
(3)浇注低碳钢外壁；浇注过程中离心管模转速为设定为140-150转/分，浇注温度：1550-1600℃；
(4)浇注内壁高铬铸铁；外壁浇注结束10-30秒(根据钢水重量)后开始浇注内壁高铬铸铁，浇注过程中离心管模转速为设定为140-150转/分，浇注温度：1420-1450℃；
(5)待金属凝固后离心机即可停止转动，取出双金属耐磨复合管。
所述的消失模铸造工艺：
(1)预铸、压制或者煨制弯管、三通管、四通管、异型管外壁；
(2)弯管、三通管、四通管、异型管内壁随型贴附EPS泡沫型；
(3)EPS泡沫型表面刷涂消失模专用涂料2-4遍；
(4)在45-50℃的烘干房中进行烘干；
(5)将模型装入砂箱，放在振动台上振实型砂；
(6)在0.04-0.07MPa的负压下浇注高铬铸铁，浇注温度：1420-1450℃；
(7)待金属凝固后开箱，取出双金属耐磨复合管。
所述的复合管端头设有连接结构。
所述的连接结构为焊接用连接头，该连接头内端厚度与所述的耐磨层厚度匹配，外端厚度与整个复合管壁厚匹配，连接头的内端嵌入复合管的碳钢层内表面并与耐磨层对接，在连接头与复合管的碳钢层的接缝处焊接。
所述的连接结构为焊接在复合管端部的法兰盘，该法兰盘内圈与复合管端部直径匹配，该法兰盘内圈与复合管的碳钢层焊接成一体。
所述的连接结构的材料为与复合管外壁材料焊接性相近的低碳钢材料。
本发明的有益效果
1、外层采用碳钢层，内层采用高铬铸铁，外层具有很强的韧性，内层具有很强的硬度，结合利用了碳钢和高铬铸铁的特性，总体提高了该复合管的韧性和强度，从而提高了该复合管的抗冲击能力和耐磨性；与中国专利200720090419.6的实用新型中的复合管相比，本专利中的高铬铸铁，由于含镍量很低，所以成本较低，但是与外层的碳钢结合后，同样能是复合管达到相应的力学性能。
2、不同的管型采用不同的制造工艺，直管由于其结构特点适合采用双金属复合浇注工艺，能够发挥离心铸造工艺的速度优势，充分提高其生产速度，并且成型后的复合管的冶金结合好，组织致密无气孔、缩松、裂纹等铸造缺陷；弯管、三通管、四通管和异型管采用消失模铸造工艺，由于是在负压真空下浇注，内在质量好，无铸造缺陷，另外采用干砂流动造型，铸造周期短，生产效率高。
3、综合性能好
复合管的外壁采用碳钢层，内壁采用高铬铸铁的耐磨材料，形成了较好的冶金结合，既具有高合金材料的耐磨、耐腐蚀特性，又有较高的机械强度和较高的抗冲击性能，充分解决了单一材质难以调和的可焊性和耐磨性的矛盾，使材料性能优势发挥到最佳程度。
4、耐磨性高
该复合管的内层为高铬铸铁材料，特别是KMTBCr26G、KMTBCr20MoG、KMTBCr15MoG，组织中含有约45％的M7C3型硬质碳化物，由于这种Ka型碳化物的结构为棒状，而使其具有较高的韧性，同时Ka型碳化物的微观硬度很高(Hv1500-1800)，使耐磨层的宏观硬度在HRC55以上，因而耐磨性能很好。
5、耐腐蚀能力强、耐高温能力强
由于Ka型碳化物组成和结构特点以及固液含Cr量的基体有较强的耐热、耐腐蚀性能，在高温或腐蚀环境下能显示出良好的耐腐蚀、耐磨性能。
6、管道***运行阻力小、外形美观
该复合工艺属国内首创，填补了我国防腐耐磨工业输送管道的空白，解决了弯管无法复合的难题，弯管、三通管、四通管及其他异形管能做到整体复合。改变了打折线制作弯管和其他异形管道的传统工艺的方法，不改变物料在弯管中的运动轨迹，阻力较小，能源消耗少。
由于弯管做到整体复合，不会出现死角，不会发生早期的局部磨损现象。特别对于弯管可做到偏心复合，弯管的外侧根据工况可加厚复合，即做到提高弯管的寿命又可实现等寿命设计，对用户来说经济效益非常明显。可对不同规格的管道进行复合，应用范围广泛，产品系列化程度高。
7、抗热振性好
由于复合耐磨管的内层与外层的热膨胀系数相当，在有温度急剧变化或焊接联接时，不会因为内外层的膨胀或收缩不一致而导致耐磨管内层碎裂剥落，发生早期失效现象。
8、运输、安装、使用方便
复合耐磨管可采用法兰、快速接头、直接焊接等方式安装。由于复合管抗冲击性能高，在管道***发生局部堵管时，可随意敲击、锤打，随意切割、卸换、焊接，安装、检修非常方便。
四、附图说明
图1为双金属耐腐复合管的直管结构示意图之一
图2为图1的横截面结构示意图
图3为双金属耐腐复合管的直管结构示意图之二
图4为双金属耐腐复合管的弯管结构示意图之一
图5为图4的A-A截面放大结构示意图
图6为双金属耐腐复合管的弯管结构示意图之二
图7为双金属耐腐复合管的三通管结构示意图之一
图8为双金属耐腐复合管的三通管结构示意图之二
图9为双金属耐腐复合管的四通管结构示意图之一
图10为双金属耐腐复合管的四通管结构示意图之二
五、具体实施方式
实施例一：参见图1、图2，图中一种双金属耐磨复合管，该管含有外层的碳钢层1和内层的耐磨高铬铸铁层2，所述的碳钢层1为材料为ZG15、ZG25、ZG35三种材料中的任选一种，所述的耐磨层2的材料为KMTBCr26G、KMTBCr20MoG、KMTBCr15MoG三种材料中的任选一种，三种材料的成分见后面的表一。该复合管为直管；采用离心铸造工艺制作；包括如下几步：
(1)管模预热；选择合适的管模，预热至500℃；
(2)喷涂料；管模冷却至250-300℃后喷涂2.0-2.5MM涂料；
(3)浇注低碳钢外壁；浇注过程中离心管模转速为设定为140-150转/分，浇注温度：1550-1600℃；
(4)浇注内壁高铬铸铁；外壁浇注结束10-30秒(根据钢水重量)后开始浇注内壁高铬铸铁，浇注过程中离心管模转速为设定为140-150转/分，浇注温度：1420-1450℃；
(5)待金属凝固后离心机即可停止转动，取出双金属耐磨复合管。
所述的复合管端头设有连接结构。所述的连接结构为焊接用连接头3，该连接头3内端厚度与所述的耐磨层2厚度匹配，外端厚度与整个复合管壁厚匹配，连接头的内端嵌入复合管的碳钢层1内表面并与耐磨层2对接，在连接头与复合管的碳钢层1的接缝处焊接。所述的连接结构的材料为与复合管外壁材料焊接性相近的低碳钢材料。
实施例二：参见图3、图2，实施例二与实施例一基本相同，图中标号相同的代表意义相同，相同之处不重述，不同之处为：实施例二中所述的连接结构为焊接在复合管端部的法兰盘4，该法兰盘4内圈与复合管端部直径匹配，该法兰盘4内圈与复合管的碳钢层1焊接成一体。
实施例三：参见图4、图5，图中一种双金属耐磨复合管，该管含有外层的碳钢层1和内层的耐磨高铬铸铁层2，所述的碳钢层1为材料为ZG15、ZG25、ZG35三种材料中的任选一种，所述的耐磨层2的材料为KMTBCr26G、KMTBCr20MoG、KMTBCr15MoG三种材料中的任选一种，三种材料的成分见后面的表一。该复合管为弯管，采用消失模铸造工艺制作，包括如下几步：
(1)预铸、压制或者煨制弯管外壁；
(2)弯管内壁随型贴附EPS泡沫型；
(3)EPS泡沫型表面刷涂消失模专用涂料2-4遍；
(4)在45-50℃的烘干房中进行烘干；
(5)将模型装入砂箱，放在振动台上振实型砂；
(6)在0.04-0.07MPa的负压下浇注高铬铸铁，浇注温度：1420-1450℃；
(7)待金属凝固后开箱，取出双金属耐磨复合管。
所述的复合管端头设有连接结构。所述的连接结构为焊接用连接头3，该连接头3内端厚度与所述的耐磨层2厚度匹配，外端厚度与整个复合管壁厚匹配，连接头的内端嵌入复合管的碳钢层1内表面并与耐磨层2对接，在连接头与复合管的碳钢层1的接缝处焊接。所述的连接结构的材料为与复合管外壁材料焊接性相近的低碳钢材料。
实施例四：参见图6、图5，实施例四与实施例三基本相同，图中标号相同的代表意义相同，相同之处不重述，不同之处为：实施例四中所述的连接结构为焊接在复合管端部的法兰盘4，该法兰盘4内圈与复合管端部直径匹配，该法兰盘4内圈与复合管的碳钢层1焊接成一体。
实施例五：参见图7，图中一种双金属耐磨复合管，该管含有外层的碳钢层1和内层的耐磨高铬铸铁层2，所述的碳钢层1为材料为ZG15、ZG25、ZG35三种材料中的任选一种，所述的耐磨层2的材料为KMTBCr26G、KMTBCr20MoG、KMTBCr15MoG三种材料中的任选一种，三种材料的成分见后面的表一。该复合管为三通管，采用消失模铸造工艺制作，包括如下几步：
(1)预铸、压制或者煨制三通管外壁；
(2)三通管内壁随型贴附EPS泡沫型；
(3)EPS泡沫型表面刷涂消失模专用涂料2-4遍；
(4)在45-50℃的烘干房中进行烘干；
(5)将模型装入砂箱，放在振动台上振实型砂；
(6)在0.04-0.07MPa的负压下浇注高铬铸铁，浇注温度：1420-1450℃；
(7)待金属凝固后开箱，取出双金属耐磨复合管。
所述的复合管端头设有连接结构。所述的连接结构为焊接用连接头3，该连接头3内端厚度与所述的耐磨层2厚度匹配，外端厚度与整个复合管壁厚匹配，连接头的内端嵌入复合管的碳钢层1内表面并与耐磨层2对接，在连接头与复合管的碳钢层1的接缝处焊接。所述的连接结构的材料为与复合管外壁材料焊接性相近的低碳钢材料。
实施例六：参见图8，实施例六与实施例五基本相同，图中标号相同的代表意义相同，相同之处不重述，不同之处为：实施例六中所述的连接结构为焊接在复合管端部的法兰盘4，该法兰盘4内圈与复合管端部直径匹配，该法兰盘4内圈与复合管的碳钢层1焊接成一体。
实施例七：参见图9，图中一种双金属耐磨复合管，该管含有外层的碳钢层1和内层的耐磨高铬铸铁层2，所述的碳钢层1为材料为ZG15、ZG25、ZG35三种材料中的任选一种，所述的耐磨层2的材料为KMTBCr26G、KMTBCr20MoG、KMTBCr15MoG三种材料中的任选一种，三种材料的成分见后面的表一。该复合管为四通管，采用消失模铸造工艺制作，包括如下几步：
(1)预铸、压制或者煨制四通管外壁；
(2)四通管内壁随型贴附EPS泡沫型；
(3)EPS泡沫型表面刷涂消失模专用涂料2-4遍；
(4)在45-50℃的烘干房中进行烘干；
(5)将模型装入砂箱，放在振动台上振实型砂；
(6)在0.04-0.07MPa的负压下浇注高铬铸铁，浇注温度：1420-1450℃；
(7)待金属凝固后开箱，取出双金属耐磨复合管。
所述的复合管端头设有连接结构。所述的连接结构为焊接用连接头3，该连接头3内端厚度与所述的耐磨层2厚度匹配，外端厚度与整个复合管壁厚匹配，连接头的内端嵌入复合管的碳钢层1内表面并与耐磨层2对接，在连接头与复合管的碳钢层1的接缝处焊接。所述的连接结构的材料为与复合管外壁材料焊接性相近的低碳钢材料。
实施例八：参见图10，实施例八与实施例七基本相同，图中标号相同的代表意义相同，相同之处不重述，不同之处为：实施例八中所述的连接结构为焊接在复合管端部的法兰盘4，该法兰盘4内圈与复合管端部直径匹配，该法兰盘4内圈与复合管的碳钢层1焊接成一体。
实施例九：附图未画，一种双金属耐磨复合管，该管含有外层的碳钢层和内层的耐磨高铬铸铁层，所述的碳钢层为材料为ZG15、ZG25、ZG35三种材料中的任选一种，所述的耐磨层的材料为KMTBCr26G、KMTBCr20MoG、KMTBCr15MoG三种材料中的任选一种。该复合管为异形管，采用消失模铸造工艺制作，包括如下几步：
(1)预铸、压制或者煨制异形管外壁；
(2)异形管内壁随型贴附EPS泡沫型；
(3)EPS泡沫型表面刷涂消失模专用涂料2-4遍；
(4)在45-50℃的烘干房中进行烘干；
(5)将模型装入砂箱，放在振动台上振实型砂；
(6)在0.04-0.07MPa的负压下浇注高铬铸铁，浇注温度：1420-1450℃；
(7)待金属凝固后开箱，取出双金属耐磨复合管。
所述的复合管端头设有连接结构。所述的连接结构为焊接用连接头，该连接头内端厚度与所述的耐磨层厚度匹配，外端厚度与整个复合管壁厚匹配，连接头的内端嵌入复合管的碳钢层内表面并与耐磨层对接，在连接头与复合管的碳钢层的接缝处焊接。所述的连接结构的材料为与复合管外壁材料焊接性相近的低碳钢材料。
实施例十：附图未画，实施例十与实施例九基本相同，相同之处不重述，不同之处为：实施例十中所述的连接结构为焊接在复合管端部的法兰盘，该法兰盘内圈与复合管端部直径匹配，该法兰盘内圈与复合管的碳钢层焊接成一体。
| 材料牌号 | C | Mn | Si | S | P | Cr | Ni | Mo |
| KMTBCr26G | 2.00～3.30 | ≤2.00 | ≤1.20 | ≤0.06 | ≤0.10 | 23.00～30.00 | ≤2.50 | ≤3.00 |
| KMTBCr20MoG | 2.00～3.30 | ≤2.00 | ≤1.20 | ≤0.06 | ≤0.10 | 18.00～23.00 | ≤2.50 | ≤3.00 |
| KMTBCr15MoG | 2.00～3.30 | ≤2.00 | ≤1.20 | ≤0.06 | ≤0.10 | 14.00～18.00 | ≤2.50 | ≤3.00 |
表一
Claims (8)
1、一种双金属耐磨复合管，其特征是：该管含有外层的碳钢层和内层的耐磨高铬铸铁层，所述的碳钢层为材料为ZG15、ZG25、ZG35三种材料中的任选一种，所述的耐磨层的材料为KMTBCr26G、KMTBCr20MoG、KMTBCr15MoG三种材料中的任选一种。
2、根据权利要求1所述的双金属耐磨复合管，其特征是：所述的复合管为直管、弯管、三通管、四通管、异形管中的任意一种。
3、根据权利要求2所述的双金属耐磨复合管，其特征是：所述的直管采用离心铸造工艺制作；所述的弯管、三通管、四通管、异形管采用消失模铸造工艺制作。
4、根据权利要求1所述的双金属耐磨复合管，其特征是：所述的弯管外侧的耐磨高铬铸铁层壁厚δ1大于内侧的耐磨高铬铸铁层壁厚δ2，其耐磨高铬铸铁层壁厚为连续变厚度结构，耐磨高铬铸铁层截面的外壁中心于内壁的中心距为e＝(δ1-δ2)/2。
5、根据权利要求1所述的双金属耐磨复合管，其特征是：所述的复合管端头设有连接结构。
6、根据权利要求5所述的双金属耐磨复合管，其特征是：所述的连接结构为焊接用连接头，该连接头内端厚度与所述的耐磨层厚度匹配，外端厚度与整个复合管壁厚匹配，连接头的内端嵌入复合管的碳钢层内表面并与耐磨层对接，在连接头与复合管的碳钢层的接缝处焊接。
7、根据权利要求5所述的双金属耐磨复合管，其特征是：所述的连接结构为焊接在复合管端部的法兰盘，该法兰盘内圈与复合管端部直径匹配，该法兰盘内圈与复合管的碳钢层焊接成一体。
8、根据权利要求6或7所述的双金属耐磨复合管，其特征是：所述的连接结构的材料为与复合管外壁材料焊接性相近的低碳钢材料。
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