CN104259233B

CN104259233B - 一种大口径厚壁耐热合金管无压余挤压方法

Info

Publication number: CN104259233B
Application number: CN201410361086.0A
Authority: CN
Inventors: 刘正东; 陈正宗; 包汉生; 杨钢; 干勇
Original assignee: Central Iron and Steel Research Institute
Current assignee: Central Iron and Steel Research Institute
Priority date: 2014-07-26
Filing date: 2014-07-26
Publication date: 2016-03-02
Anticipated expiration: 2034-07-26
Also published as: CN104259233A

Abstract

一种大口径厚壁耐热合金管无压余挤压方法，属于耐热合金管热加工技术领域。将一高度为待挤压管坯高度的1/4～1/2、外圆与内圆尺寸与待挤压管坯相同的低合金高强钢材料制作的压余垫在常规燃气炉中加热到700℃～1000℃，出炉后高压水除鳞，喷刷润滑剂，放置于挤压动模之上，然后在压余垫上面放置待挤压管坯，挤压轴运动推动压余垫将压力传递给管坯，实现挤压管成型；当压余垫材料完全充满挤压凹模，此时管坯坯料全部被挤出挤压凹模，压余与成品管分离，可直接、顺利地吊离成品管。本发明通过对压余垫材料、形状尺寸、加热温度控制及润滑方式的选择，提高了生产连续性，降低了原材料成本，管坯成材率可达100％，并且成品管表面质量良好。

Description

一种大口径厚壁耐热合金管无压余挤压方法

技术领域

本发明属于耐热合金热加工技术领域，特别涉及一种大口径厚壁耐热合金管无压余挤压方法，适用于700℃蒸汽参数超超临界火电机组相关耐热合金管道制备。

背景技术

目前，600℃超超临界火电机组锅炉管道用大口径厚壁高端无缝钢管P91/92规格为Ф273～Ф1066mm，壁厚20～130mm。随着蒸汽温度和压力参数的提高，P91/92的持久强度偏低和抗蒸汽氧化能力不足，不能满足未来700℃先进超超临界火电站最高使用温度段管道用大口径厚壁无缝管的要求，因此，使用镍基耐热合金管才能满足苛刻的服役环境下的各项性能要求。

但是，镍基耐热合金由于其变形抗力大，再结晶温度高，热加工温度窗口窄，高温热塑性低，导致该类合金热加工成型非常困难，若将耐热合金制作成大口径厚壁无缝管(规格为Ф273～Ф500mm，壁厚20～100mm)，更是困难重重，目前全世界工程师们都在致力于这项工作。采用垂直热挤压制管技术可使管坯在三向压应力状态下进行热成型，不仅解决了镍基耐热合金变形难的问题，而且可以避免由于张应力引起的内、外表面缺陷等问题。

在3万吨力以上的大型垂直挤压机制管技术中，挤压模具由挤压动模和挤压静模2部分组成。为增加金属流动性、降低挤压力以及延长挤压模具寿命，在挤压静模设计时将挤压凹模入模设计成一定角度。因此，在挤压工步的末期，挤压轴到达挤压凹模入模口处，必定有一部分坯料充满整个挤压凹模而无法完全被挤出，使得挤压后的钢管无法被直接吊离，如图1所示。因此，必须利用冲剪器冲切这部分压余，达到成品管与压余料分离的目的，即挤压动模退回，在挤压筒内准确地放入冲剪器，重复挤压动作，冲切压余，压余和成品管分离后，才能顺利吊离成品管。

可见，冲切压余工序有诸多不利影响：

1.降低生产效率，增加能耗。挤压工序过程是连续进行的，但是在切压余这个工步被中断了。因此，必须将压余切除后才能进行吊管、清理、换模、润滑、冷却芯棒等工步，然后进入下一个挤压作业循环，所以，冲切压余影响了挤压过程的连续性，降低了劳动生产率，不但费时，而且费力。

2.增加原材料成本，降低管坯成材率。冲切后的压余量一般占管坯重量的3～5％。例如：挤压成品管外径Ф460mm×厚壁80mm的镍基耐热合金CN617管，一支7.5t的待挤压管坯，一次挤压后产生的压余量达230kg～375kg,按目前镍、铬、钴、钼等合金元素的市价计算，每支镍基耐热合金合金管压余废料的成本30700元～50160元左右，即每吨可成本4090元～6688元左右。若采用无压余挤压方法可使管坯成材率约达到100％，其经济效益显著。

3.影响成品管表面质量，后续机加工困难。挤压末期，为了顺利吊离成品管，挤压动模需要退回，在挤压轴上准确地放入冲剪器，挤压动模重复挤压动作，冲切压余，这个过程大约需要40秒到1分钟时间。此时未被分离的耐热合金料正充满整个挤压凹模，与挤压筒和挤压凹模接触面积变大。由于热传导作用，坯料表面温度迅速降低，加上镍基耐热合金热变形温度窗口窄以及玻璃润滑剂润滑效果有限等因素，温度降低和因温降引起的润滑摩擦边界条件的改变使得冲剪压余时部分被挤出的管末端表面出现严重的横向或V型裂纹，不但影响成品管的表面质量，而且后续机加工非常困难。

目前，清华大学张人佶教授团队对铝合金无压余挤压技术进行了相关试验研究，但是，与铝合金挤压条件不同的是，超过3万吨力的大型垂直挤压机无压余挤压技术更复杂，还没有相关报道和研究。同时，利用大型垂直挤压机制管工艺制备电力、军工等国家战略领域用高端大口径成品管已成主流工艺选择，因此，发明一种实用、经济的大口径厚壁耐热合金管无压余挤压方法迫在眉捷。

发明内容

本发明目的在于提供一种大口径厚壁耐热合金管无压余挤压的方法，针对当前3万吨力以上的大型垂直挤压机切压余工序影响生产效率、管坯成材率低及成品管表面质量差等问题，克服了现有技术所存在的不足。

为实现上述目的，本发明主要采用下面的技术方案：

将一高度为待挤压管坯高度的1/4～1/2、外圆与内圆尺寸与待挤压管坯相同的低合金高强钢材料制作的压余垫在常规燃气炉中加热到700℃～1000℃，出炉后高压水除鳞，喷刷润滑剂，放置于挤压动模之上，然后在压余垫上面放置待挤压管坯，挤压轴运动推动压余垫将压力传递给管坯，实现挤压管成型；当压余垫材料完全充满挤压凹模，管坯坯料全部被挤出挤压凹模，此时可直接、顺利地吊离成品管。

所述的空心管坯规格为外径Ф450mm～Ф1145mm、内径Ф150～Ф350mm，最佳热加工温度范围1050℃～1200℃。

压余垫材料为低合金高强钢，化学性质稳定，不与耐热合金反应，化学成分如下(重量％)：C0.08-0.15％；Si≤0.55％；Mn0.6-1.5％；Cu≤0.50％；Ni0.30-1.5％；Cr≤0.80％；Mo≤0.60％；V≤0.05％；Nb≤0.03％；Fe94-99％；其600～850℃真应力-真应变曲线如图2所示。挤压前压余垫材料的加热温度满足下式:

T₀＝T₁+T₂(1)

式中：T₀为压余垫材料出炉温度，范围为720～980℃，；T₁为压余垫材料真应力所对应的温度，范围650±30℃，此应力值等于镍基耐热合金最低热加工下限温度对应的真应力值；T₂为压余垫材料除鳞和喷刷润滑剂过程中的温度降低值，范围100～300℃；

压余垫尺寸：高度为待挤压管坯高度的1/4～1/2，外圆与内圆尺寸与待挤压管坯尺寸相同；

压余垫的润滑：压余垫上表面采用与管坯相同的高温玻璃润滑剂；压余垫侧面及下表面则采用石墨或氧化硼润滑剂。

压余垫与挤压管分离时机判断：根据体积不变定律，由管坯尺寸计算成品管长度，同时在挤压机上方竖一钢质标尺，标尺零起点从挤压凹模出口处计算；当挤出成品管高度达到或超过成品管计算高度后，停止挤压，利用吊钳直接吊离成品管。

本发明所述耐热合金管坯的化学成分(重量％)为：C0.04-0.08％；Cr19-23％；Co11-21％；Mo5.0-10.0％；Ti0.3-2.4％；Al0.3-0.6％；W0.1-1.0％；B0.002-0.006％；Zr0-0.15％；Nb＜0.5％；V≤0.5％；N≤0.015％；Mg＜0.02％；余量为镍以及不可避免的杂质元素。

本发明专利的压余垫材料选择低成本的钢种，变形后的压余垫可重新回炉加热到1250℃，根据管坯尺寸热成型，实现压余垫的循环使用。对于选择的压余垫而言，加热温度很重要，若加热温度过高，起不到传压介质的作用，过软的压余垫材料金属流动性更好，其金属流动性快于耐热合金外表面金属流动性，使得挤压管末端形成套管现象；若压余垫加热温度过低，压余垫变形抗力过高，可能发生挤不动等“闷车”现象。因此，除压余垫材料和尺寸选择，温度控制也很关键。挤压结束时机判断是根据体积不变定律，由管坯尺寸计算成品管长度，根据成品管长度决定挤压过程是否结束。

本发明具有的优点和有益效果：在待挤压管坯与挤压动模之间放置低合金高强钢材料制作的压余垫，通过加热温度、保温和润滑的优化配合，可在超过3万吨力的大型垂直挤压机无压余挤压技术中很好地应用，通过对压余垫材料、形状尺寸及润滑方式的选择，可明显提高热挤压生产过程连续性，管坯成材率可达100％，节约原材料成本大约5000元/吨，且耐热合金成品管表面质量良好。

附图说明

图1为3吨力以上的大型垂直挤压机现有技术挤压末期示意图。其中，挤压轴1、挤压芯杆2、挤压垫3、挤压筒4、挤压静模5、挤压成品管6；箭头表示运动方向。

图2为本发明压余垫材料在600℃～850℃真应力-真应变曲线。

图3为本发明使用的管坯在1050℃～1200℃真应力-真应变曲线。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明作进一步的描述，但不限于本发明实施例。

实施例1

本发明实施例耐热合金管坯的主要成分(重量％)：C:0.055％；Cr:21.9％；Co:11.5％；Mo:8.5％；Ti:0.40％；Al:1.10％；B:0.0037％；Zr:0.04％；Nb:0.045％；V:0.18％；Ni为余量，其最佳热加工温度范围的真应力-真应变曲线如图3所示。本发明的待挤压管坯尺寸：外径Ф950mm×高1000mm×壁厚320mm；压余垫尺寸Ф950mm×壁厚320mm×高300mm；成品管规格为外径Ф460mm×壁厚80mm。

压余垫材料加热温度800℃，保温10h，出炉后高压水“除鳞”(即去除氧化铁皮)，下表面和侧表面涂覆氧化硼润滑剂，放置于挤压筒中，测其表面温度610℃。经包套处理后的管坯加热温度至1200℃，保温48h，出炉后喷涂玻璃润滑剂，管坯外涂玻璃粉为844-7型号，粒度：100目；内涂粉粒度：110目；喷粉后的管坯放置于挤压筒中压余垫上，其上再放置玻璃垫起润滑作用，厚度50mm；挤压动模向上运动开始挤压。通过查看竖立标尺，当成品管长度达到计算长度时，挤压完成，吊车吊钳直接吊离成品管；吊离后，挤压动模退回，压余垫由于自身重力与挤压动模一起下降，取下压余垫，清理挤压模具和挤压筒，冷却芯棒，可顺利、快速地准备下一循环挤压作业。若从放置管坯到清理完成模具、挤压筒这一整个热挤压工步的时间来计算，与现有技术相比，采用本发明工艺，可节省时间25％，大大提高生产效率，管坯成材率可达100％，同时成品管表面质量良好。

Claims

1.一种大口径厚壁耐热合金管无压余挤压方法，其特征在于：将一高度为待挤压管坯高度的1/4～1/2、外圆与内圆尺寸与待挤压管坯相同的低合金高强钢材料制作的压余垫在燃气炉中加热到700℃～1000℃，出炉后高压水除鳞，喷刷润滑剂，放置于挤压动模之上，然后在压余垫上面放置待挤压管坯，挤压轴运动推动压余垫将压力传递给管坯，实现挤压管成型；当压余垫材料完全充满挤压凹模，管坯坯料全部被挤出挤压凹模，此时直接吊离成品管。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

压余垫材料为低合金高强钢，化学性质稳定，不与耐热合金发生反应，化学成分重量％如下：C0.08-0.15％，Si≤0.55％，Mn0.6-1.5％，Cu≤0.50％，Ni0.30-1.5％，Cr≤0.80％，Mo≤0.60％，V≤0.05％，Nb≤0.03％，Fe94-99％；挤压前压余垫材料的加热温度满足下式:

T₀＝T₁+T₂(1)

式中：T₀为压余垫材料出炉温度，范围为720～980℃；T₁为压余垫材料真应力所对应的温度，范围650±30℃，此应力值等于镍基耐热合金最低热加工下限温度对应的真应力值；T₂为压余垫材料除鳞和喷刷润滑剂过程中的温度降低值，范围100～300℃；

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述耐热合金管的化学成分重量％为：C0.04-0.08％；Cr19-23％；Co11-21％；Mo5.0-10.0％；Ti0.3-2.4％；Al0.3-0.6％；W0.1-1.0％；B0.002-0.006％；Zr0-0.15％；Nb＜0.5％；V≤0.5％；N≤0.015％；Mg＜0.02％；余量为镍以及不可避免的杂质元素。