CN105312353B - 一种大直径薄壁白铜管材短流程生产方法 - Google Patents

Abstract

一种大直径薄壁白铜管材短流程生产方法，属于金属材料技术领域。针对传统的“半连铸实心铸锭—穿孔挤压—酸洗—拉拔—退火”工艺生产大直径薄壁白铜管材需要5000吨以上的大型挤压设备，且成材率低、成本高等问题，本发明提出采用热冷组合铸型水平连铸大规格白铜管坯，然后采用扩径或/和缩径拉拔加工成形大直径薄壁白铜管材的方法，具有设备投资小、工艺流程短、无酸洗等优点。水平连铸管坯外径110~350mm、壁厚5~30mm，扩径拉拔道次延伸系数为0.80~1.0，缩径拉拔道次延伸系数为1.1~1.5，加工后产品外径100~320mm、壁厚3~20mm。

Description

一种大直径薄壁白铜管材短流程生产方法

技术领域

本发明属于金属材料技术领域，涉及一种大直径薄壁白铜管材短流程生产方法。

背景技术

白铜具有较高的强度、良好的导热性能和耐腐蚀性能，广泛应用于火力发电、船舶、海水淡化等领域的热交换和海水管路用管。其中海水管路用管(包括管路、法兰、阀门、波纹管)的尺寸范围一般为外径50～310mm、壁厚3～10mm，是海水淡化、船舶等领域的重要结构部件[张文毓，舰船用管系材料的现状和趋势，新材料产业，2011，No.2，p.62～65]。随着我国海水淡化、船舶等海洋工业的迅速发展，白铜管的需求量快速增长，高耐蚀、超长、大直径、高精度白铜管材是海洋工程用关键铜合金材料。但产品生产难度大，国际上只有德国、韩国等少数国家可以批量生产高精度、大直径白铜管材，国内主要依赖进口。

目前，大直径(100mm以上)白铜管主要采用“半连铸实心铸锭—穿孔挤压—酸洗—扩径拉拔—中间退火—缩径拉拔—退火”的工艺(简称“挤扩拉”工艺)[见：王华星等，一种大直径白铜管的制作工艺方法，中国发明专利，授权号ZL200710054272.X；陈琴，刘广龙，李娟，大口径白铜管产品开发及工艺研究，上海有色金属，2013，Vol34，No.2，p.55～58])进行生产。然而，在“挤扩拉”工艺中，生产直径200mm以上的管坯需要5000吨以上的大型挤压设备，生产投资大，生产过程中需要酸洗工序，环境负荷较重；且采用普通铸造—挤压管坯进行拉拔加工，道次变形量小，加工道次和中间退火次数多，导致工艺流程长、产品成材率低(低于40％)和成本高等问题。

采用水平连铸工艺制备管坯，取代传统的铸造—挤压管坯，结合后续冷加工生产白铜管材，是解决上述问题的重要途径。张***连铸空心管坯—外表面铣面—行星轧制/冷轧—直拉或盘拉”工艺(简称“铸轧拉法”，[张***连铸工艺制备管坯，取代传统的“半连续实心铸锭—热挤压管坯”，可简化管坯生产工艺，降低能耗和提高生产效率，但连铸管坯内外表面易产生橘皮、偏析瘤、褶皱等缺陷，冷加工前其外表面需要铣面，降低了成材率，其内表面缺陷清理困难，被带入后续加工工序，影响产品质量。此外，普通水平连铸难以生产大直径、薄壁合金管坯，由于管坯径向柱状晶组织发达和致密度低等问题，需要进行大变形量的轧制加工改善管材的组织性能，因此，主要用于生产直径60mm以下较小规格的白铜管，难以生产Φ100mm以上大直径薄壁管材。

基于上述背景，本发明提出采用热冷组合铸型水平连铸工艺生产大规格薄壁白铜管坯，对连铸管坯直接进行拉拔加工，实现大直径、薄壁、高精度、高质量白铜管材短流程生产，解决传统大直径薄壁白铜管材生产工艺投资大、流程长、成材率低、成本高等问题。

发明内容

本发明的目的是针对大直径薄壁白铜管材传统生产工艺投资大、流程长、成材率低、成本高等问题，提供一种具有投资小、高成材率和低成本等特点的大直径薄壁白铜管材短流程生产方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种大直径薄壁白铜管材短流程生产方法，所述方法采用热冷组合铸型水平连铸技术，生产具有内外表面质量好、组织致密、轴向取向组织的大规格薄壁白铜管坯，在不进行表面处理的条件下直接对管坯进行后续多道次拉拔加工，生产大直径薄壁白铜管材。

进一步的，所述方法步骤具体如下：

(1)采用热冷组合铸型水平连铸工艺生产直径为Φ160～350m，壁厚5～30mm的白铜管坯；

(2)对步骤(1)中外径160～350mm、壁厚5～30mm的连铸管坯分多道次进行扩径或/和缩径拉拔工艺加工；

(3)将步骤(2)中加工后的管材进行成品光亮退火，对组织和性能进行调控，使产品具有光亮的表面状态，满足实际使用要求。

进一步的，所述步骤(1)具体为，铜液温度1150～1300℃，热型温度1100～1250℃，冷型一次冷却水流量1500～4000L/h，喷水二次冷却水流量800～2000L/h，牵引速度50～300mm/min。

进一步的，所述步骤(2)具体为，所述扩径拉拔和缩径拉拔可单独、先后或交替进行，道次扩径延伸系数0.80～1.0，道次缩径延伸系数1.1～1.5，拉拔速度1～100m/min，生产出外径100～320mm、壁厚3～20mm的白铜管材。

进一步的，所述管材拉拔过程中可进行低温回复退火，温度300～500℃，退火时间0.5～2h。

进一步的，所述步骤(3)具体为：软态产品退火温度700～850℃，退火时间为0.5～2h或半硬态产品退火温度550～700℃，退火时间为0.5～2h；

退火保护气氛为2％H2，剩余为N2。

本发明的有益效果在于，(1)与铸轧拉工艺的普通水平连铸生产管坯相比，本发明采用的热冷组合铸型水平连铸工艺可生产大直径、薄壁白铜管坯，具有内外表面光洁、组织致密、冷加工性能优良等特点，适合于直接进行扩径或/和缩径拉拔加工。

(2)本发明所提供的生产方法与现有的挤扩拉工艺相比，生产工艺和设备简单，投资小。由于采用热冷组合铸型水平连铸工艺生产的白铜管坯内外表面质量好，该管坯无需进行外表面铣面和内表面处理，可直接进行后续拉拔加工，另外，省去了挤压、酸洗等工序，简化了生产工艺和减轻了环境负荷，无需大吨位挤压和酸洗等设备，降低了设备投资。

(3)与挤扩拉生产工艺相比，本发明提供的方法工艺流程短、成材率高、生产成本低。本发明所采用的连铸连铸管坯具有高致密、高轴向取向柱状晶组织，其冷加工成形性能大幅度优于普通铸造或挤压的管坯，可进行多道次大变形量的拉拔加工，有利于提高道次加工率，减少拉拔道次，减少甚至省去中间退火等环节，显著缩短了工艺流程，降低了能耗和生产成本，提高了成材率。挤扩拉工艺生产外径100mm以上、壁厚3mm以上的白铜管材，成材率低于40％，而采用本发明工艺，成材率可提高到70％-80％以上，工艺流程缩短一半以上。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，结合以下实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。

一种大直径薄壁白铜管材短流程生产方法，技术方案为：所述方法采用热冷组合铸型水平连铸技术，生产具有内外表面质量好、组织致密、轴向取向组织的大规格薄壁白铜管坯，在不进行表面处理的条件下直接对管坯进行后续多道次拉拔加工，生产大直径薄壁白铜管材。所述热冷组合铸型水平连铸的特点是连铸结晶器由被强制加热的热型段和被循环水强制冷却的冷型段组合而成，通过控制管材凝固界面位置处于热型段与冷型段之间的区域，生产高表面质量、轴向取向组织的管坯，另一方面，冷型段结晶器采用周向冷却水分区控制方式，对结晶时管材周向冷却强度均匀性进行控制，获得组织性能均匀的管坯。

一种大直径薄壁白铜管材短流程生产方法，具体步骤如下：

(1)采用热冷组合铸型水平连铸工艺生产直径为Φ160～350m，壁厚5～30mm的白铜(如BFe10-1-1和BFe30-1-1)管坯：铜液温度1150～1300℃，热型(铸型加热段)温度1100～1250℃，冷型(水冷结晶器)一次冷却水流量1500～4000L/h，喷水二次冷却水流量800～2000L/h，牵引速度50～300mm/min；

(2)对步骤(1)中外径160～350mm、壁厚5～30mm的连铸管坯分多道次进行扩径或/和缩径拉拔工艺加工，扩径拉拔和缩径拉拔可以单独、先后或交替进行，道次扩径延伸系数0.80～1.0，道次缩径延伸系数1.1～1.5，拉拔速度1～100m/min，可生产出外径100～320mm、壁厚3～20mm的白铜管材。上述管材拉拔过程中根据需要可进行低温回复退火，温度300～500℃，退火时间0.5～2h；

(3)将步骤(2)中加工后的管材进行成品光亮退火，主要是对组织和性能进行调控，并使产品具有光亮的表面状态，满足实际使用要求。管材达到成品尺寸后，根据退火设备类型、管材尺寸、供货状态等制定退火工艺，一般软态产品退火温度700～850℃，退火时间为0.5～2h或半硬态产品退火温度550～700℃，退火时间为0.5～2h；

退火保护气氛为2％H₂，剩余为N₂。

实施例1：尺寸为Φ220×5mm BFe10-1-1白铜(软态)直管生产方法

(1)采用热冷组合铸型水平连铸工艺制备Φ230×10mm的BFe10-1-1白铜管坯，铜液熔化温度1250℃，热型(铸型加热段)温度为1200℃，一次冷却水流量为1200L/h，喷水二次冷却水流量为1000L/h，牵引速度为80mm/min。

(2)将步骤(1)制备的管坯直接进行6道次拉拔，其中第1、2道次为扩径拉拔，第3、4、5、6道次为缩径拉拔。第1、2道次的延伸系数分别为0.98和0.98，第3、4、5、6道次的延伸系数分别为1.24、1.22、1.22和1.18。拉拔过程中不需进行中间退火。

(3)将步骤(2)中拉拔管材进行成品光亮退火，退火温度780℃，退火时间为1h，退火保护气氛2％H₂+余量N₂，目的是得到软态的成品管材，性能达到使用要求。

实施例2：尺寸为Φ160×3mm BFe10-1-1白铜(软态)直管生产方法

(1)采用热冷组合铸型水平连铸工艺制备Φ170×6mm的BFe10-1-1白铜管坯，铜液熔化温度1250℃，热型(铸型加热段)温度为1200℃，一次冷却水流量为1000L/h，喷水二次冷却水流量为600L/h，牵引速度为100mm/min。

(2)将步骤(1)制备的管坯直接进行5道次拉拔，其中第1、2道次为扩径拉拔，第3、4、5道次为缩径拉拔。第1、2道次的延伸系数分别为0.98和0.97，第3、4、5道次的延伸系数分别为1.30、1.30和1.28。拉拔过程中不需进行中间退火。

(3)将步骤(2)中拉拔管材进行成品光亮退火，退火温度750℃，退火时间为1h，退火保护气氛2％H₂+余量N₂，目的是得到软态的成品管材，性能达到使用要求。

实施例3：尺寸为Φ180×4mm BFe30-1-1白铜(软态)直管生产方法

(1)采用热冷组合铸型水平连铸工艺制备Φ190×8mm的BFe30-1-1白铜管坯，铜液熔化温度1300℃，热型(铸型加热段)温度为1250℃，一次冷却水流量为1200L/h，喷水二次冷却水流量为800L/h，牵引速度为100mm/min。

(2)将步骤(1)制备的管坯直接进行6道次拉拔，其中第1、2道次为扩径拉拔，第3、4、5、6道次为缩径拉拔。第1、2道次的延伸系数分别为0.96和0.96，第3、4、5、6道次的延伸系数分别为1.22、1.22、1.23和1.21。拉拔过程中不需进行中间退火。

(3)将步骤(2)中拉拔管材进行成品光亮退火，退火温度800℃，退火时间为1h，退火保护气氛2％H₂+余量N₂，目的是得到软态的成品管材，性能达到使用要求。

实施例4：尺寸为Φ180×4mm BFe30-1-1白铜(软态)直管生产方法

(1)采用热冷组合铸型水平连铸工艺制备Φ190×8mm的BFe30-1-1白铜管坯，铜液熔化温度1300℃，热型(铸型加热段)温度为1250℃，一次冷却水流量为1200L/h，喷水二次冷却水流量为800L/h，牵引速度为100mm/min。

(2)将步骤(1)制备的管坯直接进行6道次拉拔，其中第1、2道次为扩径拉拔，第3、4、5、6道次为缩径拉拔。第1、2道次的延伸系数分别为0.96和0.96，第3、4、5、6道次的延伸系数分别为1.22、1.22、1.23和1.21。拉拔过程中不需进行中间退火。

(3)将步骤(2)中拉拔管材进行成品光亮退火，退火温度650℃，退火时间为1h，退火保护气氛2％H₂+余量N₂，目的是得到半硬态的成品管材，性能达到使用要求。

本发明的有益效果在于，(1)与铸轧拉工艺的普通水平连铸生产管坯相比，本发明采用的热冷组合铸型水平连铸工艺可生产大直径、薄壁白铜管坯，具有内外表面光洁、组织致密、冷加工性能优良等特点，适合于直接进行扩径或/和缩径拉拔加工。

(2)本发明所提供的生产方法与现有的挤扩拉工艺相比，生产工艺和设备简单，投资小。由于采用热冷组合铸型水平连铸工艺生产的白铜管坯内外表面质量好，该管坯无需进行外表面铣面和内表面处理，可直接进行后续拉拔加工，另外，省去了挤压、酸洗等工序，简化了生产工艺和减轻了环境负荷，无需大吨位挤压和酸洗等设备，降低了设备投资。

(3)与挤扩拉生产工艺相比，本发明提供的方法工艺流程短、成材率高、生产成本低。本发明所采用的连铸连铸管坯具有高致密、高轴向取向柱状晶组织，其冷加工成形性能大幅度优于普通铸造或挤压的管坯，可进行多道次大变形量的拉拔加工，有利于提高道次加工率，减少拉拔道次，减少甚至省去中间退火等环节，显著缩短了工艺流程，降低了能耗和生产成本，提高了成材率。挤扩拉工艺生产外径100mm以上、壁厚3mm以上的白铜管材，成材率低于40％，而采用本发明工艺，成材率可提高到70％-80％以上，工艺流程缩短一半以上。

Claims (6)

1.一种大直径薄壁白铜管材短流程生产方法，其特征在于，所述方法采用热冷组合铸型水平连铸工艺，生产具有内外表面质量好、组织致密、轴向取向组织的大规格薄壁白铜管坯，在不进行表面处理的条件下直接对管坯进行后续多道次拉拔加工，生产大直径薄壁白铜管材；所述热冷组合铸型水平连铸工艺中使用的连铸结晶器由被强制加热的热型段和被循环水强制冷却的冷型段组合而成，通过控制管材凝固界面位置处于热型段与冷型段之间的区域，生产高表面质量、轴向取向组织的管坯；所述冷型段结晶器采用周向冷却水分区控制方式，对结晶时管材周向冷却强度均匀性进行控制，获得组织性能均匀的管坯；所述白铜管坯的直径为160～350mm、壁厚5～30mm。

2.根据权利要求1所述的大直径薄壁白铜管材短流程生产方法，其特征在于，所述方法步骤具体如下：

(1)采用热冷组合铸型水平连铸工艺生产直径为Φ160～350mm，壁厚5～30mm的白铜管坯；

(2)对步骤(1)中外径160～350mm、壁厚5～30mm的连铸管坯分多道次进行扩径或/和缩径拉拔工艺加工；

(3)将步骤(2)中加工后的管材进行成品光亮退火，对组织和性能进行调控，使产品具有光亮的表面状态，满足实际使用要求。

3.根据权利要求2所述的大直径薄壁白铜管材短流程生产方法，其特征在于，所述步骤(1)具体为，铜液温度1150～1300℃，热型温度1100～1250℃，冷型一次冷却水流量1500～4000L/h，喷水二次冷却水流量800～2000L/h，牵引速度50～300mm/min。

4.根据权利要求2所述的大直径薄壁白铜管材短流程生产方法，其特征在于，所述步骤(2)具体为，所述扩径拉拔和缩径拉拔可单独、先后或交替进行，道次扩径延伸系数0.80～1.0，道次缩径延伸系数1.1～1.5，拉拔速度1～100m/min，生产出外径100～320mm、壁厚3～20mm的白铜管材。

5.根据权利要求4所述的大直径薄壁白铜管材短流程生产方法，其特征在于，所述管材拉拔过程中进行低温回复退火，温度300～500℃，退火时间0.5～2h。

6.根据权利要求2所述的大直径薄壁白铜管材短流程生产方法，其特征在于，所述步骤(3)具体为：软态产品退火温度700～850℃，退火时间为0.5～2h或半硬态产品退火温度550～700℃，退火时间为0.5～2h；退火保护气氛为2％H₂，剩余为N₂。