CN113699351B - 一种大口径复合管在线去应力处理装置及其工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大口径复合管在线去应力处理装置及其工艺，装置由感应加热组件、内测温组件、外控温组件、托辊组件和斜辊矫直组件组成，感应加热组件包括中低频加热模块和超音频加热模块，外控温组件包括测温模块和控温模块，整体布局为复合管首尾两端各安装有一组斜辊矫直组件，两组斜辊矫直组件之间依次安装有中低频加热模块低频、中频和低频三组感应加热装置、超音频加热模块感应加热装置以及各感应加热装置配套的外控温组件，内测温组件安装在复合管尾部，复合管在托辊组件和斜辊矫直组件的作用下沿其轴线向前运动。本发明利用和控制感应加热形成的温度梯度，有效解决了复合管基层、复层材料去应力处理温度差异造成的热处理缺陷。
Description
技术领域
本发明涉及复合管领域，特别涉及一种大口径复合管在线去应力处理装置及其工艺。
背景技术
双金属复合管由两种具有不同性能特征的金属材料（基层和复层）通过特定工艺（离心铸造、拉拔以及特种焊接等）复合而成，扬长避短，使得复合管兼具基层金属和复层金属的优点，因此，相较于单一材料管材，复合管成本低，综合性能高，广泛应用于石油、化工、冶金、食品、建筑等诸多领域。而由于工艺的特殊性，除个别情况外，复合管成品需要通过低温退火处理达到去内应力的目的，但基、复层材料的化学成分差别比较大，去应力处理温度范围也不相同，所以炉式（均匀）加热不适用于复合管的去应力退火处理，特别是大口径厚壁的复合管。
发明内容
本发明的主要目的在于克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种大口径复合管在线去应力处理装置及其工艺，利用感应加热形成的温度梯度，并对感应加热和热量传递过程中复合管关键部位的温度加以控制，以使内、外金属层的温度均在各自去应力处理的温度范围内，从而使内、外金属层均获得良好的力学性能。
本发明的目的通过下述技术方案来实现：一种大口径复合管在线去应力处理装置，其主要包括复合管、感应加热组件、内测温组件、外控温组件、托辊组件以及斜辊矫直组件，所述复合管首尾两端各设有一组所述斜辊矫直组件，两组所述斜辊矫直组件之间安装有所述感应加热组件和所述托辊组件，沿所述复合管轴线方向从前至后，所述感应加热组件由中低频加热模块和超音频加热模块两部分组成，所述中低频加热模块和所述超音频加热模块均由感应加热装置构成，所述感应加热装置均配套设有所述外控温组件，所述复合管尾部设置有所述内测温组件，所述斜辊矫直组件和所述托辊组件驱动所述复合管按既定速度向前运动。
可优选的是，所述中低频加热模块包括三组所述感应加热装置，沿所述复合管轴线方向从前至后的频率设置依次为低频（50Hz~1kHz）、中频（1kHz~20kHz）和低频（50Hz~1kHz），所述超音频加热模块仅包括一组所述感应加热装置，频率设置为超音频（20kHz~40kHz）。
可优选的是，所述感应加热装置包括变压器、接线板、电机、齿轮、滑台、齿条、重载导轨、感应器和通水管，所述重载导轨安装在地基上，所述重载导轨滑动安装有所述滑台，所述滑台上端固定安装有所述变压器，所述变压器侧端设有所述接线板，所述感应器固定安装在所述接线板上，所述感应器设有进水口和出水口，并通过所述通水管与冷却***连通，所述重载导轨侧方固定设置有所述齿条，所述滑台靠近所述齿条的侧端安装有所述电机，所述电机输出轴安装有所述齿轮，所述齿轮和所述齿条啮合，所述感应加热装置可以沿所述复合管轴线方向短距离调节位置。
可优选的是，所述内测温组件主要包括驱动件、直线轴承、挤压辊、悬臂杆以及第一红外相机，所述内测温组件底部和所述感应加热装置底部结构一致，均包括由所述滑台、所述电机、所述齿轮、所述齿条和所述重载导轨构成的前后位置调节***，所述驱动件固定安装在所述滑台顶部，所述驱动件顶部设置有两对所述挤压辊和所述直线轴承，所述驱动件内部设有驱动所述挤压辊的驱动***，所述直线轴承轴线与所述复合管轴线共线，所述直线轴承同轴安装有所述悬臂杆，所述悬臂杆上设有用于周向止动和安装所述第一红外相机的安装槽，所述悬臂杆在所述挤压辊的作用下可以沿其轴线运动，所述悬臂杆上安装有四组所述第一红外相机，当所述悬臂杆的始端和所述中低频加热模块的始端对齐时，四组所述第一红外相机分别位于四组所述感应加热装置所述感应器所围所述复合管内部对应位置。
可优选的是，所述外控温组件包括测温模块和控温模块，所述测温模块由XY支架和第二红外相机构成，所述XY支架固定端安装在所述变压器侧端，所述XY支架升降端底部安装有所述第二红外相机，所述控温模块包括伸缩件、导磁件、冷却件、管箍、冷却管和L支架，所述L支架固定端安装在所述感应加热装置所述滑台侧端，所述L支架顶端安装所述导磁件，所述导磁件通过两组所述伸缩件连接所述冷却件，所述冷却件的输入端通过所述管箍连接所述冷却管。
可优选的是，所述导磁件由多组弧形导磁体呈圆周阵列构成，所述冷却件包括可以独立控制的两段，均由多组条状喷嘴呈圆周阵列构成，所述冷却件位于所述感应器内部段的喷嘴与对应所述导磁件导磁体交错阵列，所述冷却件位于所述感应器外部段的喷嘴阵列与所述导磁件导磁体阵列规律一致。
本发明还提供一种大口径复合管在线去应力处理工艺，包括如下步骤：
S1、确定复合管基层、复层材料相应的去应力热处理温度：
复合管复层（内层）材料为合金A，基层（外层）材料为合金B，合金A的去应力退火温度范围为T1~T2，合金B的去应力退火温度范围为T3~T4，其中T3＞T1，T4＞T2，此外，金属材料去应力退火处理后的力学性能可以通过拉伸试验或硬度试验进行检测；
S2、通过数值模拟技术，初步确定工艺参数，进行调试：
S21、中低频加热模块对复合管进行电磁加热；
S22、通过外控温组件使基层外表面的温度始终低于T4；
S23、热量通过热传导传递给复层，内测温组件监测复层内表面温度：
若复层内表面温度未到达(T1-40)至(T1-20)，则重复步骤S21至S23，若复层内表面温度到达(T1-40)至(T1-20)，则继续步骤S24；
S24、超音频加热模块对复合管进行电磁加热；
S25、外控温组件控制基层外表面温度，内测温组件监测复层内表面温度：
S251、若复层内表面温度未到达T1，则重复步骤S24至S251，若复层内表面温度到达T1，则继续步骤S26；
S252、若基层外表面温度未到达T4，则重复步骤S24至S252，若基层外表面温度到达T4，则继续步骤S26；
S26、复合管基层、复层均达到相应的去应力热处理温度要求；
S3、对去应力热处理后的复合管结合层进行硬度测试：
若复合管结合层的硬度测试符合力学性能要求，继续步骤S4，否则重复步骤S2至S3；
S4、确定工艺参数，制定工艺卡片，投入生产。
与现有技术相比，本发明有益效果如下：本发明利用低频、中频和超音频感应加热装置的排列组合以及感应加热形成的温度梯度，并对感应加热和热量传递过程中复合管关键部位的温度加以控制，使内、外金属层的最终加热温度均在各自去应力处理的温度范围内，从而提高复合管低温退火热处理的质量，达到消除内应力的效果。本发明适用于大口径复合管整体热处理，相较于传统的炉式热处理，具有绿色环保、生产效率高等优点，有利于大口径复合管的高质量发展。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明的工作流程图；
图2是本发明的装置结构示意图；
图3是本发明的感应加热装置结构示意图；
图4是本发明的外控温组件结构示意图；
图4a是本发明的外控温组件导磁件结构示意图；
图4b是本发明的外控温组件冷却件结构示意图；
图5是本发明的内测温组件结构示意图。
图中标号：1、复合管；2、斜辊矫直组件；
3、感应加热组件；31、中低频加热模块；32、超音频加热模块；301、变压器；302、接线板；303、电机；304、齿轮；305、滑台；306、齿条；307、重载导轨；308、感应器；309、通水管；
4、外控温组件；41、测温模块；42、控温模块；401、XY支架；402、第二红外相机；403、伸缩件；404、导磁件；405、冷却件；406、管箍；407、冷却管；408、L支架；
5、内测温组件；501、驱动件；502、直线轴承；503、挤压辊；504、悬臂杆；505、第一红外相机；
6、托辊组件。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
一种大口径铜铝复合管（Aluminum Clad Copper Tube，ACC管），其复层材料为某黄铜合金（去应力退火处理温度范围为215℃~230℃，即T1=215℃，T2=230℃），基层材料为某铝合金（去应力退火处理温度范围为250℃~290℃，即T3=250℃，T4=290℃），先通过异温轧制制备复合板，再通过焊接形成ACC管，因此，ACC管成品需要进行低温退火处理消除机加工应力。
一种大口径ACC管在线去应力处理装置，如图2所示，其主要包括ACC管1、感应加热组件3、内测温组件5、外控温组件4、托辊组件6以及斜辊矫直组件2，ACC管1首尾两端各设有一组斜辊矫直组件2，两组斜辊矫直组件2之间安装有感应加热组件3和托辊组件6，沿ACC管1轴线方向从前至后，感应加热组件3由中低频加热模块31和超音频加热模块32两部分组成，中低频加热模块31和超音频加热模块32均由感应加热装置组成，感应加热装置均配套设有外控温组件4，ACC管1尾部设置有内测温组件5，斜辊矫直组件2和托辊组件6驱动ACC管1按既定速度向前运动。
如图2所示，中低频加热模块31包括三组感应加热装置，沿ACC管1轴线方向从前至后的频率设置依次为低频（500Hz）、中频（8kHz）和低频（800Hz），超音频加热模块32仅包括一组感应加热装置，频率设置为超音频（25kHz）。
如图3所示，感应加热装置包括变压器301、接线板302、电机303、齿轮304、滑台305、齿条306、重载导轨307、感应器308和通水管309，重载导轨307安装在地基上，重载导轨307滑动安装有滑台305，滑台305上端固定安装有变压器301，变压器301侧端设有接线板302，感应器308固定安装在接线板302上，感应器308设有进水口和出水口，并通过通水管309与冷却***连通，重载导轨307侧方固定设置有齿条306，滑台305靠近齿条306的侧端安装有电机303，电机303输出轴安装有齿轮304，齿轮304和齿条306啮合，感应加热装置可以沿ACC管1轴线方向短距离调节位置。
如图5所示，内测温组件5主要包括驱动件501、直线轴承502、挤压辊503、悬臂杆504以及第一红外相机505，内测温组件5底部和感应加热装置底部结构一致，均包括由滑台305、电机303、齿轮304、齿条306和重载导轨307构成的前后位置调节***，驱动件501固定安装在滑台305顶部，驱动件501顶部设置有两对挤压辊503和直线轴承502，驱动件501内部设有驱动挤压辊503的驱动***，直线轴承502轴线与ACC管1轴线共线，直线轴承502同轴安装有悬臂杆504，悬臂杆504上设有用于周向止动和安装第一红外相机505的安装槽，悬臂杆504在挤压辊503的作用下可以沿其轴线运动，悬臂杆504上安装有四组第一红外相机505，当悬臂杆504的始端和中低频加热模块31的始端对齐时，四组第一红外相机505分别位于四组感应加热装置感应器308所围ACC管1内部对应位置。
如图4所示，外控温组件4包括测温模块41和控温模块42，测温模块41由XY支架404和第二红外相机402构成，XY支架401固定端安装在变压器301侧端，XY支架401升降端底部安装有第二红外相机402，控温模块42包括伸缩件403、导磁件404、冷却件405、管箍406、冷却管407和L支架408，L支架408固定端安装在感应加热装置滑台305侧端，L支架408顶端安装导磁件404，导磁件404通过两组伸缩件403连接冷却件405，冷却件405的输入端通过管箍406连接冷却管407。
如图4a所示，导磁件404由多组弧形导磁体呈圆周阵列构成，如图4b所示，冷却件405包括可以独立控制的两段，且均由多组条状喷嘴（内壁面和两侧面设有喷孔，内壁面喷孔用于ACC管1复层外表面控温，侧面喷孔用于导磁件404冷却和ACC管1复层外表面控温）呈圆周阵列构成，冷却件405位于感应器308内部段的喷嘴（主要用于导磁件404冷却和ACC管1复层外表面控温）与对应导磁件404导磁体交错阵列，冷却件405位于感应器308外部段的喷嘴（主要用于ACC管1复层外表面控温）阵列与导磁件404导磁体阵列规律一致。
本实施例中，采用冷却水进行ACC管1复层外表面的控温和导磁件404的冷却，所以热处理过程中ACC管1管外的测温环境含有大量水汽，而管内水汽含量较低，因此，外控温组件4测温模块41的第二红外相机402采用比色测温仪，而内测温组件5的第一红外相机505则采用（单色）红外测温仪。
在本发明的一个优选实施例中，一种大口径ACC管在线去应力处理工艺，如图1所示，包括如下步骤：
S1、确定ACC管基层、复层材料相应的去应力热处理温度：
ACC管的规格为Φ406mm×9.53mm，其中，复层材料为某黄铜合金（厚度为1.33mm），基层材料为某铝合金（厚度为8.2mm），黄铜合金的去应力退火温度范围为215℃~230℃，铝合金的去应力退火温度范围为250℃~290℃，铜铝结合层的去应力退火温度范围不明确，需要通过拉伸试验或硬度试验对去应力退火处理后的力学性能进行检测，而受尺寸影响，本实施例采用硬度试验；
S2、通过数值模拟技术，初步确定工艺参数，进行调试：
S21、中低频加热模块对ACC管进行电磁加热；
S22、通过外控温组件使基层外表面的温度始终低于290℃；
S23、热量通过热传导传递给复层，内测温组件监测复层内表面温度：
若复层内表面温度未到达175℃至195℃，则重复步骤S21至S23，若复层内表面温度到达175℃至195℃，则继续步骤S24；
S24、超音频加热模块对ACC管进行电磁加热；
S25、外控温组件控制基层外表面温度，内测温组件监测复层内表面温度：
S251、若复层内表面温度未到达215℃，则重复步骤S24至S251，若复层内表面温度到达215℃，则继续步骤S26；
S252、若基层外表面温度未到达290℃，则重复步骤S24至S252，若基层外表面温度到达290℃，则继续步骤S26；
S26、ACC管基层、复层均达到相应的去应力热处理温度要求；
S3、对去应力热处理后的ACC管铜铝结合层进行硬度测试：
若ACC管铜铝结合层的硬度测试符合力学性能要求，继续步骤S4，否则重复步骤S2至S3；
S4、确定工艺参数，制定工艺卡片，投入生产。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (2)
1.大口径复合管在线去应力处理的去应力工艺，其特征在于：包括以下步骤：
S1 、确定复合管基层、复层材料相应的去应力热处理温度：
复合管作为内层的复层材料为合金A，作为外层的基层材料为合金B，合金 A的去应力退火温度范围为 T1~T2 ，合金 B 的去应力退火温度范围为 T3~T4；
S2 、通过数值模拟技术，初步确定工艺参数，进行调试：
S21、中低频加热模块对复合管进行电磁加热；
S22、通过外控温组件使基层外表面的温度始终低于 T4；
S23、热量通过热传导传递给复层，内测温组件监测复层内表面温度：
若复层内表面温度未到达(T1-40)至(T1-20)，则重复步骤 S21 至 S23，若复层内表面温度到达(T1-40)至(T1-20) ，则继续步骤 S24；
S24、超音频加热模块对复合管进行电磁加热；
S25、外控温组件控制基层外表面温度，内测温组件监测复层内表面温度：
S251 、若复层内表面温度未到达 T1 ，则重复步骤 S24 至 S251 ，若复层内表面温度到达 T1 ，则继续步骤 S26；
S252 、若基层外表面温度未到达 T4 ，则重复步骤 S24 至 S252 ，若基层外表面温度到达 T4 ，则继续步骤 S26；
S26、复合管基层、复层均达到相应的去应力热处理温度要求；
S3 、对去应力热处理后的复合管结合层进行硬度测试：
若复合管结合层的硬度测试符合力学性能要求，继续步骤 S4 ，否则重复步骤 S2 至S3；
S4 、确定工艺参数，制定工艺卡片，投入生产；
大口径复合管在线去应力处理的去应力工艺通过装置实现，该装置包括复合管（1）、感应加热组件（3）、内测温组件（5）、外控温组件（4）、托辊组件（6）以及 斜辊矫直组件（2），所述复合管（1）首尾两端各设有一组所述 斜辊矫直组件（2），两组所述斜辊矫直组件（2）之间安装有所述感应加热组 件（3）和所述托辊组件（6），沿所述复合管（1）轴线方向从前至后，所述感 应加热组件（3）由中低频加热模块（31）和超音频加热模块（32）两部分组成， 所述中低频加热模块（31）和所述超音频加热模块（32）均由感应加热装置构 成，所述感应加热装置均配套设有所述外控温组件（4），所述复合管（1）尾 部设置有所述内测温组件（5），所述斜辊矫直组件（2）和所述托辊组件（6）驱动所述复合管（1）按既定速度向前运动；
所述中低频加热模块（31）包括三组所述感应加热装置，沿所述复合管（1） 轴线方向从前至后的频率设置依次为低频50Hz~ 1kHz、中频1kHz~20kHz 和低频50Hz~ 1kHz，所述超音频加热模块（32）仅包括一组所述感应加热装置，频率设置为超音频20kHz~40kHz。
2.根据权利要求1所述的大口径复合管在线去应力处理的去应力工艺，其特征在于：所述感应加热装置包括变压器（301）、接线板（302）、电机（303）、齿轮（304）、滑台（305）、齿条（306）、重载导轨（307）、感应器 （308）和通水管（309），所述重载导轨（307）安装在地基上，所述重载导轨 （307）滑动安装有所述滑台（305），所述滑台（305）上端固定安装有所述变压器（301），所述变压器（301）侧端设有所述接线板（302），所述感应器（308） 固定安装在所述接线板（302）上，所述感应器（308）设有进水口和出水口， 并通过所述通水管（309）与冷却***连通，所述重载导轨（307）侧方固定设 置有所述齿条（306），所述滑台（305）靠近所述齿条（306）的侧端安装有所 述电机（303），所述电机（303）输出轴安装有所述齿轮（304），所述齿轮（304） 和所述齿条（306）啮合，所述感应加热装置可以沿所述复合管（1）轴线方向短距离调节位置；
所述外控温组件（4）包括测温模块（41）和控温模块（42），所述测温模 块（41）由 XY 支架（401）和第二红外相机（402）构成，所述 XY 支架（401） 固定端安装在变压器（301）侧端，所述 XY 支架（401）升降端底部安装有所 述第二红外相机（402），所述控温模块（42）包括伸缩件（403）、导磁件（404）、 冷却件（405）、管箍（406）、冷却管（407）和 L 支架（408），所述L 支架 （408）固定端安装在所述感应加热装置滑台（305）侧端，所述 L 支架（408） 顶端安装所述导磁件（404），所述导磁件（404）通过两组所述伸缩件（403） 连接所述冷却件（405），所述冷却件（405）的输入端通过所述管箍（406）连接所述冷却管（407）；
所述导磁件（404）由多组弧形导磁体呈圆周阵列构成，所述冷却件（405） 包括可以独立控制的两段，均由多组条状喷嘴呈圆周阵列构成，所述冷却件（405）位于感应器（308）内部段的喷嘴与对应所述导磁件（404）导磁体交错阵列，所述冷却件（405）位于所述感应器（308）外部段的喷嘴阵列与所述导磁件（404）导磁体阵列规律一致；
所述内测温组件（5）主要包括驱动件（501）、直线轴承（502）、挤压辊（503）、 悬臂杆（504）以及第一红外相机（505），所述内测温组件（5）底部和所述感 应加热装置底部结构一致，均包括由所述滑台（305）、电机（303）、齿轮（304）、 齿条（306）和重载导轨（307）构成的前后位置调节***，所述驱动件（501） 固定安装在所述滑台（305）顶部，所述驱动件（501）顶部设置有两对所述挤 压辊（503）和所述直线轴承（502），所述驱动件（501）内部设有驱动所述挤压辊（503）的驱动***，所述直线轴承（502）轴线与所述复合管（1）轴线共线，所述直线轴承（502）同轴安装有所述悬臂杆（504），所述悬臂杆（504）上设有用于周向止动和安装所述第一红外相机（505）的安装槽，所述悬臂杆（504） 在所述挤压辊（503）的作用下可以沿其轴线运动，所述悬臂杆（504）上安装 有四组所述第一红外相机（505），当所述悬臂杆（504）的始端和所述中低频 加热模块（31）的始端对齐时，四组所述第一红外相机（505）分别位于四组所述感应加热装置所述感应器（308）所围所述复合管（1）内部对应位置。
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