CN114210893A - 一种大直径不锈钢圆管坯的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于不锈钢领域，一种大直径不锈钢圆管坯的制作方法，包括以下步骤：步骤一：铸坯准备；步骤二：构筑多层复合坯；步骤三：一火加热造。采用本发明生产的大直径不锈钢圆管坯内在组织良好，可满足包括后续锻造、轧制、热穿孔、热挤压、热扩等在内的热加工性能要求。

Description

一种大直径不锈钢圆管坯的制作方法

技术领域

本发明属于不锈钢领域，涉及一种大直径不锈钢圆管坯的制作方法。

背景技术

随着国民经济的迅猛发展，出于安全性、高效率等方面考虑，石油、石化等能源行业对关键管道，例如锅炉管、流体输送管等，提出了更高的质量要求，大直径厚壁不锈钢无缝钢管需求旺盛。

大直径不锈钢圆管坯，作为生产大直径厚壁无缝管的原料，目前主要采用“模注大尺寸钢锭+锻造”的工艺进行生产。与碳钢和低合金钢相比，不锈钢具有合金含量高、钢水流动性差的特点，随着浇铸钢锭尺寸的增加，不可避免的产生在钢锭头部的缩孔也越严重，当浇铸温度、浇铸速度等关键工艺参数控制不合理时，在钢锭的冒口附近会产生严重的缩孔外，有时还会出现二次缩孔，严重时可贯穿钢锭头尾，造成钢锭报废。当钢锭锻造过程中（尤其对于规格≥φ375mm的管坯产品），当锻比（或压缩比）控制不合理或加热温度或加热不均匀时，上述缺陷不能得到有效焊合，而是继续保持在圆管坯内部成为残余缩孔或分层缺陷，造成圆管坯内部组织均匀性差、探伤合格率低等问题，增加了后续制管的生产难度。

构筑多层复合坯，多见于复合板材的生产，通常指将两块（层）不同材质和性能的材料采用***法或轧制法生产出复合板材。与复合板轧制工艺不同，复合锻造生产圆管坯（或型材），在锻造或轧制等制坯环节，需要考虑工件的尺寸以及形变工艺影响，必须使用多层连铸坯复合的方法进行。此外，复合后的圆管坯（或型材）还需满足后续锻造（或轧制）、热穿孔、热挤压、热扩等多种变形要求，其中最苛刻的是热穿孔过程中材料承受的多轴交变剪切应力的形变过程，极易造成热穿孔开裂报废。通过查阅相关资料，在多层复合方面国际尚属空白，尤其是在不锈钢方面，没有可以借鉴经验和案例。

发明内容

本发明的目的就是针对上述问题，提供一种大直径不锈钢圆管坯的制作方法。

本发明的目的是这样实现的：一种大直径不锈钢圆管坯的制作方法，包括以下步骤：步骤一：铸坯准备：根据管坯成品规格，选择合适规格的连铸板坯，对计划构筑的连铸板坯表面进行清理；

步骤二：构筑多层复合坯：采用真空电子束焊接方法，对连铸板坯进行焊接，单边焊接宽度40-70mm，深度构筑多层复合坯高宽比为0.5-2.49；

步骤三：一火加热：墩粗前加热至目标温度，目标温度为固相线以下100-150℃，按照截面尺寸计算，保温时间为1.0min/mm-1.5min/mm；

步骤四：锻造：采用“墩粗和锻造拔长”工艺生产，墩粗后回炉进行多火补热，加热温度与一火加热的目标温度一致，时间为1-1.5min/mm，多火补热后进行锻造拔长，锻造拔长初始变形量为≤5%，将墩粗后工件锻打成方形或八角形，然后进行后续锻造。

进一步的讲，步骤一中连铸板坯的要求为机加工表面光洁度为Ra≤3.4μm。

进一步的讲，采用丙酮或乙醇对计划构筑的连铸板坯表面进行清理。

进一步的讲，步骤二中采用真空电子束焊接方法为将计划构筑的连铸板坯放入真空室，将真空室真空度抽至≤30Pa，保持10min-2h后，采用电子束焊枪将连铸板坯逐块焊接。

本发明的有益效果是：采用本发明生产的大直径不锈钢圆管坯内在组织良好，可满足包括后续锻造、轧制、热穿孔、热挤压、热扩等在内的热加工性能要求。

具体实施方式

为了克服现有大直径不锈钢圆管坯加工方法的上述不足，本发明通过构筑多层复合坯，控制成型过程的关键工艺参数的方法，提供了一种大直径不锈钢圆管坯的制作方法。

本发明提供了一种采用工艺成熟、质量稳定、经济性良好的不锈钢连铸板坯作为原料，通过真空焊接，将多层连铸板坯构筑成复合坯，再采用“墩粗+拔长”的锻造工艺将所构筑的复合坯加工成大直径不锈钢圆管坯的制作方法。其总体工艺流程为：铸坯准备→构筑多层复合坯→加热→锻造→检验→包装→交付。具体如下。

铸坯准备

与传统工艺相比，本发明采用的是工艺成熟、质量稳定、经济性良好的不锈钢连铸板坯作为原料。与模注工艺相比，连铸工艺的钢液凝固速度远大于模注，加之连铸工艺可以通过对铸坯凝固的不同阶段实施不同强度冷却，以及包括在结晶器、二冷段和凝固末端在内的一种或多种组合的电磁搅拌技术措施的合理使用，对连铸坯的内部质量和外观质量的控制能力远远高于模注。因此，采用工艺成熟、质量稳定、经济性良好的不锈钢连铸板坯作为需构筑复合坯的原料，可以从本质出发，改进传统大尺寸钢锭存在的缩孔、分层等凝固缺陷，进而提升实物质量。

铸坯准备的尺寸规格根据管坯成品规格，按照锻比＞3选择合适规格的连铸板坯。对计划构筑的铸坯表面进行清理。要求为：机加工表面光洁度度:Ra≤3.4μm；采用丙酮或乙醇等类似清洁剂对机加工表面进行清洗。

构筑多层复合坯

构筑多层复合坯是在真空条件下采用电子束焊接的方法将两层或多层连铸坯制成热加工前的原料钢坯。传统的复合坯主要将计划焊接的钢坯四周进行焊接，在焊接后期的某一位置预留缺口，在缺口部位使用真空泵将焊接的钢坯之间的空气抽净后焊接封堵缺口。该工艺的优势是工艺简单、成本低廉，但在实际生产过程中容易出现抽空不净，每块复合坯的批量质量波动、可焊接复合数量少的问题，不具备稳定的批量生产条件。本发明提供了一种真空电子束焊接构筑多层复合坯的方法，首先将计划构筑的连铸坯放置在真空室，将真空室抽空并在真空条件下保持一定时间后，再采用真空电子束焊枪逐块将计划构筑的连铸坯的四周焊接成多层复合坯。采用该方法构筑的多层复合坯，可以消除了铸坯焊后局部抽真空工艺经常出现的抽空不净、质量波动的问题，更具有大批量稳定的生产条件。

根据多次试验和反复实践结果，在构筑多层复合坯时，对真空室极限真空度＜67Pa，焊接前极限真空度下的保持时间＞10min。采用电子束焊接，对铸坯焊接单边焊接深度40-70mm，可构筑多层复合坯的数量取决于焊后的构筑的多层复合坯高宽比决定，焊后构筑的多层复合坯宽高比≯2.5。

加热

多层复合坯的加热工艺，与传统的加热工艺要求不同。传统的加热工艺目的是将材料加热到最佳形变温度，保证材料具有好的自然塑性条件下变形。本发明加热目的以保证复合坯经过后续变形后，将多块（层）焊接的铸坯复合成一个整体，同时完成材料由铸态组织向热加工的纤维状组织转变为目的关键工序。选择合适的加热温度和保温时间是保证加热质量的关键参数。如果加热温度过高，复合坯容易出现过热或过烧，导致加热废品产生；如果温度偏低，则不能保证焊接复合坯经热加工后具有较好的复合率，在局部容易产生小尺寸的分层、错层缺陷，严重时局部复合差、复合率低，致使复合工件报废。

加热工序根据变形目的的不同可分为一次加热和多火补热。一火加热是指在墩粗前的首次加热，加热的目标温度为材料固相线以下100-150℃，按照截面尺寸计算，保温时间≥1.0min/mm，但＜1.5min/mm，加热速度按照常规工艺执行。多火补热指在墩粗后的加热以及后续锻造（轧制）过程中的补热，以保证材料具有更佳热塑性为目的地加热，加热温度同墩粗前加热目标温度，时间≥1h（按照截面尺寸计算，保温时间≥0.1min/mm）。

锻造

为了保证多层复合坯具有高的复合率和良好的组织和性能，锻造工艺采用“墩粗+锻造拔长”工艺生产。其中墩粗工艺，是保证多块（层）铸坯高复合率的关键工序。根据锻机锤头和砧子有效工作面面积不同，可墩粗工件的底面积不同，墩粗过程可以对工件实施一次或多次墩粗，要求在墩粗后的工件底面积落在头和砧子的有效工作面区域内。锻造拔长工艺是将墩粗后的复合坯锻造成目标尺寸规格的圆管坯过程。在此过程中对于拔长的初始道次控制十分重要，初始道次的变形量控制得当，可减少工件锻造过程产生的开裂，提高成材率。

经过实践，锻造过程中变形控制要点：墩粗变形量≥30%（墩粗变形量为（锻前锻件高度-锻后坯料高度）/锻前坯料的高度）。锻造拔长初始变形量≤5%，将墩粗后工件锻打成方形或八角形；后续锻造（轧制）按照常规工艺执行。

检验、包装、交付

按照工厂常规工艺生产。

综上所述，本发明提供一种大直径不锈钢圆管坯的制作方法，其特征在于：根据合金热加工特性，采用铸坯准备→构筑多层复合坯→加热→锻造→检验→包装→交付的工艺，对铸坯尺寸、铸坯表面光洁度及清洁度、构筑多层复合坯使用的真空炉真空度、真空度下保持时间、加热温度、加热时间、墩粗变形量、锻造拔长初始变形量等关键工艺进行控制，制备出内在组织和可加工性能良好的大直径不锈钢圆管坯。

实施例

1、一种大直径不锈钢圆管坯的制造方法，总工艺流程为：铸坯准备→构筑多层复合坯→加热→锻造→检验→包装→交付。

2、一种大直径不锈钢圆管坯的制造方法，包括以下步骤：

（1）铸坯准备：根据管坯成品规格，选择合适规格的连铸板坯，对计划构筑的铸坯表面进行清理。要求为：机加工表面光洁度度:Ra≤3.4μm；采用丙酮或类似清洁剂对机加工表面进行清洗。

（2）构筑多层复合坯：采用真空电子束焊接方法，对复合坯进行焊接，单边焊接宽度40-70mm深度构筑多层复合坯高宽比≯2.5。

（3）锻造：采用“墩粗+锻造拔长”工艺生产。墩粗前加热目标温度，固相线以下100-150℃，按照截面尺寸计算，保温时间≥1.0min/mm，但＜1.5min/mm，加热速度按照常规工艺执行。墩粗变形量：≥30%。墩粗后回炉加热，加热温度同墩粗前加热目标温度，时间≥1h（≥0.1min/mm）锻造拔长初始变形量≤5%，将墩粗后工件锻打成方形或八角形；后续锻造按照常规工艺执行。

实施例一

管坯规格为Φ600mm*8000mm以上，材质304，总工艺路线为：铸坯准备→构筑多层复合坯→加热→锻造→检验→包装→交付。具体如下：

1．铸坯准备：根据成品规格，按照锻比＞3和复合坯宽高比≯2.5要求选择连铸板坯规格（200^±0.5 *900^±0.5 *8000^±0.5mm），将铸坯计划复合表面进行机加工，表面光洁Ra≤2.5μm，采用丙酮对机加工后铸坯表面进行清洗。

2．构筑多层复合坯：将计划构筑的连铸坯放入真空室，将真空室真空度抽至30Pa，保持20min后，采用电子束焊枪将铸坯逐块焊接，焊接五块为一组，单边焊缝深度60mm，焊接后多层复合坯尺寸为：998*900*8020mm。

3.加热：目标温度1295℃±10℃（304固相线温度1435℃），加热时间1350min。第二次回炉加热温度为1295℃±10℃，保温时间90min。

4.锻造：采用“墩粗+锻造拔长”工艺生产。墩粗变形量：40%。锻造拔长初始道次变形量3%。

实施例二

管坯规格为Φ500mm*8000mm以上，材质TP310，总工艺路线为：铸坯准备→构筑多层复合坯→加热→锻造→检验→包装→交付。具体如下：

1．铸坯准备：根据成品规格，按照锻比＞3和复合坯宽高比≯2.5要求选择连铸板坯规格（200^±0.5 *900^±0.5 *8000^±0.5mm），将铸坯计划复合表面进行机加工，表面光洁Ra≤2.0μm，采用丙酮对机加工后铸坯表面进行清洗。

2．构筑多层复合坯：将计划构筑的连铸坯放入真空室，将真空室真空度抽至30Pa，保持15min后，采用电子束焊枪将铸坯逐块焊接，焊接四块为一组，单边焊缝深度60mm，焊接后多层复合坯尺寸为：800*900*8020mm。

3.加热：目标温度1240℃±10℃（TP310固相线温度1372℃），加热时间1200min。第二次回炉加热温度为1240℃±10℃，保温时间80min。

4.锻造：采用“墩粗+锻造拔长”工艺生产。墩粗变形量：35%。锻造拔长初始道次变形量3%。

实施例三

管坯规格为Φ800mm*10000mm以上，材质TP316L，总工艺路线为：铸坯准备→构筑多层复合坯→加热→锻造→检验→包装→交付。具体如下：

1．铸坯准备：根据成品规格，按照锻比＞3和复合坯宽高比≯2.5要求选择连铸板坯规格（200^±0.5 *1200^±0.5 *8000^±0.5mm），将铸坯计划复合表面进行机加工，表面光洁Ra≤1.5μm，采用丙酮对机加工后铸坯表面进行清洗。

2．构筑多层复合坯：将计划构筑的连铸坯放入真空室，将真空室真空度抽至15Pa，保持30min后，采用电子束焊枪将铸坯逐块焊接，焊接七块为一组，单边焊缝深度60mm，焊接后多层复合坯尺寸为：1400*1200*8020mm。

3.加热：目标温度1290℃±10℃（TP310固相线温度1430℃），加热时间1600min。第二次回炉加热温度为1290℃±10℃，保温时间150min。

4.锻造：采用“墩粗+锻造拔长”工艺生产。墩粗变形量：50%。锻造拔长初始道次变形量3.4%。

本发明根据大直径不锈钢圆管坯工艺性能及使用性能特点，对铸坯准备、焊接真空室真空度、真空度保持时间、电子束焊接焊缝焊接深度、加热温度、加热时间、墩粗变形量、锻造拔长初始变形量等关键工艺进行控制，制备出大直径不锈钢圆管坯内在组织良好，可满足包括后续锻造、轧制、热穿孔、热挤压、热扩等在内的热加工性能要求。

以上所述仅为本发明的具体实施例，但本发明所保护范围的结构特征并不限于此，任何本领域的技术人员在本发明的领域内，所作的变化或修饰皆涵盖在本发明的专利范围内。

Claims (4)

1.一种大直径不锈钢圆管坯的制作方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一：铸坯准备：根据管坯成品规格，选择合适规格的连铸板坯，对计划构筑的连铸板坯表面进行清理；

步骤二：构筑多层复合坯：采用真空电子束焊接方法，对连铸板坯进行焊接，单边焊接宽度40-70mm，深度构筑多层复合坯高宽比为0.5-2.49；

步骤三：一火加热：墩粗前加热至目标温度，目标温度为固相线以下100-150℃，按照截面尺寸计算，保温时间为1.0min/mm-1.5min/mm；

步骤四：锻造：采用“墩粗和锻造拔长”工艺生产，墩粗后回炉进行多火补热，加热温度与一火加热的目标温度一致，时间为1-1.5min/mm，多火补热后进行锻造拔长，锻造拔长初始变形量为≤5%，将墩粗后工件锻打成方形或八角形，然后进行后续锻造。

2.根据权利要求1所述的一种大直径不锈钢圆管坯的制作方法，其特征在于：步骤一中连铸板坯的要求为机加工表面光洁度为Ra≤3.4μm。

3.根据权利要求1所述的一种大直径不锈钢圆管坯的制作方法，其特征在于：采用丙酮或乙醇对计划构筑的连铸板坯表面进行清理。

4.根据权利要求1所述的一种大直径不锈钢圆管坯的制作方法，其特征在于：步骤二中采用真空电子束焊接方法为将计划构筑的连铸板坯放入真空室，将真空室真空度抽至≤30Pa，保持10min-2h后，采用电子束焊枪将连铸板坯逐块焊接。