專利名稱：厚壁環(huán)類件和管類件短流程制備工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本 發(fā)明屬于高端裝備制造領(lǐng)域，具體地說是一種基于連鑄空心坯制造技術(shù)的高致密、純凈化厚壁環(huán)類件和管類件的短流程制備工藝。
背景技術(shù)：
隨風(fēng)電、核電和其他高端裝備制造業(yè)的迅速發(fā)展，厚壁環(huán)類件和管類件的用量日益加大，質(zhì)量要求也越來越高。以風(fēng)電領(lǐng)域風(fēng)塔用法蘭為例，目前我國每年新裝風(fēng)塔法蘭用量至少一千萬噸。同時，核電發(fā)展步伐日益加大，核電筒體、錐形體等大型厚壁鍛件均屬于空心件，用量巨大。目前這些高端厚壁環(huán)類件和管類件均采用實心鋼錠制造而成。即，將實心鋼錠加熱后，在鍛壓機上敦粗、沖孔，然后通過預(yù)擴或預(yù)拔制備出空心中間坯。進而再次加熱后，在輾環(huán)機或鍛壓機上制備成環(huán)類件、管類件或筒體。因此，高端厚壁環(huán)類件和管類件制造過程中至少需要加熱兩次，消耗大量能源。而且，實心鋼錠通過沖孔制造空心件，浪費了大量原材料。同時，目前厚壁環(huán)類和管類件的制造工序較多，生產(chǎn)周期長，質(zhì)量難以保證。空心坯可以直接在輾環(huán)機和鍛壓機上進行擴孔或拔長，制備出管類件和環(huán)類件， 無需敦粗、沖孔等工序。同時，采用空心坯制備管類件和環(huán)類件可以減少坯料加熱次數(shù)，降低能源消耗?？梢?，采用空心坯進行管類件和環(huán)類件的制備不但可以提高材料利用率，而且可以降低能源消耗，縮短制造流程，對生產(chǎn)高端厚壁環(huán)類件和管類件大有裨益。采用連鑄方法生產(chǎn)空心坯，較之模鑄方法，進一步提高了生產(chǎn)率。而且，連鑄方法可以大大減少澆冒口比例，提高材料利用率?？梢?，與目前采用模鑄實心鋼錠制造管類件和環(huán)類件相比，采用連鑄空心坯制備高端厚壁管類件和環(huán)類件可以大大縮短生產(chǎn)流程，降低能源消耗，提高材料利用率，并有利于控制產(chǎn)品質(zhì)量。一般認為鍛造或軋制過程中，金屬材料的壓縮比達到3，方能消除縮孔疏松等鑄造缺陷，保證最終產(chǎn)品的內(nèi)在質(zhì)量與性能，即生產(chǎn)壁厚IOOmm的空心件需要壁厚為300mm的坯料。因此，高端厚壁環(huán)類件和管類件所需要的坯料壁厚也較大。國內(nèi)外有一些專利涉及無縫鋼管連鑄和空心錠連鑄。如中國發(fā)明專利(公開號 CN 100999013A)公開了一種立式無縫鋼管空心管坯連鑄機，其生產(chǎn)的空心管坯用于為軋管機提供坯料。管坯壁厚較薄，無法用于制備厚壁空心件。中國實用新型專利(專利號ZL 200820042945. X)公開了一種可連續(xù)制造的空心錠設(shè)備，該設(shè)備主要用于鋁錠的生產(chǎn)。中國發(fā)明專利(公開號CN101612661A)公開了一種用于電渣連續(xù)抽錠大口徑等截面空心鋼錠裝置，該裝置采用電渣重熔方法生產(chǎn)空心鋼錠。電渣重熔法生產(chǎn)鋼錠需要實現(xiàn)澆注自耗電極，工序復(fù)雜，成本高。美國發(fā)明專利(專利號US5052469)公開了一種空心錠連鑄方法及設(shè)備。該專利詳細描述了其潤滑系統(tǒng)和設(shè)備結(jié)構(gòu)，該設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且未說明是否可生產(chǎn)厚壁空心錠。綜上所述，國內(nèi)外現(xiàn)有空心連鑄技術(shù)主要用于生產(chǎn)薄壁管坯和有色金屬空心錠，尚未涉及厚壁空心鋼錠的連鑄技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于空心坯連鑄技術(shù)的厚壁環(huán)類件或管類件的短流程制備工藝，解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的制造工序較多，生產(chǎn)周期長等問題。 基于此目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是一種厚壁環(huán)類件和管類件短流程制備工藝，包括如下步驟(1)采用空心坯連鑄技術(shù)制備高端厚壁環(huán)類件或管類件所需的空心鋼錠，液態(tài)金屬連續(xù)澆入由內(nèi)外兩組結(jié)晶器組成的環(huán)形空腔中，通過不斷抽錠，制備壁厚為100 500mm 的空心坯；(2)空心坯在結(jié)晶器內(nèi)凝固結(jié)殼后，通過引錠裝置將空心坯拉出結(jié)晶器，利用冷卻介質(zhì)水、液氮或氣霧對空心坯內(nèi)壁和外壁同時進行強制冷卻，加快空心坯凝固速度，提高空心坯內(nèi)部組織致密性；(3)在制備的空心坯上切取坯料；(4)在輾環(huán)機上對切取的坯料進行徑向擴孔和軸向定邊，制備出厚壁環(huán)類件；或者，在鍛壓機上對切取坯料進行徑向擴孔和軸向拔長，制備出厚壁管類件或筒類件。所述步驟(1)中，采用底漏鋼包，通過滑動式或塞桿式水口將熔融的鋼液澆入由內(nèi)外兩組結(jié)晶器組成的環(huán)形空腔中。所述步驟(1)中，采用底漏鋼包，通過兩個以上均布的浸入式水口進行多點澆注， 將熔融的鋼液澆入由內(nèi)外兩組結(jié)晶器組成的環(huán)形空腔中；鋼水充型平穩(wěn)，減少氧化夾渣的形成與卷入，保證空心坯的純凈化。所述步驟⑵中，空心坯的冷卻速度為3 10°C /s，凝固速度為0. 1 5mm/s。所述步驟(3)之后，將切取坯料在鍛壓機上沿軸線方向壓縮坯料，以增大坯料壁厚，為制備厚壁環(huán)類和管類件提供足夠大的鍛造比，鍛造比為3 15。所述步驟(4)中，厚壁環(huán)類件、管類件或筒類的壁厚為10 200mm、高度為20 8000mm。本發(fā)明的有益效果是1、本發(fā)明采用內(nèi)外兩層結(jié)晶器，實現(xiàn)了厚壁空心鋼錠的連鑄。2、本發(fā)明空心坯連鑄裝置采用底漏鋼包、浸入式水口進行多點澆注，提高了澆注過程的平穩(wěn)性，保證了金屬液的純凈度。3、本發(fā)明空心坯連鑄裝置對空心(連鑄)坯內(nèi)壁和外壁進行強制二次冷卻，增大空心坯內(nèi)部凝固速度，提高組織致密性。4、本發(fā)明采用連鑄方法生產(chǎn)空心坯，可以提高效率、節(jié)約原材料，有益于節(jié)能減排。5、一般大直徑的厚壁環(huán)類件和管類件是利用實心鋼錠通過敦粗、沖孔、拔長和擴孔等一系列工序制備而成的，工藝復(fù)雜，制造周期長，加熱火次多。本發(fā)明采用空心坯進行管類件和環(huán)類件的生產(chǎn)，去除了敦粗、沖孔等工序，大大縮短了制造周期，僅通過拔長和擴孔工序即可制備大直徑管類件和環(huán)類件，同時減少了坯料加熱次數(shù)，實現(xiàn)了高端厚壁環(huán)類件和管類件的短流程制造。


圖1(a)-(b)為空心坯連鑄設(shè)備示意圖。其中，圖1(a)為主視圖；圖1(b)為圖1(a) 的A-A視圖。圖中，1-底漏鋼包；2-金屬液；3-浸入式水口 ；4-內(nèi)外結(jié)晶器連接橋；5-外結(jié)晶器；6-內(nèi)結(jié)晶器；7-空心坯；8-引錠底板；9-芯部冷卻裝置；10-水霧冷卻裝置。圖2為空心坯輾環(huán)示意圖。圖中，1-主動輥；2-從動輥；3-空心坯；4-導(dǎo)向輥；5-控制輥；6-錐形輥。圖3為空心坯鍛造厚壁筒與厚壁管示意圖。圖中，1-鍛壓砧；2-馬杠；3-空心坯。
具體實施例方式本發(fā)明涉及的高端厚壁環(huán)類件和管類件的短流程制備工藝具體實施步驟與方式如下1、連鑄空心坯的制備如圖l(a)_(b)所示，本發(fā)明空心坯連鑄設(shè)備主要包括底漏鋼包1、金屬液2、浸入式水口 3、內(nèi)外結(jié)晶器連接橋4、外結(jié)晶器5、內(nèi)結(jié)晶器6、空心坯7、引錠底板8、芯部冷卻裝置9和水霧冷卻裝置10等，具體結(jié)構(gòu)如下底漏鋼包1底部設(shè)有至少一個浸入式水口 3 (本實施例為3個均布)，浸入式水口 3伸至內(nèi)結(jié)晶器6、外結(jié)晶器5之間形成的環(huán)形空腔中，內(nèi)結(jié)晶器6和外結(jié)晶器5之間通過內(nèi)外結(jié)晶器連接橋4相連。利用浸入式水口將金屬液2進行多點澆注，內(nèi)結(jié)晶器6、外結(jié)晶器5之間的環(huán)形空腔形成空心坯7，空心坯7為環(huán)形結(jié)構(gòu)，在空心坯7上端部的外側(cè)設(shè)置外結(jié)晶器5，在空心坯7上端部的內(nèi)側(cè)設(shè)置內(nèi)結(jié)晶器6，空心坯7的底部設(shè)置引錠底板8。該設(shè)備在空心坯7內(nèi)側(cè)和外側(cè)分別設(shè)置移動式和流量可調(diào)式二次冷卻系統(tǒng)水霧冷卻裝置10 (移動式)和芯部冷卻裝置9 (流量可調(diào)式)，芯部冷卻裝置9設(shè)置在空心坯7 的內(nèi)側(cè)，水霧冷卻裝置10設(shè)置在空心坯7的外側(cè)。本實施例中，芯部冷卻裝置9具體采用噴水方式進行冷卻形式。本實施例中，外結(jié)晶器內(nèi)徑尺寸范圍為Φ 1200 2000mm，內(nèi)結(jié)晶器外徑尺寸范圍為Φ 500 1000mm，本發(fā)明空心坯連鑄設(shè)備可生產(chǎn)壁厚為100 500mm的空心坯。采用本發(fā)明所設(shè)計的空心坯連鑄設(shè)備進行空心坯制備。首先將熔煉處理好的鋼水澆入底漏鋼包內(nèi)，打開浸入式水口，使鋼水平穩(wěn)充入內(nèi)結(jié)晶器和外結(jié)晶器圍成的環(huán)形腔體內(nèi)，結(jié)晶器迅速將液態(tài)金屬儲備的熱量帶走，金屬液凝固結(jié)殼。與傳統(tǒng)結(jié)晶器類似，連鑄過程中內(nèi)結(jié)晶器和外結(jié)晶器可實現(xiàn)周期性震動。采用引錠底板將凝固結(jié)殼的空心坯拉出結(jié)晶器。采用水或氣霧對空心坯內(nèi)外表面進行強制二次冷卻，增加空心坯內(nèi)部冷卻速度，實現(xiàn)快速凝固，空心坯的冷卻速度為3 10°C /s(優(yōu)選為5°C /s)，凝固速度為0. 1 5mm/s (優(yōu)選為2mm/s)。從而，通過連鑄技術(shù)生產(chǎn)用于厚壁管類件和環(huán)類件的空心坯。2、厚壁環(huán)類件的生產(chǎn)如圖2所示，輾環(huán)機主要由主動輥1、從動輥2、導(dǎo)向輥4、控制輥5和錐形輥6等部分組成，空心坯3內(nèi)側(cè)設(shè)置主動輥1，空心坯3外側(cè)分布有從動輥2、導(dǎo)向輥4、控制輥5，空心坯3的一端可增加錐形輥6，進行軸向軋制、定邊。 在輾環(huán)機上對預(yù)制空心坯進行徑向擴孔和軸向定邊，制備出厚壁環(huán)類件。按需要切取一定長度的空心坯，經(jīng)加熱至iioo°c后，在如圖2所示的輾環(huán)機中對空心坯進行徑向擴孔。空心坯壁厚變小的同時直徑增大?？招呐?在主動輥1與從動輥2之間輾壓，主動輥1旋轉(zhuǎn)并提供動力，帶動空心坯3和從動輥2轉(zhuǎn)動。主動輥1不斷向從動輥2靠近，空心坯3在主動輥1的壓力下被迫變形，壁厚減小，直徑增大。導(dǎo)向輥4用于控制空心坯3旋轉(zhuǎn)的方向和角度，保證環(huán)形件的圓度。當(dāng)空心坯3被碾壓到一定直徑時，控制輥5操縱設(shè)備停機，環(huán)形件碾壓結(jié)束。3、管類件和筒形件的生產(chǎn)如圖3所示，鍛壓砧1設(shè)置于空心坯3外側(cè)，馬杠2設(shè)置于鍛壓砧1內(nèi)側(cè)。同樣，按需要切取一定長度的連鑄空心坯。加熱至1200°C后，在空心坯3的內(nèi)孔中穿入馬杠2，而后采用鍛壓機或空氣錘對空心坯進行鍛壓，并不斷旋轉(zhuǎn)空心坯3?？招呐?3壁厚減小，直徑增大，最終生產(chǎn)出管類件或筒形件。實施例1材料Q345E；空心連鑄坯內(nèi)徑500mm ；空心連鑄坯外徑1200mm ；空心連鑄坯切取長度215mm.在鍛壓機上將以上原坯軸向壓縮至150mm左右，將空心連鑄坯進行軸向敦粗，以提高厚壁環(huán)類件成形過程的壓縮比，鍛造比為4. 5。然后在輾環(huán)機上對預(yù)制空心坯進行徑向擴孔和軸向定邊，進行風(fēng)塔用環(huán)類法蘭件生產(chǎn)，環(huán)類件成品尺寸如下法蘭外徑:4500mm ；法蘭壁厚100mm;法蘭高度140mm;法蘭總重2200kg。實施例2材料508111；空心連鑄坯內(nèi)徑1000mm ；空心連鑄坯外徑2000mm ；空心連鑄坯切取長度2000mm.；將上述原坯在鍛壓機上進行徑向擴孔和軸向拔長，用于生產(chǎn)核電蒸發(fā)器筒體，筒體成品尺寸如下筒體外徑4600mm ；筒體壁厚165讓；筒體高度3600mm ；筒體總重32000kg。
權(quán)利要求
1.一種厚壁環(huán)類件和管類件短流程制備工藝，其特征在于，包括如下步驟(1)采用空心坯連鑄技術(shù)制備高端厚壁環(huán)類件或管類件所需的空心鋼錠，液態(tài)金屬連續(xù)澆入由內(nèi)外兩組結(jié)晶器組成的環(huán)形空腔中，通過不斷抽錠，制備壁厚為100 500mm的空心；K ；(2)空心坯在結(jié)晶器內(nèi)凝固結(jié)殼后，通過引錠裝置將空心坯拉出結(jié)晶器，利用冷卻介質(zhì)水、液氮或氣霧對空心坯內(nèi)壁和外壁同時進行強制冷卻，加快空心坯凝固速度，提高空心坯內(nèi)部組織致密性；(3)在制備的空心坯上切取坯料；(4)在輾環(huán)機上對切取的坯料進行徑向擴孔和軸向定邊，制備出厚壁環(huán)類件；或者，在鍛壓機上對切取坯料進行徑向擴孔和軸向拔長，制備出厚壁管類件或筒類件。
2.按照權(quán)利要求1所述的制備工藝，其特征在于，步驟(1)中，采用底漏鋼包，通過滑動式或塞桿式水口將熔融的鋼液澆入由內(nèi)外兩組結(jié)晶器組成的環(huán)形空腔中。
3.按照權(quán)利要求1所述的制備工藝，其特征在于，步驟(1)中，采用底漏鋼包，通過兩個以上均布的浸入式水口進行多點澆注，將熔融的鋼液澆入由內(nèi)外兩組結(jié)晶器組成的環(huán)形空腔中；鋼水充型平穩(wěn)，減少氧化夾渣的形成與卷入，保證空心坯的純凈化。
4.按照權(quán)利要求1所述的制備工藝，其特征在于，步驟(2)中，空心坯的冷卻速度為 3 10°C /s，凝固速度為0. 1 5mm/s。
5.按照權(quán)利要求1所述的制備工藝，其特征在于，步驟(3)之后，將切取坯料在鍛壓機上沿軸線方向壓縮坯料，以增大坯料壁厚，為制備厚壁環(huán)類和管類件提供足夠大的鍛造比， 鍛造比為3 15。
6.按照權(quán)利要求1所述的制備工藝，其特征在于，步驟(4)中，厚壁環(huán)類件、管類件或筒類的壁厚為10 200mm、高度為20 8000mm。
全文摘要
本發(fā)明屬于高端裝備制造領(lǐng)域，具體地說是一種基于連鑄空心坯制造技術(shù)的高致密、純凈化厚壁環(huán)類件和管類件的短流程制備工藝。利用空心坯連鑄技術(shù)生產(chǎn)厚壁管類件和環(huán)類件的原坯，通過輾環(huán)機和鍛壓機來生產(chǎn)制備厚壁環(huán)類件和管類件。一般大直徑的厚壁環(huán)類件和管類件是利用實心鋼錠通過敦粗、沖孔、拔長和擴孔等一系列工序制備而成的，工藝復(fù)雜，制造周期長，加熱火次多。采用該技術(shù)制備的空心鋼錠具有致密性高和純凈度高的特點，為高端環(huán)類件和管類件提供了高質(zhì)量的原材料。利用連鑄空心坯，節(jié)省了敦粗和沖孔工序，僅通過拔長和擴孔工序即可制備大直徑管類件和環(huán)類件，大大縮短了制造周期，減少了加熱火次，實現(xiàn)了高端環(huán)類件和管類件的短流程制造。
文檔編號B22D11/041GK102179487SQ20101050521
公開日2011年9月14日 申請日期2010年10月13日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月13日
發(fā)明者傅排先, 夏立軍, 孫明月, 李依依, 李殿中, 欒義坤, 王佳琪 申請人:中國科學(xué)院金屬研究所