提高大口径厚壁管垂直热挤压过程壁厚均匀性方法与流程

本发明属于大口径厚壁管热挤压成形技术领域，特别是提供了一种提高大口径厚壁管垂直热挤压过程壁厚均匀性方法，适用于大口径厚壁管道的制备。

背景技术：

目前，超超临界电站锅炉用大口径厚壁无缝管规格为外径Φ273mm～1066mm，壁厚20mm～130mm。我国生产大口径厚壁耐热钢管和耐热合金管主要采用垂直热挤压方法，与传统方法相比，此方法具有明显优势，详见专利CN 101706019 B。我国有3万吨力以上的大型垂直挤压机数台，已打破国外的技术垄断，开发出具有自主知识产权的大口径厚壁无缝钢管制造工艺和技术，可完全满足我国在电力、石化、船舶、军工、机械等行业对大口径无缝管的需求。虽然我国具备生产大口径厚壁耐热钢管和耐热合金管的制造技术，但实践中仍出现较多问题。有些问题已得到解决和改进，有些重要问题至今仍未找到解决之道。

垂直热挤压过程是制备大口径厚壁管工艺中的关键环节，不仅关系到挤压设备的安全，而且直接关系到挤压管的内、外表面质量、壁厚均匀性和组织状态以及生产效率等。

专利CN 103938134 B“提高耐热合金厚壁挤压管径向组织均匀性的方法”：通过实现管坯径向温度差，提高了厚壁(＞30mm)挤压管的径向组织均匀性，进而提高大口径厚壁管径向性能的均匀性。

专利CN 104259233 B“一种大口径厚壁耐热合金管无压余挤压方法”：通过在管坯与挤压动模之间放置特定压余垫，提高了热挤压管材生产过程的连续性，降低了生产成本。

挤压制管过程中，挤出管的壁厚由芯棒和挤压模具之间的间隙决定。在挤压制管技术发展历程中，初期的挤压芯棒是固定的，称为固定芯棒。挤压过程中，虽然管内壁和芯棒外表面喷涂或滚涂了玻璃粉润滑剂，但管内壁与固定芯棒外表面始终保持相对运动，并且两者温度差较大，管内壁极易出现严重的V型裂纹，且裂纹深度较深。为改善挤压管内表面质量，随将固定芯棒改为随动芯棒，即挤压过程中，挤压管内壁与随动芯棒外表面一起向上运动，两者之间相对运动程度减小，大大改善了挤压管的内表面质量。

在3万吨力以上的大型垂直挤压机制管技术中，也采用随动芯棒技术，其目的在于控制大口径管内表面质量，但是，当挤出管壁厚尺寸超过70mm时，挤压大口径厚壁管时就会出现壁厚不均现象，见示意图1，而且要求成品管的规格壁厚越厚，挤压管壁厚不均现象越严重。

垂直热挤压大口径厚壁管产生壁厚不均时，将带来诸多不利影响：

(1)当产生壁厚不均时，管坯金属已产生不均匀流动，继续挤压时挤压力将显著升高，同时挤压轴对称两侧受力不均，挤压力越大，越易损坏辅助设备和挤压模具。

(2)当产生壁厚不均时，挤出管将弯曲，弯曲后的挤压管不易脱模，难以将管顺利吊出，势必打乱生产节奏，而且后续挤压管也必须进行矫直工序，费工又费时。

(3)当产生壁厚不均时，为保证成品管尺寸，必须增加后续机加工量，产品成材率降低；若壁厚严重不均，壁厚最薄处尺寸不能满足成品管壁厚设计规格时，则整根管必须判废，造成废管。

3万吨力以上的大型垂直挤压机制管技术复杂，国内、外还没有关于大口径厚壁挤压管壁厚不均的研究报道。垂直热挤压过程大口径厚壁管壁厚不均问题必须加以解决，否则，不仅给企业造成巨大的经济损失，而且影响未来国家在电力、军工等国家战略领域用高端大口径厚壁管的正常供应，势必影响国家的战略布局，因此，发明一种提高大口径厚壁管垂直热挤压过程中壁厚均匀性的方法迫在眉捷。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种提高大口径厚壁管垂直热挤压过程壁厚均匀性的方法，针对当前3万吨力以上的大型垂直挤压机挤压大口径厚壁管壁厚不均问题，提高壁厚70mm～130mm挤压管的壁厚均匀性，克服现有技术所存在的不足。

本发明提高大口径厚壁管垂直热挤压过程壁厚均匀性方法是这样实现的：

(1)将待挤压管坯一端加工成特定形状，如图2所示，形如碗底形状，

其中，d3＝d4＝d2/2；

d1＝d2+(2～20mm)；

d1＝(1/5～1/50)×d0；

d0为管坯厚度；d1、d2、d3和d4为管坯加工尺寸参数；

管坯挤压前端特定形状可减小填充挤压阶段不均匀变形和降低突破挤压阶段最大挤压力。

(2)模具预热温度：根据管坯材料不同，模具预热温度选择不同。对于耐热钢材料，模具预热温度400℃～450℃；对于耐热合金材料，模具预热温度350～400℃。

(3)严格控制管坯挤压下限温度：管坯挤压下限温度是指管坯被放入挤压筒时的外表面温度。对于耐热钢材料，管坯挤压下限温度范围1000℃～1010℃；对于耐热合金材料，管坯挤压下限温度范围1030℃～1040℃。

(4)玻璃润滑剂类型和粒度选择：管坯外表面与挤压筒之间的润滑所用的外涂玻璃粉，粒度130～150目，玻璃膜厚度0.4mm～0.5mm；管坯内表面与芯棒外表面之间的润滑所用的内涂玻璃粉，粒度80～100目，玻璃膜厚度0.3mm～0.4mm；管坯与出口模具之间采用玻璃垫，制作玻璃垫的玻璃粉粒度100～120目，玻璃垫厚度均匀。

需要说明的是，上述工艺实施中凡有夹持管坯等与管坯接触环节，都需对机械臂进行保温棉包裹，再进行夹持移动管坯，以防管坯外表面被夹持部位的热量通过热传导散失，造成外表面温度下降和不均。

本发明所述的大口径厚壁管材料有耐热钢材料和耐热合金材料，其中耐热钢材料包括铁素体系耐热钢；耐热合金材料包括镍基耐热合金。所述的大口径厚壁管壁厚为70mm～130mm。

本发明内容的构成要点立足于以下认识：

根据图1所示，从表面看，由于随动芯棒偏离中心轴线，从而导致挤出管的壁厚不均，但实质上，出现壁厚不均现象的本质原因是受挤压的厚壁管坯金属的不均匀流动。

垂直热挤压过程主要包括三个阶段：即填充挤压阶段，突破挤压阶段和稳定挤压阶段。现有技术中3万吨力以上垂直立式挤压机所使用的管坯为空心圆柱形，两端都为平直端面，如图3，出炉后其端面直角处是冷速最大区域。在填充挤压阶段，当平直端面与挤压凹模初始接触以后，管坯平直端面首先产生局部变形，此局部变形为不均匀变形；随着挤压继续进行，变形区扩展。一方面由于变形量增加，另一方面由于端面处温度降低较快，因此不均匀变形加剧，随后分别填充外侧间隙和内侧间隙，就可完全填充整个挤压凹模。随后挤压继续进行，钢管被挤出模具，即达到突破挤压阶段，此时的挤压力最大。由于填充挤压阶段的不均匀变形和突破挤压阶段挤压力很大，随动芯棒极易偏心，使得钢管被挤压出模具时就产生严重的壁厚不均。当管坯挤出凹模，即达到稳定挤压阶段，此时挤压力下降，并基本保持稳定值，若此时控制温度场不均和摩擦效果不好，壁厚不均现象会加剧。可见，现有空心圆柱形的两端都为平直端面，填充挤压阶段时发生不均匀变形，导致金属挤压初期开始发生不均匀流动；突破挤压阶段挤压力过高，极易造成填充时芯棒偏心，在挤压初始阶段产生壁厚不均匀。稳定挤压阶段若温度和摩擦控制不当，会加剧壁厚不均。

若空心圆柱形管坯采用特定形状，如图2所示，一方面可最大限度减小温降，另一方面减小填充挤压阶段管坯的不均匀变形，温度场和摩擦的改善降低突破挤压阶段最大挤压力，使随动芯棒保持在模具中心轴线上，大大改善初始挤压阶段壁厚不均匀；同时，温度场和摩擦效果的改善，稳定挤压阶段不仅壁厚均匀，而且挤出管表面质量良好。

挤压过程中，影响金属不均匀性流动的最主要因素是温度和摩擦条件，温度影响摩擦，润滑又影响温度，因此，控制挤压过程温度和摩擦条件，可有效改善金属均匀性流动。

影响管坯材料温度场均匀有两个方面：一是管坯表面温度；二是模具预热温度。管坯出炉后，由于热辐射作用，管坯内、外表面温度不断降低，特别是管坯外表面，温降最快。如果是冬季进行挤压，周围温度较低，管坯表面温降更快。挤压前，管坯需进行喷涂或滚涂玻璃粉和“除鳞”(即除表面氧化皮)工序，管坯表面温度进一步下降；挤压时，管坯外表面与挤压筒内壁不断传热，使得管坯外表面温度不断下降；加之厚壁管坯挤压时坯料中心部位有温升(10℃～50℃)，使得管坯外表面和坯料中心的温度差相差更大，导致金属不均匀性流动加剧。另外，管坯外表面的温度降低，润滑效果也大大降低，加剧管坯金属的不均匀性流动。

玻璃润滑剂具有良好的防护、润滑、保温和隔热等性能。润滑条件优劣对厚壁无缝钢管的热挤压至关重要，直接影响挤压力大小、挤压管表面质量和模具使用寿命等。影响润滑效果的因素包括温度、玻璃润滑剂类型和粒度的选择。因此，在温度控制均匀的基础上，要根据挤压特点，不同位置需要选择特定的玻璃润滑剂类型和粒度，使得玻璃膜厚度在0.3～0.5μm之间。摩擦位置包括管坯外表面与挤压筒内表面之间的接触面；管坯内表面与芯棒外表面；管坯上横截面与出口模具(挤压凹模)之间，因此，针对这些位置要特别进行润滑设计。

管坯外表面与挤压筒之间外涂粉的最主要作用是隔离，对润滑的要求不是很高，要具备很好的瞬熔性和较细的粒度。管坯内表面与芯棒外表面之间挤压内涂粉主要作用是隔离挤压芯棒和锭坯内表面，同时在锭坯向前推进时起到润滑作用。粘度可以不是很高，其瞬熔性应保证，料性不宜太短。管坯与出口模具之间玻璃垫是润滑挤压模口，隔离模具与坯料，隔绝热传导，防止模具过多温升导致寿命减少。玻璃垫的性能要具备瞬熔性良好，粘度要稍大和料性要短。

本发明具有的优点和有益效果：通过改变管坯挤压前端特定形状、优化模具预热温度、控制温度均匀性和提高润滑效果，不仅改善填充挤压阶段不均匀变形，改善挤压初期金属均匀性流动，降低突破挤压阶段最大挤压力，而且大大改善稳定挤压过程管坯的金属均匀性流动，显著提高了大口径厚壁管挤压过程壁厚均匀性，同时，节约原材料成本20％，延长模具使用寿命20％，提高挤压过程劳动生产率15％，减少后续切削加工约70％工作量。

附图说明

图1为3万吨力以上垂直挤压机挤压大口径厚壁管时出现壁厚不均现象示意图。其中，挤压轴1、挤压芯棒2、挤压垫3、挤压筒4、挤压静模5、挤压荒管6；箭头表示运动方向；d11和d12为挤压荒管壁厚，且d11≠d12。

图2为本发明所使用的管坯挤压前端特定外形示意图。其中，d0为管坯厚度；d1、d2、d3和d4为管坯加工尺寸参数。

图3为现有技术常用的管坯挤压前端平直端面示意图。

图4为本发明镍基耐热合金管坯形状和挤压前端形状尺寸。

图5为本发明耐热钢管坯形状和挤压前端形状尺寸。

图6为本发明3万吨力以上垂直挤压机挤压大口径厚壁管时壁厚均匀实物图。

图7为现有技术3万吨力以上垂直挤压机挤压大口径厚壁管时壁厚不均实物图。

具体实施方式

以下通过具体实施例具体地说明本发明，但本发明不受下述实施例的限制。本领域普通技术人员没有创造性劳动前提下所获得提高大口径厚壁管垂直热挤压过程壁厚均匀性方法的技术方案，都属于本发明保护范围。

实施例1

本发明实施例镍基耐热合金主要成分重量百分比为：C：0.03％；Cr：24.1％；Co：19.8％；Si：0.05％；Mn：0.07％；Al：1.45％；Ti：1.38％；Nb：1.2％；B：0.002％；Zr：0.08％；P：0.001％；S：0.0005％；Ni为余量及不可避免的杂质元素。产品规格为外径Φ460mm×壁厚80mm的大口径厚壁耐热合金管。

本发明按上述成分经VIM冶炼+VAR自耗一炉7吨的镍基耐热合金，制作外径Φ945mm×壁厚320mm×1000mm的管坯。

本发明特殊工艺如下：管坯为空心圆柱形，挤压前端加工成与挤压凹模匹配的特定形状，见图4。模具预热温度390℃。炉温600℃装炉，透保后以100℃/h加热至1000℃，再利用感应炉加热至挤压温度1180℃，管坯径向温差30℃。管坯被吊入挤压筒时外表面温度为1034℃。管坯外涂玻璃粉粒度：150目，喷涂厚度0.45mm；内涂粉粒度90目，喷涂厚度0.35mm；管坯与模具之间的玻璃垫的粒度110目，厚度75mm，厚度均匀。挤压速度50mm/s。

经本发明大口径厚壁挤压耐热合金管的壁厚均匀性很好。

实施例2

本发明实施例9Cr-3W-3Co系马氏体耐热钢(铁素体系)主要成分重量百分比为：C：0.080％；Cr：8.99％；Si：0.30％；Mn：0.50％；Co：3.01％；W：2.81％；V：0.21％；Nb：0.53％；N：0.008％；B：0.014％；Cu：0.8％；P：0.001％；S：0.0005％；Fe为余量及不可避免的杂质元素。产品规格为外径Φ590mm×壁厚90mm的大口径厚壁耐热钢管。

本发明按上述成分EAF+LF+VD工艺冶炼钢水40吨，浇注3支钢锭，选取两件进行对比热挤压，分别制作外径Φ1080mm×壁厚330mm×长1400mm的管坯。一件按现有技术实施；另一件按本发明工艺实施，即管坯挤压前端加工成特定形状、控制下限挤压温度、控制模具预热温度和严格选择玻璃润滑剂类型和粒度。

现有技术热挤压工艺如下：管坯为空心圆柱形，两端面平直。模具预热温度300℃。炉温600℃装炉，透保后以100℃/h加热至1000℃，再利用感应炉加热至挤压温度1170℃，管坯径向温差20℃。管坯被吊入挤压筒时外表面温度为960℃。管坯外涂玻璃粉粒度：110目；内涂粉粒度110目；管坯与模具之间的玻璃垫粒度100目，厚度90mm，厚度均匀。挤压比5.5，挤压速度50mm/s。挤压后钢管弯曲，不易吊出脱模。

本发明特殊工艺如下：管坯为空心圆柱形，挤压前端加工成与挤压凹模匹配的特定形状，见图5。模具预热温度450℃。炉温600℃装炉，透保后以100℃/h加热至1000℃，再利用感应炉加热至挤压温度1170℃，管坯径向温差20℃。管坯被吊入挤压筒时外表面温度为1008℃。管坯外涂玻璃粉粒度：150目，喷涂厚度0.45mm；内涂粉粒度90目，喷涂厚度0.35mm；管坯与模具之间的玻璃垫为高温型玻璃粉制作，粒度110目，厚度90mm，厚度均匀。挤压比5.5，挤压速度50mm/s。挤压后钢管平直度较好，顺利吊出并脱模。

对常规技术挤压后的钢管进行测量，壁厚最薄处为86mm，低于成品管设计规格要求，常规技术挤压后的钢管被判废管。对两根钢管进行横截面切割，经本发明后的大口径厚壁挤压管的实物横截面(如图6)，与现有常规技术相比(如图7)，本发明大口径厚壁挤压管的壁厚不均匀性得到明显改善，同时，节约原材料成本20％，延长模具使用寿命20％，提高挤压过程劳动生产率15％，减少后续切削加工约70％工作量。