一种无缝金属复合管界面热力可控连续轧制设备及方法

本发明属于无缝金属复合管成形，具体涉及一种无缝金属复合管界面热力可控连续轧制设备及方法。

背景技术：

1、随着现代科学技术的发展，石油、化工、地质勘探等极端的条件，对无缝金属复合管的要求越来越高，要求兼具高强度、耐高温、耐腐蚀等优异性能。钛合金、双相不锈钢等材料虽然能够满足上述条件，但是价格昂贵，成形难度大，成本极高。无缝金属复合管由两种或两种以上组元金属通过界面结合而成，可以充分发挥组元金属性能优势，能够满足恶劣环境服役性能需求，并且具有良好的经济性，具有广阔的应用前景。

2、因为具有工艺稳定、连续成形、生产效率高等诸多优点，轧制复合工艺成为最具前景的无缝金属复合管制备技术之一。采用冷连轧复合可以制备碳钢/不锈钢复合管，但是界面仅符合机械结合标准，并且存在壁厚不均、界面强度不高等缺陷。针对这些问题，专利zl202011450318.1提出一种具有波纹结合面的金属复合管三辊斜轧成形方法，轧辊的外表面上依次设置有咬入段、成形段及轧平段，所述轧辊上设有单道成形波纹，成形波纹分布于咬入段的末端与成形段的末端之间，三个轧辊上的成形波纹错距分布，三个轧辊上的成形波纹先后依次与复合管坯的外壁接触，将波纹轧制和波纹轧平两种工艺集成在一套轧辊上，通过获得空间螺旋界面来提高界面结合强度。

3、然而，复合界面实现冶金结合需要足够的压力、温度和作用时间，三者均具有显著影响。三辊斜轧复合工艺可以实现无缝金属复合管连续成形，但是，由于斜轧轧辊沿圆周方向均匀布置，且与轧制轴线存在倾斜角度，导致斜轧轧辊的长度尺寸受限，否则会发生交叉干涉，并且沿轧辊轴线方向还需要划分为三个或四个阶段，导致三辊斜轧复合过程中实际作用时间很短，不能实现复合界面完全冶金复合，严重影响界面结合性能及其均匀性。

技术实现思路

1、本发明针对上述问题提供了一种无缝金属复合管界面热力可控连续轧制设备及方法。

2、为达到上述目的本发明采用了以下技术方案：

3、一种无缝金属复合管界面热力可控连续轧制设备，包括沿轧制轴线依次布置的多辊斜轧机组、界面热力控轧机组和定径精整机组；

4、所述界面热力控轧机组包含沿轧制轴线依次布置的界面温度调控模块和界面压力调控模块，所述界面压力调控模块包含两个机架和多个沿轧制轴线周向均匀布置的控轧轧辊，所述控轧轧辊的两端通过对应的压下装置分别安装在两个机架上，所述界面压力调控模块通过多辊斜轧机组斜轧复合过程对初轧复合坯料的螺旋推力和定径精整机组对中轧复合坯料的牵引拉力实现被动驱动；

5、所述控轧轧辊分为控压复合段、精整矫圆段和卸载扩径段，所述控压复合段的长度l1为控轧轧辊长度l的40~80%，其锥角角度α1为0°~10°；所述精整矫圆段的长度l2为控轧轧辊长度l的20%~40%，其锥角角度α2为0°~2°；所述卸载扩径段的长度l3为控轧轧辊长度l的10%~30%，其锥角角度α3为0°~ -15°。

6、进一步，所述界面温度调控模块包括沿轧制轴线依次设置的测温计、环形水雾冷却装置和电磁感应加热装置，所述测温计用于测量初轧复合坯料的外表面温度，所述环形水雾冷却装置和电磁感应加热装置分别用于对初轧复合坯料进行冷却和加热，所述环形水雾冷却装置喷头的朝向与无缝金属复合管沿轧制轴线的运动方向相反，所述环形水雾冷却装置喷头的螺旋方向与无缝金属复合管绕轧制轴线的旋转方向相反，所述电磁感应加热装置用于对初轧复合坯料进行加热。

7、再进一步，所述电磁感应加热装置通过高频伸缩缸带动其沿轧制轴线做往复直线运动，实现对初轧复合坯料的均匀加热。

8、更进一步，所述多辊斜轧机组包括多个具有相同辊型的锥形轧辊和多个相同的导板，所述锥形轧辊沿轧制轴线方向依次设置咬入段、压下段、精整段和扩径段。

9、更进一步，所述定径精整机组由若干个定径轧机组成，所述定径轧机包括三个或四个沿圆周方向均布的定径轧辊。

10、更进一步，在所述多辊斜轧机组的前方还设置有沿轧制轴线依次设置的芯棒小车、芯棒、在线加热装置和前输送辊道，在所述定径精整机组的后方还设置有后输送辊道。

11、一种无缝金属复合管界面热力可控连续轧制方法，包括以下步骤：

12、s1，在线加热保温：对外层管材与内层管材进行套装组坯获得预套装坯料，连接芯棒小车与芯棒，将预套装坯料置于前输送辊道上方，通过芯棒小车将芯棒穿入预套装坯料的中间并送入在线加热装置，加热至目标温度t，然后将预套装坯料送入多辊斜轧机组进行轧制复合；

13、s2，三辊斜轧复合：调整多辊斜轧机组的锥形轧辊和导板，设定目标斜轧孔型尺寸，启动多辊斜轧机组，预套装坯料在芯棒、轧辊和导板共同围成的目标斜轧孔型中进行斜轧复合，依次经过咬入段、压下段、精整段和扩径段，直径逐渐减小，壁厚逐渐减薄，获得初轧复合坯料，初轧复合坯料在多辊斜轧机组1的斜轧复合作用下进行旋转送进运动，进入界面热力控轧机组；

14、s3，可控轧制复合：调整界面压力调控模块的控轧轧辊，设定目标控轧孔型尺寸和目标控轧温度，位于多辊斜轧机组出口侧的测温计对初轧复合坯料的外表面进行测温，进而调整环形水雾冷却装置和电磁感应加热装置的开闭状态，对初轧复合坯料进行冷却或加热，达到目标控轧温度，随后初轧复合坯料经过界面压力调控模块的轧制后实现复合界面的高强度冶金结合，获得中轧复合坯料，之后进入定径精整机组；

15、s4，定径精整轧制：设定定径精整机组中定径轧机的工作数量和目标定径孔型尺寸，中轧复合坯料经定径精整轧制至目标尺寸精度和圆度，进一步提高表面质量，获得终轧无缝金属复合管，然后由后输送辊道送出；

16、s5，热处理调控：对终轧无缝金属复合管切除头部和尾部，并进行定尺寸切割，经过热处理后获得目标组织性能，获得成品无缝金属复合管。

17、与现有技术相比本发明具有以下优点：

18、本发明设备将无缝金属复合管的斜轧复合、压力扩散、在线矫圆和精整定径过程整合到一起，显著缩短了工艺流程，提高了生产效率，并且可以实现界面温度、界面压力和作用时间的精准可控；

19、本发明通过界面热力控轧机组的界面温度调控模块对初轧复合坯料进行测温，并根据控轧需求，对初轧复合坯料进行在线冷却或者加热，获得目标控轧温度，可以满足不同组元金属复合界面在压力扩散过程的特定温度需求，避免复合界面处形成大量金属间化合物从而弱化界面结合强度，并且电磁感应加热装置沿轧制轴线做高频往复直线运动，可以避免电磁感应加热过程中线圈位置温度高而线圈间隙部分温度低的现象，实现均匀加热；

20、本发明通过界面热力控轧机组的界面压力调控模块对初轧复合坯料进行控轧轧制，由于界面热力控轧机组的控轧轧辊沿轧制轴线周向均匀布置，各控轧轧辊不易发生干涉，控轧轧辊长度显著增加，从而提高作用时间，能够进一步在目标控轧温度下进行可控时间内的压力扩散，促进复合界面实现完全冶金结合，显著提高界面结合强度，并且可以同步实现无缝金属复合管的连续矫圆功能，提高产品综合性能和尺寸精度；

21、本发明界面压力调控模块包含机架、压下装置和多个沿轧制轴线周向均匀布置的控轧轧辊，控轧轧辊工作时利用多辊斜轧机组斜轧复合过程的螺旋推力和定径精整机组的牵引拉力可以实现界面热力控轧机组的被动驱动，设备结构紧凑并且控制简单高效；

22、本发明设备从复合界面结合机理出发，同步控制界面温度、界面压力和作用时间，可以实现高品质无缝金属复合管高效连续稳定成形与复合界面冶金结合，具有生产效率高、工艺流程短、界面结合强度高、尺寸规格范围大等优势。