专利名称：厚壁环类件和管类件短流程制备工艺的制作方法
技术领域：
本 发明属于高端装备制造领域，具体地说是一种基于连铸空心坯制造技术的高致密、纯净化厚壁环类件和管类件的短流程制备工艺。
背景技术：
随风电、核电和其他高端装备制造业的迅速发展，厚壁环类件和管类件的用量日益加大，质量要求也越来越高。以风电领域风塔用法兰为例，目前我国每年新装风塔法兰用量至少一千万吨。同时，核电发展步伐日益加大，核电筒体、锥形体等大型厚壁锻件均属于空心件，用量巨大。目前这些高端厚壁环类件和管类件均采用实心钢锭制造而成。即，将实心钢锭加热后，在锻压机上敦粗、冲孔，然后通过预扩或预拔制备出空心中间坯。进而再次加热后，在辗环机或锻压机上制备成环类件、管类件或筒体。因此，高端厚壁环类件和管类件制造过程中至少需要加热两次，消耗大量能源。而且，实心钢锭通过冲孔制造空心件，浪费了大量原材料。同时，目前厚壁环类和管类件的制造工序较多，生产周期长，质量难以保证。空心坯可以直接在辗环机和锻压机上进行扩孔或拔长，制备出管类件和环类件， 无需敦粗、冲孔等工序。同时，采用空心坯制备管类件和环类件可以减少坯料加热次数，降低能源消耗。可见，采用空心坯进行管类件和环类件的制备不但可以提高材料利用率，而且可以降低能源消耗，缩短制造流程，对生产高端厚壁环类件和管类件大有裨益。采用连铸方法生产空心坯，较之模铸方法，进一步提高了生产率。而且，连铸方法可以大大减少浇冒口比例，提高材料利用率。可见，与目前采用模铸实心钢锭制造管类件和环类件相比，采用连铸空心坯制备高端厚壁管类件和环类件可以大大缩短生产流程，降低能源消耗，提高材料利用率，并有利于控制产品质量。一般认为锻造或轧制过程中，金属材料的压缩比达到3，方能消除缩孔疏松等铸造缺陷，保证最终产品的内在质量与性能，即生产壁厚IOOmm的空心件需要壁厚为300mm的坯料。因此，高端厚壁环类件和管类件所需要的坯料壁厚也较大。国内外有一些专利涉及无缝钢管连铸和空心锭连铸。如中国发明专利(公开号 CN 100999013A)公开了一种立式无缝钢管空心管坯连铸机，其生产的空心管坯用于为轧管机提供坯料。管坯壁厚较薄，无法用于制备厚壁空心件。中国实用新型专利(专利号ZL 200820042945. X)公开了一种可连续制造的空心锭设备，该设备主要用于铝锭的生产。中国发明专利(公开号CN101612661A)公开了一种用于电渣连续抽锭大口径等截面空心钢锭装置，该装置采用电渣重熔方法生产空心钢锭。电渣重熔法生产钢锭需要实现浇注自耗电极，工序复杂，成本高。美国发明专利(专利号US5052469)公开了一种空心锭连铸方法及设备。该专利详细描述了其润滑系统和设备结构，该设备结构复杂，且未说明是否可生产厚壁空心锭。综上所述，国内外现有空心连铸技术主要用于生产薄壁管坯和有色金属空心锭，尚未涉及厚壁空心钢锭的连铸技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于空心坯连铸技术的厚壁环类件或管类件的短流程制备工艺，解决现有技术中存在的制造工序较多，生产周期长等问题。 基于此目的，本发明的技术方案是一种厚壁环类件和管类件短流程制备工艺，包括如下步骤(1)采用空心坯连铸技术制备高端厚壁环类件或管类件所需的空心钢锭，液态金属连续浇入由内外两组结晶器组成的环形空腔中，通过不断抽锭，制备壁厚为100 500mm 的空心坯；(2)空心坯在结晶器内凝固结壳后，通过引锭装置将空心坯拉出结晶器，利用冷却介质水、液氮或气雾对空心坯内壁和外壁同时进行强制冷却，加快空心坯凝固速度，提高空心坯内部组织致密性；(3)在制备的空心坯上切取坯料；(4)在辗环机上对切取的坯料进行径向扩孔和轴向定边，制备出厚壁环类件；或者，在锻压机上对切取坯料进行径向扩孔和轴向拔长，制备出厚壁管类件或筒类件。所述步骤(1)中，采用底漏钢包，通过滑动式或塞杆式水口将熔融的钢液浇入由内外两组结晶器组成的环形空腔中。所述步骤(1)中，采用底漏钢包，通过两个以上均布的浸入式水口进行多点浇注， 将熔融的钢液浇入由内外两组结晶器组成的环形空腔中；钢水充型平稳，减少氧化夹渣的形成与卷入，保证空心坯的纯净化。所述步骤⑵中，空心坯的冷却速度为3 10°C /s，凝固速度为0. 1 5mm/s。所述步骤(3)之后，将切取坯料在锻压机上沿轴线方向压缩坯料，以增大坯料壁厚，为制备厚壁环类和管类件提供足够大的锻造比，锻造比为3 15。所述步骤(4)中，厚壁环类件、管类件或筒类的壁厚为10 200mm、高度为20 8000mm。本发明的有益效果是1、本发明采用内外两层结晶器，实现了厚壁空心钢锭的连铸。2、本发明空心坯连铸装置采用底漏钢包、浸入式水口进行多点浇注，提高了浇注过程的平稳性，保证了金属液的纯净度。3、本发明空心坯连铸装置对空心(连铸)坯内壁和外壁进行强制二次冷却，增大空心坯内部凝固速度，提高组织致密性。4、本发明采用连铸方法生产空心坯，可以提高效率、节约原材料，有益于节能减排。5、一般大直径的厚壁环类件和管类件是利用实心钢锭通过敦粗、冲孔、拔长和扩孔等一系列工序制备而成的，工艺复杂，制造周期长，加热火次多。本发明采用空心坯进行管类件和环类件的生产，去除了敦粗、冲孔等工序，大大缩短了制造周期，仅通过拔长和扩孔工序即可制备大直径管类件和环类件，同时减少了坯料加热次数，实现了高端厚壁环类件和管类件的短流程制造。
图1(a)-(b)为空心坯连铸设备示意图。其中，图1(a)为主视图；图1(b)为图1(a) 的A-A视图。图中，1-底漏钢包；2-金属液；3-浸入式水口 ；4-内外结晶器连接桥；5-外结晶器；6-内结晶器；7-空心坯；8-引锭底板；9-芯部冷却装置；10-水雾冷却装置。图2为空心坯辗环示意图。图中，1-主动辊；2-从动辊；3-空心坯；4-导向辊；5-控制辊；6-锥形辊。图3为空心坯锻造厚壁筒与厚壁管示意图。图中，1-锻压砧；2-马杠；3-空心坯。
具体实施例方式本发明涉及的高端厚壁环类件和管类件的短流程制备工艺具体实施步骤与方式如下1、连铸空心坯的制备如图l(a)_(b)所示，本发明空心坯连铸设备主要包括底漏钢包1、金属液2、浸入式水口 3、内外结晶器连接桥4、外结晶器5、内结晶器6、空心坯7、引锭底板8、芯部冷却装置9和水雾冷却装置10等，具体结构如下底漏钢包1底部设有至少一个浸入式水口 3 (本实施例为3个均布)，浸入式水口 3伸至内结晶器6、外结晶器5之间形成的环形空腔中，内结晶器6和外结晶器5之间通过内外结晶器连接桥4相连。利用浸入式水口将金属液2进行多点浇注，内结晶器6、外结晶器5之间的环形空腔形成空心坯7，空心坯7为环形结构，在空心坯7上端部的外侧设置外结晶器5，在空心坯7上端部的内侧设置内结晶器6，空心坯7的底部设置引锭底板8。该设备在空心坯7内侧和外侧分别设置移动式和流量可调式二次冷却系统水雾冷却装置10 (移动式)和芯部冷却装置9 (流量可调式)，芯部冷却装置9设置在空心坯7 的内侧，水雾冷却装置10设置在空心坯7的外侧。本实施例中，芯部冷却装置9具体采用喷水方式进行冷却形式。本实施例中，外结晶器内径尺寸范围为Φ 1200 2000mm，内结晶器外径尺寸范围为Φ 500 1000mm，本发明空心坯连铸设备可生产壁厚为100 500mm的空心坯。采用本发明所设计的空心坯连铸设备进行空心坯制备。首先将熔炼处理好的钢水浇入底漏钢包内，打开浸入式水口，使钢水平稳充入内结晶器和外结晶器围成的环形腔体内，结晶器迅速将液态金属储备的热量带走，金属液凝固结壳。与传统结晶器类似，连铸过程中内结晶器和外结晶器可实现周期性震动。采用引锭底板将凝固结壳的空心坯拉出结晶器。采用水或气雾对空心坯内外表面进行强制二次冷却，增加空心坯内部冷却速度，实现快速凝固，空心坯的冷却速度为3 10°C /s(优选为5°C /s)，凝固速度为0. 1 5mm/s (优选为2mm/s)。从而，通过连铸技术生产用于厚壁管类件和环类件的空心坯。2、厚壁环类件的生产如图2所示，辗环机主要由主动辊1、从动辊2、导向辊4、控制辊5和锥形辊6等部分组成，空心坯3内侧设置主动辊1，空心坯3外侧分布有从动辊2、导向辊4、控制辊5，空心坯3的一端可增加锥形辊6，进行轴向轧制、定边。 在辗环机上对预制空心坯进行径向扩孔和轴向定边，制备出厚壁环类件。按需要切取一定长度的空心坯，经加热至iioo°c后，在如图2所示的辗环机中对空心坯进行径向扩孔。空心坯壁厚变小的同时直径增大。空心坯3在主动辊1与从动辊2之间辗压，主动辊1旋转并提供动力，带动空心坯3和从动辊2转动。主动辊1不断向从动辊2靠近，空心坯3在主动辊1的压力下被迫变形，壁厚减小，直径增大。导向辊4用于控制空心坯3旋转的方向和角度，保证环形件的圆度。当空心坯3被碾压到一定直径时，控制辊5操纵设备停机，环形件碾压结束。3、管类件和筒形件的生产如图3所示，锻压砧1设置于空心坯3外侧，马杠2设置于锻压砧1内侧。同样，按需要切取一定长度的连铸空心坯。加热至1200°C后，在空心坯3的内孔中穿入马杠2，而后采用锻压机或空气锤对空心坯进行锻压，并不断旋转空心坯3。空心坯 3壁厚减小，直径增大，最终生产出管类件或筒形件。实施例1材料Q345E；空心连铸坯内径500mm ；空心连铸坯外径1200mm ；空心连铸坯切取长度215mm.在锻压机上将以上原坯轴向压缩至150mm左右，将空心连铸坯进行轴向敦粗，以提高厚壁环类件成形过程的压缩比，锻造比为4. 5。然后在辗环机上对预制空心坯进行径向扩孔和轴向定边，进行风塔用环类法兰件生产，环类件成品尺寸如下法兰外径:4500mm ；法兰壁厚100mm;法兰高度140mm;法兰总重2200kg。实施例2材料508111；空心连铸坯内径1000mm ；空心连铸坯外径2000mm ；空心连铸坯切取长度2000mm.；将上述原坯在锻压机上进行径向扩孔和轴向拔长，用于生产核电蒸发器筒体，筒体成品尺寸如下筒体外径4600mm ；筒体壁厚165讓；筒体高度3600mm ；筒体总重32000kg。
权利要求
1.一种厚壁环类件和管类件短流程制备工艺，其特征在于，包括如下步骤(1)采用空心坯连铸技术制备高端厚壁环类件或管类件所需的空心钢锭，液态金属连续浇入由内外两组结晶器组成的环形空腔中，通过不断抽锭，制备壁厚为100 500mm的空心；K ；(2)空心坯在结晶器内凝固结壳后，通过引锭装置将空心坯拉出结晶器，利用冷却介质水、液氮或气雾对空心坯内壁和外壁同时进行强制冷却，加快空心坯凝固速度，提高空心坯内部组织致密性；(3)在制备的空心坯上切取坯料；(4)在辗环机上对切取的坯料进行径向扩孔和轴向定边，制备出厚壁环类件；或者，在锻压机上对切取坯料进行径向扩孔和轴向拔长，制备出厚壁管类件或筒类件。
2.按照权利要求1所述的制备工艺，其特征在于，步骤(1)中，采用底漏钢包，通过滑动式或塞杆式水口将熔融的钢液浇入由内外两组结晶器组成的环形空腔中。
3.按照权利要求1所述的制备工艺，其特征在于，步骤(1)中，采用底漏钢包，通过两个以上均布的浸入式水口进行多点浇注，将熔融的钢液浇入由内外两组结晶器组成的环形空腔中；钢水充型平稳，减少氧化夹渣的形成与卷入，保证空心坯的纯净化。
4.按照权利要求1所述的制备工艺，其特征在于，步骤(2)中，空心坯的冷却速度为 3 10°C /s，凝固速度为0. 1 5mm/s。
5.按照权利要求1所述的制备工艺，其特征在于，步骤(3)之后，将切取坯料在锻压机上沿轴线方向压缩坯料，以增大坯料壁厚，为制备厚壁环类和管类件提供足够大的锻造比， 锻造比为3 15。
6.按照权利要求1所述的制备工艺，其特征在于，步骤(4)中，厚壁环类件、管类件或筒类的壁厚为10 200mm、高度为20 8000mm。
全文摘要
本发明属于高端装备制造领域，具体地说是一种基于连铸空心坯制造技术的高致密、纯净化厚壁环类件和管类件的短流程制备工艺。利用空心坯连铸技术生产厚壁管类件和环类件的原坯，通过辗环机和锻压机来生产制备厚壁环类件和管类件。一般大直径的厚壁环类件和管类件是利用实心钢锭通过敦粗、冲孔、拔长和扩孔等一系列工序制备而成的，工艺复杂，制造周期长，加热火次多。采用该技术制备的空心钢锭具有致密性高和纯净度高的特点，为高端环类件和管类件提供了高质量的原材料。利用连铸空心坯，节省了敦粗和冲孔工序，仅通过拔长和扩孔工序即可制备大直径管类件和环类件，大大缩短了制造周期，减少了加热火次，实现了高端环类件和管类件的短流程制造。
文档编号B22D11/041GK102179487SQ20101050521
公开日2011年9月14日 申请日期2010年10月13日 优先权日2010年10月13日
发明者傅排先, 夏立军, 孙明月, 李依依, 李殿中, 栾义坤, 王佳琪 申请人:中国科学院金属研究所