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宏盛特鋼不銹鋼管及高溫合金管熱擠壓工藝優化流程
發布者:不銹鋼管廠(www.468501.buzz) 發布時間:2020/4/14 閱讀:657

 浙江宏盛特鋼有限公司敘述了擠壓在高端不銹鋼管行業的應用前景,包括高溫合金管、超級奧氏體不銹鋼管雙相不銹鋼管和復合管等。并提出了其在中低端不銹鋼管領域的競爭方式。提出了擠壓工藝的各工步的優化工藝參數及要求,包括坯料準備、環形爐預熱、感應爐加熱、玻璃潤滑、擴孔和擠壓等。針對坯料外表面散熱快及工模具水冷后容易產生裂紋的情況,提出了解決方法。


   熱擠壓作為一種先進的鋼管成形方法早已在發達國家得到了廣泛的應用,是絕大部分企業生產不銹鋼管及高溫合金管的必經工序。但在國內鋼鐵行業的應用直到近幾年才逐漸多起來,然而與斜軋穿孔相比,其所占比例仍然太低,甚至不到十分之一。熱擠壓沒有在國內鋼管生產中得到普遍應用,主要是因為其一次投資大、工序成本高、金屬利用率低等缺點。到目前為止,國內鋼擠壓生產基本上都處于虧損狀態。雖然熱擠壓比斜軋穿孔的產品質量好得多,但目前國內鋼擠壓廠大部分產品都是附加值較低的普通不銹鋼管和合金管,很少生產高附加值的雙相不銹鋼、超級奧氏體不銹鋼、復合管和高溫合金管等。


  然而隨著前幾年美國宣布進入鎳基合金時代,以及美國墨西哥灣大漏油事故后,高溫合金的應用得到了突飛猛進的發展。很多油田不再用13Cr和超級13Cr油井管和油套管,而是改用超級奧氏體不銹鋼254SMO和高溫耐蝕合金UNSN08028、G3等。寶鋼生產的鎳基合金套管已經于去年在川東北成功下井。燃煤電廠為了提高熱效率、減少環境污染而發展的新一代超超臨界發電設備,蒸氣溫度達750℃以上。目前的超超臨界鍋爐再熱器和過熱器用的SUPER304H和HR3C管已經不能滿足要求,而需要用工作溫度更高的高溫合金,如Inconel740H等。此外,隨著國內航空、核電、化工、化肥、造紙、海洋工程等行業的發展,超級奧氏體不銹鋼管、復合管、雙相不銹鋼管等的應用都將得到快速的發展,國內鋼擠壓產品將由低附加值的不銹鋼管和合金鋼管為主的狀態逐漸過渡到以高附加值的高溫合金管、超級奧氏體不銹鋼管、雙相不銹鋼管和復合管等為主的狀態。也許正是看到了這個發展趨勢,近幾年國內在不斷地新增鋼擠壓機。其實除了這些高附加值的、斜軋穿孔不好加工的產品外,有些普通不銹鋼管和合金管用熱擠壓方法生產也可以比斜軋穿孔成本更低。因為熱擠壓方法有兩個斜軋穿孔不具備的優點:熱擠壓產品可以作為成品管交貨,而斜軋穿孔不能;材料延伸系數變化范圍廣,普通不銹鋼擠壓比范圍為5~35,而斜軋穿孔延伸系數一般不超過4。對第一個優點,普通不銹鋼管可以直接擠壓出成品,而斜軋穿孔后至少要兩道次的冷加工,因此采用擠壓法總成本更低;對第二個優點,在生產一些規格特殊的鋼管時,擠壓后一般冷加工一個道次即可,而斜軋穿孔后要很多個冷加工道次,如生產外徑51mm、壁厚11mm、材質TP347H的鍋爐管時,擠壓后只需冷軋一個道次,而斜軋穿孔后需要5個道次以上。因此,采用擠壓法總成本低得多,質量也更好。


   綜上所述,國內鋼擠壓市場前景是非常光明的。然而近期鋼擠壓機的快速擴張對技術儲備將是一個不小的考驗,即使有大量的高附加值的訂單,如果不能用合理的工藝方式降低生產成本、提高產品質量,企業也必將被市場淘汰。不銹鋼管及高溫合金管熱擠壓工藝流程不銹鋼管及高溫合金管熱擠壓工藝流程見圖。

 

1. 坯料準備

   管坯進廠后應機械加工成如圖所示的坯料。內外表面及左端面表面粗糙度Ra應不大于1.6微米,外表面如有接刀紋等缺陷應人工磨去,缺陷處光滑過渡,內表面缺陷應通過鏜孔方式去除。內外表面圓心偏差應小于0.3mm,右側內孔倒角兩端應以圓弧光滑過渡,倒角F應與擴孔錐匹配或稍大于擴孔錐錐角的1/2。倒角端面開口直徑一般應稍大于擴孔錐工作直徑,當然在擴孔容易進行且擴孔錐容易分離的情況下,為了節省金屬并減少倒角工作量可適當減小開口直徑。左端外圓倒角R根據不同規格坯料取15~30mm。鉆孔直徑需要根據擴孔直徑及坯料外徑確定,一般在不顯著增加擴孔難度的情況下應選擇更小的鉆孔直徑,以提高金屬利用率。在生產小規格鋼管時,如果直接鉆孔至擠壓機所需要的坯料內徑而不會顯著降低金屬利用率時,可以直接鉆孔至擠壓機所需坯料內徑,省去一次感應加熱、一次玻璃潤滑和擴孔等步驟。坯料加工質量對產品質量有很大影響,需要嚴格控制。


2. 環形爐預熱

  為了降低能耗、降低設備一次投資、減少坯料高溫下氧化程度、獲得理想的加熱效果,擴孔前的坯料加熱一般分兩步進行,包括環形爐預熱和一次感應加熱。環形爐預熱溫度一般為750~850℃,在這個溫度下,不銹鋼和高溫合金還沒有顯著氧化。環形爐預熱應有足夠的保溫時間,使坯料加熱均勻,在一次感應爐快速加熱時不容易產生裂紋。


3. 一次感應加熱

   坯料經環形爐預熱進入一次感應爐后應快速加熱,減少坯料表面氧化,并提高感應爐利用效率。為了降低快速加熱過程中產生的內應力,除了環形爐預熱后坯料溫度應該均勻外,還應采用較低的感應加熱頻率,使透熱深度較深,坯料內部溫度梯度較小。加熱頻率的選擇一般應使透熱深度達到坯料厚度的1/3~1/2。頻率太高,將產生較大的溫度梯度或延長加熱時間,降低熱效率;頻率太低,會降低電效率。一次感應加熱的溫度視具體材質而定,一般為1050~1200℃。坯料加熱到目標溫度后應采用較短的保溫時間,使坯料內部溫度低于外部溫度。因為如果坯料加熱均勻,出一次感應爐至擴孔前其外部會快速散熱,而內部散熱很慢,再加上擴孔筒對坯料的吸熱作用,擴孔時坯料外部溫度將遠遠低于內部溫度,坯料溫度嚴重不均。由于溫度差異造成內外層變形抗力相差很大,擴孔時內外層流動速度相差較大容易產生裂紋。為了彌補坯料外表面快速散熱,一次感應加熱一般采用較高加熱溫度,同時縮短保溫時間,讓坯料內部溫度低于外部溫度,使擴孔時坯料內外部溫度基本一致。同理,為了彌補坯料端面快速散失的熱量,圖所示的坯料右端加熱溫度應該比基體溫度更高,由于擴孔過程坯料會有溫升,因此其左端溫度不需比基體溫度高。


4. 一次玻璃潤滑

   鋼擠壓的發展一直受到潤滑問題的限制,直到1941年,Sejournet和尤金電爐鋼公司合作,采用玻璃作為潤滑劑,才得到快速發展,足以證明玻璃潤滑的重要性。其實玻璃除了潤滑作用外,還有坯料保溫、防氧化作用,并避免與坯料直接接觸的工模具表面快速升溫。一次玻璃潤滑方式為:先讓坯料在潤滑臺上旋轉,玻璃粉槍伸入坯料內孔并將玻璃粉傾倒至坯料內孔,玻璃粉槍開口長度應不小于坯料長度,使坯料內孔整個長度范圍均能灑上玻璃粉,然后通過坯料的旋轉使玻璃粉涂滿其內孔。內孔涂完后,再讓坯料滾過鋪上玻璃粉的潤滑臺,使外壁涂滿玻璃粉。玻璃粉槍灑玻璃粉至坯料內孔只是坯料內孔潤滑的一個輔助作用,因為將坯料立起放置于擴孔筒內時,玻璃潤滑劑由于重力的作用將流失不少。因此,將坯料放入擴孔筒后,還應再次添加潤滑劑,添加方式為:先用玻璃纖維棉團揉緊后堵住坯料內孔,再用人工方式將玻璃粉灑在坯料上端內孔倒角處,整個倒角面均應灑上玻璃粉。如果倒角端面開口直徑小于擴孔錐,則坯料上端面擴孔錐直徑范圍內也應灑上玻璃粉。玻璃粉的種類選擇也非常關鍵,玻璃粉的軟化點一般應比加熱溫度低200~300℃。


5. 擴孔

   在擴孔工序,坯料預先鉆的孔將擴大成擠壓所需要的、內孔比擠壓針直徑大7~20mm的通孔。擴孔直徑如果過小,坯料進入擠壓機時將懸掛在擠壓針上,或其內孔玻璃粉將被擠壓針刮去,擠壓時由于局部無潤滑劑而被撕裂。過去常用的穿孔方式,由于穿孔后坯料同心度較差,穿孔質量不佳,因此不推薦使用。為了方便將擴孔后的坯料頂出,擴孔筒內孔應有一定錐度,上端內徑一般比下端大2mm即可。裝料時為了不刮去坯料外表面玻璃潤滑劑,擴孔筒內孔上端應有倒角,倒角處以曲率半徑不小于20mm的圓弧過渡。擴孔筒使用前應預熱至380~430℃。擴孔錐的錐度應達到50度以上,并且在擴孔容易進行的范圍內盡量加大錐度。因為加大錐度不僅能減小擴孔錐尺寸,降低其成本,而且可以降低坯料倒角加工量,減少金屬消耗。目前國內在擠壓一些大口徑鋼管時,坯料倒角所產生的金屬消耗非常可觀。擴孔針的直徑比擴孔錐直徑小5mm以上,因為擴孔時內孔金屬流過擴孔錐后會有一定的回彈,如果擴孔針與擴孔錐間隙不夠大,金屬將與擴孔針接觸,使擴孔針外表面粘鋼。擴孔筒內部支撐坯料的剪切環支座應與圖2所示坯料左側匹配,使擴孔后坯料仍能保持原有的圓角。擴孔錐在使用前應該預熱,為避免擴孔后擴孔錐溫度不會超過其材質所允許的工作溫度,一般預熱至100℃左右即可。由于一般的模具鋼在高溫下立即用水冷卻后容易產生裂紋,擴孔錐使用后應自然冷卻。為了與工作周期匹配,可用多個擴孔錐循環使用。


6. 高壓水噴射

 坯料擴孔后內外表面被熔融的玻璃所覆蓋,為了不影響二次感應爐測溫,應用高壓水噴射方式將坯料外表面的玻璃除去。


7. 二次感應加熱

  坯料擴孔并經高壓水噴射后,溫度已經低于擠壓所需溫度,因此還要用二次感應爐補溫。二次感應加熱時,由于坯料壁厚更薄、溫度更高,可以用較高頻率快速加熱,加熱溫度應保證整個擠壓過程坯料溫度均在材料的塑性區,一般為1100~1250℃。加熱后坯料溫度分布應類似于一次加熱,即外熱內冷、與擠壓模接觸端溫度更高。如能保證獲得更高的溫度,與擠壓模接觸端最好在二次感應爐底部,因為此端面平直度及垂直度更好,坯料可以很容易的立在二次感應爐中心位置,并與爐膛中心線保持較好的平行度。此外,即使通過上述處理,擠壓時坯料外表面溫度還是要顯著低于內部,由于擠壓延伸系數比擴孔大得多,擠壓產品質量對坯料溫度均勻性更加敏感。外表面溫度低會影響鋼管外表面質量。為了更進一步減小擠壓時坯料內外溫差,還應采取兩個措施:縮短二次感應爐至擠壓機之間的距離,提高輥道和二次潤滑臺工作速度;在二次感應爐至二次潤滑臺之間輥道上安裝保溫罩,減少坯料外部溫降。


8. 二次玻璃潤滑

   坯料內外表面的二次潤滑與一次基本一樣,只是不需要再用人工方式補充潤滑,因為坯料二次潤滑后不需要再立起。與一次潤滑不同的是,坯料與擠壓模之間還應放置一個玻璃墊,幾乎整根坯料都要流過擠壓模形成鋼管,需要玻璃墊在整個擠壓過程中持續地提供潤滑劑。


9. 擠壓

   擠壓是整個工序最重要的步驟,他將擴孔后的管坯擠壓成所需規格的鋼管。坯料進入擠壓筒時,外圓有圓角的端面應朝擠壓模側。跟擴孔筒一樣,擠壓筒內孔坯料進入端也應有倒角,倒角兩端也以曲率半徑不小于20mm的圓弧過渡。與坯料直接接觸的工模具均應預熱,包括擠壓模、擠壓針、擠壓筒和擠壓墊。預熱溫度分別應為100~250、200~300、350~450、200~300℃。除擠壓針外,其余工模具均不宜水冷,擠壓模和擠壓墊可通過多件循環使用的方式達到降溫的目的,擠壓筒在擠壓空歇期可自然冷卻至適宜溫度。擠壓針應采用內冷,冷卻水溫度60~80℃。


   擠壓速度不宜太低,除粉末高溫合金外,一般應以200~400mm/s的速度擠壓。因為坯料溫度太高,如果擠壓速度很低,擠壓時間長,擠壓模表面溫度可能會超過工作溫度,同時制品外表面也會因玻璃膜太厚而變得粗糙。當然對加工溫度區間比較窄的材質,要注意擠壓溫升的控制。當產品規格確定時,在設備能力范圍內,應盡量使用較大的擠壓筒,因為擠壓筒規格越大,擠壓比就越大,產品組織和性能均勻性更佳,同時生產效率和成品率都能得到提高。


   不銹鋼管是工業的血管,高端不銹鋼管材更是許多高端工業技術發展的基礎。中國要由工業大國變成工業強國,必須要有自己的高端管材生產技術,而高端管材的生產是離不開擠壓技術的。從另一方面來說,高端管材擠壓技術的發展,又將促進高端工業技術的實現,縮短由工業大國轉變成工業強國的進程。

 

 

 
 

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