電渣重熔管坯技術(shù)在大口徑厚壁管生產(chǎn)中的應(yīng)用

電渣重熔管坯技術(shù)在大口徑厚壁管生產(chǎn)中的應(yīng)用

近年來，隨著我國高壓鍋爐、發(fā)電廠、石油、天然氣等行業(yè)的快速發(fā)展，用戶對厚壁管的需求不斷增加。中國自2003年以來一直是制造和消費(fèi)最大的行業(yè)，但在上述規(guī)格品種中，中國的生產(chǎn)和消費(fèi)能力一直難以滿足市場的需求。特別是大口徑和厚壁縫較大。國內(nèi)只能生產(chǎn)各種大口徑和厚壁縫，直徑約為10萬噸，這是8萬噸的一部分。目前，中國很少有制造直徑小于1200mm的極端和極端熱態(tài)的鍋爐行業(yè)。據(jù)國內(nèi)公司介紹，即使外國公司能夠接受分配，而且高昂的運(yùn)輸期應(yīng)該在一年后完成，價格也非常高。大口徑厚壁管道的生產(chǎn)必須打破國外限制的差距。1生產(chǎn)難點(diǎn)及工藝難點(diǎn)大直徑厚壁管的生產(chǎn)與一般結(jié)構(gòu)鋼管比較有如下幾個突出的難點(diǎn):1)周期長;2)投資大;3)生產(chǎn)工序多,工藝復(fù)雜;4)檢測項(xiàng)目多,要求嚴(yán).目前生產(chǎn)方法主要有鍛造鏜孔、鑄造成形、自由鍛、卷制焊接成形、電渣重熔幾種.1.1鑄造銑孔的技術(shù)性能采用鍛造鏜孔生產(chǎn)大口徑厚壁管的主要工藝流程是:電爐冶煉→鍛造→鍛啟退火→粗加工→熱處理→精加工→檢驗(yàn)→交驗(yàn)入庫.鍛造鏜孔的示意見圖1.采用鍛造成型的最大特點(diǎn)是鍛件金屬始終在軸的水平和垂直方向交變受力并均勻變形延伸.成形后經(jīng)過熱處理,縱橫向性能差異較小,有利于工件的彎曲成型.而軋制件和熱擠壓件金屬在軋制和熱擠壓過程中始終沿軋制和擠壓方向變形延伸,纖維方向較為明顯,縱橫向性能差異較大.表1是12CrlMoVG鋼鍛造鏜孔管(內(nèi)蒙古北方重工集團(tuán)公司制造)與軋制的國外同類產(chǎn)品性能對比,可見,采用鍛造鏜孔技術(shù)生產(chǎn)的鋼管除沖擊功與進(jìn)口鋼管有較小差異外,其他性能與進(jìn)口鋼管性能相當(dāng).管壁較厚是鍛造鏜孔技術(shù)的優(yōu)勢,但一般整個鍛造過程需要2～3次回爐,另外該法的成材率基本在50%左右,使得生產(chǎn)成本非常高.1.2鑄造銑孔法鑄造缺陷因?yàn)楹癖诠転樾螤詈唵蔚膶ΨQ件,且壁厚均勻,采用鑄造的方法生產(chǎn)厚壁管的工藝是極為簡單的,其鑄造原理如圖2所示.用鑄造的方法生產(chǎn)厚壁管不需要大型設(shè)備,生產(chǎn)成本會低于鍛造鏜孔法.但是,鑄造缺陷和組織難以滿足性能要求.采用鍛造鏜孔法生產(chǎn)厚壁管,總鍛造比可達(dá)4以上.這樣,鑄錠經(jīng)高鍛造比的塑性變形后,其內(nèi)部的氣孔、縮松等被鍛合.金屬內(nèi)部的脆性雜質(zhì)被打碎,順著金屬主要伸長方向呈碎粒狀或鏈狀分布,塑性雜質(zhì)隨金屬變形沿主要伸長方向呈帶狀分布,從而使組織致密、晶粒細(xì)化,力學(xué)性能提高.盡管鑄造法設(shè)備簡單、生產(chǎn)成本低,但其鑄造缺陷難于避免.1.3加內(nèi)孔的大鋼錠和大u-壓力機(jī)采用自由鍛的方式也很容易生產(chǎn)厚壁管.但是,由于管子較長且內(nèi)徑不大,因而內(nèi)孔直徑很難鍛出,這樣就只好鍛成實(shí)心棒材再機(jī)加內(nèi)孔.對于大口徑厚壁管而言,這種材料上的浪費(fèi)是極大的,自由鍛必不可少的大余量也加劇了這種浪費(fèi),這種方法也極大地增加了機(jī)加工成本,更為重要的是由于材料利用率極低而不得不使用大鋼錠和大噸位壓力機(jī),這又使得生產(chǎn)困難且產(chǎn)品性能難以保證.1.4鋼管-鋼管焊縫用卷板機(jī)對板料進(jìn)行卷制也可得到各種壁厚的鋼管,這種方法生產(chǎn)鋼管工藝比較簡單.它無需專用模具,只需恰當(dāng)?shù)卣{(diào)整三輥間的距離即可成形所需管徑,若彎曲力不足,則實(shí)行熱卷.此法材料利用率較高,缺點(diǎn)是不能生產(chǎn)無縫鋼管而只能生產(chǎn)有縫鋼管,此縫隙可通過后續(xù)焊接來縫合.雖說現(xiàn)代焊接長大縫隙技術(shù)在不斷的提高,但是,很難保證焊縫處性能與本體性能相一致.因?yàn)槌惺芨邏毫黧w的管道的危險截面是縱向截面,卷制鋼管的焊縫又恰好為縱向,所以,承受高溫高壓的管件一般不用卷制鋼管.1.5電渣重熔管坯生產(chǎn)的研究上世紀(jì)70年代,烏克蘭巴頓電焊研究所在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)開始電渣重熔管坯技術(shù)的開發(fā),電渣重熔管坯技術(shù)的原理如下.圖3中(a)為最初的實(shí)驗(yàn)方法,芯棒的速度和金屬液面的位置難于控制,另外管坯的長度也受到芯棒長度的限制,所以沒有得到很好的發(fā)展.圖3中(b)為改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)方法,管坯的長度不在受芯棒長度的限制,雖電極制作較為復(fù)雜,但其產(chǎn)品質(zhì)量保持著電渣產(chǎn)品的特性,生產(chǎn)成本相對于鍛造鏜孔法要低得多.圖3中(c)為目前正在實(shí)施的方法,管坯的長度不在受芯棒長度的限制,電極制作難度相對有所改善.圖4中為采用電渣重熔法生產(chǎn)出的幾種規(guī)格的管坯.通過對鍛造鏜孔法、鑄造成形法、自由鍛造法、卷制成形法和電渣重熔法幾種生產(chǎn)大口徑厚壁管方法,從生產(chǎn)成本和產(chǎn)品質(zhì)量角度的比較分析可以認(rèn)為,電渣重熔管坯技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用前景和經(jīng)濟(jì)價值.2電渣連鑄/重熔管坯技術(shù)2002年,在結(jié)合電渣重熔和連鑄技術(shù)優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上,我們先后采用結(jié)晶器導(dǎo)電技術(shù)、雙極串連、交換電極、T型結(jié)晶器、液位檢測等技術(shù)開發(fā)了“電渣連鑄”新技術(shù),經(jīng)過近8年的努力,目前該技術(shù)已經(jīng)成功轉(zhuǎn)化為工業(yè)生產(chǎn)力.在電渣連鑄技術(shù)的基礎(chǔ)上,借鑒烏克蘭實(shí)驗(yàn)室內(nèi)生產(chǎn)管坯電渣爐的經(jīng)驗(yàn),我們計劃開發(fā)電渣重熔管坯技術(shù),解決厚壁管生產(chǎn)成本高的問題.2.1生產(chǎn)原理及設(shè)備設(shè)計在內(nèi)結(jié)晶器、外結(jié)晶器和引錠裝置構(gòu)成的環(huán)形空間中加入液態(tài)爐渣,將自耗電極的端部插入其中.當(dāng)多支并聯(lián)的自耗電極、爐渣、底水箱通過短網(wǎng)與變壓器形成供電回路時,便有電流從變壓器輸出通過液態(tài)熔渣,使自耗電極的端部被逐漸加熱熔化,熔化的金屬穿過渣池進(jìn)入金屬熔池,因結(jié)晶器中心裝有水冷內(nèi)結(jié)晶器,液態(tài)金屬逐漸凝固成管坯鋼錠.當(dāng)管坯鋼錠達(dá)到一定高度后,開始抽錠.抽錠速度與自耗電極的熔化速度相匹配,結(jié)晶器內(nèi)鋼水液面位置通過鋼水液面檢測裝置進(jìn)行監(jiān)測.其生產(chǎn)原理及設(shè)備設(shè)計簡圖如圖5、圖6.2.2重鉻管的一些技術(shù)(1)鋼錠盤的尺寸為了提高充填比減少電極長度,外結(jié)晶器需要設(shè)計成T型,即電極熔化部分結(jié)晶器直徑大于鋼錠成型部分,內(nèi)結(jié)晶器設(shè)計為直桶形.為了減少漏鋼漏渣,內(nèi)外結(jié)晶器需要帶有合適的錐度.目前我們設(shè)計的幾種鋼錠斷面尺寸為Φ900/Φ200mm、Φ900/Φ400mm和Φ650/Φ450mm.(2)其他電源對結(jié)晶器渣池供電加載在交換電極時渣溫急劇下降,導(dǎo)致鋼錠表面形成渣溝較深.為了保持交換電極期間渣溫不會急劇下降,需要采用另外一路電源對結(jié)晶器渣池供電加溫.該電源在正常重熔階段也可作為輔助電源供電,鋼錠的表面質(zhì)量會有所改善.(3)問題的重熔控制由于電極較長、較細(xì),鋼錠較長,另外形成的閉合回路包圍面積較大,根據(jù)以往的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)短網(wǎng)壓降會很大,往往在重熔后期會出現(xiàn)變壓器功率不足現(xiàn)象.為解決該問題擬采用平行布線和同軸導(dǎo)電技術(shù).(4)傲慢電極為多支并聯(lián)的小直徑電極棒,在T形結(jié)晶器內(nèi)很難實(shí)現(xiàn)固渣啟動,所以應(yīng)事先在化渣爐內(nèi)化好適量的液態(tài)爐渣倒入結(jié)晶器內(nèi).(5)金屬粉內(nèi)電渣的重熔觀檢測在使用T形結(jié)晶器的抽錠電渣重熔技術(shù)中,金屬液面位置的控制尤為關(guān)鍵,液位過高會出現(xiàn)鋼錠拉斷的現(xiàn)象,液位過低時常出現(xiàn)漏鋼漏渣等問題.國內(nèi)連鑄技術(shù)中近年來普遍采用射線法檢測結(jié)晶器內(nèi)金屬液面,在管坯電渣重熔中也可使用射線法.根據(jù)我們的經(jīng)驗(yàn),因?yàn)槿刍俣容^慢,設(shè)計精度達(dá)到±5mm就能夠滿足技術(shù)要求.(6)引用軸的初始連接液態(tài)熔渣倒入結(jié)晶器后便在引錠底板上凝固成渣殼,影響鋼錠與引錠底板之間的連接,這將會成為一個要重點(diǎn)解決的技術(shù)難點(diǎn).(7)鋼錠與結(jié)晶器渣殼破碎與傳統(tǒng)電渣重熔技術(shù)不同的是鋼錠與結(jié)晶器之間存在相對運(yùn)動,如