双金属锅炉水冷壁管组件的制造设备与方法

技术领域  本发明涉及一种无切削金属机械加工方面的金属复合领域， 尤其是指一种铸造铁基高铬、高钒、高铝、高镍耐磨耐蚀耐高温复合双金属 锅炉水冷壁管组件的设备与方法。在国际专利分类表中应该分为B21大类。

背景技术  火电厂煤粉式、硫化床式锅炉″四管″即水冷壁管、过热器管、 再热器管、省煤器管受热面高温腐蚀和颗粒磨损严重，一直是电力系统普遍 存在的严重问题，它的直接危害主要表现在以下两个方面：(1)使管壁减薄，据 统计一般每年减薄量约为1mm左右，严重的可达5～6mm年，形成安全运行 的严重隐患，增加了电厂的临时性检修和大修工作量，给电厂造成很大的经济 损失。2004年兰州窑街煤电有限公司劣质煤热电厂技术招标：三台130吨/ 小时循环硫化床锅炉运行以来，急需解决以下技术问题：1、炉膛水冷壁密 相区以上1.5m范围内磨损爆管，炉子最长运行时间72天就被迫停炉，处理 水冷壁磨损爆管时间最少需一周，停炉损失每次约5--10万元。特别是硫化床 式锅炉，化学、颗粒腐蚀更加严重，锅炉安全运行90天，厂家就十分庆幸。.(2) 发生水冷壁突发性爆管事故，造成紧急停炉抢修，不仅打乱了电厂的正常发电 秩序，减少发电产值，而且增加了工人劳动强度和额外的检修费用，直接影响企 业效益，同时也干扰了地区电网的正常调度，影响当地工农业生产，由此也造成 了很大的社会影响。据中国热喷涂网站(www.tsol)文章“火电厂锅炉水 冷壁管防腐耐磨研究”。目前，解决的技术方案是：一、水冷壁管表面普通 电弧喷涂及超音速电弧喷涂合金粉末技术，来解决水冷壁管磨损，起到了保 护水冷壁管寿命的作用，对修旧维护水冷壁管是一个好的方法。但是成本高、 涂层薄、表面不均匀，现场操作工艺复杂，不方便。二、各种陶瓷涂料的喷 涂。起到了防护水冷壁管的作用，缺点是由于陶瓷材料热传导系数低，减少 了锅炉的热效率。

发明内容  锅炉水冷壁管件材料大多选用低碳钢或低碳合金钢，主要是 管件易焊接、承压能力强，缺点是碳化物少、硬质相少，不耐磨损。水冷壁 管材料含碳量超过0.4％，极不易焊接。本发明目的在于：针对已有技术的 不足，提供一种生产设备简单、操作简便、投资比较少的铸造双金属水冷壁 组件的一种设备与方法。主要目的利用低碳钢或低碳合金钢易焊接、承压能 力强的优点，利用铁基高铬、高钒、高铝、高镍耐磨耐蚀耐高温铸铁合金材 料与水冷壁管件铸造复合在一起，形成复合水冷壁组件，组件从单管1×N 个任选，在锅炉生产厂进行焊接组装，从根本上解决水冷壁的磨损状况。本 发明彻底改变了原始锅炉水冷壁及其它管道的生产设计工艺。一次性铸造复 合了高耐磨耐腐蚀耐高温复合材料，根据要求管壁厚度任意选择。水冷壁管 界面与表面合金原子相结合(在显微镜下观察)，由于合金体系热传导系数 高，水冷壁组件双面复合耐磨金属，正反两面使用，使水冷壁成倍的提高寿 命，当单面水冷壁管磨损严重时，可以反向使用，实际等于一台锅炉当作两 台使用，大大降低企业成本，提高锅炉安全使用，可节约大量钢材。

本发明目的方法是通过下述两种设备方案实现的：设备一、外感应加热 方式。设备二、内电阻加热方式。两种方法都能实现本发明目地一双金属锅 炉水冷壁管组件。所述的铸造双金属水冷壁管组件共同设备包括模具(4)、 浇铸口(6)，在所述模具(4)的上面设有排气孔(5)，主要特点在于：所述模 具(4)为中空的长方随管弧型体，可单管或多管连铸，模具(4)由左、右砂箱 组成，模具结构分别能放置一件或多件需复合的钢管(3)在所述模具(4)的 一侧设有一组浇铸管道(12)，所述一组浇铸口(6)连接到浇铸管道(12)的外 口上，在所述模具(4)的上面设置一组惰性气体输入孔(13)，铸造时可当排 气孔，在所述惰性气体输入孔(13)的外口上连接惰性气体输入管道(8)，在 所述模具(4)的内侧对应有一个或多个所需复合金属型腔(7)。

设备一、外感应加热方式模具，在所述模具(4)的外侧面绕有感应线圈 (2)，所述设备有一个感应电源(1)，所述感应电源(1)的两个输出端连接所 述的感应线圈(2)的两端。

设备二、内电阻加热方式模具(4)钢管(3)内侧设置了电阻加热装置 型蕊(16)，它由一组或多电阻丝或硅碳棒、硅钼棒组成，外面由耐火材料所 包埋；所述设备有一个加热电源(14)，所述电源的两个输出端导线(15)连 接所述电阻加热装置(16)的两端。

在具体实施例中设备一所述的感应电源(1)为工频、中频、高频感应电 源。设备二所述的电源(14)为交流电源、直流电源。

所述的模具(4)的材料为耐高温的高强度非金属材料。设备一模具为非 金属耐火材料，设备二模具可用金属材料或非金属耐火材料制造。

所述的钢管(3)为普通碳钢和低合结钢，实施例中所述的普钢管几何 尺寸长6000mm×∮20mm-∮400mm。

所述的高合金双金属水冷壁管组件是由本发明采用一次性铸造工艺制 成，有典型的铸造特征，铸造前加热钢管。实施例中复合钢管组件合金层(9) 的几何尺寸为长200mm-6000mm×宽200mm-3000mm×厚度3mm-30mm。合金材 料成份为铁、镍基大量材料和中量铬、锰、钨、钒、铝材料和少量碳、硅、 硼、钛材料组成，含碳量0.5-3.8％。

在所述模具(4)内外部，设备一、外部设有感应线圈(2)材料为铜。设 备二、内加热电阻装置型蕊(16)安放在钢管(3)内，根据需求可单组多 组使用，加热源可用电阻丝或硅碳棒、硅钼棒组成加热棒，外面由耐火材料 所包埋，根据所铸造钢管内径设计相应加热棒，材料为非金属材料。

所述的铸造双金属水冷壁钢管组件的方法，其主要特点在于：

1)设备方法一、通过设在模具(4)的端面上预留的所需复合钢管型材 (10)(11)的中心上放置钢管(3)两头露出原钢管，模具(4)的设计可单 管铸造或多管连铸，多管连接处为合金(18)。设备方法二、通过设在模具 (4)的上下(10)、(11)端面上预留置放口置放钢管，所需复合钢管(3)的中 心上放置内加热电阻型蕊(16)起到加热钢管作用。把一组钢管或多组钢管 (3)插入模具(4)中，在钢管(3)与模具(4)之间形成所需要复合金属型腔(7)， 在所述的模具(4)之间形成气密封；

2)通过一组惰性气体输入管道(8)和惰性气体输入孔(13)，把惰性气体 输入到所述的钢管外壁型腔(7)内，从排气孔(5)排去复合合金型腔(7)内的 空气，一直到惰性气体充满复合合金型腔(7)；

3)用设备方法一启动感应电源(1)，通过设置在模具(4)外感应线圈(2) 模具内的钢管(3)加热到高温。用设备方法二启动交流、直流电源(14)通 过导线(15)连接电阻接头(17)加热设置在模具(4)中心的钢管(3)到 所需要的温度；

4)通过模具(4)一侧的浇铸口(6)和浇铸管道(12)把所需复合合金液体 浇铸到钢管外壁型腔(3)两侧合金型腔(7)内，一直到合金液体充满合金型 腔(7)，合金液体与型材钢管(3)结合为一体，形成双金属钢管，浇铸合金液 体时形成的多余物从对应的两个排气孔(5)排出；

5)停止浇铸复合合金液体、关闭设备方法一、感应电源(1)、关闭设备 方法二、交流、直流电源(14)关闭停止输入惰性气体；

6)缓慢冷却到常温后，把模具(4)与双金属钢管分离，把双金属钢管排 放整齐。

在具体实施例中，所述的高温为400-1250℃。实践中使用温度为1100 ±50℃

所述的惰性气体为氩气。这里选择氩气主要是因为其价格比较便宜、投 资比较小的原因，当然也可以选择He、Ne、Kr、Xe等气体。

由于本发明采用上述技术方案，所述铸造设备相当简单，其操作方法也 非常简便，调整模具每次生产单组多组复合钢管，增加模具可进行机械化连 续生产。投资有了较大幅度的下降，因而使双金属钢管的制造成本大为降低， 更为重要的是：使用本发明所制造的双金属钢管组件用锅炉“四管”质量有 了显著的提高，延长锅炉寿命。

附图说明及实施例

下面结合附图和实施例进一步说明，其中：

附图1是利用本发明两种设备方法所制造的产品——双金属复合钢管组件的 构造示意图。

附图2是铸造双金属钢管的设备方法一、外感应加热方法设备的结构图。

附图3是设备方法一、外感应加热方法插入型材钢管(3)准备进行铸造双 金属钢管时的设备的结构图。

附图4是铸造双金属钢管的设备方法二、电阻内加热设备的结构图。

附图5是设备方法二、内电阻加热插入钢管(3)，准备进行铸造双金属钢管 时的设备的结构图。

附图1是双金属的钢管构造示意图，它是利用本发明两种方法所制造的 产品。

为了便于理解本发明，特在此绘出。在该附图中可以看到，双金属由两部分 组成：钢管(3)和复合合金(9)。其中，复合双金属钢管是由合金液体浇铸 而成，多管组之间由合金连接(18)是本发明的一个突出的特点。这是本发 明和已有技术的重大区别之一：所述钢管取材于型材；而已有技术是等离子 堆焊及喷涂各种金属和陶瓷材料。上述区别显示出本发明具有下述优点： 第一 选用现成的型材作复合基体，钢管长度及直径可随意选择，钢管外壁 合金层厚度也可随意选择，从根本上解决锅炉管耐蚀耐磨现象，多管组件宜 于安装，正反两面使用提高锅炉使用寿命；第二 一次性铸造工艺与粉、 丝喷涂方法相比提高几倍生产速度，省去喷涂方法制粉制丝工艺，生产成本 降低，价格便宜。

附图2是铸造双金属钢管的设备方法一、外感应加热方法设备的结构图。

从该附图中可以了解本发明的结构特征。在附图2中可以看到：1感应电 源、2感应线圈、4模具、7复合合金型腔、6浇铸口、5排气 孔、11进气口、8惰性气体输入管道、10钢管上下对称放置蕊口、13 耐高温型蕊、12浇铸管道、8惰性气体输入管道。从附图中可以看到模 具(4)是一个重要部件，该部件由左、右两部分组成，在所述模具(4)的上面 设有两组排气孔(5)，所述模具(4)为中空的长方随管弧型体，在所述模具(4) 的下侧两端设有浇铸管道(12)，浇铸口(6)连接到浇铸管道(12)的外口上， 在所述模具(4)的上面设置两组惰性气体输入管道(8)，在所述惰性气体输入 孔(13)的外口上连接惰性气体输入管道(8)。在所述模具(4)的内侧有复合合 金型腔(7)，钢管(3)插入上下对称放置口(10)(11)中心放置好单组钢管 或多组钢管(3)长200mm-6000mm×∮20-400mm，所述的复合合金型腔(7)正好 是用于浇铸钢管的空间。在该附图中还可以看到，所述设备有一个感应电源 (1)，所述感应电源(1)的两个输出端连接所述的感应线圈(2)的两端。所述 的感应电源(1)为工频、中频、高频感应电源。至于感应电源，则属于已有 技术，此处不再赘述。

所述的模具(4)的材料为耐高温的高强度的非金属材料也可用金属材 料。

附图3是设备方法一、外感应加热方法插入型材钢管(3)准备进行铸 造双金属钢管时的设备的结构图。当进行铸造双金属复合管时，第一步工序 是：通过设在模具(4)的左、右端面上预留的复合合金型腔(7)，中心部位设 置钢管(3)(上述两放置口可以从附图2中清楚地看到)，插入到模具(4)中， 型材钢板(3)插入的位置要满足预定的双金属复合板的尺寸的要求。完成上 述这一步之后，就可以实现两个目的：第一在钢管(3)与模具(4)之间形成两 组复合合金型腔(7)，为浇注合金复合作好了准备；第二在所述的钢管(3) 之间形成气密封(结合附图1和附图2一起看)，这就为第二步工序作好准备。

第二步工序是：

通过惰性气体输入管道(8)和惰性气体输入孔(13)，把惰性气体输入到 所述的复合合金型腔(7)内，从排气孔(5)排去复合合金型腔(7)内的空气， 一直到惰性气体充满复合合金型腔(7)后，即为第三步工序作好准备。

第三步工序是：

启动感应电源(1)，感应线圈(2)把设置在模具(4)内的型材钢管(3)加热 到所需高温。在加热钢管(3)时，惰性气体一直在通着。也即是说：在惰性 气体的保护下加热钢管(3)这可以防止钢管(3)氧化。当加热到高温后，即为 第四步工序作好准备。

第四步工序是：

通过浇铸口(6)和浇铸管道(12)把溶炼好的复合合金液体浇铸到模具 (4)两侧合金型腔(7)内，一直到合金液体充满复合合金型腔(7)。此时， 合金液体分别与钢管(3)结合为一体，形成双金属钢管。浇铸合金液体时形 成的多余物(包括浇铸时形成的残渣、蒸汽等)从排气孔(5)排出。在浇铸过 程中，惰性气体在通着，钢管(3)一直加热在高温状态。在合金液体充满两 组复合合金型腔(7)后，即为第五步工序作好准备。

第五步工序是：

停止浇铸合金液体、关闭感应电源(1)、停止输入惰性气体。然后进一 步完成第六步工序。

第六步工序是：

缓慢冷却到400℃以下或常温后，把模具(4)与双金属钢管分离(模具由 左、右两部分组成，可以方便地分开)，把复合好的双金属钢管排放整齐。

附图4是铸造双金属钢管的设备方法二、电阻内加热设备的结构图。

本发明目的方法二，是通过下述技术方案实现的：所述的铸造双金属钢 管的设备包括模具(4)、浇铸口(6)，在所述模具(4)的上面设有排气孔(5)， 主要特点在于：所述模具(4)为中空的长方体随管弧型体，由左、右两部分 组成，在所述模具(4)的一侧设有浇铸管道(12)，所述浇铸口(6)连接到浇铸 管道(12)的外口上，在所述模具(4)的上面设置惰性气体输入管道(8)，铸造 时可当排气孔，在所述惰性气体输入孔(13)的外口上连接惰性气体输入管道 (8)，在所述模具(4)的内侧对应有所需复合金属型腔(7)；在所述模具(4)中 钢管(3)内侧设置了电阻加热装置(16)它由单组成多组电阻丝或硅碳棒组 成；所述设备有一个加热电源(14)，所述电源的两个输出端导线(15)连接 所述电热加热装置(17)的两端。

在具体实施例中，所述的电源(14)为交流电源、直流。

所述的模具(4)的材料为耐高温的高强度的非金属材料，也可用金属材 料制成。

所述的钢管型材(3)其特征与方法一、相同。

所述的合金层(9)其特征与方法一、相同

在所述模具(4)中心设有钢管(3)置放在模具(10)(11)处，高温加 热型蕊(16)材料为电阻丝或硅碳棒，外面包埋耐火材料，钢管加热前放置 在管内，左右两面上分别预留有合金型腔(7)。

所述的铸造双金属复合钢管的方法，其主要特点在于：

1)通过设在模具(4)的左右端面上预留的所需复合钢管型材(3)的中心 上放置高温加热型蕊(16)材料为电阻丝或硅碳棒，把型材钢板(3)插入模 具(4)中，在型材钢管(3)与模具(4)之间形成所需要两组复合金属型腔(7)， 在所述的模具(4)之间形成气密封；

2)通过惰性气体输入管道(8)和惰性气体输入孔(13)，把惰性气体输入 到所述的合金型腔(7)内，从排气孔(5)排去复合合金型腔(7)内的空气，一 直到惰性气体充满复合合金型腔(7)；

3)启动加热电源(14)，把设置高温电阻加热型蕊(16)型材钢管(3)加热 到高温；

4)通过浇铸口(6)和浇铸管道(12)把所需复合合金液体浇铸到合金型腔 (7)内，一直到合金液体充满复合金型腔(7)，合金液体与钢管(3)结合为一 体，形成双金属钢管单管或多组管件，浇铸合金液体时形成的多余物从排气 孔(5)排出；

5)停止浇铸复合合金液体、关闭加热电源(14)、停止输入惰性气体；

6)缓慢冷却到常温后，把模具(4)与双金属钢管分离，把双金属钢管及 组件排放整齐。

在具体实施例中，所述的高温为400-1250℃。实践中使用温度是1100 ±50℃。

所述的惰性气体为氩气。这里选择氩气主要是因为其价格比较便宜、投 资比较小的原因，当然也可以选择He、Ne、Kr、Xe、氮等气体。

附图说明及实施例

下面结合附图和实施例进一步说明，其中：

附图1是双金属的钢管构造示意图，它是利用本发明实施第二种方法所 制造的产品。细节方法一已述。

附图4是铸造双金属钢管的内加热设备的结构图。从该附图中可以了解 本发明的结构特征。在附图4中可以看到：14电源、16电阻加热装置、 4模具、7复合合金型腔、 6浇铸口、5排气孔、8惰性气体输入 管道、10高温加热型蕊上下放置口、12浇铸管道、11惰性气体输 入孔。从附图中可以看到模具(4)是一个重要部件，该部件由左、右两部分 组成，在所述模具(4)的上面设有排气孔(5)，所述模具(4)内侧中空的长方 体随管弧型体，在所述模具(4)的下侧设有浇铸管道(12)，浇铸口(6)连接到 浇铸管道(12)的外口上，在所述模具(4)的上面设置惰性气体输入孔(13)， 在所述惰性气体输入口(13)的外口上连接惰性气体输入管道(8)。在所述模 具(4)的内侧有对应复合合金型腔(7)，钢管进入模具前需表面除锈处理， 插入型材钢管(3)时，所述的复合合金型腔(7)正好是用于浇铸合金的空间。 在该附图中还可以看到，所述设备有一个电源(14)，所述电源(14)的两条导 线(15)输出端连接电阻器接头(17)所述电阻加热器(16)的两端。所述 的电源(14)为交、直流电源。电源，则属于已有技术，此处不再赘述。

所述的模具(4)的材料为耐高温的高强度的非金属材料，可以是金属材 料。

附图5是设备方法二、内电阻加热插入钢管(3)，准备进行铸造双金属 钢管时的设备的结构图。当进行铸造双金属复合管时，第一步工序是：通过 设在模具(4)的左、右端面上预留的复合合金型腔(7)，中心部位设置电阻加 热型蕊(16)(上述两放置口可以从附图4中清楚地看到)，把型材钢管(3) 插入到模具(4)中，钢管(3)插入的位置要满足预定的双金属复合管的尺寸的 要求。完成上述这一步之后，就可以实现两个目的：第一在钢管(3)与模具 (4)之间形成复合合金型腔(7)，为浇注合金复合作好了准备；第二在所述 的钢管(3)之间形成气密封(结合附图4和附图5一起看)，这就为第二步工 序作好准备。

第二步工序是：与方法一相同

第三步工序是：启动交流或直流加热电源(14)，其它与方法一相同。

第四步工序是：与方法一同。

五步工序是：与方法一同。

第六步工序是：与方法一同。

上述两种方法实施例工序可通过增加模具(4)数量以大批量地周期、循 环地进行生产，这可以使生产效率更为提高。改变模具(4)的尺寸，就可以 生产不同规格的双金属钢管。

在方法一、方法二工序中所述的高温为400-1250℃。最佳温度是1100 ±50℃。在整个程序中所使用的惰性气体为氩气。因为氩气最为便宜，当然 也使双金属钢管的生产成本最低。原则上也可以使用其它保护气体，当然也 可以选择He、Ne、Kr、Xe等气体，只要安全、不氧化、便宜即可。

实验证明，本发明所涉及的两种设备相当简单，生产工艺也比较简短、 容易操作，因此可以使生产效率大为提高；更为重要的是：由于整个生产工 序是在通着惰性保护气体时，在高温下进行的，这使型材钢管和复合合金之 间由原子相结合，复合层结合的非常牢固，从而使双金属钢管的质量大为提 高。