一种低成本高性能不锈钢复合板卷的生产工艺及装置
阅读说明：本技术 一种低成本高性能不锈钢复合板卷的生产工艺及装置 (Production process and device of low-cost high-performance stainless steel composite plate coil ) 是由 骆宗安 王明坤 李典 吴庆林 谢广明 于 2021-08-02 设计创作，主要内容包括：一种低成本高性能不锈钢复合板卷的生产工艺及装置,属于金属复合材料领域,首先对长条形复合板坯的短边加工焊接坡口,并进行头尾封边形成组合坯,之后将消磁后的组合坯送入“H”型结构的真空电子束焊接室,真空室两侧的三维电子束枪对两侧长边缝隙进行焊接封边,得到高真空的待复合界面。采用本发明的生产工艺及装置,可以克服埋弧焊封装+小孔抽真空工艺下产品结合率低、切边率高、结合强度低、难以大规模生产高性能不锈钢复合卷等缺陷,避免真空电子束焊接封装工艺下投资成本高、焊接效率低、难以适应坯料长度较长的不锈钢复合卷的生产等问题,最终制备出成材率高、低成本高品质、可进行大规模生产的不锈钢复合卷。(A production process and a device for a low-cost high-performance stainless steel composite plate coil belong to the field of metal composite materials. By adopting the production process and the device, the defects of low product bonding rate, high trimming rate, low bonding strength, difficulty in large-scale production of high-performance stainless steel composite rolls and the like in the submerged-arc welding packaging and small-hole vacuumizing process can be overcome, the problems of high investment cost, low welding efficiency, difficulty in adapting to production of stainless steel composite rolls with longer blank length and the like in the vacuum electron beam welding packaging process are solved, and finally the stainless steel composite rolls which are high in yield, low in cost and high in quality and can be produced in a large scale are prepared.)
技术领域
本发明属于金属复合材料领域，具体涉及一种低成本高性能不锈钢复合板卷的生产工艺及装置。
背景技术
不锈钢复合板卷是以普通碳钢(或低合金钢)为基层，以不锈钢为复层经热连轧复合工艺结合而成，同时兼具不锈钢的耐蚀性和低碳钢的低成本、高强度的特点，因此广泛应用于工业及民用领域。目前，随着我国大规模开展公共基础设施的开发和建设，对低成本、高性能不锈钢复合板卷的需求十分旺盛，尤其在城市输水管道建设和铁路运输领域，具有广阔的市场前景。
目前，各类输水管道通常在普通钢管内外涂覆抗腐蚀涂层以解决管道的耐蚀问题，但在使用过程中极易产生涂层脱落，导致水质污染，严重时会使管道腐蚀失效。以不锈钢管作为输水管道可发挥不锈钢的特性，防止水质二次污染，使水质达到国家直接饮用水标准要求，但将大大提高建设成本。利用不锈钢复合板卷生产输水管道可充分发挥其优势，显著降低成本，提高水管寿命，保证水质安全。
全国铁路运输发展迅猛，铁路货运车厢总用钢量估算超1500万吨，耐候钢和铁素体不锈钢难以同时满足铁路货车车体用钢高强韧性、高耐腐蚀性和经济性的要求。采用“不锈钢-低合金钢-不锈钢”复合板可以在保证强度的情况下极大程度的提高车厢的抗腐蚀性，提高车厢的使用年限及安全性。
目前不锈钢复合中厚板制备方法除了爆炸复合工艺外，热轧复合主要有两种工艺方法。
第一种工艺方法如专利“一种不锈钢-碳钢复合板热连轧规模化制备方法”(申请号CN109128714A)所述：首先将表面处理后的基复材钢板先组坯，然后在大气下利用埋弧焊或气保焊对复合板坯四周进行封边处理，焊接完成之后通过在界面附近钻1～2个小孔(或焊前预留小孔)抽真空，然后密封，最后进行加热轧制复合。这种工艺方法在实际生产中存在两个无法克服的缺陷。其一，对界面处小孔通常使用机械泵管道连接抽真空，抽完后真空度只能达到10～100Pa，复合板坯待复合界面真空度不高，仍然会有少量残余空气；同时，组坯时待复合界面会因接触面凹凸不平形成一些局部闭环区域，残留少量空气无法抽干净；这些界面上残留空气在后续加热到1000℃左右并轧制复合时，会膨胀聚集形成气泡，无法实现界面复合并在复合板表面形成分布不均、大小不一的鼓包，需要后期人工检查并机械磨削掉鼓包，露出界面，再堆焊不锈钢材料并磨平，不但影响复合板界面结合效果，也降低了生产效率提高了生产成本。这种缺陷在生产不锈钢复合中厚板时，还可以在热轧复合后逐块板检查并人工修复；但在生产不锈钢复合板卷时，由于热连轧生产速度快，复合板卷厚度薄，长度可达数百米，若仍然存在鼓包缺陷，其分布会更多且面积更大，根本无法采取人工检查并修复的方法来改善复合质量。其二，由于埋弧焊焊接封装时需要进行多道次焊接，焊接热输入量巨大，导致待复合界面产生氧化物，结合强度较低，并且多道次焊接也导致组坯效率降低；同时，埋弧焊会导致距离焊缝根部超过100mm的待复合表面产生严重氧化现象，导致轧制后完全未结合，通常需要在轧制复合后进行较大的切边处理，造成成材率的降低。这种缺陷在生产不锈钢复合中厚板时，由于中厚板宽度可达3～4m，可以承受300mm左右的切边损失；而在生产不锈钢复合板卷时，由于热连轧板卷宽度只有1～2.5m，无法承受300mm左右的切边成材率损失。因此，此种生产方法可以适用于不锈钢复合中厚板的生产，难以适应大规模生产高品质不锈钢复合卷的生产要求。
此前我们获得的一项发明专利技术“一种不锈钢-碳钢复合板的制备方法”(申请号CN201110029651.X)为第二种工艺方法：首先将表面处理后的基复材钢板先组坯，然后将其置于真空电子束焊接真空室内，利用真空电子束焊接封装组坯可得到真空度较高的待复合界面，加热轧制复合后可以生产出高结合强度的不锈钢复合板。由于焊接前待复合板坯处于高真空箱内，且焊接前待复合界面预留0～3mm的间隙，使得待复合界面没有残留空气，可以保证界面结合率达到100％；同时，电子束焊接只需单道次焊接，且焊接热输入量小，焊接时不会导致界面其他区域氧化而影响界面结合强度。但是真空室建造成本高昂，例如3×4m的中厚板待复合坯料，坯料在真空室内需要旋转360°便于焊接坯料的四条边缝，真空室的宽度与长度均需要达到7m左右，需要投资3000余万元；而复合板卷的待复合板坯料往往较长，长度一般在8～15m左右，例如2×12m的坯料，坯料在真空室内需要旋转封焊，真空室的宽度与长度均需要超过16.9m，真空室十分庞大，投资成本十分高昂。另外，较大的真空室体积使抽真空及放气时间增长，降低生产效率。因此，此种生产方法可以适用于坯料尺寸相对较小的复合中厚板的生产，难以适应坯料长度较长的不锈钢复合卷的生产。
综上因素，目前能够生产不锈钢复合中厚板的厂家国内有10余家，且生产能力有限；中厚板一般只能生产厚度6mm以上的复合板，而市场需求量旺盛的输水管道和铁路车厢往往需要厚度6mm以下比较薄的复合板卷。面临广阔市场需求，国内却没有一家企业能够实现不锈钢复合板卷的大规模稳定生产，在该领域仍然存在市场空白。因此，开发出低成本，可适应高性能(界面结合强度较埋弧焊组坯工艺下强度高)的不锈钢复合板卷的大规模复合工艺技术及装置显得十分迫切。
发明内容
针对现有技术存在的问题，结合常规气保焊或埋弧焊组坯与真空电子束焊接组坯的优点，提出了一种低成本高性能不锈钢复合板卷的生产工艺及装置。
本发明的技术方案为：
首先对长条形复合板坯的短边加工焊接坡口，并采用埋弧焊或气保焊进行头尾(即短边)封边形成组合坯，之后将消磁后的组合坯通过辊道送入真空电子束焊接室，真空电子束焊接室开创性的采用了特殊的“H”型结构，真空室两侧各有一支三维电子束枪，顶部安装有压紧装置，真空室抽真空后通过压紧装置对组合坯进行压紧，两侧的三维电子束枪对两侧长边缝隙进行焊接封边，得到高真空的待复合界面。采用本发明的生产工艺及装置，可以克服埋弧焊封装+小孔抽真空工艺下产品结合率低、切边率高、结合强度低、难以大规模生产高性能不锈钢复合卷等缺陷，避免真空电子束焊接封装工艺下投资成本高、焊接效率低、难以适应坯料长度较长的不锈钢复合卷的生产等问题，最终制备出成材率高、低成本高品质、可进行大规模生产的不锈钢复合卷。
具体的，本发明公开的一种低成本高性能不锈钢复合板卷的生产工艺，包括以下步骤：
步骤1、选取长宽尺寸相同的不锈钢板与碳钢板，分别对碳钢板与不锈钢板的接触面进行去除表面氧化层的清洁处理，并对不锈钢板与碳钢板的两个头尾(即短边)加工焊接坡口；将碳钢板与不锈钢板接触面贴合对齐形成组合坯；
步骤2、对组合坯采用气保焊或埋弧焊将碳钢板与不锈钢板短边满焊封边；
步骤3、将消磁后的组合坯送到真空电子束焊接室进行抽真空后，通过压紧装置将组合坯压平，利用两侧的三维电子束枪对组合坯两侧长边的缝隙进行焊接密封，得到真空组合坯；
步骤4、将得到的真空组合坯进行加热，然后进行热连轧，得到不锈钢复合板，对热连轧后的不锈钢复合板切头尾后卷曲，得到不锈钢复合卷；也可以根据实际要求切边后再进行卷曲。
所述步骤1中选取的不锈钢板与碳钢板的长度为8～15m，宽度为1～3m，其中碳钢板的厚度为30～200mm，不锈钢板的厚度为5～30mm。
所述步骤2中可以将组合坯先进行预压紧后再进行短边焊接；也可以先对组合坯的两侧长边缝隙采用氩弧焊点焊固定后再焊短边，氩弧焊点焊宽度为10～50mm，焊点间距为300～2000mm。
所述步骤3中组合坯可以是一组组合坯，也可以是多组组合坯叠放。
所述步骤4中采用的热连轧工艺为热轧钢卷中常规技术工艺；得到的不锈钢复合卷成品规格总厚度≤6mm，不锈钢层厚度≥0.5mm，界面剪切强度>380MPa。
上述工艺中的不锈钢材质包括奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢和双相不锈钢。
上述工艺得到的不锈钢复合板卷包括单面不锈钢板卷和双面不锈钢板卷，单面不锈钢板卷由一层不锈钢和一层碳钢组成，双面不锈钢板卷由两层不锈钢置于碳钢两侧组成。
本发明还提供一种所述的低成本高性能不锈钢复合板卷的生产工艺所使用的装置，包括真空电子束焊接室，如图3所示，所述真空电子束焊接室的截面呈底部向上凸起，顶部向下凹陷的“H”型结构；“H”型的左右两侧各安装一支三维电子束枪；真空电子束焊接室的顶部安装有压紧装置，所述压紧装置通过液压升降杆与真空电子束焊接室顶部连接；真空室底部安装运输辊道，用于运送消磁后的组合坯。
与现有技术相比，本发明的特点及有益效果是：
(1)本发明工艺避免了常规“埋弧焊工艺封装+小孔抽真空”工艺下因气体未抽净而造成的气泡缺陷和因埋弧焊热输入量较大导致边部氧化严重，切边率高的问题，使不锈钢复合卷的界面结合率达到100％，界面结合强度高，成材率高。
(2)本发明工艺，短边采用埋弧焊或气保焊封装，长边采用双枪真空电子束焊密封，在本发明提供的装置条件下，组合坯料不需要在真空室内旋转360°，因此大幅度降低了真空室的容积，降低了真空室投资成本；同时，采用“H”型真空室设计，进一步降低了真空室的容积，降低了抽真空及放气的时间，极大的提高了生产效率。
(3)由于板坯长且薄，本发明在焊接时通过压紧装置保证板坯平直，以此保证了焊缝的平直度，因此不需要进行焊缝轨迹扫描，直接根据预设坯料尺寸进行焊接，焊接速度快；由于真空室两边电子束枪可以同时焊接，焊接效率可明显提升；真空室内可同时放入多组组合坯叠放，抽一次真空后可实现多组坯料的焊接封装，进一步提高了焊接效率。
(4)本发明相比全埋弧焊组坯的制备方法，成材率可提高10％以上(以坯料尺寸为15m×2m×0.15m为例)；相比普通真空电子束焊机，真空室容积降低超过70％(以焊接15m长的坯料为例)，投资成本可节省1/3，双电子枪同时焊接，焊接效率可提高1.5倍以上。
(5)本发明可进行大规模生产低成本、高品质的不锈钢复合板卷。
附图说明
图1为本发明单面不锈钢复合板卷组坯示意图；
图2为本发明双面不锈钢复合板卷组坯示意图；
图3为实施例1中真空电子束焊接室结构示意图，图3(a)为三维结构示意图，图3(b)为真空室剖面图；
图4为实施例2制备的双面不锈钢复合板卷样品截面宏观照片；
图5为实施例3制备的单面不锈钢复合板卷样品界面光学显微镜图；
图6为实施例3制备的单面不锈钢复合板卷样品界面剪切强度曲线。
具体实施方式
以下通过实施例并结合附图对本发明作进一步详细说明，所述是本发明的解释而不是限定。
实施例1：
一种低成本高性能不锈钢复合板卷的生产装置，其结构示意图如图3所示，图3(a)为真空电子束焊机三维结构图，包括真空室3-1，所述真空室顶部设有压紧装置3-2，所述真空室底部设有运输辊道3-3，所述真空室两侧设有电子束枪3-5，图3(b)为真空室剖面图。
所述真空室3-1具体尺寸设定为：3-1-1为1.6米，3-1-2为0.8米，3-1-3为0.8米，3-1-4为0.5米，3-1-5为0.5米，3-1-6为3.0米，3-1-7为16.0米。
所述压紧装置3-2通过液压升降杆与真空室顶部连接，可向下运动将组合坯料压紧、压平。
所述运输辊道3-3安装在真空室底部凸台，用于将组合坯料运送至真空室指定位置。
所述电子束枪3-5用于同时对组合坯料两长边焊接封装。
一种低成本高性能不锈钢复合板卷的生产工艺，采用上述装置，包括以下步骤：
步骤1、选取尺寸为12000mm×2000mm×125mm的Q345碳钢和尺寸为12000mm×2000mm×25mm的316奥氏体不锈钢各一块，利用千叶轮去除碳钢板与不锈钢板待复合表面的氧化层，并对不锈钢板与碳钢板短边加工焊接坡口，坡口为“V”型坡口；
将碳钢板与不锈钢板去除氧化层后的表面对齐，使其完全重合，初步形成碳钢-不锈钢组合坯，利用氩弧焊对组合坯料两长边缝隙进行点焊固定，如图1所示，其中点焊宽度为20mm，焊点间距500mm；
考虑到坯料厚度较小，本实施例准备两组不锈钢-碳钢坯料，将组合坯叠放后同时装入真空室内焊接，以降低抽真空次数，提高生产效率。
步骤2、在大气中采用气保焊对组合坯料的短边进行满焊封边；
重复步骤1-2，制备另一块组合坯；
步骤3、将气保焊焊接完成后的两组组合坯进行消磁处理，含磁量需低于2mT，然后将上述两组消磁后的组合坯叠放对齐，通过辊道将叠放组合坯料输送到真空室指定位置，将真空室抽真空达到5×10-2Pa后，利用真空室内压紧装置3-2对组合坯进行压紧，保证组合坯的平直度及焊缝的平直，在真空条件下利用两侧电子束枪对组合坯两侧长边同步焊接封装，焊缝深度约30mm，得到两组真空组合坯。
步骤4、对热连轧后的不锈钢复合板切头尾后卷曲，得到单面不锈钢复合卷；具体为：
(1)将焊接完成的真空组合坯送入电阻加热炉中进行加热，加热温度为1250℃，加热时间为240分钟。
(2)以开轧温度为1180℃，终轧温度为950℃，轧制速度为3m/s的轧制工艺对加热后的真空组合坯进行热连轧，轧制得到的不锈钢复合板厚度为5mm；
(3)对轧制得到的复合板进行切头尾和切边后卷曲，得到的单面不锈钢复合卷成品规格约为331000mm×2000mm×5mm，单卷重约为26吨，其中不锈钢层厚度为0.83mm，碳钢层厚度为4.17mm，界面结合强度超过380MPa。
实施例2：
一种低成本高性能不锈钢复合板卷的生产工艺，采用实施例1的装置，包括以下步骤：
步骤1、选取尺寸为11000mm×1800mm×160mm的Q390碳钢板一块和尺寸为11000mm×1800mm×20mm的T4003铁素体不锈钢板两块，利用铣床去除碳钢待复合表面的氧化层，利用砂轮去除不锈钢板待复合表面的氧化层，并对不锈钢板与碳钢板短边加工焊接坡口，坡口为“V”型坡口；
将碳钢板与不锈钢板去除氧化层后的表面对齐，使其完全重合，初步形成不锈钢-碳钢-不锈钢组合坯；
步骤2、将组合坯置于压紧设备上压紧，在大气中采用气保焊对组合坯料的短边进行满焊封边；
步骤3、将气保焊焊接完成后的组合坯进行消磁处理，含磁量需低于2mT，通过辊道将组合坯料输送到真空室指定位置，将真空室抽真空达到5×10-2Pa后，利用真空室内液压压紧装置3-2对组合坯进行压紧，保证组合坯的平直度及焊缝的平直，在真空条件下利用两侧电子束枪对组合坯两侧长边同步焊接封装，焊缝深度约25mm，得到真空组合坯；
步骤4、对热连轧后的不锈钢复合板切头尾后卷曲，得到双面不锈钢复合卷；具体为：
(1)将焊接完成的真空组合坯送入电阻加热炉中进行加热，加热温度为1200℃，加热时间为200分钟。
(2)以开轧温度为1150℃，终轧温度为950℃，轧制速度为3m/s的轧制工艺对加热后的真空组合坯进行热连轧，轧制得到的不锈钢复合板厚度为6mm，复合板截面宏观照片如图4所示；
(3)对轧制得到的复合板进行切头切边后卷曲，两侧切边尺寸宽度为50mm，得到的单面不锈钢复合卷成品规格约为337400mm×1700mm×6mm，卷重约为27吨，其中两侧不锈钢层厚度均为0.6mm，中间碳钢层厚度为4.8mm，界面结合强度为410MPa。
实施例3：
一种低成本高性能不锈钢复合板卷的生产工艺，采用实施例1的装置，包括以下步骤：
步骤1、选取尺寸为12000mm×1500mm×180mm的Q420碳钢板和尺寸为12000mm×1500mm×30mm的2205双相不锈钢板各一块，利用铣床去除碳钢板待复合表面的氧化层，利用千叶轮去除不锈钢板待复合表面的氧化层，并对不锈钢板与碳钢板短边加工焊接坡口，坡口为“V”型坡口；
将碳钢板与不锈钢板去除氧化层后的表面对齐，使其完全重合，初步形成碳钢-不锈钢组合坯，利用氩弧焊对组合坯料两长边缝隙进行点焊固定，如图1所示，其中点焊宽度为50mm，焊点间距1000mm；
步骤2、在大气中采用气保焊对组合坯料的短边进行满焊封边；
步骤3、将气保焊焊接完成后的组合坯进行消磁处理，含磁量需低于2mT，通过辊道将组合坯料输送到真空室指定位置，将真空室抽真空达到5×10-2Pa后，利用真空室内压紧装置3-2对组合坯进行压紧，保证组合坯的平直度及焊缝的平直，在真空条件下利用两侧电子束枪对组合坯两侧长边同步焊接封装，焊缝深度约20mm，得到真空组合坯；
步骤4、对热连轧后的不锈钢复合板切头尾后卷曲，得到单面不锈钢复合卷，具体为：
(1)将焊接完成的真空组合坯送入电阻加热炉中进行加热，加热温度为1250℃，加热时间为300分钟。
(2)以开轧温度为1200℃，终轧温度为900℃，轧制速度为3m/s的轧制工艺对加热后的真空组合坯进行热连轧，轧制得到的不锈钢复合板厚度为4.5mm；
(3)对轧制得到的复合板进行切头尾后卷曲，得到的单面不锈钢复合卷成品规格约为515000mm×1500mm×4.5mm，卷重约为27吨，其中不锈钢层厚度均为0.64mm，碳钢层厚度为3.86mm，界面微观组织如图5所示，不锈钢与碳钢实现良好的冶金结合，界面结合强度为如图6所示，为430MPa。
实施例4：
一种低成本高性能不锈钢复合板卷的生产工艺，采用实施例1的装置，包括以下步骤：
考虑到坯料厚度较小，本实施例准备三组不锈钢-碳钢-不锈钢坯料，将组合坯叠放后同时装入真空室内焊接，以降低抽真空次数，提高生产效率。
步骤1、选取尺寸为13500mm×2500mm×80mm的Q390碳钢板一块和尺寸为13500mm×2500mm×15mm的AISI 405铁素体不锈钢板两块，利用千叶轮去除碳钢板与不锈钢板待复合表面的氧化层，并对不锈钢板与碳钢板短边加工坡口，坡口为“V”型坡口；
将碳钢板与不锈钢板去除氧化层后的表面对齐，使其完全重合，初步形成不锈钢-碳钢-不锈钢组合坯，利用氩弧焊对组合坯料两长边缝隙进行点焊固定，如图2所示，其中点焊宽度为20mm，焊点间距500mm；
步骤2、在大气中采用气保焊对组合坯料的短边进行满焊封边；
重复步骤1-2，制备另外两块组合坯；
步骤3、将气保焊焊接完成后的组合坯进行消磁处理，含磁量需低于2mT，然后将上述三组消磁后的组合坯叠放对齐，通过辊道将叠放组合坯料输送到真空室指定位置，将真空室抽真空达到5×10-2Pa后，利用真空室内液压压紧装置3-2对板坯进行压紧，保证组合坯的平直度及焊缝的平直，在真空条件下利用两侧电子束枪对组合坯两侧长边同步焊接封装，焊缝深度约35mm，得到三组真空组合坯。
步骤4、对热连轧后的不锈钢复合板切头尾后卷曲，得到双面不锈钢复合卷，具体为：
(1)将焊接完成的真空组合坯送入电阻加热炉中进行加热，加热温度为1250℃，加热时间为180分钟。
(2)以开轧温度为1200℃，终轧温度为950℃，轧制速度为3m/s的轧制工艺对加热后真空组合坯进行热连轧，轧制得到的不锈钢复合板厚度为4mm；
(3)对轧制得到的复合板进行切头尾后卷曲，得到的双面不锈钢复合卷成品规格约为3415000mm×2500mm×4mm，单卷重约为27吨，其中两侧不锈钢层厚度均为0.5mm，中间碳钢层厚度为3.0mm，界面结合强度为430MPa。
以上内容仅是对本发明的结构所做的举例和说明，不能理解为对本发明的限制，所属本领域的技术人员在本发明的范围内对上述实施例进行变化、修改和变形，均应属于本发明的保护范围。
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