专利名称：在原加工状态下低硬度高频弯管的制造方法
技术领域：
本发明是关于发电、化工设备的配管系统使用的高频弯管的制造方法。
以往，用于发电、化工设备的1.0～2.0x(管外径)小曲率半径碳素钢弯管，使用的是日本工业标准JISB2311，2312等规定的焊接式弯管接头(以下称弯管接头)。弯管接头的加工通常采用日本钢铁协会编第3版钢铁便览Ⅵ、179行刊载的已知高温下扩管弯曲加工法进行加工。从材质上来讲，管坯与弯管具有大致相同的性质。但是，由于该种产品形状是一种只有到180℃弯曲角度的弯曲部件，因此，具有在配管施工时耗费焊接工时，同时，也不相适应地增加了检查焊接部位的工时，延长工期，增高施工费用等问题。
为此，人们希望减少焊接部位，也就是希望能有一种弯曲部两端为直管的弯管(以下称直管端弯头)。
作为直管端弯头(エルポレス)的制造方法，有一种冷弯法，然而，要得到小曲率半径的直管端弯头，由于在弯曲部分的断面形状尺寸公差内，不满足偏平率的尺寸公差要求，因此，这种方法是不适用的。
另一种方法是公开特许公报昭53-135870号，昭53-135871号公开的高频弯曲加工法。采用这种方法，在曲率半径超出3×(管外径)时，可通过强制空冷缩小加热弯曲加工区域，达到无压曲加工。因此，不会发生弯曲部位的材质问题。但是，要得到人们希望的1.0～3.0×(管外径)的小曲率半径时，为防止压曲，还须通过强制冷却以便缩小热弯曲加工区域。为此，弯曲加工部位的外表层(到表面下1～2mm)冷却速度加快，弯曲加工部位外表层的硬化就成了不可避免的问题。通常，在碳素钢钢管的配管焊接时，从耐破坏的安全性上考虑，适于实用的最大硬度应在Hv248以下，但在上述成分范围内，在高频弯曲加工状态下无法满足该硬度规定。解决该问题的有效方法之一为软化退火。但是，由于直管端弯头的形状，需要大型退火炉，因此而产生了生产率低，成本高等问题。另外，一种方法是本申请人等在以前申请的申请号为昭62-7862号中提出的，即以碳素钢中满足C+Mn/6≤0.33%的碳素钢为管坯，将管坯的外表面加热到850～950℃，然后，边水冷边进行弯曲加工，从而获得高频弯曲加工状态下的低硬度弯管的方法。但是，在这种方法中，管坯壁厚度过大时，即使将管的外表面温度加热到上限950℃，管的内表面温度也低，弯曲加工后组织不稳定。如欲使组织稳定，则外表面的温度就会超过950℃，这样就增加了弯曲加工后管的外表面的硬度。由于这些缺点，很难得到优质的厚管壁直管端弯头。
也就是说，本发明的目的是克服已有技术缺点，提供一种利用具有A·STMA106B级机械性能的钢管，通过高频弯曲加工制造小曲率半径的、且在原加工状态下硬度在Hv248以下的廉价直管端弯头。
本发明人等调查了高频弯曲加工条件对提高外表面层硬度的影响。结果如
图1所示，了解到弯曲加工时的冷却速度与弯曲加工后的最大硬度密切相关。
另外，本发明人等还调查了各种成分对提高外表面层硬度的影响及高频弯曲加工条件的影响，结果还了解到，原管的外表面温度达到950℃以上、1050℃以下的加热温度时，本发明钢管如图2所示，由式C+Mn/6或式C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15(以下称C当量)所得到的C当量也与弯曲加工后的最大硬度密切相关。
本发明是在上述见解的基础上完成的。也就是说，其主旨在于(1)在加工状态下低硬度高频弯管的制造方法，该制造方法的特征是在曲率半径为管外径3倍以下的高频弯管的制造方法中，以由重量为C0.05～0.30%Si0.10～0.50%Mn0.30～1.50%P≤0.03%S≤0.03%Al0.005～0.05%N≤0.015%其余部分为Fe及杂质构成的碳素钢为管坯，将管坯外表面加热到850～1050℃，再用慢冷却性液体边冷却边进行弯曲加工。
(2)在原加工状态下低硬度高频弯管的制造方法，其特征是在曲率半径为管外径3倍以下的高频弯管的制造方法中，以由重量为C0.05～0.30%Si0.10～0.50%Mn0.30～1.50%P≤0.03%S≤0.03%Al0.005～0.05%N≤0.015%其余部分为Fe及不可避杂质构成，满足C+Mn/6≤0.38%的碳素钢为管坯，将管坯的外表面加热到850℃～1050℃，再边水冷边进行弯曲加工。
(3)原加工低硬度高频弯管的制造方法。其特征是在曲率半径为管外径3倍以下的高频弯管的制造方法中，以由重量为C0.05～0.30%Si0.10～0.50%Mn0.30～1.50%P≤0.03%S≤0.03%Al0.005～0.05%N≤0.015%加之具有下列元素
Cr≤0.50%Ni≤0.50%Mo≤0.50%V≤0.10%Ti≤0.05%Nb≤0.05%B≤0.003%Cu≤0.50%Zr≤0.05%Ca≤0.005%中的一种或二种以上，其余部分为Fe及不可避杂质构成，满足C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15≤0.38%的碳素钢管为管坯，将管坯外表面加热到850～1050℃，再边水冷边进行弯曲加工。
另外在本发明中作为弯管的管坯所使用的碳素钢钢管以无缝钢管为宜。但是也可使用电焊接缝钢管，UO钢管等。
图3为实施本发明弯曲加工法使用的弯管装置的一例。1为待弯曲加工之钢管，2为该钢管支撑导向用的导辊，3为将上述钢管1从外周局部窄幅度加热并由带有冷却罐的高频感应器构成的环状加热装置，4为前端带夹钳5的自由旋转弯曲臂，6为管端支撑台、箭头7为从以加热装置3喷出的冷却液，斜线部分8为加热加工区域。使用该装置，先将钢管1在夹钳5上夹紧，通过加热装置3对钢管1进行局部高温加热的同时，用适当手段顺箭头方向推进，完成对钢管1的弯曲加工。
下面对本发明中的限定条件加以说明。首先，是弯曲加工条件，通常，在弯曲加工条件中，使用高频加热线圈加热时，由于要缩小加热加工区域，因此，尽可能使用窄线圈。基于这种原因，要将管壁全部加热均匀是很困难的，并且内表面温度相对低于外表面。为使组织稳定，在管壁厚不足12.5mm时，外表面的加热温度范围以850～950℃为宜。如果管壁厚在12.5mm～50.4mm之间时，为使组织稳定，外表面的加热温度范围以950～1050℃为宜。也就是说，要使最低加热温度将内表面的加热温度提高到Ac3以上。
在制造曲率半径小的高频弯管时，为了减少受拉伸加工的弯曲部管壁厚度，须要强行使其负担充分的轴向压缩力。这时，如果加热加工区域宽，则弯曲加工开始后内侧产生折皱，引起纵向弯曲，以致于无法加工。
为此，加热加工后的冷却如果采用类似正火那样的强制空气冷却的话，虽可避免硬度的提高，但无法制造出形状光滑的弯管。
所以，为了缩小加热加工区域的宽度，从形状、硬度方面考虑，用喷射慢冷却性液体的方法控制冷却速度，从而解决上述问题。
也就是说，在管坯外表面的冷却速度为5℃/S以下进行弯曲加工时，内侧易产生折皱。如果接近该成分系列的上限值时，伴随着冷却速度的加快，硬度上升，因此，冷却速度以在50℃/S以下为宜。
另外，本发明所使用的慢冷却性液体有PVA(聚乙烯醇)，PVP(聚乙烯吡咯烷酮)，PGA(聚亚烷基二醇)，PEG(聚乙二醇)等水溶性聚合物。还有矿物油、植物油、动物油等油脂类或热水也具有相同效果。
下面，对本发明所使用管坯的成分限定加以说明。
C为确保钢管强度所必需的元素，要发挥其功能使用量应在0.05%以上。但是，如果碳含量超过0.30%，则不仅会明显损坏焊接工艺性，还会使弯曲加工后的硬度显著增高。因此，碳含量的上限为0.30%。
Si除了做脱氧元素使用外，也是一种能确保高温强度的有效元素。要发挥其脱氧功能，至少需要0.10%以上。但含量过多，会损害高频弯曲加工性能，因此，其使用上限为0.50%。
Mn是仅次于C的有效强化元素，要发挥其功能，用量需要0.30%以上。但是，过量添加会增高弯曲加工后的最高强度，还会损坏焊接工艺性，因此，将其上限限制在1.50%。
P，S是做为杂质混入的元素。为了防止高温弯曲加工时发生裂纹，它们的上限均限制在0.03%以下。
Al是做为晶粒细化元素使用的有效元素。由于该元素的添加，使我们能够提高C、Si及Mn的上限含量。为发挥其这种功能，含量须在0.005%以上。如果过量使用则会损坏钢管的韧性，因此，使用上限为0.050%。
N的含量在不会对焊接性能产生障碍的范围内，以0.015%为上限。
除了以上的基本组成之外，还应该满足C+Mn/6≤0.38%或C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15≤0.38%的条件。这时，虽然不使用慢冷却性液体也可达到预期的冷却效果，但仍以进行喷射水冷为宜。也就是说，为了尽可能缩小加热加工区域，取代加热加工后的强制空冷，采用具有良好冷却效果的喷射水冷。通过水冷使水冷区域的变形阻力比加热加工区域的变形阻力大幅度提高，以解决由于纵向弯曲而无法加工的问题。这种水冷比以往以淬火为目的的强制水冷的冷却速度慢。
由于在上述高频弯曲加工的条件中了解到，弯曲加工后外表面的最大硬度与C当量密切相关，因此，为使外表面最大硬度在Hv248以下，C当量的上限限制在0.38%以下。
这时，V虽有细化晶粒和强化作用，但超过0.10%时效果就不明显，因此，其上限为0.10%。
Cr、Mo、Ni、Cu、做为强化元素很有效。但是，任何一种用量过多都会导致弯曲加工后的硬度提高。因此，每种元素的上限均限制在0.50%。
Nb、Ti、Zr都是具有晶粒细化效果的元素，其各自的添加量以其效果不再明显的量0.05%为上限。
Ca可以通过控制硫化物的形态对改善韧性起作用。但是，过量添加会劣化焊接性能，因此，其上限为0.005%。
B的微量添加具有提高钢管强度的效果。但是，添加量超过0.003%效果就不再明显。因此，其上限为0.003%。
下面用实施例与比较材料对比，说明本发明钢管的特征。
实施例1表1中是采用3种钢管，按照所施加的条件改变冷却速度，进行曲率半径为2D的高频弯曲加工。
冷却速度是将热电偶融附在钢管表面，在800～400℃之间的温度测定的。
很明确在这些实例当中，冷却速度超过50℃/s的(C，F，G)，最大硬度在Hv248以上，不能供实际使用。
与此相反(D，E，H，I，J等)由于冷却速度在本发明规定的50℃/s以下，因此，可制造出满足最大硬度在Hv248以下的高频弯管。
实施例2表2所示的均为供弯曲加工用钢管的化学成分。A1～A9的钢管为比较钢管，是C当量在0.38%以上的轧制碳素钢钢管。B1-B11的钢管为本发明钢管，是C当量在0.38%以下的轧制钢管。
表3表示的是表2中钢管管坯的机械性能、弯曲加工条件及弯曲加工后弯曲部位的最大硬度。
机械性能是用JIS12号试验片测定的抗拉强度、延伸率。
如表3所示，所有供试管的最大加热温度均为850～1050℃，采用喷射水冷进行高频弯曲加工。在所施加的条件下进行弯曲加工时，C当量与最大硬度的关系如图2所示。正如图2所明确显示的那样，C当量超过0.38%的比较钢管A1～A9的最大硬度都在Hv248以上，不能供实际使用。
与此相反，由于用于本发明的钢管B1-B11，C当量在0.38%以下，因此，可制造出满足最大硬度在Hv248以下的高频弯管。
利用本发明，可以无缝钢管或其它钢管为管坯，通过高频弯曲制成直管端弯头，用来代替以往由弯头构成的发电，化工设备用的小曲率半径弯管。具有能够大幅度降低成本、硬度低、富于安全性等优点。
附图的简单说明图1为表示高频弯曲加工时冷却速度与最大硬度Hv的关系的曲线图。
图2为表示C当量与弯曲加工后最大硬度Hv的关系的曲线图，这时的弯曲加工条件是外表面最大加热温度为850～1050℃，喷射水冷却。
图3为本发明实施例使用的弯曲机的平面图。
1……钢管2……导辊3……加热装置4……弯曲臂5……夹钳6……管端支撑台7……喷射冷却液8……加热加工区域
权利要求
1.一种在原加工状态下低硬度高频弯管的制造方法，其特征是在用曲率半径为管外径3倍以下的碳素钢管制造高频弯管的制造方法中，以由重量为C0.05～0.30%Si 0.10～0.50%Mn 0.30～1.50%P≤ 0.03%S≤ 0.03%Al 0.005～0.05%N≤ 0.015%其余部分为Fe及杂质构成的碳素钢管为管坯，将管坯外表面高频加热到850～1050℃，再用慢冷却性液体边冷却边进行弯曲加工。
2.一种在原加工状态下低硬度高频弯管的制造方法，其特征是在曲率半径为管外径3倍以下的高频弯管的制造方法中，以由重量为C 0.05～0.30%Si 0.10～0.50%Mn 0.30～1.50%P ≤ 0.03%S ≤ 0.03%Al 0.005～0.05%N ≤ 0.015%其余部分为Fe及不可避杂质构成，满足C+Mn/6≤0.38%的碳素钢为管坯，将管坯外表面高频加热到850～1050℃，再边水冷边进行弯曲加工。
3.一种在原加工状态下低硬度高频弯管的制造方法，其特征是在曲率半径为管外径3倍以下的高频弯管的制造方法中，以由重量为C 0.05～0.30%Si 0.10～0.50%Mn 0.30～1.50%P ≤ 0.03%S ≤ 0.03%Al 0.005～0.05%N ≤ 0.015%加之具有下列元素Cr≤ 0.50%Ni≤ 0.50%Mo≤ 0.50%V≤ 0.10%Ti≤ 0.05%Nb≤ 0.05%B≤ 0.003%Cu≤ 0.50%Zr≤ 0.05%Ca≤ 0.005%中的一种或二种以上，其余部分为Fe及不可避杂质构成。满足C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15≤0.38%的碳素钢为管坯，将管坯外表面高频加热到850～1050℃，再边水冷边进行弯曲加工。
全文摘要
本发明涉及在原加工状态下制造低硬度高频弯管的方法，在用曲率半径为管外径3倍以下的碳素钢制造高频弯管的方法中，其特征是以含下述组成(均为％重量)的碳素钢为管坯C0.05～0.30、Si0.10～0.50、Mn0.30～1.50、P≤0.03、S≤0.03、Al0.005～0.05、N≤0.015、余者为Fe及杂质；将管坯外表面加热到850～1050℃；用冷却性缓慢的液体或水边冷却边进行弯曲加工。
文档编号B21D7/025GK1043276SQ8810849
公开日1990年6月27日 申请日期1988年12月10日 优先权日1988年12月10日
发明者直井久, 上田阳, 井上靖介, 丸山忠克, 松原洋一, 高岸正章, 秋泽清一 申请人:新日本制铁株式会社, 第一高周波工业株式会社日挥株式会社