一种大口径超高强度钢无缝钢管的生产方法
【专利摘要】本发明公开了一种大口径超高强度钢无缝钢管的生产方法。该方法是一种“轧管+推制”生产工艺，其生产工艺依次为对超高强度电渣钢锭进行周期轧管机组轧管、退火处理、表面质量检查及修磨、两次推制扩管、热处理、取样检测得到的超高强度钢无缝钢管。该生产工艺克服了现有技术的工艺成材率低、成本费用高等问题，突破了热轧工艺的规格限制，成功生产出大口径Φ780×35mm超高强度钢无缝钢管。
【专利说明】一种大口径超高强度钢无缝钢管的生产方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种无缝钢管的生产方法，具体涉及一种大口径超高强度钢无缝钢管的生产方法。
【背景技术】
[0002]超高强度钢因其不仅具有高的抗拉强度，还具有一定塑性和韧性、小的缺口敏感性、高的疲劳强度、一定的抗蚀性、良好的工艺性能、符合资源情况及价格低廉等优点，受到了越来越广泛的关注及其应用。
[0003]由于超高强度钢具易磨损、切削力大、断屑困难等加工特点，因此，为了适应该材料的迅速发展，国外发达国家在零件加工参数、加工冷却、变形控制、刀具寿命、加工设备等方面进行大量的研究和试验，积累了超高强度钢结构件的加工技术和经验，建立了超高强度钢的加工工艺只是数据库和切削参数数据库，规范了各种技术资料，拥有配套的加工刀具和设备，实现了超高强度钢结构件的高效加工，保证产品质量。
[0004]我国在高性能材料的研究上与国外相比较为落后。随着我国超高强度钢应用比例的不断加大，国内科研院所对其高效加工进行了不同程度的研究。
[0005]特大口径的超高强度钢无缝钢管(Φ780X 35mm)选择了超高强度钢D6AE材料。但是该大口径超高强度钢无缝钢管的生产工艺与常规的D6AE无缝钢管有明显的差异；且该大口径超高强度钢采用“锻造+机加工”的工艺生产相对成材率较低，并且成本费用高昂。
【发明内容】
[0006][要解决的技术问题]
[0007]本发明的目的是解决现有技术大口径超高强度钢无缝钢管生产工艺相对成材率低、成本费高等缺点，提供一种新的大口径超高强度钢无缝钢管的生产工艺。
[0008][技术方案]
[0009]为了达到上述的技术效果，本发明采取以下技术方案:
[0010]本发明提出了一种“轧管+推制”生产工艺，该工艺突破了热轧工艺的规格限制，能够生产大口径Φ 780 X 35mm超高强度钢无缝钢管。
[0011]一种大口径超高强度钢无缝钢管的生产方法，它包括以下步骤:
[0012]A，周期轧管机组轧管
[0013]首先取Φ500πιπι以上的电渣钢锭进行钢锭镗孔，然后再穿孔轧制，接着退火处理后矫直，得到初品无缝钢管；
[0014]B，推制扩管
[0015]将步骤A得到的初品无缝钢管的管端进行平头处理、内表面喷砂除氧化皮和表面缺陷处理，然后将处理后的初品无缝钢管进行第一次推制扩管；
[0016]接着，对第一次推制扩管后的初品无缝钢管进行退火处理以降低钢管强度，再进行第二次推制扩管，得到大口径无缝钢管；
[0017]所述第二次推制扩管相较于第一次推制扩管，其推制速度降低、推制力增加；
[0018]C，热处理
[0019]将步骤B得到的大口径无缝钢管悬挂在井式热处理炉内进行热处理，热处理方式是阶梯式退火工艺；
[0020]然后取样、检验，得到所述的大口径超高强度钢无缝钢管。
[0021 ] 根据本发明的一个优选实施方式，在步骤A中，所述的电渣钢锭选自高强度合金钢 D6AE 或 42CrMo。
[0022]根据本发明的另一个优选实施方式，在步骤A中，所述的穿孔轧制方式选自三辊连轧管轧制、ACXU-R0LL精密轧管或周期轧管。
[0023]根据本发明的另一个优选实施方式，在步骤A中，所述的退火方式为完全退火。
[0024]根据本发明的另一个优选实施方式，在步骤A中，所述矫直是指修磨电渣钢锭缺陷，其包括利用切除和修磨方式清除管端缺陷。
[0025]根据本发明的另一个优选实施方式，在步骤B中，所述第一次推制扩管的推制温度为740?760°C、推制速度为30?40mm/min、推制力度为10?12MPa ;所述第二次推制扩管的推制温度为750?780°C、推制速度为10?20mm/min、推制力度为15?20MPa。
[0026]根据本发明的另一个优选实施方式，在步骤C中，所述的大口径无缝钢管悬挂的方式如下:
[0027]首先，将大口径无缝钢管一端焊接夹持件，所述夹持件有四个，其间隔均匀的分布在无缝钢管的一端；所述夹持件上焊接一挂板，所述挂板上设置四个挂钩，所述四个挂钩分别位于四个夹持件正上方；
[0028]然后，利用挂板上的挂钩连接牵引设备，将大口径无缝钢管垂直悬空放入井式加热炉内。
[0029]根据本发明的另一个优选实施方式，在步骤C中，所述的热处理方式如下:
[0030]调整井式加热炉的温度，使温度升高至850°C以上后，保温20?30min ;接着，利用井式加热炉的控温系统使大口径无缝钢管按20?40°C阶梯式降温，每降低一个温度需保温20?95min ;当温度降至550°C时，关闭控温系统，使大口径无缝钢管在加热炉内空冷25 ?35min。
[0031 ] 下面将详细地说明本发明。
[0032]一种大口径超高强度钢无缝钢管的生产方法，它包括以下步骤:
[0033]A，周期轧管机组轧管
[0034]首先取Φ500πιπι以上的电渣钢锭进行钢锭镗孔，然后再穿孔轧制，接着退火处理后矫直，得到初品无缝钢管；
[0035]电渣钢锭是指利用电流通过液态渣池渣阻热，将金属电极熔化，熔化的金属汇集成溶滴，滴落时穿过渣层进入金属熔池，然后与水冷结晶器中结晶凝固成的超高强度钢钢锭。该电渣钢锭纯度高、含硫低、非金属夹杂物少、钢锭表面光滑、洁净均匀致密、金相组织和化学成分均匀。电渣钢锭的铸态机械性能可达到或超过同钢种锻件的指标。
[0036]超高强度合金钢的变形抗力较大，钢锭镗孔时易出现内折、圈裂等缺陷，尤其是Φ500πιπι以上的电渣钢锭圈裂问题更加突出。为了保证钢管内表面质量，同时也减小轧机负荷，本发明采用了钢锭镗孔(Φ120πιπι)后再穿孔轧制的工艺，解决了圈裂、内折问题。
[0037]由于超高强度合金钢的钢种特性，穿孔轧制后其强度高、硬度大，因此不能直接矫直，否则钢管头尾易矫裂；同时钢管在管端常有内外折缺陷，此类缺陷在矫直时易成为裂纹起源。因此需要在矫直进行钢管完全退火，在退火后，还需要通过切除、修磨等方式清除管端缺陷。
[0038]B，推制扩管
[0039]将步骤A得到的初品无缝钢管的管端进行平头处理、内表面喷砂除氧化皮和表面缺陷处理，然后将处理后的初品无缝钢管进行第一次推制扩管；
[0040]由于推制工艺特点，钢管需前后接触、推挤来提供变形的动力。如果管端不平易造成挤压后不规则变形，这将严重影响变形工具的使用寿命。因此，推制扩管前需要对管端进行平头处理。
[0041]推制是扩管工艺，经此变形后钢管表面缺陷会在原来的基础上进行放大，如浅表裂纹经推制变形后易迸裂，造成裂纹深度加深；因此需要在推制前进行表面缺陷处理。同时，推制工艺的变形主要靠推制顶头来实现，如果钢管内表面有较重氧化皮，经推制后，内壁划道情况严重，因此推制前还需将表面的氧化皮处理干净。
[0042]接着，对第一次推制扩管后的初品无缝钢管进行退火处理以降低钢管强度，再进行第二次推制扩管，得到大口径无缝钢管；
[0043]所述第二次推制扩管相较于第一次推制扩管，其推制速度降低、推制力增加；
[0044]本发明根据设备情况，设计采用两次推制成型。第一次推制过程相对稳定，推制力较高，推制温度视具体的钢管壁厚选择合适温度。温度过高钢管易产生较厚氧化铁皮，将增加后续处理工序，同时能耗较大；温度过低，则钢管的变形抗力将急剧提升，超过设备能力时将导致无法进行生产。为保证第二次推制的质量，在两次推制之间加入退火处理以降低钢管强度。第二次推制过程开始时相对稳定，速度较第一次推制慢，推制力比第一次推制力高；其主要目的是为了降低推制速度。本发明的多次推制采用中间退火以及控制合适的变形量和较低速度等工艺措施，成功解决了超高强度合金钢变形抗力大、推制困难的问题。
[0045]本发明还可以重新设计连接法兰盘并用高强螺栓的顶头顶杆连接处焊死等技术措施，成功完成钢管变形。
[0046]C，热处理
[0047]将步骤B得到的大口径无缝钢管悬挂在井式热处理炉内进行热处理，热处理方式是阶梯式退火工艺；
[0048]大口径无缝钢管，尤其是D/S > 20的超大口径无缝钢管，长时间高温退火，钢管易发生椭圆变形，目前矫直机难以校正。为此，本发明采用在井式热处理炉内将钢管悬挂进行热处理的工艺方案，采用焊接挂板将钢管悬空在炉内处理不会发生变椭或局部出现凹面。热处理前后钢管的外径与内径椭圆度差别仅1mm。
[0049]以阶梯式降温方式退火，可控制无缝钢管的退火温度和速度，有效避免了因钢管过长，而上下温差不均匀所致的弯曲和硬度不均匀问题。从而确保成品钢管壁厚和内径不圆度等关键参数满足后续加工的要求。
[0050]然后取样、检验，得到所述的大口径超高强度钢无缝钢管。
[0051 ] 根据本发明的一个优选实施方式，在步骤A中，所述的电渣钢锭选自高强度合金钢 D6AE 或 42CrMo。
[0052]根据本发明的另一个优选实施方式，在步骤A中，所述的穿孔轧制方式选自三辊连轧管轧制、ACXU-R0LL精密轧管或周期轧管。
[0053]根据本发明的另一个优选实施方式，在步骤A中，所述的退火方式为完全退火。
[0054]完全退火亦称为重结晶退火，应用于平衡加热和冷却时有固态相变发生的合金，其退火温度为该合金的相变温度区间以上或以内的某个温度。合金于加热和冷却过程中各发生一次相变重结晶，故称为重结晶退火。
[0055]根据本发明的另一个优选实施方式，在步骤A中，所述矫直是指修磨电渣钢锭缺陷，其包括利用切除和修磨方式清除管端缺陷。
[0056]根据本发明的另一个优选实施方式，在步骤B中，所述第一次推制扩管的推制温度为740?760°C、推制速度为30?40mm/min、推制力度为10?12MPa ;所述第二次推制扩管的推制温度为750?780°C、推制速度为10?20mm/min、推制力度为15?20MPa。
[0057]根据本发明的另一个优选实施方式，在步骤C中，所述的大口径无缝钢管悬挂的方式如下:
[0058]首先，将大口径无缝钢管一端焊接夹持件，所述夹持件有四个，其间隔均匀的分布在无缝钢管的一端；所述夹持件上焊接一挂板，所述挂板上设置四个挂钩，所述四个挂钩分别位于四个夹持件正上方；
[0059]所述挂件的焊接应当与夹持件对称，挂件的形状只需保证挂件与无缝钢管处于稳定状态即可。
[0060]然后，利用挂板上的挂钩连接牵引设备，将大口径无缝钢管垂直悬空放入井式加热炉内。利用该方法进行大口径无缝钢管热处理，其大口径无缝钢管热处理先后的外径与内径相差不大于1mm。
[0061]井式加热炉是具有垂直炉膛并用于长杆形工件热处理的工业炉，炉膛截面一般为圆形，直径为0.5?4.5m,炉膛最深可达30m左右。长杆形工件,如炮筒、汽轮机主轴、发电机转子、船舶主轴等杆类重型工件，在井式加热炉内是垂直放置进行热处理的，可避免发生弯曲变形。大口径无缝钢管在井式加热炉中进行热处理，可避免钢管自身重量导致的管体变椭的情况。但是正常工装在井式加热炉内使用的靠头端夹具加持工装，将导致无缝钢管管端约500mm变椭。
[0062]本发明使用是四个间距相同的并夹持大口径无缝钢管管壁的夹持件，代替了常规的夹具加持工装，防止无缝钢管的管端变椭。
[0063]本发明在对无缝钢管一端进行夹持件的焊接时，需根据无缝钢管自身的贴点，选择合适的焊接位置，设计合适的夹持件，保证夹持件与无缝钢管的紧密焊接。
[0064]根据本发明的另一个优选实施方式，在步骤C中，所述的热处理方式如下:
[0065]调整井式加热炉的温度，使温度升高至850°C以上后，保温20?30min ;接着，利用井式加热炉的控温系统使大口径无缝钢管按20?40°C阶梯式随炉降温，每降低一个温度需保温20?95min ;当温度降至550°C时，关闭控温系统，使大口径无缝钢管在加热炉内空冷 25 ?35min。
[0066]本发明阶梯式降温降至650°C时，保温时间为90min。
[0067]本发明每个阶段的保温时间是根据大口径无缝钢管的重量计算得来。其中间保温时间是根据实际温降过程中出现温差的情况及均匀时间，经多次测量得出。
[0068]热处理是将钢管加热到一定温度保温一段时间，然后使它慢慢冷却。钢管的热处理是将钢管加热到发生相变或部分相变的温度，经由保温后缓慢冷却的热处理方法。热处理的目的是为了降低硬度、提高塑性、改善加工性能；消除内应力、稳定钢管尺寸、放置变形和开裂；细化晶粒、改善组织、提高无缝钢管的力学性能。这里的热处理采用的是阶梯式退火工艺。
[0069]本发明阶梯式降温是保证钢管在可控的状态下，钢管的每一处保持在相近的温度范围内，避免无缝钢管因温差产生的应力引起无缝钢管弯曲的情况，同时保证了整个无缝钢管性能的稳定性和均匀性。
[0070][有益效果]
[0071]本发明与现有技术相比，具有以下的有益效果:
[0072]I，本发明的生产方法成材率较高，成本费用相比现有技术较低。
[0073]2，本发明生产得到的大口径高强度钢无缝钢管可以避免弯曲，大口径无缝钢管热处理前后的外径与内径相差不大于Imm ;不矫直即满足技术协议要求，且其性能指标完全满足技术协议要求。
[0074]3，本发明突破了热轧工艺的规格限制，能够生产特大口径Φ780Χ35_超高强度钢无缝钢管。
【专利附图】
【附图说明】
[0075]图1为本发明实施例1大口径无缝钢管垂直悬挂的示意图；
[0076]图2为本发明常规退火工艺曲线图，其中高温段即860°C保温时间不少于90min，保温时间tl按0.25h/吨计算；650±10°C的保温时间t2按0.35h/吨计算；降温的速率为50 0C /h ；
[0077]图3为本发明实施例1阶梯式退火工艺曲线图，其中，tl = 6h ；t2?t7 = 20min ；t8 = 90min ；t9 ?tlO = 20min ；tll = 30min ；
[0078]附图标记说明如下:
[0079]I为夹持件；3为挂钩；
[0080]2为挂板； 4为大口径无缝钢管。
【具体实施方式】
[0081]下面结合本发明的实施例对本发明作进一步的阐述和说明。
[0082]实施例1:
[0083]一种Φ 780 X 35mm规格D6AE钢管的“轧制+推制”生产方法，根据设备情况，设计采用两次推制成型，即 Φ 508 X 44mm— Φ 610 X 40mm— Φ 780 X 35mm。
[0084]A，周期轧管机组轧管
[0085]首先取Φ500πιπι的D6AE电渣钢锭进行钢锭镗孔(Φ 120mm)，然后再穿孔轧制，接着完全退火处理后矫直，得到Φ 508 X 44mm规格的初品无缝钢管；
[0086]B，推制扩管
[0087]将步骤A得到的初品无缝钢管的管端进行平头处理、内表面喷砂除氧化皮和表面缺陷处理，然后将处理后的初品无缝钢管进行第一次推制扩管；第一次推制过程相对稳定,推制的速度较慢，为40mm/min ;推制力达12MPa ;由于钢管壁较厚,推制温度为740?760V。第一次推制扩管的时间约2.5小时。
[0088]接着，对第一次推制扩管后的初品无缝钢管进行退火处理以降低钢管强度，进行第二次推制扩管，得到Φ780Χ35πιπι规格的大口径无缝钢管4 ;第二次推制过程开始时相对稳定，速度较慢，为20mm/min，推制力高达15MPa ;推制温度为750°C左右。因为推制速度慢，第二次推制时间约8个小时。
[0089]C，热处理
[0090]将步骤B得到的大口径无缝钢管4悬挂在井式热处理炉内进行热处理，热处理方式是阶梯式退火工艺。
[0091]大口径无缝钢管4的悬挂方式如下:
[0092]首先，如图1所示，将大口径无缝钢管4 一端焊接夹持件1，所述夹持件I有四个，其间隔均匀的分布在无缝钢管的一端；所述夹持件I上焊接一圆形挂板2，所述挂板2上设置四个挂钩3，所述四个挂钩3分别位于四个夹持件I正上方；
[0093]然后，利用挂板2上的挂钩3连接牵引设备，将大口径无缝钢管4垂直悬空放入井式加热炉内；
[0094]由于本实施例1制备的大口径超高强度钢无缝钢管其D/S为22.3，其长时间高温退火，钢管易发生变形，目前矫直机难以校正，因此，需要在井式热处理炉内将钢管悬挂进行热处理工艺，并且采用焊接夹持件和挂板将钢管悬空在炉内处理不会发生变椭或局部出现凹面。利用该方法进行大口径无缝钢管热处理，其大口径无缝钢管热处理先后的外径与内径相差不大于1mm。
[0095]接着，调整井式加热炉的温度，使温度升高至860°C后，保温20min;接着，利用井式加热炉的控温系统使大口径无缝钢管4按30°C阶梯式随炉降温，每降低一个温度需保温20min ;当降低至65(TC,保温90min ;接着继续按3(TC阶梯式至59(TC,每降低一个温度需要20min ;接着降低至550°C，保温30min，关闭控温系统，使大口径无缝钢管4在井式加热炉内空冷30min ;具体的阶梯式退火工艺曲线图如图3所示，具体如下:
[0096]6 小时加热至 860 0C — 860 °C 保温 20min — 830 °C 保温 20min — 800 °C 保温 20min — 770 V 保温 20min — 740 V 保温 20min — 710 V 保温 20min — 680 V 保温20min — 650°C保温 lh30min — 620°C保温 20min — 590°C保温 20min — 550°C保温 30min，然后吊着空冷30min后放台架冷却。
[0097]相比于常规退火工艺，如图2所示，具体是860°C保温0.25小时/吨，以每小时彡50°C的温降，降至650°C保温0.35小时/吨，之后再以每小时彡50°C的温降，降至550°C后出热处理炉，空冷。本实施例阶梯式退火工艺与常规退火工艺比较，在860°C和650°C分别进行的保温未做调整。但是新设计阶梯状降温分布，在热处理过程中通过阶段保温的方式，减少了温差的影响。
[0098]经测量，采用常规退火工艺处理的无缝钢管每米弯曲度彡3mm ;而采用本实施例的阶梯式退火工艺处理的无缝钢管，每米弯曲度最大为2.5_。因此本实施例实现了无缝钢管弯曲度小，不矫直即满足技术协议要求，且性能指标完全满足技术协议要求。
[0099]然后取样、检验，得到所述的大口径超高强度钢无缝钢管。
[0100]通过对无缝钢管进行硬度测定。可以得出，采用常规退火工艺处理的无缝钢管头端布氏硬度直径HBD为4.1mm,尾端为4.3mm ;而采用本实施例的阶梯式退火工艺处理的无缝钢管头尾两端HBD均为4.25mm。由此可见，进过阶梯式退火工艺处理的无缝钢管的性能均勻稳定。
[0101]本实施例得到的φ780X35mm规格D6AE超高强度钢无缝钢管减少了弯曲程度，不矫直即满足技术协议要求，且性能指标完全满足技术协议要求。
[0102]尽管这里参照本发明的解释性实施例对本发明进行了描述，上述实施例仅为本发明较佳的实施方式，本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。
【权利要求】
1.一种大口径超高强度钢无缝钢管的生产方法，其特征在于它包括以下步骤: A，周期轧管机组轧管 首先取Φ500mm以上的电渣钢锭进行钢锭镗孔，然后再穿孔轧制，接着退火处理后矫直，得到初品无缝钢管； B，推制扩管 将步骤A得到的初品无缝钢管的管端进行平头处理、内表面喷砂除氧化皮和表面缺陷处理，然后将处理后的初品无缝钢管进行第一次推制扩管； 接着，对第一次推制扩管后的初品无缝钢管进行退火处理以降低钢管强度，再进行第二次推制扩管，得到大口径无缝钢管(4)； 所述第二次推制扩管相较于第一次推制扩管，其推制速度降低、推制力增加； C，热处理 将步骤B得到的大口径无缝钢管(4)悬挂在井式加热炉内进行热处理，热处理方式是阶梯式退火工艺； 然后取样、检验，得到所述的大口径超高强度钢无缝钢管。
2.根据权利要求1所述的生产方法，其特征在于在步骤A中，所述的电渣钢锭选自高强度合金钢D6AE或42CrMo。
3.根据权利要求1所述的生产方法，其特征在于在步骤A中，所述的穿孔轧制方式选自三辊连轧管轧制、ACXU-ROLL精密轧管或周期轧管。
4.根据权利要求1所述的生产方法，其特征在于在步骤A中，所述的退火方式为完全退火。
5.根据权利要求1所述的生产方法，其特征在于在步骤A中，所述矫直是指修磨电渣钢锭缺陷，其包括利用切除和修磨方式清除管端缺陷。
6.根据权利要求1?5任意一项所述的生产方法，其特征在于在步骤B中，所述第一次推制扩管的推制温度为740?760°C、推制速度为30?40mm/min、推制力度为10?12MPa ；所述第二次推制扩管的推制温度为750?780°C、推制速度为10?20mm/min、推制力度为15 ?20MPa。
7.根据权利要求6所述的生产方法，其特征在于在步骤C中，所述的大口径无缝钢管(4)悬挂的方式如下: 首先，将大口径无缝钢管(4) 一端焊接夹持件(I)，所述夹持件(I)有四个，其间隔均匀的分布在无缝钢管的一端；所述夹持件(I)上焊接一挂板(2)，所述挂板(2)上设置四个挂钩(3)，所述四个挂钩(3)分别位于四个夹持件(I)正上方； 然后，利用挂板⑵上的挂钩⑶连接牵引设备，将大口径无缝钢管⑷垂直悬空放入井式加热炉内。
8.根据权利要求1或7所述的生产方法，其特征在于在步骤C中，所述的热处理方式如下: 调整井式加热炉的温度，使温度升高至850°C以上后，保温20?30min ;接着，利用井式加热炉的控温系统使大口径无缝钢管(4)按20?40°C阶梯式降温，每降低一个温度需保温20?95min;当温度降至550°C时，关闭控温系统，使大口径无缝钢管(4)在加热炉内空冷 25 ?35min。
【文档编号】B21C37/06GK104324972SQ201410710674
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2014年11月29日 优先权日:2014年11月29日
【发明者】郭元蓉, 鄢勇, 彭海龙, 刘昊, 胡茂会, 胡传富, 李宁 申请人:攀钢集团成都钢钒有限公司