一种含Cu钢管的制造方法与流程

一种含cu钢管的制造方法
技术领域
1.本发明涉及一种管材的制造方法，尤其涉及一种钢管的制造方法。


背景技术：

2.耐蚀性是衡量耐蚀钢质量的首要因素，鉴于cu元素属于有益于耐蚀性的因素，现有技术中发明了一系列的含铜钢，如耐大气腐蚀的09pcucrni、耐硫酸露点腐蚀的09crcusb等材料。
3.但需要注意的是，在实际生产过程中，铜元素会引起铜脆，从而恶化材料的可制造性。常规措施是添加足够的ni元素来抑制铜脆，ni是贵重金属，增加了成本，某种程度上也牺牲了cu提高耐蚀性的有效性，即从可制造性上讲，加ni是有益的，但对成本和耐蚀性是不利的。
4.因此，通常采用优化轧制前的热处理工艺来规避或至少降低铜脆，如公开号为cn105964704a，公开日为2016年9月28日，名称为“一种含铜钢连铸板坯加热方法及热轧工序”的中国专利文献中，就是通过控制表面富铜相厚度；公开号为cn100535134c，公开日为2009年9月2日，名称为“含铜钢加热方法及其生产的含铜钢”的中国专利文献中，就是分两步完成原坯加热，即先加热到1000～1050℃，再用30～90分钟加热到最高1250～1290℃，避免任何裂纹或开裂缺陷。
5.此外，在现有技术中，公开号为cn108660289a和cn108660289a的两个专利文献中的工艺流程均是按正常耐候钢生产流程进行的，其采用了铁水脱硫预处理
→
转炉或电炉冶炼
→
lf炉精炼
→
连铸
→
控轧控冷轧制的工艺流程，其特点是控制脱氧剂合金化工艺，在钢中产生弥散分布的含mns的ti氧化物夹杂以及ti-al符合氧化物夹杂作为cu弥散析出的异质形核点，cu在mns上析出，使钢中的铜均匀、弥散的分布在钢中，不易在晶界偏聚，消除铜脆缺陷。
6.另外，公开号为cn105200349a，公开日为2015年12月30日，名称为“一种生产耐硫酸露点腐蚀圆钢09crcusb的方法”的中国专利文献也是采用优化工艺以降低铜脆，其工艺路线为：铁水预处理
→
顶底复吹转炉
→
lf钢包精炼
→
vd真空炉
→
150mm
×
150mm方坯连铸
→
翻转冷床
→
铸坯缓冷
→
铸坯检验
→
加热炉
→
高压水除磷
→
粗轧
→
1#剪头尾
→
中轧
→
上冷床
→
定尺剪切
→
检验
→
成品收集
→
成品缓冷
→
入库。但该技术方案的制造工艺仅限于制造圆钢，而并未涉及制管。
7.参阅上述现有专利文献，并结合目前诸多改进方案，我们不难发现上述板坯或初轧圆钢的加热炉常规为线性配置，其物料在炉时间短，铜脆效应累计少，再采取上述加热措施，较易规避铜脆。基于同等考虑，含铜钢管的传统生产工艺是采用如板坯等的短流程加热炉加热后热穿孔，随后采用冷轧/拔的工艺，这一设计同样也巧妙地降低了含铜钢管的铜脆效应，同时一般还需添加元素ni抑制铜脆。
8.但需要注意的是，上述含铜钢管制管工艺仅适合加热小管坯和生产小规格管子，而不适合用大管坯生产大规格无缝钢管，因为大规格管坯需要用环形炉，再炉时间常规超2
小时，其铜脆效应大。
9.基于此，针对现有技术中存在的缺陷与不足，本发明期望获得一种含cu钢管的制造方法，该制造方法可以突破热穿孔+冷轧/拔的传统含铜无缝钢管生产工艺，其在不添加ni元素抑制铜脆效应的前提下，设计了适合生产大规格无缝钢管的环形炉加热工艺及防铜脆措施，即使在高温段在炉时间长也无铜脆。
10.此外，该制造方法还可以利用热穿孔后的余热，采用热连轧工艺代替冷轧/拔工艺生产出不含ni元素的含cu钢管，制得的含cu钢管可不进行热处理，直接使用热轧态。


技术实现要素：

11.本发明的目的在于提供一种含cu钢管的制造方法，该制造方法可以突破热穿孔+冷轧/拔的传统含铜无缝钢管生产工艺，其在不添加ni元素抑制铜脆效应的前提下，设计了适合生产大规格无缝钢管的环形炉加热工艺及防铜脆措施，即使在高温段在炉时间长也无铜脆。
12.此外，该制造方法还可以利用热穿孔后的余热，采用热连轧工艺代替冷轧/拔工艺生产出不含ni元素的含cu钢管，制得的含cu钢管可不进行热处理，直接热轧态使用。
13.为了实现上述目的，本发明提出了一种含cu钢管的制造方法，其包括步骤：
14.(1)制得管坯，在制造管坯的过程中不添加ni元素；
15.(2)在环形炉中进行三段式加热：其中第一阶段以10～30℃/min的升温速度将管坯加热至1030～1075℃，第二阶段以35～45℃/min的升温速度加热到1095～1220℃；第三阶段以10～60℃/min的升温速度加热至1230～1280℃；
16.(3)热穿孔；
17.(4)荒管不进行冷却到室温的步骤，而直接进行热连轧。
18.传统含cu无缝钢管的生产工艺如下：制得含ni等抑制铜脆元素的管坯
→
非环形炉
→
热穿孔
→
自然冷却到室温
→
修磨酸洗等前处理+冷轧/拔等多次循环往复
→
产品规格
→
热处理
→
检验、定尺、包装、存储、出厂。
19.由于cu的熔点较低，仅约1085℃，而在现有技术中，热穿孔常规温度一般≥1200℃，即在热穿孔时管坯的温度会高于cu的熔点，此时单质铜处于液化状态，而液化状态的单质铜会侵蚀晶界形成表面缺欠。再者cu不易氧化，当长时间处于高温状态下时，cu会在表面富集，其不仅会造成晶界侵蚀，还会影响后续加工。因此，目前现有技术中在化学成分上的技术措施通常采用的是：添加ni等元素抑制cu的上述弊端。
20.在现有技术中，往往需要按照ni：cu＝1/3～1/2的比例添加适量的ni元素才可使表面铜富集层变为熔点超过1200℃的铜镍富集层。添加ni元素虽可抑制铜脆，但同时也降低了cu的有效性，尤其是cu起耐蚀性等作用的材质，况且ni属于贵金属，添加ni会导致成本升高。再者，就是尽量避免高温区或在高温区的时间。即传统含铜钢管的生产工序，但不适合生产大规格管子或超长管子，基本上只能满足换热器用管，单支重量通常低于100kg，而工艺管道等大管子只能采用焊管，焊管焊缝成为耐蚀等功能性薄弱环节，是安全隐患。
21.不同于传统技术方案，本发明采用了新的工艺路线，本发明所述的含cu钢管的制造方法的工艺路线如下：制得无ni等抑制铜脆元素的管坯
→
在环形炉中进行三段式加热
→
热穿孔
→
视热穿孔后的荒管温度确定是否再加热及再加热工艺
→
荒管不进行冷却到室温
的步骤，而直接进行热连轧
→
产品规格较薄时热轧成近终形规格(后续再一道次冷加工)或产品规格适中时直接热轧成最终产品规格
→
分段
→
直接使用热轧态或实施热处理后直接供货
→
检验、定尺、包装、存储、出厂。
22.在本发明所述的制造方法中，其在不添加ni元素抑制铜脆效应的前提下，设计了适合生产大规格无缝钢管的环形炉加热工艺，即使在高温段在炉时间长也无铜脆。相较于热穿孔+冷轧/拔的传统含铜无缝钢管生产工艺，在本发明所述的制造方法中，利用环形炉加热时，可以使用大规格管坯，进而可以生产出大规格或超长的含cu钢管。
23.需要说明的是，在本发明所述的制造方法过程中，本发明针对环形炉中的加热工艺进行了合理的优化设计，其通过在环形炉中进行三段式加热，并确保每段的升温温度和加热速度，可以有效保证不含ni元素的管坯质量。
24.进一步地，在本发明所述的制造方法中，在步骤(2)中，在加热过程中，控制炉内氧气的体积含量≤3.8％。
25.进一步地，在本发明所述的制造方法中，在步骤(2)中，在加热过程中向炉内通入非氧化性气体。
26.进一步地，在本发明所述的制造方法中，在步骤(2)中，当炉内温度高于1060℃时，向炉内通入非氧化性气体。
27.进一步地，在本发明所述的制造方法中，在步骤(2)中，通入所述非氧化性气体的流量5～500ml/s。
28.进一步地，在本发明所述的制造方法中，在步骤(2)中，通入所述非氧化性气体的流量为200～450ml/s。
29.在本发明的上述技术方案中，在本发明所述的步骤(2)中，在环形炉中进行三段式加热是本发明的核心工艺，在具体实施时，除控制三段式加热具体的升温温度和加热速度外，还可以进一步地控制炉内气氛。
30.在本发明中，为了降低管坯氧化，在采取常规控制空气/燃料混合比的前提下，力求最低的氧气残余，在加热过程中，可以控制炉内氧气的体积含量≤3.8％，优选炉内氧气的体积含量为0.001～0.10％。
31.相应地，为了进一步降低氧化，在炉内温度高于1060℃时，尤其是炉内温度在1060～1280℃区域时，可以进一步地向炉内通入氮气等非氧化性气体，通入非氧化性气体的流量可以控制为5～500ml/s，优选可以控制在200～450ml/s之间。
32.进一步地，在本发明所述的制造方法中，在步骤(2)中，在管坯入炉前，在管坯表面涂覆厚度为0.5～3.5mm的耐氧化涂料。
33.进一步地，在本发明所述的制造方法中，在步骤(2)中，在管坯入炉前，在管坯表面涂覆厚度为0.8～1.9mm的耐氧化涂料。
34.在本发明的上述技术方案中，步骤(1)所得的无ni管坯在入炉前可以在表面采用耐高温的耐氧化涂料进行涂覆，防止管坯本身氧化，尤其是非cu元素的选择性氧化，以及降低或避免富铜层的形成，该耐氧化涂料的厚度可以设置在0.5～3.5mm之间，厚度最优可以控制在0.8～1.9mm之间。
35.在本发明中，即使耐氧化涂料部分或全部在高温中燃烧，也可以起到降低o2浓度的有益作用。涂料主要成分是聚合物，并由不燃的耐热无机物以及少量的可燃有机物作为
填料。
36.进一步地，在本发明所述的制造方法中，若在热连轧之前，荒管的温度低于900℃，则在步骤(3)之后、步骤(4)之前进行步骤(3a)再加热，以将荒管温度加热至900～1150℃。
37.在本发明中，步骤(3)中的热穿孔可以采用任何常规穿孔装备，将实心管坯穿孔获得空心荒管，其工艺参数也可采用常规技术选择的参数，此处不再赘述。
38.相应地，在完成步骤(3)的热穿孔之后，若荒管的温度低于900℃，则可以在步骤(4)之前通过再加热炉把荒管加热到900～1150℃，优选地可以控制荒管温度加热至925～1135℃，完成再加热。即在本发明所述的制造方法过程中，可以视热穿孔后的荒管温度确定是否需要进行再加热工艺。
39.荒管自再加热炉出炉后可以直接进入步骤(4)的热连轧工艺，因每套机组均有自身优化的规格组距，不仅直径有最大和最小的范围，每个直径也有其最薄和最厚的壁厚，即合适的直径及其壁厚的匹配。若产品规格在设备规格大纲里就直接轧成产品规格；若产品规格溢出规格大纲，多数是管壁偏薄，则只能选择先热连轧成近终形规格，而后再经一道次冷轧/拔成最终产品规格。
40.进一步地，在本发明所述的制造方法中，在步骤(3a)中，将荒管温度加热至925～1135℃。
41.进一步地，在本发明所述的制造方法中，在步骤(2)中，其中第一阶段以18～25℃/min的升温速度将管坯加热至1055～1070℃，第二阶段以38～44℃/min的升温速度加热到1208～1215℃；第三阶段以18～25℃/min的升温速度加热至1235～1248℃。
42.进一步地，在本发明所述的制造方法中，在步骤(4)以后，还包括步骤(5)热处理。
43.进一步地，在本发明所述的制造方法中，在步骤(5)中，进行正火热处理，其中正火温度为850～940℃，保温时间为5～60min。
44.在本发明的上述技术方案中，如果是热连轧成最终产品规格，则可以选择不做步骤(5)的热处理操作，即可以采用热轧态直接出厂；如果用户要求热处理态交货，就可以进一步地按照用户要求作相应的热处理。如果是热连轧成近终型并最终冷轧/拔加工态，常规需要热处理，具体工艺根据成分、钢种或用户要求确定，在某些实施方式中，正火热处理中可以控制正火温度为850～940℃，并保温5～60min；优选地可以控制在890～930℃之间，并控制保温15～30min；如若既要求耐蚀性又要求耐磨性，也可冷/拔态交货，即冷轧/拔后不必热处理。因为，材料的耐蚀性主要是由成分决定的，而耐磨性常规取决于硬度，由此，输出的冷轧/拔态钢管的硬度要高于热轧态和热处理态钢管。
45.相较于现有技术，本发明所述的含cu钢管的制造方法具有如下所述的优点以及有益效果：
46.本发明所述的含cu钢管的制造方法可以突破热穿孔+冷轧/拔的传统含铜无缝钢管生产工艺，其在不添加ni元素抑制铜脆效应的前提下，设计了适合生产大规格无缝钢管的环形炉加热工艺及防铜脆措施，即使在高温段在炉时间长也无铜脆。
47.相较于传统生产方法，该制造方法的合金成本较低，利用环形炉加热时，可使用大规格管坯，制得单支管坯重，可生产大规格或数十米甚至数百米长的含cu钢管。此外，该制造方法还可以利用热穿孔后的余热，实施热连轧生产，采用热连轧工艺可以代替冷轧/拔工艺生产出不含ni元素的含cu钢管，制得的含cu钢管可以不进行热处理，直接热轧态使用，其
生产成本明显低于传统生产工艺。
48.在某些优选的实施方式中，实施本发明所述的制造方法时，可以采用由环形炉、热穿孔机、再加热炉和连轧机组组成的连续生产线，采用该连续生产线可以直接由管坯制得产品近似规格甚至是最终规格，其节奏快，且效率高。
具体实施方式
49.下面将结合具体的实施例对本发明所述的含cu钢管的制造方法做进一步的解释和说明，然而该解释和说明并不对本发明的技术方案构成不当限定。
50.实施例1-6
51.实施例1-6的含cu钢管均采用以下步骤制得：
52.(1)按照下述表1所述的原料制得管坯，在制造管坯的过程中不添加ni元素。
53.(2)在环形炉中进行三段式加热：
54.在管坯入炉前，在管坯表面涂覆耐氧化涂料，控制耐氧化涂料厚度为0.5～3.5mm，优选为0.8～1.9mm。
55.其中第一阶段升温速度控制为10～30℃/min，将管坯加热至1030～1075℃，优选控制第一阶段升温速度为18～25℃/min，将管坯加热至1055～1070℃，保证管坯热透；第二阶段升温速度控制为35～45℃/min，快速加热到1095～1220℃，优选控制第二阶段升温速度为38～44℃/min，快速加热到1208～1215℃；第三阶段升温速度控制为10～60℃/min，加热至1230～1280℃并出炉，优选控制第三阶段升温速度为18～25℃/min，加热至1235～1248℃并出炉。
56.在加热过程中，控制炉内氧气的体积含量≤3.8％，在加热过程中向炉内通入非氧化性气体，优选在炉内温度高于1060℃时，向炉内通入非氧化性气体；控制通入所述非氧化性气体的流量为5～500ml/s，优选为200～450ml/s。
57.(3)热穿孔。
58.(4)荒管不进行冷却到室温的步骤，而直接进行热连轧。
59.需要注意的是，在上述工艺步骤过程中，步骤(3)中的热穿孔可以采用任何常规穿孔装备，将实心管坯穿孔获得空心荒管，其工艺参数也可采用常规技术选择的参数。此外，若在热连轧之前，荒管的温度低于900℃，则在步骤(3)之后、步骤(4)之前进行步骤(3a)再加热，以将荒管温度加热至900～1150℃，优选可以加热至925～1135℃。
60.在本发明中，实施例1-6的含cu钢管均采用上述工艺制得，相关工艺参数均满足本发明设计规范要求。但需要注意的是，如果是热连轧成最终产品规格，可以不做热处理即热轧态直接出厂；如果用户要求热处理态交货，就可以按用户要求作相应的热处理。
61.相应地，上述步骤(4)制得的热轧态的实施例1-6含cu钢管可以进一步地经过步骤(5)热处理，其中，正火热处理中可以控制正火温度为850～940℃，控制保温时间为5～60min。优选地可以控制在890～930℃之间，并控制保温15～30min。
62.表1列出了实施例1-6的含cu钢管所采用的制得管坯的原料。
63.表1
64.编号原料实施例10.08c-0.2si-0.6mn-0.01p-0.02s-0.08cr-0.25cu
实施例20.2c-0.3si-0.5mn-0.015p-0.01s-0.005cr-0.40cu-0.05mo实施例30.15c-0.17si-0.7mn-0.012p-0.028s-0.5cr-0.10cu-01ti实施例40.01c-0.21si-0.45mn-0.08p-0.025s-0.15cr-0.20cu-0.05w实施例50.018c-0.25si-0.34mn-0.01p-0.028s-0.03cr-0.30cu-0.25al实施例60.06c-0.33si-0.20mn-0.07p-0.015s-0.3cr-0.35cu-0.09v
65.注：上述表1中各元素符号前的数值均表示对应元素质量百分比百分号前的数值，例如：“0.08c”表示c元素质量百分比为0.08wt％。
66.表2-1和表2-2列出了实施例1-6的含cu钢管在上述工艺步骤中的具体工艺参数。
67.表2-1.
[0068][0069]
表2-2.
[0070][0071][0072]
注：表2-2中的实施例5不进行荒管再加热步骤。
[0073]
相应地，在本发明中需要取样两次：将经上述工艺步骤(4)得到的热轧态的实施例1-6的含cu钢管进行取样；同时，在各实施例含cu钢管完成正火热处理后的正火态的实施例1-6的含cu钢管再次取样，获得对应样本。
[0074]
对两次取样的不同状态的实施例1-6的含cu钢管进行观察，观察是否产生铜致开裂。经观察后发现，无论是在热轧态下还是在正火态下，实施例1-6的含cu钢管均不存在铜致开裂，其表面质量优异。
[0075]
观察完成后，需要对两次取样的不同状态的实施例1-6的含cu钢管均进行耐腐蚀性能测试，以测得实施例1-6的含cu钢管的腐蚀率，相关耐腐蚀性能测试结果分别列于下述
表3和表4之中。
[0076]
耐腐蚀性能试验：参照jb/t 7901《金属材料实验室均匀腐蚀全浸试验方法》和gb150《压力容器第2部分：材料》中09crcusb耐硫酸腐蚀实验，取宽约10mm的管环，在70℃-50wt％硫酸水溶液中浸泡24h，利用失重法测得各实施例含cu钢管的腐蚀率。
[0077]
表3列出了经热连轧后获得的热轧态的实施例1-6的含cu钢管的腐蚀率。
[0078]
表3.
[0079]
编号腐蚀率γ/g
·
m-2
·
h-1
实施例169.4实施例247.3实施例354.3实施例471.0实施例567.4实施例689.2
[0080]
表4列出了经热处理后获得的正火态的实施例1-6的含cu钢管的腐蚀率。
[0081]
表4.
[0082][0083][0084]
结合上述表3和表4可以看出，无论是热轧态还是正火态的实施例1-6的含cu钢管均具有良好的耐腐蚀性能。其中，热轧态的实施例1-6的含cu钢管的腐蚀率在47.3～89.2g
·
m-2
·
h-1
之间；正火态的实施例1-6的含cu钢管的腐蚀率在49.0～90.1g
·
m-2
·
h-1
之间。
[0085]
综上所述可以看出，本发明所述的含cu钢管的制造方法生产成本较低，其可以突破热穿孔+冷轧/拔的传统含铜无缝钢管生产工艺，在不添加ni元素抑制铜脆效应的前提下，设计了适合生产大规格含cu钢管的环形炉加热工艺及防铜脆措施，从而使管坯满足即使在高温段在炉时间长也无铜脆。
[0086]
相较于传统生产方法，该制造方法的合金成本较低，利用环形炉加热时，可使用大规格管坯，制得单支管坯重，可生产大规格或数十米甚至数百米长的含cu钢管。此外，该制造方法还可以利用热穿孔后的余热，实施热连轧生产，采用热连轧工艺可以代替冷轧/拔工艺生产出不含ni元素的含cu钢管，制得的含cu钢管可以不进行热处理，直接使用热轧态使用，其生产成本明显低于传统生产工艺。
[0087]
在某些优选的实施方式中，实施本发明所述的制造方法时，可以采用由环形炉、热穿孔机、再加热炉和连轧机组组成的连续生产线，采用该连续生产线可以直接由管坯制得产品近似规格甚至是最终规格，其节奏快，且效率高。
[0088]
需要说明的是，本案中各技术特征的组合方式并不限本案权利要求中所记载的组合方式或是具体实施例所记载的组合方式，本案记载的所有技术特征可以以任何方式进行自由组合或结合，除非相互之间产生矛盾。
[0089]
还需要注意的是，以上所列举的实施例仅为本发明的具体实施例。显然本发明不局限于以上实施例，随之做出的类似变化或变形是本领域技术人员能从本发明公开的内容直接得出或者很容易便联想到的，均应属于本发明的保护范围。