无缝管热轧过程中的控制轧制方法
【专利摘要】本发明提供一种无缝管热轧过程中的控制轧制方法，该方法以以下数据为设计前提：实验钢种的完全再结晶温度下限及非再结晶温度上限；在计划使用的生产线上，以常规工艺轧制目标规格无缝管的穿孔机入口及出口、轧管机入口及出口、张减/定径机入口及出口的温度，及穿孔、轧管及张减/定径步骤的轧制孔型。根据所搜集的数据，进行控制轧制工艺设计，包括以下步骤：以穿孔、轧管两步骤为粗轧、张减/定径步骤为精轧进行轧制变形量调整及轧制温度设计，并通过采用一定方法控制粗轧终轧温度及精轧开轧温度，最终实现控制轧制工艺。有益效果是改善热轧无缝管显微组织，提高成品管热处理后的综合力学性能，尤其是冲击性能。无论是对23Mn2SiCrV高强度钢还是对超低温用9Ni钢，控制轧制工艺的使用都可以明显提高材料的性能。
【专利说明】
无缝管热轧过程中的控制轧制方法
技术领域
[0001] 本发明属于热乳无缝钢管生产技术领域，特别涉及一种无缝管热乳过程中的控制 乳制方法，通过控制乳制改善无缝管乳态组织、提高无缝管热处理后的最终力学性能。
【背景技术】
[0002] 控制乳制工艺是现代钢铁材料生产过程中重要的生产工艺，主要分为加热、粗乳、 精乳三个步骤。其中粗乳步骤主要是在完全再结晶区进行，以获得细小的原奥氏体晶粒;精 乳一般在非再结晶区进行，以提高原奥氏体晶粒内部缺陷，增加铁素体/贝氏体形核位置。 通过控制乳制可以细化晶粒、得到常规乳制及热处理无法得到的组织，从而达到提高材料 机械性能、简化热处理制度的目的。目前，该技术广泛应用于板材、棒材、型材等的生产中， 但是在无缝钢管的生产流程中，这一工艺尚未应用。
[0003] 无缝钢管热乳生产工艺流程为:乳前准备、管坯加热、乳制、精整。其中乳制部分包 括穿孔、乳管、热精整三个主要变形过程。采用不同的机组，具体的生产流程会有变化。但无 缝管热乳过程中各个步骤的乳制变形量通常依据最易管体成型而制定，热乳过程中的温度 是生产流程过程中的自然变化，并无严格控制。即常规无缝管热乳过程中没有采用控制乳 制工艺。
[0004] 碳钢、低合金钢等对加工工艺要求不甚严格的常规钢种的无缝管加工工艺较为成 熟，且通过热处理后可以得到令人满意的综合性能。但是随着工业的发展对材料性能要求 的日益提高，出现了大量的高合金钢、高强度钢等等。这些钢种通常需要在乳制过程中采用 控制乳制工艺来调整组织，得到理想的综合性能。采用常规无缝管热乳工艺，不少钢种在加 工成无缝管的过程中存在着难以成型、组织不均、性能难以达标、热处理工艺繁琐等问题。 因此，有必要在无缝管热乳过程中加入控制乳制工艺。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是提供一种无缝管热乳过程中的控制乳制方法，通过调整无缝管热 乳过程中各步骤的变形量、出入口温度及辊道速度达到控制乳制，进而调整成品管微观组 织、提高无缝管的综合性能的目的。
[0006] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案是通过将穿孔与乳管视为粗乳过程、将 张减/定径视为精乳过程，结合材料在高温下的变形特性和组织演变特征，在PQF/MPM/ Assel热乳生产线上进行乳制变形量及乳制温度的控制以乳制高性能无缝管
[0007] 由于不同生产线设备能力、生产线长度、不同钢种高温变形特性、坯料规格、成品 管规格等因素，在常规无缝管热乳过程中所采用的环形炉温度、乳制中间规格、各步骤出入 口温度都会根据生产线、钢种、坯料及成品管规格变化而变化，无法概而论之。本发明是在 常规无缝管热乳工艺基础上进行的乳制工艺设计及控制。因此说明书中仅给出各个控制变 量的确定方法及控制手段，实施例中会针对具体实例依据说明书中的工艺设计及工艺控制 方法给出具体数值。
[0008] 首先，不同钢种在高温下的变形特性和组织演变特征不同，在进行控制乳制工艺 设计之前，需要对计划热乳成无缝管的钢材进行热模拟实验。一般采用拉伸实验，绘制热塑 性及变形抗力曲线，并通过热塑性及变形抗力曲线初步测定该钢种的完全再结晶温度下 限，非再结晶温度上限。
[0009] 然后，在计划使用的热乳生产线上，以常规工艺乳制目标规格的无缝钢管，采集热 乳生产线上的穿孔机入口及出口、乳管机入口及出口、张减/定径机入口及出口的温度，且 分别记录穿孔、乳管及张减/定径步骤的乳制孔型。进而进行控制乳制工艺设计，该方法包 括以下步骤：
[0010] 1)粗乳:将穿孔、乳管两个工序做为粗乳步骤，设计管坯到荒管的总变形量在60~ 90%之间，控制粗乳终乳温度即荒管在乳管机的出口温度在该钢种完全再结晶温度下限以 上。采用提高穿孔机转速、毛管车速度、乳管机入口及出口速度的方法来提高荒管在乳管机 出口的温度。由于不同生产线上穿孔机转速、毛管车速度、乳管机入口及出口速度的可调正 范围不同，本说明书中不给出具体数值，实施例中会结合实际生产线给出具体调整数据；
[0011] 2)荒管待温:在乳管与张减/定径工序之间加入荒管待温工序，使荒管温度由乳管 机出口温度降至设计的张减/定径机入口温度即精乳开乳温度，然后进入精乳工序乳制成 成品管；
[0012] 3)精乳:将张减/定径工序做为精乳步骤，设计精乳步骤成品管对荒管变形量不小 于15%，控制精乳开乳温度低于该钢种非再结晶温度上限。该温度上限根据钢种不同会有 所变化，因此本说明书中不给出具体温度数值，实施例中会根据具体钢种给出非再结晶温 度上限。如果非再结晶上限温度低于850°C，考虑设备能力，控制精乳开乳温度低于850°C。
[0013] 本发明的效果可以改善热乳无缝管组织形态，提高其热处理后的综合性能，尤其 是冲击性能。以23Mn2SiCrV贝马双相高强钢为例，常规热乳的Φ 88.9 X 7.55mm无缝管回火 后，屈服强度为972MPa，断裂强度为1165MPa，10 X 5mm截面小尺寸样品冲击功为26J;但采用 控制乳制工艺所得相同规格无缝管回火后，屈服强度可达到l〇59MPa，断裂强度可达 1299MPa，10 X 5mm截面小尺寸样品冲击功提高至57J。而Φ 152 X 16mm规格超低温用9Ni无缝 钢管采用本工艺乳制后，-196Γ全尺寸冲击功平均可提高42J，侧向膨胀量可提高0.43mm。
【附图说明】
[0014] 图Ia为23Mn2SiCrV高强度贝马复合双相钢的热塑性曲线；
[0015]图Ib为23Mn2SiCrV高强度贝马复合双相钢变形抗力曲线；
[0016]图2a为常规工艺乳制23Mn2SiCrV无缝管外壁金相组织；
[0017]图2b为常规工艺乳制23Mn2SiCrV无缝管内壁金相组织；
[0018] 图3为采用本发明的控制乳制方法的所得的23Mn2SiCrV无缝管金相组织；
[0019] 图4a为超低温用9Ni钢的热塑性曲线；
[0020]图4b为超低温用9Ni钢的变形抗力曲线。
【具体实施方式】
[0021]结合附图通过实施例对本发明的无缝管热乳过程中的控制乳制方法加以说明。 [0022]本发明的无缝管热乳过程中的控制乳制方法，在PQF/MPM/Assel热乳生产线上进 行乳制变形量及乳制温度的控制，进而调整成品管微观组织、提高无缝管的综合性能，制备 高性能无缝管:首先，对计划乳制成无缝管的高强度钢或者高合金钢进行热模拟拉伸实验， 绘制热塑性及变形抗力曲线，并通过热塑性及变形抗力曲线初步测定该钢种的完全再结晶 温度下限及非再结晶温度上限;然后，在计划使用的热乳生产线上，以常规工艺乳制计划生 产的规格的无缝钢管，采集热乳生产线上的穿孔机入口及出口、乳管机入口及出口、张减/ 定径机入口及出口的温度，且分别记录穿孔、乳管及张减/定径步骤的乳制孔型，进而控制 乳制工艺，该方法还包括以下步骤：
[0023] 1)粗乳:将所述穿孔、乳管两个工序做为粗乳，将管坯到荒管的总变形量控制在60 ~90%之间，控制粗乳的终乳温度即荒管在乳管机的出口温度在荒管完全再结晶温度下限 以上，采用提高穿孔机转速、毛管车速度、乳管机入口及出口速度，来提高荒管在乳管机出 口的温度；
[0024] 2)荒管待温:在乳管与张减/定径工序之间加入荒管待温工序，使荒管温度由乳管 机出口温度降至设计的张减/定径机入口温度即精乳开乳温度，然后进入精乳工序制成品 管；
[0025] 3)精乳:将张减/定径工序做为精乳步骤，设计精乳步骤成品管对荒管变形量不小 于15%，控制精乳开乳温度低于该钢种非再结晶温度上限，如果所述上限低于850°C，考虑 设备能力，控制精乳开乳温度低于850°C。
[0026] 实施例一：
[0027] 实验用23Mn2SiCrV钢种的化学成分见表1。
[0028] 表1 23Mn2SiCrV钢种的化学成分
[0030]^试验用23Mn2SiCrV钢种为B/M复合相组织高强度钢，可广泛应用于机械零件及工 程构建。该材料优异的强韧性主要依靠贝氏体与马氏体两相复合，以贝氏体切断马氏体基 体并阻碍裂纹扩展，以带有稳定残余奥氏体膜并具有超精细结构的无碳贝氏体代替常规贝 氏体来实现的。实验室制备工艺为1200 °C开坯锻造，700 °C均匀化2h，炉冷。经过合适的热处 理后，可得到贝氏体含量约15%，残余奥氏体含量约8%的复合组织，其屈服强度(〇〇. 2)可达 1300MPa以上，断裂强度可达1500MPa以上，全尺寸室温冲击功为接近70 J。
[0031] 本实验采用168PQF机组生产线，生产Φ 88.9 X 7.55mm无缝管，所用坯料为Φ 210mm 圆坯。
[0032]钢水经电炉冶炼，炉外精炼和真空脱气后进行模铸，锻造成Φ 210mm圆坯。取样在 0.0 liT1变形速率下进行热模拟拉伸实验，绘制热塑性及变形抗力曲线，如图la、b所示。
[0033]金属材料高温变形过程中存在加工硬化及回复再结晶（加工软化)两种组织演化 过程。在不发生相变的前提下，这两种组织演化过程的关系如下:温度较低时回复再结晶基 本不发生，材料在变形过程中加工硬化占主导，变形塑性较差；随着温度升高，回复再结晶 的效果逐步显现，材料的塑性逐步增大；当温度继续升高，材料进入完全再结晶阶段，回复 再结晶与加工硬化的作用效果达到平衡，材料的塑性较高，且随温度增加变化不大。分析图 Ia，在实验条件下，23Mn2SiCrV在925°C以上进行变形时，加工硬化与加工软化达到平衡，塑 性不再随着温度升高而明显提高。表明在925°C以上，材料进入完全再结晶阶段。对比材料 在7 50 °C及800 °C塑性，可以发现材料塑性随着温度降低而降低的幅度明显趋缓。因此可以 认为在800°C以下，材料变形过程中的再结晶区域很少。根据目前实验结果认为800°C以下， 23Mn2SiCrV位于非再结晶区。
[0034] 结合图Ia及23Mn2SiCrV的锻造开坯温度，综合考虑穿孔变形量、168PQF机组生产 线长度、生产过程中温降等因素，初步选定环形炉温度为1280°C。
[0035] 采用常规热乳工艺试乳，现场测量数据如表2。穿孔、连乳总变形量即粗乳变形量 为88 %，荒管在连乳机的出口温度为998°C ;张减变形量为53 %，荒管在张减机入口温度的 为889°C。
[0036] 表2
[0039] 热处理后所得无缝管性能如表3。对比回火及调制热处理后性能发现，两种热处理 条件下，材料冲击功差别不大，但是调制后材料强度略有提高。
[0040] 表 3
[0042] 如图2a、2b所示，金相照片显示管体内外壁组织差异较大。外壁组织如图2a所示以 马氏体为主，而内壁组织如图2b所示则以贝氏体为主。两种组织没有达到有效的复合。且内 外壁组织的不均匀性也对无缝管整体力学性能具有不好的影响。因此考虑采用控制乳制技 术，改变乳态管微观组织，以提高最终性能。
[0043] 为了使材料粗乳（穿孔+连乳)过程中的变形的到更好的回复，设计进一步提高连 乳出口温度，使之高于l〇〇〇°C。具体方法为将穿孔步骤电机转速由480rpm提高至500rpm，毛 管车速度由2.5m/s提高至2.7m/s，但连乳机出口速度仍保持3.8m/s不变。此外，微调连乳步 骤孔型，使粗乳变形量由88%提高至89%，不超过设计原则90%的粗乳变形量上限。
[0044]实验所得非再结晶上限温度为800°C。根据图Ib可知，850°C以下，材料变形抗力随 着温度降低快速增大。出于设备能力考虑，设计精乳开乳温度为850°C。同时由于连乳步骤 孔型调整，张减变形量由53%降至49%，但是仍高于设计原则中15%的精乳变形量下限。
[0045] 为了保证精乳开乳温度，荒管在张减机前原地转动待温，直至管体表面测量温度 降至850°C，荒管进入张减机，开始精乳。
[0046] 采用控制乳制工艺的现场数据表4。可见实际乳制过程中，粗乳终乳温度为1085 °C，张减入口温度为846°C，满足控制乳制设计目标。
[0047] 表 4
[0048]
[0049] 对所得无缝管进行晶相观察，结果显示，采用控制乳制工艺以后，所得23Mn2SiCrV 无缝管内外壁组织均匀，如图3所示。可见贝马双相均匀复合，且贝氏体/马氏体体积比约为 1/5。此外还有一定量的细小形变诱发铁素体弥散分布。这种组织有利于在后续热处理过程 中得到较好的性能，如表5所示。
[0050] 表 5
[0051]
[0052] 可见，采用控制乳制工艺以后，所得23Mn2SiCrV无缝管，经过不同的热处理制度可 以展现不同的性能特点：回火态钢管在具有高强度的同时也具有良好的韧性，调质态钢管 韧性虽然不高，但是其超高强度及高硬度也有广泛的应用空间。
[0053] 实施例二：
[0054]实验用9Ni钢种的化学成分见表1。
[0055] 表6 9Ni钢种的化学成分
[0057]试验用9M钢种为低温用钢，广泛用于液化石油气（LNG)的存储及运输，常规使用 温度为_162°C，主要特点是在-196°C的仍然具有较好的冲击韧性。ASTM A33规定该合金无 缝管-195°C夏比冲击实验侧向膨胀量达到0.38mm以上方为合格。文献表明9Ni钢板的粗乳 开乳温度在1150~1100°C之间，粗乳终乳温度在975°C以上，精乳开乳为850°C，精乳终乳温 度在730°C以上。
[0058] 本实验计划采用的Assel机组生产线，生产Φ 152 X 16mm无缝管，所用坯料为Φ 200mm圆还。
[0059] 钢水经电炉冶炼，炉外精炼和真空脱气后进行模铸，锻造成Φ 200mm圆坯。取样在 变形量〇. Ols^1条件下进行热模拟拉伸实验。图4a、图4b所示为根据热模拟拉伸结果绘制材 料热塑性曲线及变形抗力曲线。采用实施例一中方法分析图4a，认为在900°C以上，材料进 入完全再结晶阶段，在800°C以下，9Ni钢位于非再结晶区。
[0060] 结合图4a及9Ni钢板乳制工艺，综合考虑穿孔变形量、Assel机组生产线长度、生产 过程中温降等因素，初步选定环形炉温度为1150Γ。
[0061] 采用常规热乳工艺试乳，现场测量数据如表7。荒管对管坯变形量为73%，成品管 对荒管变形量为26 %。乳管机出口温度为1012 °C，定径机入口温度为979 °C。
[0062] 表 7
[0063]
[0064] 采用800°C X40min，水淬+580°C X40min，空冷的制度热处理后所得无缝管性能如 表8 〇
[0065] 表 8
[0066]
[0067]为了进一步提高9Ni无缝管的性能，采用控制乳制技术，改进乳制工艺。常规工艺 中荒管对管坯变形量为73%，在设计原则中60~90%的粗乳变形量范围内。定径步骤成品 管对荒管变形量为26%也满足15%以上精乳变形量的设计准则。因此在工艺调整过程中不 对各步骤变形量进行微调，仅对各步骤温度进行控制。
[0068]虽然常规工艺中荒管在乳管机的出口温度为1012Γ，高于9Ni钢完全再结晶温度， 但是为了让粗乳变形组织更好的回复，设计进一步提高粗乳终乳温度即乳管步骤荒管的出 口温度。具体方法是将穿孔机转速由360rpm提高至400rpm，保持毛管车速度不变，Assel乳 管机转速由750rmp提高至800rmp以提高乳管机出口速度。
[0069]与实施例一相同，考虑9Ni钢非再结晶温度上限800°C，及定径机的设备能力，设计 精乳开乳温度为850°C以下。采用荒管待温，即荒管在乳管机出口位置原地转动降温的方 式，待荒管温度降至850°C后进入定径机进行精乳。采用控制乳制工艺的现场数据见表9。荒 管在乳管机的出口温度为l〇55°C，在张减机的入口温度为820°C，满足控制乳制工艺设计要 求。
[0070] 表 9
[0071]
[0072] 采用800°C X40min，水淬+580°C X40min，空冷热处理后所得无缝管性能如表10。
[0073] 表1〇
[0074]
[0075]可见，采用控制乳制工艺以后，所得9Ni无缝管，拉伸性能及室温冲击性能变化虽 然不大，但是-196Γ低温冲击性能有了进一步提高，平均冲击功提高可达42J，平均侧向膨 胀量提高可达〇. 43mm。
[0076]本发明提出的一种通过调整无缝管热乳过程中各步骤的变形量、出入口温度及辊 道速度来调整成品管微观组织、提高综合性能的控制乳制方法。已通过实例进行了描述，相 关技术人员明显能在不脱离本发明的内容、精神和范围内对本文所述的制作方法进行改动 或适当变更与组合，来实现本发明的技术。所有相类似的替换和改动对本领域技术人员来 说是显而易见的，他们都被视为包括在本发明保护范围之中。
【主权项】
1. 一种无缝管热乳过程中的控制乳制方法，该方法是在PQF/MPM/Assel热乳生产线上 进行乳制变形量及乳制温度的控制，进而调整成品管微观组织、提高无缝管的综合力学性 能，制备高性能无缝管;首先，对计划乳制成无缝管的高强度钢或者高合金钢进行热模拟拉 伸实验，绘制热塑性及变形抗力曲线，并通过热塑性及变形抗力曲线初步测定该钢种的完 全再结晶温度下限及非再结晶温度上限;然后，在计划使用的热乳生产线上，以常规工艺乳 制计划生产的规格的无缝钢管，采集穿孔机入口及出口、乳管机入口及出口、张减/定径机 入口及出口的温度，且分别记录穿孔、乳管及张减/定径步骤的乳制孔型，以所搜集的数据 为基础进行控制乳制工艺设计，该方法还包括以下步骤： 1) 粗乳:将穿孔、乳管两个工序做为粗乳步骤，控制管坯到荒管的总变形量在60~90% 之间，控制粗乳的终乳温度即荒管在乳管机的出口温度在该钢种完全再结晶温度的下限以 上，采用调整穿孔机转速、控制毛管车速度、提高乳管机入口及出口速度，来提高荒管在乳 管机出口的温度； 2) 荒管待温:在乳管与张减/定径工序之间加入荒管待温工序，使荒管温度由乳管机出 口温度降至设计的张减/定径机入口温度即为精乳开乳温度，然后进入精乳工序乳制成品 管； 3) 精乳:将张减/定径工序做为精乳步骤，精乳步骤成品管对荒管变形量不小于15%， 控制精乳开乳温度低于该钢种的非再结晶温度上限，如果该温度低于850°C，考虑设备能 力，控制精乳开乳温度低于850°C。
【文档编号】B21B37/78GK105921524SQ201610312698
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年5月11日
【发明人】王琳宁, 丁炜, 张国柱, 梁海泉, 张传友, 朱人君, 肖雁, 孙宇
【申请人】天津钢管集团股份有限公司