CN100522404C - 无缝钢管的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种无缝钢管的制造方法，该无缝钢管的制造方法可以降低在由芯棒式无缝管轧机进行拉伸轧制时的摩擦系数、减少管的内表面缺陷的产生。在拉伸轧制空心管坯时，在芯棒的表面涂敷以石墨及云母中至少一种为主要成分的润滑剂，并对空心管坯的内表面供给以1价碱金属的硼酸盐为主体的润滑剂，使拉伸轧制满足下述(a)～(d)的条件。(a)穿孔刚结束时的管坯内表面温度为1150℃以上，从穿孔结束到供给以1价碱金属的硼酸盐为主体的润滑剂为止的时间、或从除氧化皮结束之后到供给以1价碱金属的硼酸盐为主体的润滑剂的时间为5～60秒。(b)供给以1价碱金属的硼酸盐为主体的润滑剂时的管坯内表面温度为1100℃以上。(c)从供给以1价碱金属的硼酸盐为主体的润滑剂之后到拉伸轧制开始为止的时间为10秒以上。(d)即将进行拉伸轧制之前的管坯内表面温度为1000～1170℃。

Description

无缝钢管的制造方法
技术领域
本发明涉及一种拉伸轧制空心管坯的无缝钢管的制造方法，更详细地说，是涉及一种可以防止产生在拉伸轧制时容易产生的管的内表面缺陷的无缝钢管的制造方法。
背景技术
在由曼内斯曼-芯棒式无缝管轧机的方式进行的无缝钢管的制造中，首先，用穿孔机对用回转炉底式加热炉加热了的圆钢坯进行穿孔，而制成空心的壳体(管坯)。随后，将表面涂敷有润滑剂的芯棒呈串状地插入到该壳体中，使用由5～9个轧机组成的芯棒式无缝管轧机，在一个轧道将壳体轧制至规定的尺寸。这就是所说的拉伸轧制。
拉伸轧制后，拔出了芯棒的管的、管端形状不良的部分被热锯切断后，被再加热炉进行再加热，由高压水对管的外表面进行除氧化皮。随后，由拉伸缩径轧机实施下压外径和下压一些壁厚而做成规定的产品尺寸。之后，管被冷床冷却，被冷锯切成所需要的长度后，被送到精整线。
在上述工序中的由芯棒式无缝管轧机拉伸轧制空心管坯的工序中，通常在芯棒的表面涂敷润滑剂。这是因为在拉伸轧制时，空心管坯的内表面和芯棒的表面之间产生相对滑动，若其界面的润滑状态不充分，则空心管坯和芯棒会被烧伤，无法得到内表面质量优良的产品。因此，为了防止空心管坯与芯棒的烧伤，并确保稳定的低摩擦系数，在芯棒的表面涂敷润滑剂。
作为润滑剂，可使用日本特开昭50-144868号公报中公开的以石墨为主要成分的润滑剂、或日本特开昭64-16894号公报中公开的以云母为主要成分的润滑剂。
并且，近年来，以提高管的内表面质量为目的，提出了这样的改善内表面质量的方法：通过向空心管坯的内表面供给日本特公平7-84667号公报所公开的以硼砂为主要成分的润滑剂，使管内表面的氧化皮熔融。
但是，在用芯棒式无缝管轧机进行轧制时，即使向空心管坯的内表面供给以硼砂为主要成分的润滑剂，有时并未充分地发挥该润滑剂的效果。而且，相反，有时却会提高轧制时的摩擦系数而产生内表面质量恶化等的不理想的现象。
发明内容
本发明目的在于提供一种无缝钢管的制造方法，即，在由曼内斯曼-芯棒式无缝管轧机的方式制造无缝钢管时，可以降低由芯棒式无缝管轧机进行拉伸轧制时的摩擦系数，可以减少管内表面缺陷的产生。
本发明提供下述的无缝钢管的制造方法。
一种无缝钢管的制造方法，在由芯棒式无缝管轧机对空心管坯进行拉伸轧制时，在芯棒的表面涂敷以石墨及云母中至少一种为主要成分的润滑剂，并对空心管坯的内表面供给以1价碱金属的硼酸盐为主体的润滑剂，其特征在于：满足下述a～d的全部条件：
a.穿孔刚结束时的管坯内表面温度为1150℃以上，从穿孔结束到供给以1价碱金属的硼酸盐为主体的润滑剂为止的时间、或从除氧化皮结束之后到供给以1价碱金属的硼酸盐为主体的润滑剂为止的时间为5～60秒(以下称作条件a)；
b.供给以1价碱金属的硼酸盐为主体的润滑剂时的管坯内表面温度为1100℃以上(以下称作条件b)：
c.从供给以1价碱金属的硼酸盐为主体的润滑剂之后到拉伸轧制开始的时间为10秒以上(以下称作条件c)；
d.即将进行拉伸轧制之前时的管坯内表面温度为1000～1170℃(以下称作条件d)。
在此，所谓的“以石墨及云母中至少一种为主要成分的润滑剂”是指以干燥被膜的状态，单独含有质量百分比为50％以上石墨或单独含有质量百分比为50％以上云母的润滑剂、或者是含有石墨及云母共计为质量百分比为50％以上的润滑剂。
所谓“以1价碱金属的硼酸盐为主体的润滑剂”是指含有质量百分比为50％以上的1价碱金属的硼酸盐的润滑剂。另外，由于硼砂以Na2B4O7·10H2O为主要成分，所以也适合作为在本发明方法中使用的润滑剂的主要成分。从而，在本说明书中可以替代“1价碱金属硼酸盐”而记述为“以硼砂为主体的润滑剂”或者只记述为“硼砂”。
作为本发明方法的对象的钢种是碳素钢、低合金钢等能产生主要由氧化铁构成的氧化皮的钢种。
附图说明
图1是表示作为试验片的钢板的加热温度和加热时间对生成氧化皮的厚度的影响的图。
图2是表示加热温度和加热时间对以硼砂为主体的润滑剂的扩散的影响的图。
具体实施方式
如上所述，在进行芯棒式无缝管轧机轧制时，即使向空心管坯的内表面供给以硼砂为主体的润滑剂，有时也不能充分发挥该润滑剂的效果。本发明人等经过研究，明白了其原因在于下面这点：虽然上述的润滑剂被供给到管坯内，但是有时并未较好地熔融，而且，即使熔融了也未均匀地分布在管的整个内表面上。于是，轧制时的摩擦系数局部地升高，使内表面质量恶化。
为了防止上述那样的不理想状况，需要适当地设定供给以1价碱金属的硼酸盐为主体的润滑剂时的管坯内表面的温度，并使润滑剂供给之后的拉伸轧制条件合理化。本发明就是以这样的见解为基础的。
另外，对管的整个内表面均匀地供给润滑剂的技术已经实用化。在本发明方法中也可以使用该技术。
本发明人发现：如果在供给以1价碱金属的硼酸盐为主体的润滑剂之前的管的内表面存在氧化皮，则润滑剂容易熔融并均匀地分布在管的整个内表面。这是通过下述(1)以及(2)的理由得出的。
(1)熔融了的润滑剂与以氧化铁为主要成分的氧化皮之间的润湿性相关，与钢和熔融硼砂的润湿性相比，氧化皮和熔融硼砂的润湿性更良好。
(2)通过润滑剂和氧化皮之间的相互反应，不只是润滑剂熔融，氧化皮也熔融，由于熔融了的润滑剂和氧化皮的流动性良好，因此它们均匀地分布在管坯的内表面。
当润湿性良好时，不仅是熔融了的硼砂易于扩散，即使将硼砂以块状进行供给，与管坯的内表面相接触的部分的硼砂也易于扩散，故传热性良好而易于熔融。相反，当润湿性差时，由于与管坯内表面相接触的部分的硼砂难以扩散而仍以块状的状态存在，故到达该块状硼砂内部的传热迟缓而妨碍熔融。
依据以上理由，在供给以1价碱金属的硼酸盐为主体的润滑剂之前，使管内表面生成适量的氧化皮是很重要的。
1.关于条件a
使管坯内表面生成适当厚度的氧化皮的条件是上述的特征a。具体地说，需要使穿孔刚结束时的管坯内表面温度为1150℃以上(最好是1200℃以上)，从穿孔结束到供给以1价碱金属的硼酸盐为主体的润滑剂为止的时间为5秒以上(最好是10秒以上)。但是，该时间是指在从穿孔结束后到润滑剂供给之前未通过高压水等进行除氧化皮处理的情况。在润滑剂供给之前进行除氧化皮的情况下则需要使从除氧化皮处理结束后到供给润滑剂为止的时间为5秒以上(最好是10秒以上)。
另一方面，当氧化皮的量过多时，即使供给以1价碱金属的硼酸盐为主体的润滑剂，也不能使氧化皮完全熔融，因一部分的氧化皮不熔融而残留在管的内表面，而使管的内表面质量恶化。因而，不应使从穿孔结束后或除氧化皮结束后到供给1价碱金属的硼酸盐为止的时间过长。
从大量的实验结果得知：氧化皮的厚度优选为在5～30μm的范围。因此，为了确认用于生成该厚度的氧化皮的加热温度和加热时间，进行了下述的实验：
实验1
按照以下顺序进行实验，图1是表示调查加热温度和时间对氧化皮厚度的影响而得到的结果的图。
(1)以30×30×6(mm)尺寸的碳素钢板为试验片，在氮气氛围下将该试验片加热至规定温度并保持该加热片。
(2)然后，以规定时间(图1纵轴所示的各种时间)通入空气后，立即通入氮气并冷却该试验片。
(3)冷却之后，对试验片的横截面进行显微观察，并测定氧化皮的厚度。
图1中的实线是氧化皮厚度为5μm的线，虚线是氧化皮厚度为20μm的线。即，如果试验片的加热温度为1150℃，通入5秒钟的空气，则氧化皮厚度成为5μm；通入65秒钟的空气，则氧化皮厚度成为20μm。
因为上述的试验是所谓的实验室试验，所以与实际的无缝钢管制造生产线的条件有些差异。但是，即使考虑其差异，若使管内表面温度为1150℃以上，并保持5～60秒的时间，也不妨认为生成5～20μm厚度的氧化皮。另外，穿孔结束后的管内表面温度最高也就为1250℃左右。而且，由于管坯内表面温度随着时间的推移而下降，即使穿孔结束时刻的温度为1250℃，经过60秒之后，氧化皮的厚度也不可能超过30μm。
依据上述实验结果，条件a是：穿孔结束后的管坯内表面温度为1150℃以上，以及从穿孔结束时刻到供给润滑剂为止的时间或从除氧化皮结束时到供给润滑剂为止的时间为5～60秒。另外，之所以把除氧化皮结束的时刻作为基准，是因为在已经除氧化皮的情况下，需要在除氧化皮之后再次生成适当厚度的氧化皮。
2.关于条件b以及条件c
被供给到管坯内部的以硼砂为主体的润滑剂与氧化皮一同熔融并在管内表面扩散。这时，若管坯内表面温度低，则熔融了的润滑剂和氧化皮(以下记为“熔融润滑剂”)因粘度大而不能充分扩散。为此，需要使即将供给润滑剂之前的管坯内表面温度为1100℃以上。更优选是1150℃以上。而且，附着在管内表面的润滑剂不会瞬间扩散，扩散需要时间。为使润滑剂扩散，从供给润滑剂之后到拉伸轧制开始为止的时间需要为10秒以上，更优选是20秒以上。这些条件是已通过下述实验确认的。
实验2
按照如下顺序进行试验，调查了加热温度和时间对硼砂的扩散性的影响。
(1)在氮气氛围下，将125×125×6(mm)尺寸的碳素钢板加热至规定温度并予以保持。
(2)其后，进行使该碳素钢板附着氧化皮的操作，在只通入了30秒的空气之后，立即通入氮气。通过该处理，会使该碳素钢板附着厚度为10～20μm的氧化皮。
(3)以被加热了的碳素钢板为试验片，把0.2g的硼砂放在该被加热了的碳素钢板中央，将它们在炉内放置规定时间。
(4)经过规定时间之后，立即从炉内取出它们并将它们冷却。
(5)冷却后，用下式算出熔融了的硼砂扩散成椭圆形的面积S。
S＝πab
在此，a是椭圆长轴的半径，b是椭圆短轴的半径。
在图2中示出实验结果。图2中，实线是在放置硼砂之前进行了试验片附着氧化皮的情况的结果，虚线是未进行试验片附着氧化皮的情况的结果。图中用曲线表示了为使硼砂扩散至2000mm2以上，上述两种情况各自所需要的时间。从该结果得知：在附着有氧化皮的表面上，表面温度为1100℃以上时，用10秒以上就可以得到熔融润滑剂的充分扩散。
3.关于条件d
接着，详细调查了向管坯内供给以1价碱金属的硼酸盐为主体的润滑剂时的适当的轧制条件。其结果表明，即将拉伸轧制之前的管坯内表面温度存在适当的范围。具体地说，需要使即将拉伸轧制之前的管坯内表面温度为1000～1170℃，更优选为1050～1120℃。并且，在使管坯内表面温度为1000～1050℃的情况下，供芯棒式无缝管轧机轧制的芯棒的表面平均温度最好是在80℃以上。
其原因是以1价碱金属的硼酸盐为主体的润滑剂的润滑特性和被涂敷在芯棒表面的芯棒润滑剂的润滑特性。首先，需要使即将进行拉伸轧制之前的管坯内表面温度的下限为1000℃(更佳是1050℃)，这是考虑到以1价碱金属的硼酸盐为主体的润滑剂的润滑特性的缘故。在应用了该润滑剂的情况下，仅限于芯棒和管坯的界面温度高、且存在于界面的熔融润滑剂的粘性低的情况，该润滑剂才有效发挥作用。
另一方面，需要使即将进行拉伸轧制之前的管坯内表面温度为1170℃以下，更优选是1120℃以下，其原因是被涂敷在芯棒表面的润滑剂的主要成分、即石墨或云母等的耐热温度。由于这些物质在高温下会燃烧或热分解，所以应用温度存在上限。
实施例
把碳含量为0.2％的碳素钢钢坯穿孔而得到管坯，用曼内斯曼-芯棒式无缝管轧机的方式对该得到的管坯进行拉伸轧制，验证了本发明的效果。轧制准备工作如下所述。
1.钢坯尺寸：直径310mm，长度2997mm；
2.芯棒式无缝管轧机轧制前的管坯尺寸：外径324mm，壁厚33mm，长度7818mm；
3.芯棒式无缝管轧机轧制后的尺寸：外径276mm，壁厚17mm，长度16420mm；
4.产品尺寸：外径197mm，壁厚20mm，长度19841mm。
对由穿轧机穿孔后、提供给芯棒式无缝管轧机之前的管坯内部供给将质量百分比为80％的硼砂和质量百分比为20％的金属皂混合而成的粉末状润滑剂。该供给是这样进行的：将上述的润滑剂混合到通过阀门从载体气体供给装置输送到喷射配管中的载体气体中，将喷射配管前端的喷嘴插入到管坯内，将润滑剂喷到管坯内表面上。供给量是管坯内表面每1m2为100g。另外，管坯内表面的温度是用辐射温度计测定的。
用于芯棒式无缝管轧机轧制的芯棒是JIS的SKD6的工具钢制的。该芯棒的表面镀有50μm厚的Cr。如表1所示，在该Cr镀层上涂敷石墨系或云母系的水溶性润滑剂、并对其进行干燥，使之形成了100μm厚的干燥固体润滑被膜。石墨系润滑剂是石墨与树脂系的有机粘合剂以3:1的质量比混合而成的。云母系润滑剂是云母与硼酸系的无机粘合剂以2:1的质量比混合而成的。将上述石墨系润滑剂和上述云母系润滑剂做成水溶液并进行涂敷，形成100μm厚度的干燥被膜。
表1及表2表示试验的各条件、拉伸轧制中的摩擦系数以及产品钢管的内表面质量的评价结果。评价基准如下。
(1)摩擦系数
摩擦系数是从记录图中读取芯棒式无缝管轧机轧制中的整个轧机负载了载荷的稳定状态时的总载荷(∑pi)与作用于芯棒上的推力(F)的比值，并作为摩擦系数＝F/∑pi求出。将该摩擦系数的值为0.03以下的记作◎，将该摩擦系数的值为0.031～0.04的记作○，将该摩擦系数的值为0.041～0.05的记作△，将该摩擦系数的值为0.051以上的记作×。
(2)内表面质量
用在产品钢管的内表面产生轴线方向直线状的缺陷的产生率(以％表示在全部产品钢管中有缺陷的钢管的根数)对内表面质量进行了评价。将上述的产生率为不足0.5％的记作◎，将上述的产生率为0.5％～1.0％的记作○，将上述的产生率为大于1.0％且小于等于2.0％的记作△，将上述的产生率为大于2.0记作×。
另外，由于在从穿孔结束后到拉伸轧制之间进行了管内表面的除氧化皮，所以表1和表2中的No.3～20以及No.33～38在从穿孔结束到供给润滑剂为止的时间一栏中记入了从除氧化皮结束时刻到供给润滑剂为止的时间。
Figure C200580019940D00121
Figure C200580019940D00131
从表1和表2可知：用满足了上述a～d的全部条件的本发明方法进行制造时，摩擦系数小，产品钢管的内表面质量优良。另一方面，在至少不满足条件a～d中某一个条件时，摩擦系数增大，无法得到优良的内表面质量。
产业上的利用可能性
采用本发明方法，在由曼内斯曼-芯棒式无缝管轧机的方式制造无缝钢管时，能使芯棒式无缝管轧机轧制时的摩擦系数降低，从而不在内表面产生缺陷，就能制造无缝钢管。

Claims (1)

1.一种无缝钢管的制造方法，在由芯棒式无缝管轧机拉伸轧制空心管坯时，在芯棒的表面涂敷以石墨及云母中至少一种为主要成分的润滑剂，并对空心管坯内表面供给以1价碱金属的硼酸盐为主体的润滑剂，其特征在于，
该无缝钢管的制造方法满足下述a～d的全部条件：
a.穿孔刚结束时的管坯内表面温度为1150℃以上，从穿孔结束到供给以1价碱金属的硼酸盐为主体的润滑剂为止的时间、或从除氧化皮结束之后到供给以1价碱金属的硼酸盐为主体的润滑剂为止的时间为5～60秒；
b.供给以1价碱金属的硼酸盐为主体的润滑剂时的管坯内表面温度为1100℃以上；
c.从供给以1价碱金属的硼酸盐为主体的润滑剂之后到拉伸轧制开始为止的时间为10秒以上；
d.即将进行拉伸轧制之前的管坯内表面温度为1000～1170℃。
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