CN101579703B - 一种采用周期轧管机制造大口径、高合金钢无缝管材的工艺 - Google Patents

Abstract

一种采用周期轧管机制造大口径、高合金钢无缝管材的工艺，包括：离心铸造空心管坯；将管坯的前端外表面加工成带锥度的“咬入头”，并对其内外表面和所述“咬入头”进行机加工和质量检查；在坯的尾端焊接一个碳素钢环状部件；加热、除鳞；向加热、除磷后的所述空心管坯内插入芯棒并定位，然后送入周期轧管机进行往复轧制，制得符合要求的管件；对所述管件脱芯棒、切头、切尾；再经加热、定径、精整，制得合格的成品管材。因专利方法无须冲孔、扩孔，较短了工艺流程、降低了运行费用和成本；减少了再加热环节，可节约能源；采用离心铸造获得管坯并进行机加工，提高了产品质量；又因在管坯尾端焊接了碳素钢环状部件，可以降低贵重金属的料耗、大幅提高收得率；且前端事先加工出一段小锥度的“咬入头”，便于轧制的咬入、提高了作业效率和轧制的稳定性。

Description

一种采用周期轧管机制造大口径、高合金钢无缝管材的工艺

技术领域：

本发明涉及无缝钢管的制造技术，尤其涉及大口径、中厚壁、高合金钢的高端无缝钢管的制造技术。

背景技术：

钢材具有良好的综合使用性能，能够在不同工况条件下承受所要求的负载和具有所需的使用寿命周期，且工艺性能良好，是国民经济建设不可或缺的重要基础材料。一般来说，把含碳量0.02％-2％的碳铁合金称为钢，含碳量大于2％的碳铁合金称为铸铁。根据不同的划分标准，可以将钢材划分成不同的类别。按照钢的化学成分可以分为碳素钢和合金钢：

碳素钢中的成分除了铁和碳外，还含有在冶炼中难以除净的少量硅、锰、磷、硫、氧和氮等。根据含碳量大小，将碳素钢分为低碳钢(含碳小于0.25％)、中碳钢(含碳0.25％～0.6％)和高碳钢(含碳大于0.6％)。

合金钢是特意加入或超过碳素钢限量的合金元素的钢，以便使其具有一般碳素钢不可能具备的强度、韧性、耐蚀性、耐磨性、耐热性、红硬性等特殊性能。这些合金元素包括锰、硅、矾、铬、镍、钛、钒等。合金元素总含量小于5％为低合金钢，5％～10％为中合金钢，大于10％为高合金钢。

总体上讲钢具有好的加工性能，但是随着合金元素含量的提高，合金钢特别是高合金钢一般情况下都表现为：工艺塑性下降、变形温度区间变窄、脆性增大、变形抗力加大，因此合金钢成形件的加工难 度明显增加。这一点在合金钢无缝管材，特别是合金钢大口径无缝管材的生产过程，表现得尤为突出，一直是业内人士多年来关注的技术难题之一。

大口径(口径在Φ250mm以上)、中厚壁(径壁比在25以下)的合金钢(例如304、316、P91/P92、P22、WB36、10Cr9MolVNi等钢种)无缝钢管，虽然不易加工成形，但却日益广泛地应用于包括电力、石化在内的众多重要工业领域。目前，周期轧管机仍然是用以生产大口径、中厚壁合金钢高端专用管材的主要机组之一，它采用钢锭或连铸坯，通过冲孔(扩孔)和延伸获得空心管坯，然后再通过周期轧管机进行往复轧制，用以制造大口径、中厚壁的合金钢专用无缝钢管。其基本工艺流程是：

钢锭(或连铸坯)→加热→除鳞→水压冲孔→再加热→延伸轧制空心管件→插入芯棒并定位→周期轧机上往复轧制→脱芯棒→切头尾→再加热→定径→精整→制得成品(如图1所示)。

从上述现有技术的工艺流程，可以看出：

1、在进入主变形轧机(即周期轧机)之前，实心锭(或连铸坯)成孔的工序环节较多、装备吨位较大、能耗也大；

2、在很大程度上，成品管的壁厚均匀性取决于冲孔、扩孔坯的精度和与主变形轧机配套的喂料机运作的精准度；

3、虽然在变形能力极强(延伸系数可达10以上)的周期轧管机上往复轧制带有锻的变形特点，对破碎荒管的粗大晶粒组织是有利的，但是仍然不能克服空心管坯自身尺寸精度、表面质量较差等缺陷。

长时间以来，周期轧管机的技术进步一直是围绕着提高尺寸精度和有效作业率、喂料机的改进、机外插入芯棒和线外切头等设计措施来进行的。真正涉及工艺本质的技术革新尚不多见，其中一大原由在于未能在实心锭水压冲孔、扩孔环节有所突破。与之相联系的是要在周期轧管机上实现更多高合金钢高级钢种的制管也因此受到了限制，因为不少高合金钢高级钢种水压冲孔、扩孔的成孔工艺性能较差，难以确保其在冲孔(扩孔)成形过程的表面质量和尺寸精度。

因此，一些传统的工艺方法(包括传统的周期轧管机在内)已经难以生产出符合要求的大口径、中厚壁高合金钢高端无缝管材，以满足新的市场需求。为此，各国先后开发出了多种生产大口径中厚壁高合金钢无缝钢管的工艺方法，并在美国、日本、意大利、法国、英国以及委内瑞拉、捷克、印度等国家得到了推广应用。据目前粗略统计，世界上已经建有包括大型挤压机、新型扩管机在内的多台套机组专门用来生产大口径、中厚壁高端无缝钢管。

为了满足能源、燃气、核电、火电、国防等急需，国内业内人士一直在研究和探索用以生产高质量的不锈钢或特种合金钢无缝管材更好的加工方法，其中ZL00112551.6号中国发明专利就公开了一种利用“离心铸造+冷拔”的方法来生产“超低碳双相不锈钢无缝钢管”的方法。该方法虽然可以生产含有Cr、Ni、Mo、N等元素的特种钢管，但需要多次循环冷拔，且每次冷拔后还要进行软化处理、酸洗处理和润滑处理，流程较长，效率较低，成本较昂贵，更适合用来生产小批量、中小口径的精密管材。

发明内容：

本发明正是在上述技术背景条件下，经过潜心研发和试验获得的成果，属于一种生产大口径、中厚壁、高合金钢无缝钢管的新工艺，其工艺步骤具体为：

第一步，经炉外精炼的高合金钢钢水通过离心铸造机离心铸造成空心管坯；

第二步，将所述空心管坯的前端外表面加工成带锥度的“咬入头”，并对所空心管坯的内外表面和所述前端的“咬入头”进行机加工和质量检查；

第三步，在所述空心管坯的尾端焊接一个碳素钢环状部件，以替代在周期轧管机上轧制后必须切除的端头部分，即通常所述的“皮尔格头”；

第四步，对第三步处理后的所述空心管坯进行加热、除鳞；

第五步，向加热、除磷后的所述空心管坯内插入芯棒并定位，然后通过喂料系统送入周期轧管机进行往复轧制，制得壁厚、直径和长度符合要求的管件；

第六步，对所述管件脱芯棒、切头、切尾；

第七步，对切头、切尾后的所述管件再经加热、定径、精整，制得合格的成品管材。

其中，第一步所述的离心铸造是在铸型的旋转轴线与水平夹角为0度的卧式离心铸造机上进行的，离心铸造出的空心管坯为等壁厚的两端通透的空心管坯。

在所述第二步中，将所述空心管坯的前端250mm长度外表面加工成锥度为1∶(1500～2000)/D的“咬入头”，D为以毫米为单位的所述管坯的直径；所述的机加工是对所述空心管坯内外表面和所述前端“咬入头”进行的切削加工；

进一步，对所述空心管坯内表面的切削厚度不少于5毫米，对所述空心管坯外表面的切削厚度不少于2毫米。

所述第三步中，在所述空心管坯的尾端焊接长度为600mm的环状部件，所述的焊接为气体保护自动焊。

第四步中所述的加热，采用联合加热法，即800℃以下采用炉内燃气加热；800℃以上采用感应加热。

第五步中所述周期轧管机进行往复轧制时，送进量为轧制碳素钢和低合金钢时的60-85％；轧辊变形段孔型的宽高比为轧制碳素钢和低合金钢时的1.01-1.02倍。

第六步中所述脱芯棒就是将周期轧管机轧出的管件连同所述芯棒一起，送入松棒机进行松棒，再将所述管件连同芯棒运送到抽棒机上，将所述芯棒从所述管件中抽出，所述切尾是采用切头机切去所述管件尾端焊接的所述环状部件。

采用本发明上述的加工方法，首次将高质量的离心铸造与变形条件比较理想的周期轧管机之间建立起了工艺上的联系，尤其适用于生产大口径、中厚壁、难加工的高合金钢高端无缝钢管，克服了现有技 术的固有缺陷，形成了一种节能、优质、经济而有别于传统轧管方法的大口径、中厚壁高端无缝钢管的短流程生产新工艺。

本发明的上述方法，相对于现有技术的加工工艺具有以下优点：

(1)本专利方法无须采用水压冲孔、扩孔和之后的延伸加工来制造空心管坯，而是通过离心铸造的方法来获得空心管坯，可以减少多个工艺环节，且不需要价格昂贵的大吨位的水压机，从而使得本专利的工艺方法流程较短，可明显降低制管车间的设备投资和运行费用以及占地面积；

(2)采用本专利方法可以减少至少一次再加热环节，且可明显缩短加热时间，可节约能源10％左右；

(3)本专利方法还可以在往复轧制之前能对空心坯的质量进行检查，合格后方进入下道工序，便于成品质量的控制。而现有技术不能在冲孔、扩孔后，进入下道工序前对工件的质量进行检查，从而造成质量参差不齐的工件均进入后续工序，产品质量难以控制；

(4)本专利方法由于采用组织致密、机械性能更好，气孔、缩孔、夹渣、粗大晶粒等缺陷更少的离心铸造管坯，在变形条件相同的情况下，本专利方法可以获得表面质量和综合性能更为优良的管材；

(5)本专利方法采用的管坯经机加工后，壁厚均匀性和尺寸精度远高于冲孔扩孔的空心坯，有利于提高成品的尺寸精度和产品合格率，降低后续精整工序的工作量；

(6)本专利方法通过在离心铸造的空心管坯的尾端焊接碳素钢环状部件以替代通常的“皮尔格头”，可以降低贵重的高合金钢的料耗、大幅提高收得率。

(7)本专利方法通过在所述离心铸造的空心管坯的前端事先加工出一段小锥度的“咬入头”，便于轧制的咬入、能快速进入稳定轧制过程，可以省略在线专门“打头”的工序，有助于提高周期轧管机的有效作业率，减少事故的发生率和切头量，改善轧件变形的温度条件。

附图说明：

图1为现有技术的工艺流程框图；

图2为本发明的工艺流程框图；

图3为本发明一实施例的工艺流程框图。

具体实施方式：

如图3所示，为本发明一实施例的工艺流程框图，具体包括以下工艺步骤：

第一步，经炉外精炼的高压锅炉管用P22钢水通过离心铸造机离心铸造成Φ871×128mm的空心管坯。该步骤中，所述炉外精炼钢水与现有技术相同，这里不再赘述；所述离心铸造是在铸型的旋转轴线与水平夹角为0度的卧式离心铸造机上进行，离心铸造出的空心管坯为等壁厚的两端通透的空心管坯。采用离心铸造机可以方便地、高质量地加工出用于后步骤使用的空心管坯，而不需要现有技术对连铸钢锭的加热和穿孔、扩孔等，不但缩短了整个加工过程的工艺流程，而且真正实现了“零冲孔、零扩孔缺陷”；另外，通过离心铸造获得的管坯，内部晶粒结构更加合理、尺寸精度更高，更有利于后步骤的轧制，可有效保证后面的加工工序和产成品的质量。至于离心铸造机，已经在铸铁管等生产领域得到了推广和应用，可以直接用于本专利，故对离心铸造机的结构和原理这里不再赘述。

第二步，将所述空心管坯前端250mm长度的外表面加工成锥度为1∶2.06的“咬入头”，此时所述“咬入头”的锥度范围在1∶1500/D～2000/D之间选取，对于本实施例Φ869mm的管坯来说即可以在1∶1.73～2.30之间选取，本实施例优选为1∶2.06；并对所述空心管坯的内外表面和所述前端的“咬入头”进行机加工和质量检查。所述的机加工是对所述空心管坯内外表面和所述“咬入头”进行的切削加工，对所述空心管坯内表面的切削厚度为5毫米，外表面的切削厚度为2毫米；加工后前端带有一段“咬入头”的管坯尺寸为Φ869×121×1890。此机加工步骤可以清除空心管坯粗糙的内外表层和其它缺陷，保证空 心管坯内外表面的光洁度，提高加工后成品的质量。所述质量检查，就是将存在缺陷进行清理后仍不符合要求的空心管坯排除出所述工艺步骤，这样可以保证用于后期加工的空心管坯均为合格的坯料，可大大的节约成本，减少废品率、并提高产成品质量。

第三步，在所述空心管坯的尾端焊接长度为600mm的Φ700×40mm的碳素钢环状部件，且所述焊接为气体保护自动焊。

第四步，对上述处理后的所述空心管坯进行加热、除磷。加热采用联合加热法，即800℃以下采用炉内燃气加热；800℃以上采用感应加热。

第五步，向加热、除磷后的所述空心管坯内插入芯棒并定位，然后通过喂料系统送入周期轧管机进行往复轧制，轧成尺寸为Φ679×31×8500mm的管件。在周期轧制过程中，送进量为轧制碳素钢和低合金钢时的70％；轧辊变形段孔型的宽高比为轧制碳素钢和低合金钢时的1.01倍。且所述周期轧管机延伸率设定为4.5。

第六步，对所述管件脱芯棒、切头、切尾。所述脱芯棒就是将周期轧管机轧出的管件连同所述芯棒一起，送入松棒机进行松棒，再将所述管件连同芯棒运送到抽棒机上，将所述芯棒从所述管件中抽出。所述松棒机和所述抽棒机均为现有设备，可从市场上购得，这里不再赘述。

所述切头，就是采用切头机将所述管件尾端焊接的所述碳素钢环状部件和前端部分“咬入头”切除掉。

第七步，对切头、切尾后的所述管件再经加热、定径、精整，制得合格的、尺寸为Φ679×31×8000mm的成品管材。所述精整包括根据需要对所述管件进行的加工和矫直，以满足不同使用环境下的要求。

本发明首先创造性地采用离心铸造来制备空心管坯，特别适合于制造口径在250毫米以上、径壁比在25以下的大口径、中厚壁、高合金钢高端无缝管材。采用本发明生产100毫米以下管材，则不能充分 体现离心铸造管坯的优势；其次，如果将本发明用于高径壁比的薄壁管材的生产，则由于过大的温降会危及周期轧制过程的稳定性。

本发明上述实施例的详细说明及附图，目的是通过文字和图示来进行解释，而不在于限定权利要求的保护范围。在本申请说明书所述具体实施方式上的各种变化，对于本领域普通技术人员来说是显而易见的，并处于权利要求及其等同技术的保护范围内，任何不脱离本发明权利要求的变更、修改均属于本发明保护的内容。

Claims (10)

1.一种采用周期轧管机制造高合金钢无缝管材的工艺，包括以下工艺步骤：

第一步，经炉外精炼的高合金钢钢水通过离心铸造机离心铸造成空心管坯；

第二步，将所述空心管坯的前端外表面加工成带锥度的“咬入头”，并对所述空心管坯的内外表面和所述前端的“咬入头”进行机加工和质量检查；

第三步，在所述空心管坯的尾端焊接一个碳素钢环状部件，以替代在周期轧管机上轧制后必须切除掉的端头部分；

第四步，对第三步处理后的所述空心管坯进行加热、除鳞；

第五步，向加热、除鳞后的所述空心管坯内插入芯棒并定位，然后通过喂料系统送入周期轧管机进行往复轧制，制得壁厚、直径和长度符合要求的管件；

第六步，对所述管件脱芯棒、切头、切尾；

第七步，对切头、切尾后的所述管件再经加热、定径、精整，制得合格的成品管材。

2.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于：第一步所述的离心铸造是在铸型的旋转轴线与水平夹角为0度的卧式离心铸造机上进行的，离心铸造出的空心管坯为等壁厚的两端通透的空心管坯。

3.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于：在所述第二步中，将所述空心管坯的前端250mm长度外表面加工成锥度为1∶(1500～2000)/D的“咬入头”，D为以毫米为单位的所述管坯的直径；所述的机加工是对所述空心管坯内外表面和所述前端“咬入头”进行的切削加工。

4.根据权利要求3所述的工艺，其特征在于：对所述空心管坯内表面的切削厚度不少于5毫米，对所述空心管坯外表面的切削厚度不少于2毫米。 

5.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于：所述第三步中，在所述空心管坯的尾端焊接长度为600mm的环状部件。

6.根据权利要求5所述的工艺，其特征在于：所述的焊接为气体保护自动焊。

7.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于：第四步中所述的加热，采用联合加热法，即800℃以下采用炉内燃气加热；800℃以上采用感应加热。

8.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于：第五步中所述周期轧管机进行往复轧制时，送进量为轧制碳素钢和低合金钢时的60～85％；轧辊变形段孔型的宽高比为轧制碳素钢和低合金钢时的1.01～1.02倍。

9.根据权利要求8所述的工艺，其特征在于：所述周期轧管机的延伸率为4.5。

10.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于：第六步中所述脱芯棒就是将周期轧管机轧出的管件连同所述芯棒一起，送入松棒机进行松棒，再将所述管件连同芯棒运送到抽棒机上，将所述芯棒从所述管件中抽出，所述切尾是采用切头机切去所述管件尾端焊接的所述环状部件。 

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