CN101722262A - 一种利用径向锻造技术生产中大口径合金钢无缝管材的新方法 - Google Patents

Abstract

一种利用径向锻造技术生产中大口径合金钢无缝管材的新方法，包括：A、经炉外精炼的钢水离心铸造成中大口径空心管坯；B、对所述中大口径空心管坯的内外表面进行机加工，并在其一端或者两端固接碳素钢“夹头料”，然后进行质量检查；C、对所述中大口径空心管坯进行加热、除鳞；D、向所述中大口径空心管坯中插入芯棒，然后导入径向锻造机中进行锻制成形，制得壁厚、直径和长度符合要求的管件；E、对所述管件进行热处理、精整、切“夹头料”，制得合格的成品管材。本发明方法因首次将高质量的离心铸造与变形状态较理想、温降极小的径向锻造之间建立起了工艺上的联系，形成了一种节能、降耗、优质、经济的生产中大口径、中厚壁、难变形合金钢无缝管材的短流程生产新工艺，提高了产品质量和合格率，且本发明还因在管坯的一端或者两端固接有“夹头料”，不仅能快速实现稳定的变形，还能减少工件纵向温度和尺寸精度的明显差异，并降低昂贵合金钢材料的料耗，提高成品收得率。

Description

一种利用径向锻造技术生产中大口径合金钢无缝管材的新方法

技术领域

本发明涉及无缝钢管的制造技术，尤其涉及中大口径、中厚壁、难加工的合金钢高端无缝管材的制造技术。

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，又可以将钢划分成不同的类别。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。

总体上讲钢具有较好的加工性能，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，从而使得加工难度越来越大。合金钢产品的高加工难度，不但导致加工时耗材、耗时、高成本、所用装备吨位高，而且成品质量难以得到保证，因此合金钢高端无缝管材制造技术一直是限制合金钢无缝钢管发展的难题之一。

在现有技术中，对于中大口径(外径为Φ250mm以上)、中厚壁(径壁比为25以下)、合金钢高端无缝管材的加工，基本上都需要管坯成形工艺，即将实心坯料事先加工成空心荒管(一般为实心坯穿成荒管，或者是实心锭锻造后再通过冲孔、扩孔生产成荒管)，然后再对所述空心荒管进行压力加工成形，最后经精整等工序制造出成品，这不但耗时、耗材、成本高，而且需要配备各类大型设备，工艺和质量均难以控制。

上世纪中叶，逐渐发展起来一项叫径向锻造的技术，即所谓的GFM.，最早是由奥地利率先开发出来的，现在也被通称为RFM(Radial ForgingMachine)。该技术的基本原理就是通过沿工件圆周上布置的多个锤头(2-8)以高频率(一般都在200次/min以上)反复同步锻击工件，以形成叠加变形(每次锤击的变形量不大)，这可使工件断面上获得锻透性较强的成形，导致断面表层、中层和心部的晶粒尺寸差异性明显缩小，同比晶粒度比自由锻件高出3-4级，从而赋予锻件以最佳的组织和综合性能；径向锻造成形的应变状态还有助于消除可能造成工件完好性遭到破坏的各类表层和内部缺陷；锻造精度高(±2mm)；高频率的同步锤击使变形区能在准绝热的等温条件下(温降ΔTJ≈温升ΔTSH)完成每个道次的锻制，并有可能实现工件的一火成形，导致径向锻造具有明显节能、降耗、省工时的优势；而且由于在径向锻造成形过程中横向宽展受到限制，减少了不利的附加变形及其可能引起的巨大附加应力，可使轴向延伸得到高度发展，锻造效率比自由锻高出5倍以上。因此，径向锻造作为一种高精度、高效率的现代塑性成形技术之一，得到了令世人瞩目的发展，并日益受到业内人士的青睐，因而人们试图从径向锻造技术出发来开辟一条制造中大口径、中厚壁、合金钢高端无缝管材的新途径。

但是，径向锻造成形技术的应用发展尚不够均衡：用于中小尺寸件的生产居多，用于大型件的生产偏少；用于实心轴件的生产居多，用于管体件的生产偏少。特别值得一提的是，由于种种原因，径向锻造成形技术在被用作生产中大口径、中厚壁、合金钢高端无缝管材方面，尚未显现出应有的优势，其中一个重要原因就在于尚未找到一种能为径向锻造机提供合适管坯的有效途径。所以，尽管有采用径向锻造技术来生产中大口径、中厚壁、合金钢无缝管材的尝试，但一直未能获得预期的效果。最大的局限主要来自两个方面：一方面是，中大口径合金钢管坯的生产难度极大，而且质量也很难得到保证，因为合金钢管坯在现有工艺的生产过程中，在其中心部位极易形成孔腔即产生所谓的“曼内斯曼效应”，从而留下种种表面的和内在的缺陷，例如暴露型的孔腔在内壁则往往形成内折叠缺陷、封闭型孔腔则易产生各类分层缺陷，这些缺陷对于高端管材都是致命性的；另一方面是，现有技术中生产中大口径合金钢管坯的工艺流程都十分复杂，明显削弱了采用径向锻造成形技术生产合金无缝管材的技术和经济优势。因此，人们此前的尝试都很难达到预期目标。

发明内容

本发明正是在上述技术背景条件下，经过多年的试验和研发得出的一种利用径向段在技术生产中大口径合金钢高端无缝管材的新方法，具体包括：

第一步，经炉外精炼的高合金钢钢水通过离心铸造机将所述钢水离心铸造成中大口径空心管坯；

第二步，在所述中大口径空心管坯的一端或者两端固接碳素钢“夹头料”，并对所述中大口径空心管坯的内外表面进行机加工和质量检查；

第三步，对机加工和质量检查后的所述中大口径空心管坯进行加热、除鳞；

第四步，向加热、除鳞后的所述中大口径空心管坯中插入芯棒，然后导入径向锻造机中锻制成形，制得壁厚、直径和长度符合要求的管件；

第五步，对所述管件进行热处理、精整、切“夹头料”，制得合格的成品管材。

进一步，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，离心铸造出的中大口径空心管坯为等壁厚的两端通透的空心管坯。

第二步中在所述中大口径空心管坯的一端或者两端焊接圆管形碳素钢“夹头料”，所述的机加工是对所述中大口径空心管坯的内外表面进行的切削加工。

更进一步，所述焊接的圆管形碳素钢“夹头料”的长度为300～800毫米，对所述中大口径空心管坯内表面的切削厚度不少于5毫米，对所述中大口径空心管坯外表面的切削厚度不少于2毫米。

所述焊接的圆管形碳素钢“夹头料”为长度为500毫米的20号钢，对所述中大口径空心管坯内表面的切削厚度为5毫米，对所述中大口径空心管坯外表面的切削厚度为2毫米。

第二步所述的质量检查包括缺陷检查，并将存在质量缺陷且经修磨后仍不符合要求的所述中大口径空心管坯排除出所述新方法。

第三步所述的加热采用联合加热法，即800℃以下采用炉内燃气加热，大于800℃时采用感应加热。

第四步所述的锻制成形为一火多道次的锻制成形，且每道次的变形量大于15％。

更进一步，第四步所述的锻制成形为一火五道次的锻制成形，第一道次的锻制成形的变形量为23％，第二道次、第三道次、第四道次的变形量均为25％，第五道次的变形量为23％。

第五步所述的热处理为固溶处理，所述的精整包括根据需要对所述管件的管体进行磨削加工和矫直。

采用本发明的上述加工方法，首次将高质量的离心铸造管坯与变形状态较理想、温降极小的径向锻造成形之间建立起了工艺上的联系，尤其适用用于生产中大口径、中厚壁、难变形加工的合金钢无缝管材，形成了一种节能、降耗、优质、经济的生产中大口径、中厚壁、合金钢高端无缝钢管的一种短流程生产新工艺。

本发明的上述方法，具有以下优点：

1、采用本专利方法生产中大口径合金钢无缝管材，无需专门安排容易出现多种缺陷的管坯加工工艺，例如穿孔(冲扩孔)等工步，并相应地减少了管坯的制备步骤，缩短了整个工艺流程、降低了成本；

2、采用本专利方法，无需“穿孔”、“冲扩孔”等工步，真正实现了“零穿孔、冲孔缺陷”，为在具有明显成形优势的径向锻造机上生产难变形、高精度的合金钢高端管材，奠定了能确保产品高品质的原料和工艺基础，可提合金钢无缝管材高端产品质量和一级品率；

3、采用本专利方法，无需专门安排容易出现多种缺陷的穿孔、冲扩孔工序，为生产变形温度区间窄、抗力大、高温塑性较低的合金钢高端管材提供了更为有利的温度条件，并可减少多次再加热环节和缩短加热时间，可节约能源10％以上；

4、本专利方法是一种短流程的制管工艺，且不需要价格昂贵的大吨位的开坯设备，从而明显降低制管车间的设备投资和运行费用以及占地面积；

5、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、可用以生产某些用于重要场合的专用管材；

6、采用本专利的方法，因在管坯的一端或者两端固接有“夹头料”，使得管件在径向锻造机上进行锻制成形的整个过程，不仅能快速实现稳定的变形，还能减少管体工件纵向温度和尺寸精度的明显差异，这对加工温度范围较窄且价格昂贵的合金钢管的加工具有特殊重要的意义，并提高了整个机组的生产效率；同时，因离心铸造空心坯的尺寸精度高和“夹头料”的存在，而使得变形更加平稳、精度更高。此外，因“夹头料”的存在可降低昂贵合金钢材料切头切尾而引起的料耗，可提高成品收得率。

附图说明

图1示出了本发明加工方法工艺步骤的流程框图；

图2示出了本发明一实施例工艺步骤的流程框图。

具体实施方式

下面结合附图说明本发明的具体实施方式。

如图1、图2所示，为本发明提供的采用径向锻造机生产Φ273×28×8500mm难加工的1Cr18Ni9奥氏体不锈钢无缝钢管的一个实施例，其工艺步骤：

第一步，经炉外精炼的1Cr18Ni9钢水通过离心铸造机将其浇铸成具有2130mm倍尺长的Φ404×94mm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，而不需要现有制管工艺中冗长的管坯制造工艺，例如对连铸钢锭的开坯、热定心和穿孔等步骤，因而不但缩短了整个制管工艺流程，还真正实现了“零穿孔”和“零穿孔缺陷”；而且，通过离心铸造获得的管坯，内部晶粒结构更有利于后步骤的变形加工，可有效保证后续的加工和成品管的质量。至于离心铸造机，已经在铸铁管生产领域得到了推广和应用，可以直接用于本专利，对其结构和原理这里也不再赘述。

第二步，对所述空心管坯两端夹头料的焊接处理，以及其内外表面进行的机加工和质量检查。在上述具有2130mm长的Φ404×94mm空心管坯的前后端各焊接有长度为500mm的20号钢圆管形“夹头料”，所述“夹头料”就是用于在后续径向锻造中作为径向锻造机夹头夹紧工件之用，且在成品前予以切除。所述的机加工是对离心铸造成的所述空心管坯的内、外表面进行的切削加工，对所述空心管坯内表面的切削厚度为5毫米，对所述空心管坯外表面的切削厚度为2毫米，制得尺寸为Φ400×82×2130mm的管坯。该步骤中，机加工步骤可以清除空心管坯粗糙的内外表层和析出的杂质，并去除内外表层上的裂纹、气泡等其它缺陷，保证空心管坯内外表面的光洁度，可大大提高加工后成品的质量。

所述的质量检查包括缺陷检查，将存在质量缺陷且经修磨后仍不符合要求的空心管坯排除出本申请所述新方法之外，这样可以保证后期用于径向锻造的空心管坯均是合格的坯料，可以提高成品质量、减少废品的产生。

第三步，对机加工和质量检查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，大于800℃时采用感应加热。

第四步，向加热、除磷后的所述空心管坯插入Φ215mm的芯棒，然后导入径向锻造机上进行一火5道次锻制成形，制得壁厚、直径和长度符合要求的管件。为此，设定在所述的径向锻造机上进行径向锻造时，工件每分钟转动40次，每次送进80mm，轧出管件的尺寸为Φ273×28×8500mm，总延伸系数约为4。第一道次的锻制成形的变形量约为23％；第二道次、第三道次、第四道次的变形量均约为25％，第五道次锻制成形的变形量约为23％。

第五步，对所述管件经固溶处理、精整，然后切去前后端的“夹头料”，最后可制成合格的Φ273×28×8000mm成品管材。对所述管材的精整包括根据需要对管体进行的包括磨削在内的机加工和矫直，以满足不同使用环境下的要求。整个加工过程是成功的，且生产出的1Cr18Ni9奥氏体不锈钢无缝钢管质量优良。

本发明创造性地将离心铸造制备空心管坯和径向锻造变形加工组合在一起的上述生产方法，特别适合于制造口径在250毫米以上、径壁比在25以下的中大口径、中厚壁、合金钢高端无缝管材。如果管材的口径过小，例如100毫米以下，则很难体现离心铸造坯的优势；壁厚过薄，则最后几道次径向锻造过程中合金钢管件温降过大，变形抗力剧增，会影响到变形过程的稳定性。

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，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)

1.一种利用径向锻造技术生产中大口径合金钢无缝管材的新方法，包括以下步骤：

第一步，经炉外精炼的合金钢钢水通过离心铸造机将所述钢水离心铸造成中大口径空心管坯；

第二步，在所述中大口径空心管坯的一端或者两端固接碳素钢“夹头料”，并对所述中大口径空心管坯的内外表面进行机加工和质量检查；

第三步，对机加工和质量检查后的所述中大口径空心管坯进行加热、除鳞；

第四步，向加热、除鳞后的所述中大口径空心管坯中插入芯棒，然后导入径向锻造机中锻制成形，制得壁厚、直径和长度符合要求的管件；

第五步，对所述管件进行热处理、精整、切“夹头料”，制得合格的成品管材。

2.根据权利要求1所述的新方法，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，离心铸造出的中大口径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所述的新方法，其特征在于：第二步中在所述中大口径空心管坯的一端或者两端焊接圆管形碳素钢“夹头料”，所述的机加工是对所述中大口径空心管坯的内外表面进行的切削加工。

4.根据权利要求3所述的新方法，其特征在于：所述焊接的圆管形碳素钢“夹头料”的长度为300～800毫米，对所述中大口径空心管坯内表面的切削厚度不少于5毫米，对所述中大口径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4所述的新方法，其特征在于：所述焊接的圆管形碳素钢“夹头料”为长度为500毫米的20号碳素钢，对所述中大口径空心管坯内表面的切削厚度为5毫米，对所述中大口径空心管坯外表面的切削厚度为2毫米。

6.根据权利要求1所述的新方法，其特征在于：第二步所述的质量检查包括缺陷检查，并将存在质量缺陷且经修磨后仍不符合要求的所述中大口径空心管坯排除出所述新方法。

7.根据权利要求1所述的新方法，其特征在于：第三步所述的加热采用联合加热法，即800℃以下采用炉内燃气加热，大于800℃时采用感应加热。

8.根据权利要求1所述的新方法，其特征在于：第四步所述的锻制成形为一火多道次的锻制成形，且每道次的变形量大于15％。

9.根据权利要求8所述的新方法，其特征在于：第四步所述的锻制成形为一火五道次的锻制成形，第一道次的锻制成形的变形量为23％，第二道次、第三道次、第四道次的变形量均为25％，第五道次的变形量为23％。

10.根据权利要求1所述的新方法，其特征在于：第五步所述的热处理为固溶处理，所述的精整包括根据需要对所述管件的管体进行磨削加工和矫直。

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