CN101942610A

CN101942610A - 一种热轧无缝钢管穿孔顶头及其加工工艺

Info

Publication number: CN101942610A
Application number: CN 201010251582
Authority: CN
Inventors: 黄贞益; 章小峰; 王豫; 朱秀根
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-08-05
Filing date: 2010-08-05
Publication date: 2011-01-12

Abstract

本发明公开了一种热轧无缝钢管穿孔顶头及其加工方法，是由以下组分加工而成，各组分含量(总重量按100％计)为：C 0.2％～0.3％，Si 0.3％～0.5％，Mn 0.4％～0.6％，Cr 1.0％～2.0％，Ni 1.5％～4.0％，W 2.5％～3.0％，Mo 0.5％～1.5％，Co 2.0％～4.0％，Yb 0.05％～0.1％，余量为铁及不可避免的微量杂质。浇注前，将待浇顶头模具轴向与离心机主轴相互垂直或平行重合，顶头鼻部朝外或朝下；浇注时，金属液顺序进入顶头模具型腔，离心铸造机转速不低于220rpm，待钢液全部注入模具型腔，在220～300rpm范围内调整离心铸造机转速。本发明具有组织均匀致密、高温强度好、热疲劳性能优异的优点，使用寿命是同类国内外产品的1.5～2倍。

Description

一种热轧无缝钢管穿孔顶头及其加工工艺

技术领域

本发明涉及一种无缝钢管穿孔顶头的加工技术，具体地说是涉及一种热轧无缝钢管穿孔顶头及其加工工艺。

背景技术

穿孔顶头是热轧无缝钢管生产中消耗量最大的关键工具之一。由于穿孔顶头的工作条件恶劣，穿孔时，顶头的工作温度高达1000℃以上，与此同时还要承受着巨大的轴向压力、径向压力、旋转摩擦力、急冷急热的热应力，经受着机械疲劳和热疲劳的作用。在如此恶劣的工况下，故顶头常以塌鼻、粘钢、开裂等失效形式报废，顶头的使用寿命缩短、更换频率很高，由此影响钢管生产效率和质量，对组织大规模无缝钢管生产和产品质量都有重要影响，因此研制高质量、长寿命的穿孔顶头一直以来都是无缝钢管生产中一个比较重要的课题。

目前，国内生产普通碳素钢管应用较多的顶头材料为3Cr2W8V和20Cr2Ni4W钢。在使用前，顶头进行挂高温氧化铁膜处理。这类顶头在使用中常因出现塌鼻、粘钢和开裂等缺陷而报废。生产不锈钢管常用钼基合金顶头，但其高温氧化严重，需要不断地进行高温润滑，生产效率低，而且钼材价格一再提高，造成顶头昂贵。

一直以来，各无缝钢管穿孔顶头生产厂家比较关注顶头材质的改进，而对顶头制作工艺探索不多，基本局限于普通铸造和锻造成型。通过大量的理论研究和实践验证，结合使用要求的不同，顶头材质一般选用合金工具钢(如H13)或合金结构钢(如30CrNi3、35CrMo等)，该类材料在高温强度和韧性方面总是难以合理平衡，造成各种形式的顶头失效，影响其使用寿命。特别是在高压锅炉管、合金钢管和不锈钢管的穿孔过程中，有的顶头很快就失效，平均寿命在4～5支/个，而在普通钢管的穿孔中也只有100支/个左右。

发明内容

本发明的目的就是针对现有无缝钢管穿孔顶头及其加工工艺中出现的上述不足，而提供一种组织均匀致密、高温强度好、热疲劳性能优异的热轧无缝钢管穿孔顶头。

本发明的另一目的是提供上述热轧无缝钢管穿孔顶头的加工工艺。通过适量的合金元素保证顶头的高温强度，结合离心铸造技术，确保铸件组织内无大型夹杂、孔洞和疏松等缺陷，提高其强度、耐热疲劳性等。

为了实现本发明的上述目的，本发明一种热轧无缝钢管穿孔顶头是由以下组分加工而成，各组分含量(总重量按100％计)范围为：

C 0.2％～0.3％，

Si 0.3％～0.5％，

Mn 0.4％～0.6％，

Cr 1.0％～2.0％，

Ni 1.5％～4.0％，

W 2.5％～3.0％，

Mo 0.5％～1.5％，

Co 2.0％～4.0％，

Yb 0.05％～0.1％，

余量为铁及不可避免的微量杂质。

所述Si的最佳含量范围为0.35％～0.4％，所述Mn的最佳含量范围为0.4％～0.5％，所述Ni的最佳含量范围为3.5％～4.0％，所述Mo的最佳含量范围为0.5％～0.9％，所述Yb的最佳含量范围为0.08％～0.1％。

本发明还提供了一种热轧无缝钢管穿孔顶头的加工工艺，它包括配料、热熔、浇铸、热处理工艺：

按照所述材料配方配好炉料，根据各材料的物理化学性能，合理安排入炉顺序，先将高熔点的铸钢、Mo-Fe、W-Fe、Cr-Fe、Co-Fe、Mn-Fe、Si-Fe等熔化，待完全熔化后再加入Yb，进行充分热熔处理，确保冶炼钢液成分均匀。浇注有两种方式，其一，在浇注前，将待浇顶头模具轴向与离心机主轴相互垂直，顶头鼻部朝外。其二，生产规格大的顶头，将待浇顶头模具轴向与离心机主轴相互平行或重合，顶头鼻部朝下。浇注时，金属液会顺序进入顶头模具型腔，为了保持足够的离心力以增加铸件金属的致密性，又要避免离心力太大而阻碍金属的收缩，离心铸造机转速不低于220rpm。待钢液全部注入模具型腔，可适当调整离心铸造机转速，一般在220～300rpm范围内即可满足铸件组织致密要求。因顶头鼻部(模具横置)或顶头表面(模具竖置)所受离心力最大，组织均匀而致密，这也符合顶头的使用工况要求。

随后的顶头热处理过程中，为了生产成本的低廉，采用有机液体乙醇通入热处理炉内，经高温分解形成湿性氧化气氛，使顶头经可受控的氧化处理，在顶头表面形成表面氧化层、中间氧化层及过渡氧化层。所述顶头的具体热处理工艺如下：炉温升至880～920℃时将顶头装炉，关闭炉盖，按4～7ml/min的速度向炉内滴入乙醇，目的是使炉内的空气充分燃烧，耗尽空气后停止滴入乙醇，改换为乙醇水溶液，所述乙醇与水体积比为1∶3～1∶5，促使该乙醇水溶液与顶头表面层发生氧化反应；将炉温升至约1020～1070℃保温3.8～4.2h，保持炉压0.7～1.1KPa，随后停炉降温至830～870℃顶头出炉，缓冷至常温，消除内应力。整个氧化、内应力消除过程中，为保证氧化效果，需要高温风机运转，保证炉内温度、气氛均匀。

本发明采用以上技术方案后，具有以下积极效果：

(1)本发明在成分设计上遵循节约合金元素、满足优异性能的原则，利用原有低合金钢的相关组织结构、性能指标，除调整了C、Cr、Ni、W、Mo等元素含量以外，还添加了稀土Yb，通过Yb净化钢液，去除结晶组织中晶界富集的有害杂质，细化晶粒，改善铸件组织，提高综合性能。

(2)此外，添加的钴元素能将镍、铁合金组成中其它金属碳化物晶粒结合在一起，使合金具更高的韧性，并减少对冲击的敏感性能，钴基合金的耐热性是因为形成了难熔的碳化物，这些碳化物不易固溶，扩散活动性小，当温度在1038℃以上时，钴基合金的优越性更是显露无遗。

(3)由于成分设计合理，离心铸造工艺先进，保证了顶头的高温强度、硬度、塑性、耐热疲劳性能等，在穿制不锈钢无缝钢管钢管、普通锅炉管时，顶头的使用寿命提高至国内外同类产品的1.5～2倍左右，大幅度地降低了生产成本，经济效益可观。

(4)实验结果表明，所述发明在穿孔试验时，在国内某知名的大型钢管厂的

140mm机组上穿制低合金锅炉管180支，远高于普遍采用的寿命为100支的顶头质量。在合金钢管的试穿中，本发明的平均使用寿命也达到9支以上。

具体实施方式

按照表1所示的原料配方进行加工生产，经过配料、热熔、浇铸、热处理工艺加工成本发明一种热轧无缝钢管穿孔顶头。

表1热轧无缝钢管穿孔顶头的组分和含量(重量％)

按照实施例1-7配方经过配料、热熔、浇铸加工出的顶头的具体热处理工艺如下：炉温升至900℃时将顶头装炉，关闭炉盖，按5ml/min的速度向炉内滴入乙醇，目的是使炉内的空气充分燃烧，耗尽空气，1h后停止滴入乙醇，改换为乙醇水溶液，所述乙醇与水体积比为1∶4，促使该乙醇水溶液与顶头表面层发生氧化反应；将炉温升至约1050℃保温4h，保持炉压0.7～1.1KPa，随后停炉降温至850℃顶头出炉，缓冷至常温，消除内应力。整个氧化、内应力消除过程中，为保证氧化效果，需要高温风机运转，保证炉内温度、气氛均匀。

Claims

1.一种热轧无缝钢管穿孔顶头，其特征在于是由以下组分加工而成，各组分含量(总重量按100％计)范围为：

C 0.2％～0.3％，

Si 0.3％～0.5％，

Mn 0.4％～0.6％，

Cr 1.0％～2.0％，

Ni 1.5％～4.0％，

W 2.5％～3.0％，

Mo 0.5％～1.5％，

Co 2.0％～4.0％，

Yb 0.05％～0.1％，

余量为铁及不可避免的微量杂质。

2.如权利要求1所述的一种热轧无缝钢管穿孔顶头，其特征在于：所述Si的含量范围为0.35％～0.4％，所述Mn的含量范围为0.4％～0.5％，所述Ni的含量范围为3.5％～4.0％，所述Mo的含量范围为0.5％～0.9％，所述Yb的含量范围为0.08％～0.1％。

3.如权利要求1或2所述的热轧无缝钢管穿孔顶头的加工工艺，包括配料、热熔、浇铸、热处理工艺，其特征在于：浇注前，将待浇顶头模具轴向与离心机主轴相互垂直，顶头鼻部朝外；浇注时，金属液顺序进入顶头模具型腔，离心铸造机转速不低于220rpm，待钢液全部注入模具型腔，在220～300rpm范围内调整离心铸造机转速。

4.如权利要求1或2所述的热轧无缝钢管穿孔顶头的加工工艺，包括配料、热熔、浇铸、热处理工艺，其特征在于：浇注前，将待浇顶头模具轴向与离心机主轴相互平行或重合，顶头鼻部朝下；浇注时，金属液顺序进入顶头模具型腔，离心铸造机转速不低于220rpm，待钢液全部注入模具型腔，在220～300rpm范围内调整离心铸造机转速。

5.如权利要求3所述的热轧无缝钢管穿孔顶头的加工工艺，其特征在于所述的热处理工艺为：炉温升至880～920℃时将顶头装炉，关闭炉盖，按4～7ml/min的速度向炉内滴入乙醇，使炉内的空气充分燃烧，耗尽空气后停止滴入乙醇，改换为乙醇水溶液，所述乙醇与水体积比为1∶3～1∶5，促使该乙醇水溶液与顶头表面层发生氧化反应；将炉温升至1020～1070℃保温3.8～4.2h，保持炉压0.7～1.1KPa，随后停炉降温至830～870℃顶头出炉，缓冷至常温。

6.如权利要求4所述的热轧无缝钢管穿孔顶头的加工工艺，其特征在于所述的热处理工艺为：炉温升至880～920℃时将顶头装炉，关闭炉盖，按4～7ml/min的速度向炉内滴入乙醇，使炉内的空气充分燃烧，耗尽空气后停止滴入乙醇，改换为乙醇水溶液，所述乙醇与水体积比为1∶3～1∶5，促使该乙醇水溶液与顶头表面层发生氧化反应；将炉温升至1020～1070℃保温3.8～4.2h，保持炉压0.7～1.1KPa，随后停炉降温至830～870℃顶头出炉，缓冷至常温。

7.如权利要求3所述的热轧无缝钢管穿孔顶头的加工工艺，其特征在于所述的热处理工艺为：炉温升至900℃时将顶头装炉，关闭炉盖，按5ml/min的速度向炉内滴入乙醇，使炉内的空气充分燃烧，耗尽空气，1h后停止滴入乙醇，改换为乙醇水溶液，所述乙醇与水体积比为1∶4，促使该乙醇水溶液与顶头表面层发生氧化反应；将炉温升至约1050℃保温4h，保持炉压0.7～1.1KPa，随后停炉降温至850℃顶头出炉，缓冷至常温。

8.如权利要求4所述的热轧无缝钢管穿孔顶头的加工工艺，其特征在于所述的热处理工艺为：炉温升至900℃时将顶头装炉，关闭炉盖，按5ml/min的速度向炉内滴入乙醇，使炉内的空气充分燃烧，耗尽空气，1h后停止滴入乙醇，改换为乙醇水溶液，所述乙醇与水体积比为1∶4，促使该乙醇水溶液与顶头表面层发生氧化反应；将炉温升至约1050℃保温4h，保持炉压0.7～1.1KPa，随后停炉降温至850℃顶头出炉，缓冷至常温。