CN102069345A - 大规格钢管限动芯棒制造方法 - Google Patents

大规格钢管限动芯棒制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种大规格钢管限动芯棒制造方法，主要步骤包括：电炉冶炼→炉外精炼→氩气保护浇注→高温扩散→快锻开坯→轧制成材→轧后水冷→高温回火→水溶性介质淬火→二次回火→磨削加工→镀铬→去氢处理。该方法较之现有技术，大大减少了工艺流程，从而降低了能耗，缩短了生产周期，降低了生产成本。同时由于本方法采用了高温扩散的工艺，解决了芯棒的偏析问题，此外轧后采用间歇式喷淋水冷和高温回火的工艺也消除了芯棒毛坯中的网状碳化物，大大改善了大规格芯棒的生产质量。

Description

大规格钢管限动芯棒制造方法
技术领域
本发明涉及合金的冶金方法，尤其涉及大规格钢管限动芯棒的冶金工艺。
背景技术
芯棒是无缝钢管生产中参与钢管轧制变形的重要工具，是一种高附加值的大宗消耗备件。限动芯棒工况条件复杂，要求具有较高抗事故性和耐冷、热疲劳能力。
目前芯棒生产多采用如下工艺：芯棒材料一般采用H13热作模具钢，电炉冶炼→炉外精炼→浇注电极→电极退火→电渣重熔→电渣锭退火→加热→锻造(快锻开坯→径锻成材)→锻后冷却→球化退火→油冷淬火→二次回火→加工→镀铬→去氢处理。
上述工艺的缺点在于：
1.该芯棒制造工序采用了二次精炼，其工艺流程长、能耗大、生产周期长，生产成本也高；
2.由于H13热作模具钢中碳含量并不高，而合金元素总含量却达8％左右，故在电渣锭中，碳和合金元素的偏析是不可避免的，尤其大电渣锭中，H13钢会出现共晶碳化物，共晶碳化物通常呈块状，经锻造以后排成链，为保证芯棒材料质量，大规格芯棒一般需多火次成型，而长度大于14米的芯棒坯采用此方法则完全无法生产。
3.该工艺采用空冷或风扇冷却，对于大规格芯棒来说，这种冷却方法冷却速度不足，芯棒组织中极易形成网状碳化物，而网状碳化物对芯棒力学性能和热疲劳性能均会产生不利影响。
4.该工艺采用油冷淬火，而油冷淬火将产生大量油烟污染环境，若操作不当或行车一旦出现故障，还易发生火灾。
发明内容
因此本发明的目的是提供一种新的芯棒制造方法，特别是用于大规格芯棒的制造方法，使用该方法制造出的芯棒产品质量稳定，能够克服现有的产品缺陷，同时还能降低产品生产成本。
根据本发明的上述目的，提出一种大规格钢管限动芯棒制造方法，包括下列步骤：
(1)冶炼：将原料进行电炉冶炼和炉外精炼，然后进行A氩气保护浇注；
(2)热加工：对经由上述步骤获得的中间产品采用高温扩散工艺，然后快锻开坯，再用初轧机架轧制出芯棒毛坯；
(3)轧后冷却及热处理：对上述芯棒毛坯进行水冷，然后在730～780℃下进行高温回火；
(4)调质：采用水溶性介质对上述经过回火的芯棒毛坯进行加热后冷却，然后二次回火；
(5)加工：车削、磨削加工上述经过调质的芯棒毛坯，然后进行镀铬以及去氢处理。
优选地，所述步骤(1)中的原料质量分数组成为生铁10～20％，废钢70～80％，低S、P合金10～15％。
优选地，所述步骤(2)中高温扩散工艺为在1180～1280℃的温度下，保温18～20小时。
优选地，所述步骤(3)中的水冷为间歇式喷淋水冷却，冷却起始温度≥850℃，冷却速度为2.5～7.5℃/s，芯棒毛坯每次出水后在空气中停留至表面返红，最终使芯棒冷却至600～500℃。
优选地，所述步骤(3)的回火时间为15～20小时。
优选地，所述步骤(4)中的水溶性介质为PAG(聚亚烷基二醇)有机水溶液。
本发明在步骤(1)冶炼阶段用氩气保护浇注等工艺代替了现有技术中的电渣重熔，旨在减少电渣工序，缩短产品的生产周期，虽然减少了产品生产工序，但本方法的冶金质量同样可达到现有工艺的技术水平。
为了解决现有工艺生产出的芯棒具有共晶碳化物和成分偏析的问题，本发明在步骤(2)中采用了高温扩散工艺。由于芯棒使用对单边40mm工作层的质量要求较为严格，而对更远距离的属于非工作层的部位要求相对较低，同时由于芯棒工作层偏析较轻，故本方法中通过高温扩散完全可改善芯棒的偏析现象；此外本方法使用以轧代锻的毛坯加工方式，有利于提高芯棒毛坯成型的生产效率，解决部分长规格芯棒的制造技术。
网状碳化物是锻造后芯棒在空气中冷却时形成的，由于冷却速度不够，碳化物沿晶界成网状析出。特别是大规格芯棒冷却条件不好时，网状碳化物更加严重。网状碳化物对芯棒的力学性能和热疲劳性能均有不利影响。现有技术通过在锻造后采用固溶热处理和球化退火来消除网状碳化物，即加热至1150℃保温若干时间，加速冷却至300～350℃，然后球化退火，该工艺过程需要大约100小时，工艺时间较长。但对于长度大于10m的大规格芯棒，由于常规锻造用的高温加热炉长度不够，故该工艺是无法实现的。本发明采用轧后控制冷却及高温回火工艺来解决现有工艺的不足，同时为了避免大规格芯棒从高温到低温冷却速度过快而产生的开裂等问题，采取步骤(3)中的技术方案：在轧线滚道后设置旋转台架及喷淋装置，轧后采用间歇式喷淋方式水冷却。冷却起始温度≥850℃，冷却速度2.5～7.5℃/s，冷却次数一般为三次，每次冷却时间20～95秒，每次出水后在空气中停留时间以芯棒表面返红为准(约650～750℃)，反复水冷使芯棒快速冷却至600～500℃，然后装入回火炉中在780～730℃下进行高温回火，工艺时间大约20小时。较之现有技术大大缩短了工艺时间。
此外本发明在步骤(4)调质过程中用水溶性介质代替了传统的油淬火，原因是水溶性介质安全环保、无污染。
本发明由于采用了以上技术方案，使之与现有技术相比，具有以下优点和积极效果：
1.用电炉冶炼、炉外精炼和氩气保护浇注替代现有的电渣重溶，减少了生产工序，提高了效率，降低了能耗，提高了成材率；
2.采用高温扩散、快锻开坯和轧制成材，可基本消除共晶碳化物并改善成分偏析，同时降低了能耗，提高了生产效率；
3.轧后间歇式喷淋冷却，可解决网状偏析；
4.用水溶性介质替代油，无污染，安全环保。
具体实施方式
实施例1-3
实施例1-3的生产工艺为：
(1)冶炼：将原料生铁10～20％，废钢70～80％，低S、P合金10～15％，进行电炉冶炼和炉外精炼，然后进行氩气保护浇注；
(2)热加工：对经由上述步骤获得的中间产品采用高温扩散工艺，然后快锻开坯，再用初轧机架轧制出芯棒毛坯，具体工艺参数见表1；
(3)轧后冷却及热处理：采用喷淋装置对上述芯棒毛坯进行间歇式喷淋水冷，喷淋进行三次，每一次间歇时间均为待芯棒毛坯表面返红，然后在730～780℃下进行高温回火，具体工艺参数见表1和表2；
(4)调质：采用PAG(聚亚烷基二醇)有机水溶液对上述经过回火的芯棒毛坯进行冷却，然后二次回火，具体工艺参数见表1；
(5)加工：加工上述经过调质的芯棒毛坯，然后进行镀铬以及去氢处理。
表1.本发明实施例1-3中各步骤具体的工艺参数
Figure B2009101993222D0000041
Figure B2009101993222D0000051
表2.本发明实施例1-3中轧后冷却工艺参数
Figure B2009101993222D0000052
为了更好的说明本发明大规格钢管限动芯棒的制造方法，表3列出了采用现有工艺生产规格为φ250mm、370mm和460mm的芯棒的具体工艺参数，并在表4中将实施例1-3和比较例1-3生产的芯棒性能做了一个比较。
表3.采用现有工艺的比较例1-3中的具体工艺参数
Figure B2009101993222D0000053
Figure B2009101993222D0000061
表4.本发明实施例和比较例所制造的成品性能检测结果
Figure B2009101993222D0000062
由上表可以看出，使用本发明大规格钢管限动芯棒制造方法不仅可以用较少的工序生产出大规格芯棒，而且成品芯棒的力学性能较之使用现有工艺生产的力学性能有了一定的提高，特别是影响芯棒力学性能的网状碳化物级别降到了3级以下，大大优于现有技术效果。
要注意的是，以上列举的仅为本发明的具体实施例，显然本发明不限于以上实施例，随之有着许多的类似变化。本领域的技术人员如果从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种大规格钢管限动芯棒制造方法，其特征在于包括下列步骤：
(1)冶炼：将原料进行电炉冶炼和炉外精炼，然后进行氩气保护浇注；
(2)热加工：对经由上述步骤获得的中间产品采用高温扩散工艺，然后快锻开坯，再用初轧机架轧制出芯棒毛坯；
(3)轧后冷却及热处理：对上述芯棒毛坯进行水冷，然后在730～780℃下进行高温回火；
(4)调质：采用水溶性介质对上述经过回火的芯棒毛坯进行加热后冷却，然后二次回火；
(5)加工：车削、磨削加工上述经过调质的芯棒毛坯，然后进行镀铬以及去氢处理。
2.如权利要求1所述的大规格钢管限动芯棒制造方法，其特征在于所述步骤(1)中的原料质量百分比组成为生铁10～20％，废钢70～80％，低S、P合金10～15％。
3.如权利要求2所述的大规格钢管限动芯棒制造方法，其特征在于所述步骤(2)中高温扩散工艺为在温度为1180～1280℃时，保温18～20小时。
4.如权利要求3所述的大规格钢管限动芯棒制造方法，其特征在于所述步骤(3)中的水冷采用间歇式喷淋水冷却的方法，冷却起始温度≥850℃，冷却速度为2.5～7.5℃/s，芯棒毛坯每次出水后在空气中停留至表面返红，最终使芯棒冷却至500～600℃。
5.如权利要求4所述的大规格钢管限动芯棒制造方法，其特征在于所述步骤(3)的回火时间为15～20小时。
6.如权利要求5所述的大规格钢管限动芯棒制造方法，其特征在于所述步骤(4)中的水溶性介质为聚亚烷基二醇有机水溶液。
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