CN103084412B - N80-1非调质无缝油套管生产中的工艺控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种N80-1非调质无缝油套管生产中的工艺控制方法，它是在N80-1非调质无缝油套管的变形量、变形速率、冷却速度等性能影响参数均无法人为控制的前提下，去掉了变形量、变形速率和冷却速度控制，增加规格、钢种变化的控制，形成规格+钢种变化+连轧温度控制+定径温度控制的捆绑式组合模式，通过以上工艺参数与拉伸和冲击的定量关系来实现N80-1非调质无缝油套管性能的有效控制，以达到稳定产品性能和提高成材率的目的。
Description
技术领域
本发明涉及冶金行业无缝钢管技术领域，特别是一种N80-1非调质无缝油套管生产中的工艺控制方法。
背景技术
N80-1非调质无缝油套管采用中碳-锰含V钢热轧生产，并控制终轧温度≥相变点Ar3等同正火处理，现有的N80-1非调质无缝油套管的生产方法具有成本低、节约热处理资源和缩短交货周期等优点。但N80-1非调质无缝油套管的工艺控制很复杂（如变形量、变形速率、冷却速度等性能影响因素均无法人为控制），再加上缺乏行之有效的工艺控制技术，使得该产品的性能控制一直不太稳定，具体表现在屈服强度不能稳定在552～758MPa范围内，冲击韧性时常低于纵向27J或横向14J（API5CT标准要求），严重影响了该材料的成材率和使用安全性。
N80-1非调质无缝油套管的开发源于20世纪90年代中期，经历了中碳-锰Cr-Mo系的贝氏体型非调质钢到中碳-锰微合金化的铁素体+珠光体型细晶粒钢的发展过程，期间由于性能的不稳定，尤其是冲击韧性异常偏低，用户在使用过程中曾酿成多起重大事故。
目前普遍采用中碳-锰含V钢，如国内常见的27Mn2V、34Mn2V、36Mn2V、36Mn2VN、35Mn2V和40Mn2V等20多种。钢种开发虽然较全面，但钢种只是性能影响因素之一，而性能的控制更多的还是靠工艺参数的控制。目前对N80-1非调质无缝油套管工艺控制方法的研究较少且零散，多照搬或参照板材、棒材等已成熟的控轧控冷技术及理论。这种控轧控冷技术，主要是在轧制过程中通过各道次的变形量、变形温度、变形速率进行合理的控制，以达到奥氏体再结晶细化晶粒的目的，再通过控制冷却，来改变组织转变过程，并通过控制终止温度，来均匀组织和消除残余应力，以获得理想的组织，最终达到性能控制的目的。但N80-1非调质无缝油套管，除了变形温度可人为控制之外，其他参数即：变形量、变形温度、变形速率、冷却速度均无法人为控制。因此，传统的控轧控冷技术无法适用于N80-1非调质无缝油套管的工艺控制，只能定性的解释一些现象或优化性能。
传统控轧控冷技术的研究，通常在Gleeble压应力热模拟试验基础上，通过硬度测试和组织观察，得出各道次的变形量、变形温度、变形速率、冷却速度及终止温度等工艺控制参数。这种控轧控冷技术及研究方法在N80-1非调质无缝油套管中的应用，主要存在以下问题和缺点：
1、传统的控轧控冷技术需要对变形量、变形温度、变形速率、冷却速度进行控制，但对于N80-1非调质无缝油套管，变形量、变形温度、变形速率、冷却速度参数均不可人为控制，因此失去了可操作性和实际意义。
2、传统的控轧控冷技术多建立在硬度和组织的研究基础上，缺乏拉伸性能和冲击性能的定量关系数据，而N80-1非调质无缝油套管两个主要性能指标分别为拉伸性能和冲击韧性。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的上述不足而提供一种N80-1非调质无缝油套管生产中的工艺控制方法。在N80-1非调质无缝油套管的性能影响因素中，变形温度可以通过加热炉进行控制，变形量和冷却速度虽然不可以人为控制，但与钢管规格有关并形成固定组合，变形速率为稳定参数，在机组设计时已确定。真正影响N80-1非调质无缝油套管性能的工艺参数是钢管规格（对应于变形量和冷却速度）和变形温度。因此，只要确定了不同钢管规格对应的变形量和冷却速度，并摸清变形温度、变形量和冷却速度与拉伸和冲击韧性之间的定量关系，就可以针对某一个具体的规格，通过变形温度的合理控制，来达到性能控制的目的。然而，N80-1非调质无缝油套管的规格较多，常用的规格就有80多个，仅凭变形温度的控制显然是不够的，还需增加钢种的选择作为另一个新增变量参数，最终形成一个新型的工艺控制方法，即：规格+钢种变化+连轧温度控制+定径温度控制的捆绑式组合模式。
本发明的技术方案是：一种N80-1非调质无缝油套管生产中的工艺控制方法，它是在N80-1非调质无缝油套管的变形量、变形速率、冷却速度性能影响参数均无法人为控制的前提下，去掉了变形量、变形速率和冷却速度控制，增加规格、钢种变化的控制，并形成捆绑式组合模式，通过以上工艺参数与拉伸和冲击的定量关系来实现N80-1非调质无缝油套管性能的有效控制，以达到稳定产品性能和提高成材率的目的。
其具体步骤如下：
A、确定N80-1非调质无缝油套管不同的规格对应的变形量、变形速率和冷却速度。根据API5CTN80-1非调质无缝油套管的标准规格，结合无缝钢管热轧机组的参数，通过数据采集、测量和计算，确定N80-1非调质无缝油套管80个常用规格对应的连轧变形量、连轧变形速率及定径变形量、定径变形速率。N80-1非调质无缝油套管80个常用规格对应的连轧变形量、连轧变形速率、定径变形量、定径变形速率和冷却速度如表1所示：
表1N80-1油套管80个常用规格对应的连轧变形量、连轧变形速率、定径变形量、
定径变形速率和冷却速度
然后通过对不同规格N80-1非调质无缝油套管冷却速度实测数据的整理，采用matlab软件对数据进行分析，建立规格尺寸与冷却速度之间的数学关系式，其数学关系式为：
（1）
式中：为N80-1非调质无缝油套管冷却速度/℃/s，D为N80-1非调质无缝油套管外径/mm，t为N80-1非调质无缝油套管壁厚/mm。
B、建立N80-1非调质无缝油套管所用钢种的屈服和抗拉强度与定径和冷却工艺参数之间的数学关系式，根据A步骤中确定的工艺参数，采用工业上常用的两个钢种36Mn2V和40Mn2V，在Gleeble-3500热模拟试验机上进行热模拟试验，对照应力-应变曲线及晶粒度进行分析，得出连轧动态再结晶细化晶粒温度为1050℃～1100℃,最佳细化晶粒温度为1050℃，其平均晶粒尺寸为十几个μm；对试样的拉伸和冲击韧性进行实际测试，得出定径和冷却工艺参数与两个钢种拉伸和冲击之间的定量关系，作为工艺控制方法的数据依据。
根据实际测量不同定径和冷却工艺参数下的拉伸性能数据，采用Matlab软件进行分析，建立36Mn2V和40Mn2V的屈服和抗拉强度与定径和冷却工艺参数之间的数学关系式为：
（2）
（3）
（4）
（5）
式中：为屈服强度/Mpa，为抗拉强度/Mpa，为定径变形温度/℃，为定径变形量，为N80-1非调质无缝油套管冷却速度/℃/s。
采用Matlab软件对36Mn2V和40Mn2V钢的屈服和抗拉强度与定径和冷却工艺参数之间的数学关系式（2）、（3）、（4）、（5）进行拟合分析，拟合度分别98.02%、97.84%、97.88%和97.62%。根据热模拟试验参数，采用数学关系式（2）、（3）、（4）、（5）进行计算，并与拉伸性能的测试结果相减，得到计算值与实测值的偏差约±10Mpa。
C、建立非标小试样与标准试样冲击韧性的转换关系曲线，进行热模拟试验，由于热模拟试验试样尺寸较小，试验测得冲击韧性值是采用非标小试样，试样尺寸为5mm×5mm×55mm，V型刻槽深度为0.8mm，而常用的标准试样尺寸为10mm×10mm×55mm，V型刻槽深度为2mm。通过非标小试样与标准试样的大量冲击韧性试验，建立非标小试样与标准试样冲击韧性的转换关系曲线，将非标小试样冲击韧性值转换成标准试样冲击韧性值。冲击韧性的转换关系曲线适用于5mm×5mm×55mm非标小试样冲击韧性值在5.6J～28.5J之间或10mm×10mm×55mm标准试样冲击韧性值在28J～104J之间的转换。
D、根据B步骤中得出的连轧动态再结晶细化晶粒温度，确定两个钢种36Mn2V和40Mn2V的连轧温度控制范围为1050℃～1100℃，最佳控制温度为1050℃。
根据API5CTN80-1非调质无缝油套管的性能要求，即屈服强度552MPa～758MPa、抗拉强度≥689MPa、冲击韧性≥27J和A步骤中确定的不同规格对应的工艺参数，即不同规格对应的连轧变形量、连轧变形速率、连轧冷却速度和定径变形量、定径变形速率、定径冷却速度及B步骤中和C步骤中得出的定径和冷却工艺参数对应的拉伸和冲击韧性数据，反推出80个常用规格中每个规格应选用的钢种和定径的温度控制范围，在满足性能要求的前提下，再反推出每个规格的最佳定径控制温度，使屈服强度尽量集中在552MPa～758MPa的中间值650MPa附近，并进行绑定，获得按照N80-1非调质无缝油套管80个常用规格绑定的钢种、连轧时的温度控制范围及最佳控制温度、定径时的温度控制范围及最佳控制温度，最终形成一套完整的N80-1非调质无缝油套管生产中的工艺控制方法，即：规格+钢种变化+连轧温度控制+定径温度控制的捆绑式组合模式。
N80-1非调质无缝油套管80个常用规格绑定的钢种、连轧时的温度控制范围及最佳控制温度、定径时的温度控制范围及最佳控制温度如表2所示：
表2N80-1非调质无缝油套管80个常用规格绑定的钢种、连轧时的温度控制范围及最佳控制温度、定径时的温度控制范围及最佳控制温度
本发明的进一步技术方案是：采用VC++6.0软件建立数据库，将整套工艺软件化。不同规格对应的连轧变形量、连轧变形速率和定径变形量、定径变形速率由N80-1非调质无缝油套管80个常用规格对应的连轧变形量、连轧变形速率、定径变形量、定径变形速率和冷却速度对照表获得，其中冷却速度通过公式（1）进行计算获得；不同规格绑定的钢种、连轧时的温度控制范围及最佳控制温度、定径时的温度控制范围及最佳控制温度由N80-1非调质无缝油套管80个常用规格绑定的钢种、连轧时的温度控制范围及最佳控制温度、定径时的温度控制范围及最佳控制温度对照表获得；不同规格的拉伸性能由公式（2）、（3）、（4）、（5）计算获得，不同规格的冲击韧性由36Mn2V非标小试样不同工艺参数下的冲击韧性和40Mn2V非标小试样不同工艺参数下的冲击韧性经冲击韧性转换关系曲线图转换而得。最终建立一个操作简便的工具软件，通过这个数据库软件，输入N80-1无缝油套管80个常用规格中的任意一个规格，能够调出对应的工艺参数即连轧变形量、定径变形量、冷却速度、绑定的钢种、连轧温度控制范围、连轧最佳控制温度、定径温度控制范围、定径最佳控制温度，计算出屈服强度范围、抗拉强度范围、最小冲击韧性值的信息。当输入定径的实际控制温度时，能够计算出对应的屈服强度、抗拉强度、冲击韧性值，最后用于实际生产。
本发明与现有技术相比具有如下特点：
1、去掉了变形量、变形速度和冷却速度控制，但增加了规格、钢种选择的控制，并形成捆绑式组合。与N80-1非调质无缝油套管工艺控制特点相符，具有实际可操作性，解决了连轧和定径变形量、变形速率，及冷却速度均不可控制的难点，实现了性能的有效控制，达到了稳定产品性能的目的。
2、冷却速度、屈服强度和抗拉强度可以根据公式（1）、（2）、（3）、（4）、（5）计算，大大减少了实测工作量。
3、工艺控制技术应用软件的开发，为生产实际控制提供了便利的工具，预测值与实际屈服强度和冲击韧性平均偏差在±20MPa和-8～+6J之内。
以下结合附图和具体实施方式对本发明的详细结构作进一步描述。
附图说明
附图1为本发明提供的规格+钢种变化+连轧温度控制+定径温度控制的捆绑式组合模式的研究步骤图；
附图2为36Mn2V不同工艺参数下的拉伸性能图；
附图3为40Mn2V不同工艺参数下的拉伸性能图；
附图4为36Mn2V屈服和抗拉强度计算值与实测值的偏差图；
附图5为40Mn2V屈服和抗拉强度计算值与实测值的偏差图；
附图6为36Mn2V非标小试样不同工艺参数下的冲击韧性图；
附图7为40Mn2V非标小试样不同工艺参数下的冲击韧性图；
附图8为冲击韧性转换关系曲线图；
附图9为N80-1非调质无缝油套管工艺控制方法中的应用软件空白界面；
附图10为实施例一中的N80-1非调质无缝油套管应用软件数据库调用界面；
附图11为实施例二中的N80-1非调质无缝油套管应用软件数据库调用界面。
具体实施方式
实施例一、本实施例生产的N80-1非调质无缝油套管外径为139.7mm，壁厚为6.2mm，钢种为36Mn2V，生产机组为∮340机组。
根据表1和表2，规格φ139.7mm×6.2mm对应的基本参数为：连轧变形量1.486382、连轧变形速率0.506940S-1、定径变形量0.222725、定径变形量速率0.206606S-1、冷却速度2.150373℃/s，其中：冷却速度通过公式（1）进行计算。连轧温度控制范围为1050℃～1100℃、最佳控制温度为1050℃，定径温度控制范围为820℃～870℃、最佳控制温度为820℃。产品的屈服和抗拉强度分别在633MPa～651MPa和843MPa～860MPa之间，冲击韧性≥48J。当将连轧和定径温度分别控制在1050℃和870℃时，对应的屈服和抗拉强度分别为651MPa和860MPa，冲击韧性值为48J。
实际连轧和定径温度分别按1050℃和870℃控制时（1000组数据为例），屈服和抗拉强度分别在647MPa～664MPa和857MPa～874MPa之间波动，冲击韧性在46J～55J之间波动。完全满足API5CTN80-1非调质无缝油套管标准要求（屈服强度552MPa～758MPa、抗拉强度≥689MPa、冲击韧性≥27J）。实际屈服强度、抗拉强度、冲击韧性值与软件预测值平均偏差分别为+6.2MPa、+9.1MPa、+3.5J。
如选用40Mn2V钢生产，当连轧和定径温度分别按1050℃和870℃控制时，屈服和抗拉强度分别在742MPa～765MPa和1019MPa～1036MPa之间波动，冲击韧性值为11J～18J之间波动，强度偏高而韧性明显偏低，不能满足满足API5CTN80-1非调质无缝油套管标准要求。
附图9为应用软件空白界面，附图10为本实施例中的应用软件数据库调用界面。
实施例二、本实施例生产的N80-1非调质无缝油套管外径为244.48mm，壁厚为11.99mm，钢种为40Mn2V，生产机组为∮340机组。
根据表1和表2，规格φ244.48mm×11.99mm对应的基本参数为：连轧变形量1.041851、连轧变形速率0.501069S-1、定径变形量0.145901、定径变形量速率0.199547S-1、冷却速度0.66787℃/s。连轧温度控制范围为1050℃～1100℃、最佳控制温度为1050℃，定径温度控制范围为820℃～870℃、最佳控制温度为820℃。产品的屈服和抗拉强度分别在661MPa～688MPa和936MPa～969MPa之间，冲击韧性≥46J。当将连轧和定径温度分别控制在1050℃和820℃时，对应的屈服和抗拉强度分别为661MPa和936MPa，冲击韧性值为61J。
实际连轧和定径温度分别按1050℃和820℃控制时（1000组数据为例），屈服和抗拉强度分别在653MPa～671MPa和930MPa～947MPa之间波动，冲击韧性在56J～62J之间波动。完全满足API5CTN80-1非调质无缝油套管标准要求（屈服强度552MPa～758MPa、抗拉强度≥689MPa、冲击韧性≥27J）。实际屈服强度、抗拉强度、冲击韧性值与软件预测值平均偏差分别为+4.7MPa、+10.3MPa、-3.7J。
如选用36Mn2V钢生产，当连轧和定径温度分别按1050℃和820℃控制时，屈服和抗拉强度分别在548MPa～572MPa和777MPa～796MPa之间波动，冲击韧性值为61J～68J之间波动，虽然冲击韧性较高，但强度明显偏低，不能满足满足API5CTN80-1非调质无缝油套管标准要求。
附图9为应用软件空白界面，附图11为本实施例中的应用软件数据库调用界面。
Claims (2)
1.一种N80-1非调质无缝油套管生产中的工艺控制方法，其特征是：它是在N80-1非调质无缝油套管的变形量、变形速率、冷却速度性能影响参数均无法人为控制的前提下，去掉了变形量、变形速率和冷却速度控制，增加规格、钢种变化的控制，并形成捆绑式组合模式，通过以上工艺参数与拉伸和冲击的定量关系来实现N80-1非调质无缝油套管性能的有效控制，以达到稳定产品性能和提高成材率的目的；
其具体步骤如下：
A、确定N80-1非调质无缝油套管不同的规格对应的变形量、变形速率和冷却速度，根据API5CTN80-1非调质无缝油套管的标准规格，结合无缝钢管热轧机组的参数，通过数据采集、测量和计算，确定N80-1非调质无缝油套管80个常用规格对应的连轧变形量、连轧变形速率及定径变形量、定径变形速率，并通过对不同规格N80-1非调质无缝油套管的冷却速度实测数据的整理，采用matlab软件对数据进行分析，建立规格尺寸与冷却速度之间的数学关系式，其数学关系式为：
（1）
式中：为N80-1非调质无缝油套管冷却速度/℃/s，D为N80-1非调质无缝油套管外径/mm，t为N80-1非调质无缝油套管壁厚/mm；
B、建立N80-1非调质无缝油套管所用钢种的屈服和抗拉强度与定径和冷却工艺参数之间的数学关系式，根据A步骤中确定的工艺参数，采用工业上常用的两个钢种36Mn2V和40Mn2V，在Gleeble-3500热模拟试验机上进行热模拟试验，对照应力-应变曲线及晶粒度进行分析，得出连轧动态再结晶细化晶粒温度为1050℃～1100℃,其平均晶粒尺寸为十几个μm；对试样的拉伸和冲击韧性进行实际测试，得出定径和冷却工艺参数与两个钢种拉伸和冲击之间的定量关系，作为工艺控制方法的数据依据；
根据实际测量不同定径和冷却工艺参数下的拉伸性能数据，采用Matlab软件进行分析，建立36Mn2V和40Mn2V的屈服和抗拉强度与定径和冷却工艺参数之间的数学关系式为：
（2）
（3）
（4）
（5）
式中：为屈服强度/Mpa，为抗拉强度/Mpa，为定径变形温度/℃，为定径变形量，为N80-1非调质无缝油套管冷却速度/℃/s；
C、建立非标小试样与标准试样冲击韧性的转换关系曲线，进行热模拟试验，由于热模拟试验试样尺寸较小，试验测得冲击韧性值是采用非标小试样，试样尺寸为5mm×5mm×55mm，V型刻槽深度为0.8mm，而常用的标准试样尺寸为10mm×10mm×55mm，V型刻槽深度为2mm；通过非标小试样与标准试样的大量冲击韧性试验，建立非标小试样与标准试样冲击韧性的转换关系曲线，将非标小试样冲击韧性值转换成标准试样冲击韧性值；冲击韧性的转换关系曲线适用于5mm×5mm×55mm非标小试样冲击韧性值在5.6J～28.5J之间或10mm×10mm×55mm标准试样冲击韧性值在28J～104J之间的转换；
D、根据B步骤中得出的连轧动态再结晶细化晶粒温度，确定两个钢种36Mn2V和40Mn2V的连轧温度控制范围为1050℃～1100℃；
根据API5CTN80-1非调质无缝油套管的性能要求，即屈服强度552MPa～758MPa、抗拉强度≥689MPa、冲击韧性≥27J和A步骤中确定的不同规格对应的工艺参数，即不同规格对应的连轧变形量、连轧变形速率、连轧冷却速度和定径变形量、定径变形速率、定径冷却速度及B步骤中和C步骤中得出的定径和冷却工艺参数对应的拉伸和冲击韧性数据，反推出80个常用规格中每个规格应选用的钢种和定径的温度控制范围，在满足性能要求的前提下，再反推出每个规格的最佳定径控制温度，使屈服强度尽量集中在552MPa～758MPa的中间值650MPa附近，并进行绑定，获得按照N80-1非调质无缝油套管80个常用规格绑定的钢种、连轧时的温度控制范围及最佳控制温度、定径时的温度控制范围及最佳控制温度，最终形成一套完整的N80-1非调质无缝油套管生产中的工艺控制方法，即：规格+钢种变化+连轧温度控制+定径温度控制的捆绑式组合模式。
2.根据权利要求1所述的一种N80-1非调质无缝油套管生产中的工艺控制方法，其特征是：采用VC++6.0软件建立数据库，将整套工艺软件化；不同规格对应的连轧变形量、连轧变形速率和定径变形量、定径变形速率由N80-1非调质无缝油套管80个常用规格对应的变形量、变形速率和冷却速度对照表获得，其中冷却速度通过公式（1）进行计算获得；不同规格绑定的钢种、连轧时的温度控制范围及最佳控制温度、定径时的温度控制范围及最佳控制温度由N80-1非调质无缝油套管80个常用规格绑定的钢种、连轧时的温度控制范围及最佳控制温度、定径时的温度控制范围及最佳控制温度对照表获得；不同规格的拉伸性能由公式（2）、（3）、（4）、（5）计算获得，不同规格的冲击韧性由36Mn2V非标小试样不同工艺参数下的冲击韧性和40Mn2V非标小试样不同工艺参数下的冲击韧性经冲击韧性转换关系曲线图转换而得；最终建立一个操作简便的工具软件，通过这个数据库软件，输入N80-1非调质无缝油套管80个常用规格中的任意一个规格，能够调出对应的工艺参数即连轧变形量、定径变形量、冷却速度、绑定的钢种、连轧温度控制范围、连轧最佳控制温度、定径温度控制范围、定径最佳控制温度，计算出屈服强度范围、抗拉强度范围、最小冲击韧性值信息，当输入定径的实际控制温度时，能够计算出对应的屈服强度、抗拉强度、冲击韧性值，最后用于实际生产。
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