CN104178717B - 一种钛合金油管的热处理方法 - Google Patents

一种钛合金油管的热处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种钛合金油管的热处理方法,该热处理方法包括淬火炉再结晶退火、空冷通过淬火装置、回火炉保温、矫直和冷却。该方法利用现有小口径钢管步进式连续淬回火炉及热矫生产线对钛合金油管进行热处理和矫直,一次性处理后其性能与直线度极难兼得的难题被解决;再以成熟的喷砂+酸洗工艺解决因此产生的氧化层及渗氧层,形成钛合金油管高效率批量生产的热处理工艺。

Description

一种钛合金油管的热处理方法
【技术领域】
本发明涉及一种钛合金油管的热处理方法。
【背景技术】
钛合金油管一般外径为Φ60.3~114.3mm,壁厚为4.83~6.88mm,长度9.2~9.5米,热处理工艺为900~920℃加热保温后空冷,要求矫直后弯曲度不超过1.3mm/M,以保证丝扣加工与1067mm通径棒全长内通合格。油管规格相对单一,但需要的批量较大。
现在小口径钛合金管热处理一般在真空退火炉和辊底式保护性气氛炉进行。由于是小口径薄壁细长管材,真空退火炉成捆处理,处理后管材弯曲度大,成本高,后续热矫直困难;辊底式保护性气氛炉需要专门的惰性气体如氩气来作保护气体,成本极高,同样热处理后弯曲度大,也会遇到后续热矫直的难题。T95、P110及以上级别的油管强度高、塑性相对较差,只能以600~650℃热矫直;钛合金管热容量低,加热后运输至矫直机的过程中温降快,为保矫直温度,无法再用真空退火炉和辊底式保护气氛炉,只能用临近矫直机的加热炉进行加热,且必须提高加热温度来弥补过程温降,必然产生新的氧化和烧损。由于以上原因,钛合金油管的热处理及矫直成为一大难题。
【发明内容】
[要解决的技术问题]
本发明的目的是提供一种钛合金油管的热处理方法。
[技术方案]
本发明是通过下述技术方案实现的。
本发明提供了一种钛合金油管的热处理方法,该热处理方法的步骤如下:
A、淬火炉再结晶退火
将钛合金油管置于步进式连续淬火炉中在加热时间25~40min加热至900~920℃并在该温度下保温进行再结晶退火处理,保温时间按管材壁厚每毫米保温2.5~3分钟;其中所述的步进式连续淬火炉采用天然气进行加热、空燃比为11~13:1;
B、空冷通过淬火装置
经淬火炉再结晶退火后的钛合金油管在时间95~106s空冷通过冷却水关闭的淬火装置,温度降至700~730℃后进入步进式连续回火炉;
C、回火炉保温
进入步进式连续回火炉的钛合金油管在温度700~720℃保温至少15min,其中所述的步进式连续回火炉采用天然气进行加热、空燃比为11~13:1;
D、矫直
将步进式连续回火炉出炉后的钛合金油管输送至矫直机在矫直温度600~650℃、压下率5~6%下进行矫直;
E、冷却
将矫直后的钛合金油管快速传送至反向链式冷床旋转冷却至室温即得到所述的钛合金油管。
根据本发明的优选实施例,步骤A中所述的保温时间按管材壁厚每毫米保温2.5~2.8min。
根据本发明的优选实施例,步骤C中进入步进式连续回火炉的钛合金油管在温度700~720℃保温,保温时间为15~50min。
根据本发明的优选实施例,所述的步进式连续淬火炉炉内为残氧量的体积浓度2~6%的微氧化性气氛。
根据本发明的优选实施例,热处理前的钛合金油管为冷轧钛合金油管。
根据本发明的优选实施例,所述的步进式连续淬火炉采用天然气进行加热、空燃比为12:1。
根据本发明的优选实施例,所述的步进式连续回火炉采用天然气进行加热、空燃比为12:1。
本发明还提供了所述的热处理后的钛合金油管,该钛合金油管具有以下特性:屈服强度810~835MPa;抗张强度895~930MPa;5*100℃V形冲击功31.8~33.7J。
下面对本发明作进一步的说明。
本发明提供了一种钛合金油管的热处理方法,该热处理方法的步骤如下:
A、淬火炉再结晶退火
将钛合金油管置于步进式连续淬火炉中在加热时间25~40min加热至900~920℃并在该温度下保温进行再结晶退火处理,保温时间按管材壁厚每毫米保温2.5~3分钟;其中所述的步进式连续淬火炉采用天然气进行加热、空燃比为11~13:1;
步进式连续淬火炉和步进式连续回火炉的设计是根据轧管厂生产线来设计建造的炉子,该类炉子的特点是管材在炉内步进横移,纵向快速进出炉。本发明采用由中冶东方工程技术有限公司为攀钢集团成都钢钒有限公司设计的步进式连续淬回火炉,该步进式连续淬回火炉包括步进式连续淬火炉、淬火装置和步进式连续回火炉,并且在步进式连续回火炉后连线配有热矫直机。步进式炉的步进周期就是管材在炉内横移一齿的时间;对同一炉子而言,步进周期不同则管材的在炉时间不同,也即决定了该批管材在炉内的加热时间,含升温与保温时间;热处理中一个重要的参数是保温时间,热处理工艺确定保温时间后就要根据所用步进式炉的特点,测算要处理管材的升温时间和保温时间,再除以该炉的齿数,综合后即能测算出该管材在所用步进炉处理的步进周期。
由于钛合金管导热性较钢管差,钛合金管在淬火炉中的加热时间较钢管的长,在步进式连续淬火炉的升温速率一般小于0.6℃/s,因此本发明中钛合金油管置于步进式连续淬火炉在加热时间25~40min加热至900~920℃。本发明的钛合金油管是冷轧管,需要在900~920℃进行再结晶退火以完全消除冷轧的加工硬化,细化晶粒以得到较好的综合性能。
步骤A中将钛合金油管置于步进式连续淬火炉中在加热时间25~40min加热至900~920℃并在该温度下保温进行再结晶退火处理,保温时间按管材壁厚每毫米保温2.5~3分钟,当保温时间小于按管材壁厚每毫米保温2.5min,则再结晶不充分,性能稳定性较差;当保温时间大于按管材壁厚每毫米保温3min,则会出现晶粒变大,延伸率与冲击功指标偏低,因此钛合金油管在温度900~920℃下保温时间按管材壁厚每毫米保温2.5~3min是合理的。根据本发明的优选实施方式,步骤A中所述的保温时间按管材壁厚每毫米保温2.5~2.8min。
步进式连续淬火炉和步进式连续回火炉均采用天然气进行加热、空燃比为11~13:1,是由于天然气的成分相对单一,燃烧后的烟气成分为二氧化碳、氮气和氧气,可避免氢气与钛合金发生反应而氢脆。同时空燃比为11~13:1可将烟气中残氧量的体积浓度控制在2~6%的微氧化性气氛,可避免热处理过程中吸氢而氢脆。钛合金氧化层和渗氧层容易去除,而吸氢后则会在后续矫直中影响管材质量,且难以解决。根据本发明的优选实施方式,所述的步进式连续淬火炉采用天然气进行加热、空燃比为12:1。
B、空冷通过淬火装置
经淬火炉再结晶退火后的钛合金油管在时间95~106s空冷通过冷却水关闭的淬火装置,温度降至700~730℃后进入步进式连续回火炉;
步进式连续淬回火炉生产线上的淬火装置当成连接淬火炉与回火炉的结晶,所有冷却水关闭,压管器与升降翻板抬起,管材出淬火炉后在时间95~106s通过淬火装置进回火炉。空过淬火装置是利用现有调质热处理线的既有装置,为回火炉提供了具有较高温度的管材,实现回火炉的中高温热装料工艺,其只须用小火、低燃耗即可使管材均温保温达到矫直温度,节能效果显著。
钛合金油管从步进式连续淬火炉出炉后快速通过淬火装置进入步进式连续回火炉中,淬火装置中关闭冷却水,钛合金油管在空气中通过,可以保证进入回火炉时管材温降较小。
C、回火炉保温
进入步进式连续回火炉的钛合金油管在温度700~720℃保温至少15min,其中所述的步进式连续回火炉采用天然气进行加热、空燃比为11~13:1;
根据本发明的优选实施方式,所述的步进式连续回火炉采用天然气进行加热、空燃比为12:1。
钛合金油管在回火炉中于温度700~720℃下保温一方面是满足矫直温度的工艺要求,因此保温时间至少15min;另一方面该温度段的氧化烧损较轻微,为了减少氧化烧损,应该尽量减少管材在回火炉中的时间。
本发明采用的回火炉为现有的小口径钢管步进式连续回火炉,因此利用现有回火炉最大运行速度,操作时以回火炉两齿一料(甚至三齿一料)的布料方式来匹配淬火炉一齿一料,以减少管材经过回火炉的时间。根据本发明的优选实施例,步骤C中进入步进式连续回火炉的钛合金油管在温度700~720℃保温,保温时间为15~50min。
D、矫直
将步进式连续回火炉出炉后的钛合金油管输送至矫直机在矫直温度600~650℃、压下率5~6%下进行矫直;
由于钛合金的弹性模量小,常温下约为合金钢的二分之一,600~650℃温度下的弹性模量更是降到常规钢种的三分之一。为了使钛合金管材在矫直过程中发生弹塑性变形,尤其是塑性变形而矫直,需要更大的变形量。受轧钢设备特性影响,限制了六辊矫直机反弯曲线的调整,因此本发明充分利用压扁矫直法,以5~6%的压下率进行矫直。
E、冷却
将矫直后的钛合金油管快速传送至反向链式冷床旋转冷却至室温即得到所述的钛合金油管。
本发明采用的反向链式冷床也是根据热处理线工艺需要由中冶赛迪工程技术有限公司为攀钢集团成都钢钒有限公司设计建造的,由正向链与反向链组成,均可实现无级调速。钛合金管热矫直后上反向链冷床,可采用正向链一齿一料布置,反向链高速运行,实现管材在冷床上均匀分布并快速旋转而均匀冷却,避免冷却过程中因降温不均而使管材弯曲度超标。
根据本发明的优选实施例,热处理前的钛合金油管为冷轧钛合金油管。
本发明还提供了所述的热处理后的钛合金油管,该钛合金油管具有以下特性:屈服强度810~835MPa;抗张强度895~930MPa;5*100℃V形冲击功31.8~33.7J。
[有益效果]
本发明是利用现有小口径钢管步进式连续淬回火炉及热矫生产线对钛合金油管进行热处理和矫直,解决了其性能与直线度兼得的难题;再以成熟的喷砂+酸洗工艺解决因此产生的氧化层及渗氧层,形成高效率批量生产的热处理工艺。
本发明的优点:(1)利用现有无缝钢管生产用步进式连续淬回火炉及六辊热矫生产线,不新增制造设备。
(2)将高温再结晶退火与中温矫直工艺统筹于步进式连续热处理线中,质量控制稳定;通过炉内气氛及温度控制,钛合金管的氧化烧损完全受控,矫直后喷砂、酸洗去除氧化层及渗氧层也是成熟的配套处理工艺。
(3)与传统钛合金管热处理工艺相比,成本低,生产效率高,可实现批量生产,产生较大的规模效益,适合油管规格单一、需求批量较大的特点。
【附图说明】
图1为实施例1热处理后的钛合金油管的金相组织结构图。
【具体实施方式】
通过下述实施例将能够更好地理解本发明。
实施例1:
88.9×6.45mm冷轧TC4钛合金油管的热处理方法的步骤如下:
A、淬火炉再结晶退火
将规格88.9×6.45mm的冷轧TC4钛合金油管置于159热处理线步进式连续淬火炉的上料台架,一齿一料方式布料,按步进周期50秒一支一支进入淬火炉,该淬火炉有65齿,前44齿为加热段,后21齿为保温段,即钛合金油管在时间36.67min升温至900~920℃并在该温度下保温17.5min进行再结晶退火处理;其中所述的步进式连续淬火炉采用天然气进行加热、空燃比为12:1,炉内残氧量的体积浓度为2.4~3.9%。
B、空冷通过淬火装置
将生产线上的淬火装置所有冷却水关闭,压管器与升降翻板抬起,管材出淬火炉后在时间95~106s快速空冷通过淬火装置进回火炉,入回火炉时测得管温为710~725℃。
C、回火炉保温
进入步进式连续回火炉的钛合金油管在温度700~720℃保温,管材在回火炉内按两齿一料布料,步进周期25秒,进出料节奏与淬火炉一样为50秒/支;回火炉100齿,即管材在回火炉保温时间为41.6min,其中所述的步进式连续回火炉采用天然气进行加热、空燃比为12:1,实测炉内残氧量的体积浓度为3.3~5.1%。
D、矫直
将步进式连续回火炉出炉后的钛合金油管输送至矫直机,进入矫直机的温度为610~620℃,然后在该温度下进行矫直;按通常生产88.9×6.45mmP110的反弯曲线,实测管材外径为89.5mm,对辊中心辊距调整为85mm,压下率5.03%;同时调整矫直辊倾角使管材包络面达到60~75%。
E、冷却
将矫直后的钛合金油管快速传送至反向链式冷床旋转冷却至室温即得到所述的钛合金油管。
钛合金油管冷却后外观检测结果:外表面光洁,无明显矫痕;外径D=89.4~89.6mm,椭圆度1.0022;直线度0.8~1.1mm/m,9.6米管材的全长弯曲度为1.5~3mm,完全满足标准要求。
钛合金油管的性能数据见表1。
表1:实施例1热处理后的钛合金油管的性能数据
注:5*100℃中5表示夏比冲击试样的厚度为5mm,10表示夏比冲击试样的宽度为10mm,0℃表示夏比冲击试样的测试温度。
本发明的VH冲击功采用《APISPEC5CT套管和油管规范(第九版)》中夏比V-型缺口冲击试验的方法进行检测。
钛合金油管的金相组织结构图见图1,从图1中可以看出其组织为等轴组织+部分片层组织。
实施例2:
114.3×6.88mm冷轧TC4钛合金油管的热处理方法的步骤如下:
A、淬火炉再结晶退火
将规格114.3×6.88mm的冷轧TC4钛合金油管置于159热处理线步进式连续淬火炉的上料台架,一齿一料方式布料,按步进周期58秒一支一支进入淬火炉,该淬火炉有65齿,前44齿为加热段,后21齿为保温段,即钛合金油管在时间42.5min升温至900~920℃并在该温度下保温20min进行再结晶退火处理;其中所述的步进式连续淬回火炉采用天然气进行加热、空燃比为12:1,炉内残氧量的体积浓度为3.1~4.6%。
B、空冷淬火装置
将生产线上的淬火装置所有冷却水关闭,压管器与升降翻板抬起,管材出淬火炉后在时间95~106s快速空冷通过淬火装置进回火炉,入回火炉时测得管温为718~730℃。
C、回火炉保温
进入步进式连续回火炉的钛合金油管在温度700~720℃保温,管材在回火炉内按两齿一料布料,步进周期29秒,进出料节奏与淬火炉一样为58秒/支;回火炉100齿,即管材在回火炉保温时间为48.3min,其中所述的步进式连续回火炉采用天然气进行加热、空燃比为12:1,实测炉内残氧量的体积浓度为3.3~5.1%。
D、矫直
将步进式连续回火炉出炉后的钛合金油管输送至矫直机,进入矫直机的温度为615~625℃,然后在该温度下进行矫直;按通常生产114.3×6.88mmP110的反弯曲线,实测管材外径为114.8mm,对辊中心辊距调整为109mm,压下率5.05%;同时调整矫直辊倾角使管材包络面达到60~75%。
E、冷却
将矫直后的钛合金油管快速传送至反向链式冷床旋转冷却至室温即得到所述的钛合金油管。
钛合金油管冷却后外观检测结果:外表面光洁,无明显矫痕;外径D=114.6~114.9mm,椭圆度1.0026;直线度0.6~1.0mm/m,9.8米管材的全长弯曲度为1.6~2mm,完全满足标准要求。
综上所述,本发明利用现有小口径钢管步进式连续淬回火炉及热矫生产线对钛合金油管进行热处理和矫直,一次性处理后其性能与直线度极难兼得的难题被解决;再以成熟的喷砂+酸洗工艺解决因此产生的氧化层及渗氧层,形成钛合金油管高效率批量生产的热处理工艺。
尽管这里参照本发明的解释性实施例对本发明进行了描述,上述实施例仅为本发明较佳的实施方式,本发明的实施方式并不受上述实施例的限制;应该理解,钢管生产领域也有许多原理、结构相同的小口径管材步进连续式热处理炉及生产线,只是具体尺寸有所差异,本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式,这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。

Claims (8)

1.一种钛合金油管的热处理方法,其特征在于该热处理方法的步骤如下:
A、淬火炉再结晶退火
将钛合金油管置于步进式连续淬火炉中在加热时间25~40min加热至900~920℃并在该温度下保温进行再结晶退火处理,保温时间按管材壁厚每毫米保温2.5~3min;其中所述的步进式连续淬火炉采用天然气进行加热、空燃比为11~13:1;
B、空冷通过淬火装置
经淬火炉再结晶退火后的钛合金油管在时间95~106s空冷通过冷却水关闭的淬火装置,温度降至700~730℃后进入步进式连续回火炉;
C、回火炉保温
进入步进式连续回火炉的钛合金油管在温度700~720℃保温至少15min,其中所述的步进式连续回火炉采用天然气进行加热、空燃比为11~13:1;
D、矫直
将步进式连续回火炉出炉后的钛合金油管输送至矫直机在矫直温度600~650℃、压下率5~6%下进行矫直;
E、冷却
将矫直后的钛合金油管快速传送至反向链式冷床旋转冷却至室温即得到所述的钛合金油管。
2.根据权利要求1所述的热处理方法,其特征在于步骤A中所述的保温时间按管材壁厚每毫米保温2.5~2.8min。
3.根据权利要求1所述的热处理方法,其特征在于步骤C中进入步进式连续回火炉的钛合金油管在温度700~720℃保温,保温时间为15~50min。
4.根据权利要求1所述的热处理方法,其特征在于所述的步进式连续淬火炉炉内为残氧量的体积浓度2~6%的微氧化性气氛;所述的步进式连续回火炉炉内为残氧量的体积浓度2~6%的微氧化性气氛。
5.根据权利要求1所述的热处理方法,其特征在于热处理前的钛合金油管为冷轧钛合金油管。
6.根据权利要求1所述的热处理方法,其特征在于所述的步进式连续淬火炉采用天然气进行加热、空燃比为12:1。
7.根据权利要求1所述的热处理方法,其特征在于所述的步进式连续回火炉采用天然气进行加热、空燃比为12:1。
8.根据权利要求1~7任一项权利要求所述的热处理后的钛合金油管,其特征在于该钛合金油管具有以下特性:屈服强度810~835MPa;抗张强度895~930MPa;5*100℃V形冲击功31.8~33.7J,其中5*100℃中5表示夏比冲击试样的厚度为5mm,10表示夏比冲击试样的宽度为10mm,0℃表示夏比冲击试样的测试温度。
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