CN105648190B - 一种提高钢管内壁硬度的方法 - Google Patents

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Abstract

一种提高钢管内壁硬度的方法，采用扫描式感应淬火工艺，对整个钢管内壁进行热处理，将感应线圈放置于钢管，钢管相对于感应线圈发生旋转及相对移动；在钢管与感应线圈发生相对移动过程中，感应线圈通电加热，加热后立即对加热后钢管进行喷水冷却；加热频率选择在500Hz～2000Hz范围之内；钢管相对于感应线圈的移动速度介于3mm/s～6mm/s之间，钢管旋转速度5rpm～20rpm。与常规热处理或不处理钢管相比，本发明利用感应加热的集肤效应，加热过程中钢管内壁温度高，外壁温度低，形成一个温度梯度；通过喷水冷却后，达到提高内壁硬度和耐磨性的目的，同时外壁基本保持原有基体组织的韧性和强度等机械性能。

Description

一种提高钢管内壁硬度的方法
技术领域
本发明涉及电磁感应加热领域，尤其涉及一种提高钢管内壁硬度的方法。
背景技术
钢管被广泛应用油、气、物料等的输送，因此钢管内壁的硬度和耐磨性直接决定了钢管的使用寿命。为提高金属材料的力学性能，通常可以采用添加合金元素和热处理两种方法。生产过程中为降低成本，两种方法常常结合使用。而热处理又可分为常规燃气炉加热和感应加热两种类型，感应加热的优势在于加热效率高、加热速度快，可以显著提高产品质量和加快生产节奏，因此越来越受到钢铁等生产企业的重视。
对于钢管的感应加热，较为常见的是对从钢管外壁对其进行加热处理，提高其机械性能。这种方法设备及工艺较为简单，可以满足普通热处理的要求，在生产中也得到了广泛的应用。而本专利所涉及的内壁感应加热及热处理，由于受钢管内部空间的限制以及电磁场本身的特性，必须对相关设备结构及工艺参数进行精心设计才能达到工艺设定的要求。另一方面，钢管的使用寿命除了与钢管热处理后的硬度有关以外，还取决于淬硬层深度。淬硬层深度与加热温度及冷却强度、冷却时间均密切相关，必须对相关参数进行精确控制。为解决这一问题，本发明设计一种钢管内壁加热及冷却的装置和方法，即线圈由多匝螺线管式铜管绕制而成，并布置于钢管内部。在设备设计制造及使用过程中，控制相关设备及工艺参数于合理的范围之内，使加热过程高效、稳定、可控。生产过程中，经过感应加热后的钢管，立即对其进行喷水淬火冷却，从而提高其硬度耐磨性，最终提高钢管产品的使用寿命。
中国专利CN200710024745.1及CN200710024746.6US5495094涉及钢管、石油油井管和钻杆中频感应加热热处理方法，其加热及淬火冷却部位均位于钢管外侧，是一种常规的钢管热处理方法。专利CN201010509532.X是一种无缝钢管校直淬火装置，包括感应加热装置、上料装置、钢管转送装置、钢管校直装置、钢管淬火装置。钢管通过校直上辊与校直下辊之间，通过校直上辊与校直下辊的反复旋转对工件进行校直，校直的同时冷却液喷口喷出水帘对钢管进行淬火。上述专利除了与本发明专利的线圈安装位置及喷水方式不同之外，并不涉及具体的工艺控制参数。
发明内容
本发明的目的在于提供一种提高钢管内壁硬度的方法，用于钢管内壁热处理以提高其硬度和耐磨性。
为达到上述目的，本发明的技术方案是：
一种提高钢管内壁硬度的方法，采用扫描式感应淬火工艺，对整个钢管内壁进行热处理，将感应线圈放置于钢管，钢管相对于感应线圈发生旋转及相对移动；在钢管与感应线圈发生相对移动过程中，感应线圈通电加热，加热后立即对加热后钢管进行喷水冷却；加热频率选择在500Hz～2000Hz范围之内；钢管相对于感应线圈的移动速度介于3mm/s～6mm/s之间，钢管旋转速度5rpm～20rpm。
进一步，所述感应线圈位置固定不动，钢管相对于感应线圈发生旋转及相对移动；或者，钢管相对不动而仅做旋转运动，相应地，感应线圈相对于钢管发生移动。
优选的，所述感应线圈前端安装有冷却喷水环，冷却喷水环在钢管内壁上产生的冷却喷水带宽度范围在150mm～250mm之间。
优选的，所述感应线圈两端安装有滑轮及滚动轴承。
本发明一种提高钢管内壁硬度的装置，其包括，工作平台，其上设有钢管夹持移动、旋转机构；感应线圈，设置于所述工作平台上方，其内设有硅钢片，感应线圈前后两端分别安装滚动轴承，滚动轴承外侧设滑轮；冷却喷水环，设置于所述感应线圈前端滚动轴承外侧面，冷却喷水环沿周向均匀设置若干喷水孔，喷水孔与喷水环轴线成一角度；冷却水系统，通过冷却水管路连接冷却喷水环；供电电源，通过连接母排电连接感应线圈。
优选的，所述感应线圈为螺线管线圈，线圈总高度介于90mm～150mm之间，且由至少3匝以上空心铜管绕制而成，内部通有冷却水。
优选的，所述感应线圈外表面与钢管内壁间隙在5mm～15mm之间。
本发明感应线圈通过连接母排连接电源，通电后线圈在钢管内壁感应产生电流，从而加热钢管。喷水环与冷却系统连接后，在加热后钢管上喷水，起到快速冷却的作用。
钢管加热过程中，与线圈相对移动的同时发生旋转运动，加热结束后钢管沿轴向和周向上均有较好的温度均匀性。
为了便于线圈与钢管之间可以自由发生相对移动和旋转运动，选择线圈位置固定不动，钢管相对于线圈发生旋转及相对移动。线圈两端安装有滑轮及滚动轴承，便于加热过程中线圈与钢管之间发生相对移动及钢管旋转时减小摩擦。
本发明的有益效果：
与常规热处理或不处理钢管相比，本发明利用感应加热的集肤效应，加热过程中钢管内壁温度高，外壁温度低，形成一个温度梯度。通过喷水冷却后，达到提高内壁硬度和耐磨性的目的，同时外壁基本保持原有基体组织的韧性和强度等机械性能。另外通过利用本发明，一方面可以得到比常规热处理方法更深的淬硬层深度，提高钢管的使用寿命；另一方面也可以提高加热效率，降低生产成本。
附图说明
图1为本发明实施例的结构示意图。
图2为本发明实施例的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
本发明主要针对钢管内壁进行感应加热及喷水淬火处理以改善组织、提高耐磨性和使用寿命。在处理的过程中如果可以在获得较深的淬硬层深度的同时，进一步提高加热系统的加热效率，则可以很好地提高钢管产品的性价比，提高其产品竞争力，为此对加热过程中的参数进行精确控制是至关重要的。本实施例中要求对规格为φ800mm、壁厚16mm、长6000mm的钢管进行热处理，钢管材质为Q345。要求把钢管内壁从室温快速加热至950度，钢管内壁以下10mm处温度达到850度，随后喷水淬火冷却至室温，平均冷却速度达到20℃/s以上。
参见图1、图2，本发明的提高钢管内壁硬度的装置，其包括，工作平台100，其上设有钢管200夹持移动、旋转机构8；感应线圈1，设置于所述工作平台100上方，其内设有硅钢片2，感应线圈1前后两端分别安装滚动轴承3、3’，滚动轴承3、3’外侧设滑轮4、4’；冷却喷水环5，设置于所述感应线圈1前端滚动轴承3外侧面，冷却喷水环5沿周向均匀设置若干喷水孔，喷水孔与喷水环轴线成一角度；冷却水系统6，通过冷却水管路61连接冷却喷水环5；供电电源7，通过连接母排71电连接感应线圈1。
本实施例中，所述感应线圈1位置固定不动，钢管200相对于感应线圈1发生旋转及相对移动。
在本实施例中，所述钢管夹持移动、旋转机构为：钢管两端利用夹持装置夹紧并安装于轴承之上，轴承外层支撑于工作平台之上，并可沿工作平台上的轨道直线移动；轴承内层与旋转电机相连，利用电机旋转可以带动钢管旋转。
在本实施例中，设计制造感应线圈1高度为100mm，由4匝空心铜管绕制而成，控制感应线圈1外表面与钢管内壁间隙为10mm。设计并控制冷却喷水环5在钢管200内壁上形成的冷却水带51宽度范围在150mm左右。正常生产情况下，将钢管200吊装至工作平台100，并将感应线圈1安装至加热起始位置后，检查确认系统各部件正常，随后开启冷却水系统6提前对钢管进行喷淋；然后启动电源，控制其频率在1000Hz左右，调整功率至设定值，功率设定值根据理论计算确定。通常情况下这一功率调整过程在10s左右即可完成，为避免局部过热，电源启动后即立使钢管200沿工作平台100以3mm/s的速度移动的同时以10rpm的速度旋转。此时，感应线圈1及连接母排71相对于工作平台100固定不动，而通过滚动轴承3、3’、滑轮4、4’与钢管发生相对移动及旋转运动。利用这一结构，感应线圈加热后的钢管200部分可以立即得到喷水冷却，钢管200内壁组织发生相变，最终可以获得理想的硬度。
加热过程中，由于制造钢管存在一定的公差，因此需要利用红外测温对钢管外表面温度检测，确保检测温度850度左右。一旦温度发生较大的偏差，则需对加热电源的功率进行修正。通常情况下，功率设定之后，整个钢管加热过程中温度可以保证很好的稳定性。
需要指出的是，钢管相对于线圈的相对移动也可以采取钢管相对不动而仅仅发生旋转运动，相应地线圈相对于钢管发生移动。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定发明的保护范围，因此，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均就包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种提高钢管内壁硬度的方法，其特征是，采用扫描式感应淬火工艺，对整个钢管内壁进行热处理，将感应线圈放置于钢管内部，钢管内壁与感应线圈之间保持间隙，加热过程中钢管相对于感应线圈发生旋转及相对移动；在钢管与感应线圈发生相对移动过程中，感应线圈通电加热，加热后立即对加热后钢管进行喷水冷却；加热频率选择在500Hz～2000Hz范围之内；钢管相对于感应线圈的移动速度介于3mm/s～6mm/s之间，钢管旋转速度5rpm～20rpm；所述感应线圈外表面与钢管内壁间隙在5mm～15mm之间。
2.如权利要求1所述的提高钢管内壁硬度的方法，其特征是，所述感应线圈位置固定不动，钢管相对于感应线圈发生旋转及相对移动；或者，钢管相对不动而仅做旋转运动，相应地，感应线圈相对于钢管发生移动。
3.如权利要求1或2所述的提高钢管内壁硬度的方法，其特征是，所述感应线圈前端安装有冷却喷水环，冷却喷水环在钢管内壁上产生的冷却喷水带宽度范围在150mm～250mm之间。
4.如权利要求1或2所述的提高钢管内壁硬度的方法，其特征是，所述感应线圈两端安装有滑轮及滚动轴承。
5.如权利要求3所述的提高钢管内壁硬度的方法，其特征是，所述感应线圈两端安装有滑轮及滚动轴承。
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