CN106555045A - 一种利用余热的无缝钢管在线淬火冷却工艺及制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用余热的无缝钢管在线淬火冷却工艺，其包括步骤：在荒管温度高于Ar3时，在荒管周向方向上均匀喷水，以将荒管连续冷却至T℃以下，冷却速度控制为E1℃/s～E2℃/s，获得马氏体为主的微观组织，其中T＝Ms‑95℃，Ms表示马氏体相变温度，E1＝20×(0.5‑C)+15×(3.2‑Mn)‑8×Cr‑28×Mo‑4×Ni‑2800×B，E2＝96×(0.45‑C)+12×(4.6‑Mn)，各式中的C、Mn、Cr、Ni、B和Mo分别表示无缝钢管中相应元素的质量百分比。相应地，本发明还公开了一种利用余热的无缝钢管的制造方法以及一种无缝钢管。本发明所述的无缝钢管在线淬火冷却工艺无需添加过多的合金元素，工艺简单。

Description

一种利用余热的无缝钢管在线淬火冷却工艺及制造方法
技术领域
本发明涉及一种钢管冷却工艺及其制造方法，尤其涉及一种无缝钢管的冷却工艺及其制造方法。
背景技术
现有技术中，热轧无缝钢管由于产品形态和制造方法的限制，长期以来仅能依靠添加合金元素和轧制后的离线热处理来提升产品性能，以油井管为例，要得到555MPa(80Ksi)以上级别的钢管需要依靠添加大量合金元素，而采用这种生产方式会大幅增加制造成本。或者也可以采用离线调质处理的方法来生产555MPa(80Ksi)以上级别的钢管，此处所谓的离线热处理是指，热轧无缝钢管在轧制后空冷到室温，入管料库，然后再根据需要进行热处理。然而，采用这种方式造成了钢管轧后余热的浪费，因为通常轧后钢管温度都在900℃以上，同时也带来了工序的复杂化和成本的增加。此外，采用离线热处理也无法利用材料形变后的诱导相变效应来进行强化，根据研究，钢材变形后直接进行在线淬火，其性能会明显高于冷却后再重新加热淬火工艺。
如上文所述的，既然本领域内技术人员已经知晓采用在线淬火可以使得无缝钢管获得更好的性能，为何现有技术仍然不采用在线淬火呢？这是因为，无缝钢管由于其特殊的断面形状，相较于板材，其内应力状态更为复杂，因此若采用在线淬火工艺，一方面很难稳定控制其性能，另一方面容易造成钢管开裂。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种利用余热的无缝钢管在线淬火冷却工艺，采用该工艺能够在添加较少合金元素的情况下获得性能较优的无缝钢管，而且能有效防止无缝钢管开裂。
基于上述发明目的，本发明提供了一种利用余热的无缝钢管在线淬火冷却工艺，其包括步骤：
在荒管温度高于Ar3时，在荒管周向方向上均匀喷水，以将荒管连续冷却至T℃以下，冷却速度控制为E1℃/s～E2℃/s，获得马氏体为主的微观组织，其中T＝Ms-95℃，Ms表示马氏体相变温度，E1＝20×(0.5-C)+15×(3.2-Mn)-8×Cr-28×Mo-4×Ni-2800×B，E2＝96×(0.45-C)+12×(4.6-Mn)，各式中的C、Mn、Cr、Ni、B和Mo分别表示无缝钢管中相应元素的质量百分比。
需要说明的是，本技术方案限定了上述公式并不表示该无缝钢管中一定同时含有C、Mn、Cr、Ni、B和Mo这几种元素，该公式是可以针对采用本方法进行淬火的无缝钢管的通用公式，因此当不含有公式中涉及的某一种或某几种元素时，则将零值对应代入该公式中。
在本发明所述的利用余热的无缝钢管在线淬火冷却工艺中，本案发明人通过控制钢管材料与淬火工艺参数的匹配关系，尤其是淬火开始冷却温度、终冷温度和冷却速度，来有效控制无缝钢管淬火开裂倾向，并在淬火后得到较高比例的的马氏体相，从而实现无缝钢管最终性能的稳定控制。
进一步地具体来说，发明人经过大量研究，创造性提出了：将荒管连续冷却至T℃以下，冷却速度控制为E1℃/s～E2℃/s，其中T＝Ms-95℃，Ms表示马氏体相变温度，E1＝20×(0.5-C)+15×(3.2-Mn)-8×Cr-28×Mo-4×Ni-2800×B，E2＝96×(0.45-C)+12×(4.6-Mn)，各式中的C、Mn、Cr、Ni、B和Mo分别表示无缝钢管中相应元素的质量百分比。将冷却速度控制为E1℃/s～E2℃/s，是因为当冷却速度小于E1时，在淬火后难以获得足够比例的马氏体相，进而无法保证最终的性能，而当冷却速度大于E2℃/s时，会导致无缝钢管由于变形后内应力较大引起淬火开裂。
此外，荒管温度需要高于Ar3温度以上，这是因为荒管在低于Ar3温度开始进行无缝钢管在线淬火冷却工艺时，将会使得无缝钢管中有部分先共析铁素体生成，无法保证淬火后得到大量的马氏体组织。
需要说明的是，Ar3温度以及Ms温度对于本领域内技术人员是已知的或者是可以由技术条件获得的，例如通过查阅手册或是用热模拟实验测得。
另外需要说明的是，上述各公式中的C、Mn、Cr、Ni、B和Mo分别表示无缝钢管中相应元素的质量百分比，也就是说公式中C、Mn、Cr、Ni、B和Mo代入的数值是百分号前的数值，例如C质量百分比为0.17％的实施例中，代入公式时C的代入数值是0.17，而不是0.0017。其他元素的代入情况以此类推，不再赘述。
进一步地，在本发明所述的无缝钢管在线淬火冷却工艺中，无缝钢管的总合金含量的质量百分比≤5％，其中合金包括C、Mn、Cr、Mo、Ni、B、Cu、V、Nb和Ti的至少其中之一。超过5％合金含量的钢，其马氏体转变可以在空冷条件下进行，无须应用本方法。另外需要说明的是，本技术方案中的无缝钢管的合金元素种类并不限于C、Mn、Cr、Mo、Ni、B、Cu、V、Nb和Ti这几种，其也可以进一步含有其他合金元素。
更进一步地，在本发明所述的无缝钢管在线淬火冷却工艺中，无缝钢管的总合金含量的质量百分比为0.2～5％。
进一步地，在本发明所述的无缝钢管在线淬火冷却工艺中，获得的马氏体的相比例≥90％。相比例≥90％的马氏体微观组织使无缝钢管具备较高的强韧性和稳定的性能波动。
更进一步地，在本发明所述的无缝钢管在线淬火冷却工艺后获得的微观组织还可以含有贝氏体、铁素体和碳化物。
相较于现有技术，本发明所述的无缝钢管在线淬火冷却工艺其利用了余热进行钢材料形变后的诱导相变效应，因而，并不需要过多添加合金元素。此外，由于本技术方案提出的公式具有很高的适用性，因此本技术方案并没有对无缝钢管的成分配比进行具体限制，只要是满足本技术方案所限定的技术特征，均可以实现本技术方案所要实现的技术效果。
相应地，本发明的另一目的在于提供一种利用余热的无缝钢管制造方法，其包括步骤：
(1)制造管坯；
(2)将管坯制成荒管；
(3)采用如上文所述的无缝钢管在线淬火冷却工艺；
(4)回火。
需要说明的是，在步骤(1)中，管坯的制造方法可以采用将冶炼后的钢水直接浇注为圆管坯，也可以采用先浇注再将其铸坯锻造或轧制成管坯。
进一步地，在本发明所述的无缝钢管制造方法中，在所述步骤(4)中，回火温度≥400℃，回火时间在30min以上，以保证马氏体能够得到充分分解，得到回火索氏体，从而获得性能较佳的无缝钢管。
进一步地，在本发明所述的无缝钢管制造方法中，在所述步骤(2)中，将管坯加热到1100～1300℃，保持1～4h，然后经穿孔、连轧、张力减径或定径制成荒管。
此外，本发明的又一目的在于提供一种无缝钢管，其采用上述的无缝钢管制造方法制得。
进一步地，在本发明所述的无缝钢管中，其硬度高于(58×C+27)HRC，其中C表示无缝钢管中碳元素的质量百分比。
本发明所述的利用余热的无缝钢管在线淬火冷却工艺和制造方法具有以下优点及有益效果：
(1)采用本发明所述的无缝钢管在线淬火冷却工艺和制造方法能充分利用无缝钢管热轧轧制后的余热，无须重新加热使无缝钢管奥氏体化，因而，相较于现有技术中的常规离线淬火产品生产流程更短，成本更低；
(2)采用本发明所述的无缝钢管在线淬火冷却工艺和制造方法，在获得同等性能无缝钢管的前提下，可以大大降低合金元素的添加量；
(3)采用本发明所述的无缝钢管在线淬火冷却工艺和制造方法，可以避免现有技术中无法控制的无缝钢管开裂现象，从而保证了产品的合格率；
(4)采用本发明所述的无缝钢管在线淬火冷却工艺可以获得微观组织以马氏体为主的无缝钢管，进而保证钢管的强韧性和性能稳定性要求。
具体实施方式
下面将结合具体的实施例对本发明所述利用余热的无缝钢管在线淬火冷却工艺和制造方法做进一步的解释和说明，然而该解释和说明并不对本发明的技术方案构成不当限定。
实施例A1-A7和对比例B1-B5
实施例A1-A7的无缝钢管采用下述步骤制得：
(1)制造管坯：按照表1所列的各化学元素的质量百分比冶炼，将其浇铸成锭，并将铸锭锻造成管坯。
(2)将管坯制成荒管：将管坯加热到1100～1300℃，保持1～4h，然后经穿孔、连轧、张力减径或定径制成荒管。
(3)采用利用余热的无缝钢管在线淬火冷却工艺：在荒管温度高于Ar3时，在荒管周向方向上均匀喷水，以将荒管连续冷却至T℃以下，冷却速度控制为E1℃/s～E2℃/s，获得马氏体为主的微观组织，其中T＝Ms-95℃，Ms表示马氏体相变温度，E1＝20×(0.5-C)+15×(3.2-Mn)-8×Cr-28×Mo-4×Ni-2800×B，E2＝96×(0.45-C)+12×(4.6-Mn)，各式中的C、Mn、Cr、Ni、B和Mo分别表示无缝钢管中相应元素的质量百分比。
(4)回火，其中，回火温度≥400℃，回火时间在30min以上。
为了显示本案在线淬火冷却工艺对本案实施效果的影响，对比例B1-B5在制造管坯和荒管步骤采用了与实施例相同的工艺步骤，而淬火工艺则采用了本技术方案保护范围以外的工艺参数，此外对比例中的荒管采用的并不是在线淬火，而是完全冷却至室温后再加热至Ar3后再开始进行淬火的。
表1列出了实施例A1-A7以及对比例B1-B5的无缝钢管的各化学元素的质量百分配比。
表1.(wt％，余量为Fe和其他不可避免的其他杂质元素)
序号 钢型号 C Mn Cr Mo B Ni
A1 16Mn 0.17 1.65 - - -
A2 20Mn2 0.2 1.6 - - -
A3 20Mn2 0.2 1.6 - - -
A4 30CrMo 0.3 0.45 1.05 0.23 -
A5 30CrMo 0.3 0.45 1.05 0.23 -
A6 20Mn2B 0.21 1.64 - - 0.0025
A7 20CrNi 0.2 0.55 0.9 - - 1.05
B1 20Mn2 0.2 1.6 - - -
B2 20Mn2 0.2 1.6 - - -
B3 20Mn2 0.2 1.6 - - -
B4 20Mn2 0.2 1.6 - - -
B5 30CrMo 0.3 0.45 1.05 0.23 -
表2列出了实施例A1-A7以及对比例B1-B5的无缝钢管中制造方法的具体工艺参数。
表2
对实施例A1-A7以及对比例B1-B5的无缝钢管进行各项性能测试，所得数据列于表3。其中，屈服强度数据是将实施例A1-A7以及对比例B1-B5的无缝钢管加工成API弧形试样，按API标准检验后取平均数得出；冲击试样是将实施例A1-A7以及对比例B1-B5的无缝钢管加工成10mm*10mm*55mm尺寸、V型缺口的标准冲击试样，在0℃下检验得出。另外，各实施例和对比例淬火冷却后硬度采用洛氏硬度计测得。
表3列出了各实施例和各对比例的无缝钢管性能数据。
由表2可以看出，实施例A1-A7的无缝钢管在在线淬火以后马氏体的相比例均≥90％。从表3可以看出，实施例A1-A7的无缝钢管的屈服强度均高于492MPa，0℃全尺寸冲击功均高于106J，且其淬火后的HRC硬度均高于39，均无开裂。
结合表2及表1可以看出，各实施例与各对比例间的各化学元素的组分配比没有区别，然而各实施例和对比例的制造方法中有着显著的区别，因而，使实施例A1-A7的无缝钢管的各性能综合而言优于对比例B1-B5。此外，结合表2和表3可以看出，对比例B1的开冷温度低于Ar3温度，使得对比例B1析出先共析铁素体，降低了其淬火后的硬度，并且也影响了其无缝钢管的强度；对比例B2的冷却速度低于本案所限定的冷却速度范围，而对比例B3的终冷温度高于了本案所限定的T℃，因而使得对比例B2和B3的无缝钢管在淬火后无法获得高比例的马氏体微观组织，进而影响了其性能。另外，对比例B4和对比例B5的冷却速度高于了本案所限定的冷却速度范围，因而发生了钢管开裂，无法得到合适的钢管产品。
需要注意的是，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 (9)

1.一种利用余热的无缝钢管在线淬火冷却工艺，其特征在于，其包括步骤：
在荒管温度高于Ar3时，在荒管周向方向上均匀喷水，以将荒管连续冷却至T℃以下，冷却速度控制为E1℃/s～E2℃/s，获得马氏体为主的微观组织，其中T＝Ms-95℃，Ms表示马氏体相变温度，E1＝20×(0.5-C)+15×(3.2-Mn)-8×Cr-28×Mo-4×Ni-2800×B，E2＝96×(0.45-C)+12×(4.6-Mn)，各式中的C、Mn、Cr、Ni、B和Mo分别表示无缝钢管中相应元素的质量百分比。
2.如权利要求1所述的无缝钢管在线淬火冷却工艺，其特征在于，无缝钢管的总合金含量的质量百分比≤5％，其中合金包括C、Mn、Cr、Mo、Ni、B、Cu、V、Nb和Ti的至少其中之一。
3.如权利要求2所述的无缝钢管在线淬火冷却工艺，其特征在于，无缝钢管的总合金含量的质量百分比为0.2-5％。
4.如权利要求1所述的无缝钢管在线淬火冷却工艺，其特征在于，获得的马氏体的相比例≥90％。
5.一种利用余热的无缝钢管制造方法，其包括步骤：
(1)制造管坯；
(2)将管坯制成荒管；
(3)采用如权利要求1-4中任意一项所述的无缝钢管在线淬火冷却工艺；
(4)回火。
6.如权利要求5所述的无缝钢管制造方法，其特征在于，在所述步骤(4)中，回火温度≥400℃，回火时间在30min以上。
7.如权利要求5所述的无缝钢管制造方法，其特征在于，在所述步骤(2)中，将管坯加热到1100～1300℃，保持1～4h，然后经穿孔、连轧、张力减径或定径制成荒管。
8.一种无缝钢管，其采用如权利要求5-7中任意一项所述的无缝钢管制造方法制得。
9.如权利要求8所述的无缝钢管，其特征在于，其硬度高于(58×C+27)HRC，其中C表示无缝钢管中碳元素的质量百分比。
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