CN109311071B - 用于生产由钢制成且具有多边形，尤其是方形或矩形横截面的细长中空体的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种生产由钢构成的具有多边形横截面的细长中空体的方法，其包括以下步骤：从扁平预制材料或从块状扁平预制材料生产具有圆形横截面的中间中空体，从而以部分或完全相变的方式对所述中间中空体进行冷却或淬火，以无损的方式检测所述中间中空体，在不意图减少所述中间中空体的壁厚的情况下对其最终成型以使其形成具有多边形尤其是方形或矩形横截面的最终中空体，在最终成型之前立即对所述中间中空体进行最终热处理，或者在同一步骤中对所述中间中空体进行最终热处理和最终成型。该方法可以用于生产具有增强的尺寸稳定性，尤其是具有狭窄尺寸公差的中空体。中空体被热处理并以无损的方式而被检测。
Description
技术领域
本发明涉及一种生产经过无损检测的细长中空体方法，所述细长中空体由钢铁构成并具有多边形，尤其是方形或矩形的横截面，其中具有圆形横截面的中间中空体由扁平预制材料制成，或者具有圆形横截面的中间中空体由块状预制材料制成，随后所述中间中空体以部分相变或完全相变的方式被冷却或淬火。
背景技术
众所周知，几十年来，钢铁工业中已经使用了由钢制成的热加工的圆形、方形或矩形和细长的空心型材。应用领域包括结构工程，桥梁建设，工业建筑，体育设施建设，机械工程，农业设备和输送系统建设，展览会的造船和游乐场建筑等现代钢结构。热加工空心型材在最后的生产步骤中经过在正火温度范围内约850至1050℃的加热过程。方形或矩形空心型材的壁厚达到约30毫米，外部尺寸分别为40×40毫米至400×400毫米或50×30毫米至500×300毫米。型材的典型长度为12米或16米。与所需用途相对应，所用材料包括一般结构钢，高强度细晶粒结构钢和特殊等级以及不可焊接等级的钢。热加工的方形或矩形空心型材的特征在于其拐角半径小于冷加工型材并因此具有更大的横截面面积。因此，可以在相同的轮廓尺寸下承受更高的载荷。
德国公开文献DE 2 348 152公开了一种用于制造由钢构成并具有多边形横截面的细长中空体的方法。在该方法中，具有大致圆形横截面的空心钢管被热轧，然后在具有过量空气和高于所讨论钢的Ac3温度的气体加热炉中奥氏体化。奥氏体化的温度优选地在871至954°℃之间。然后在水中淬火使得温度小于93℃，然后加热到回火温度，该回火温度高于应力消除的退火温度并低于所讨论的钢的Ac1温度。优选地，回火温度在621至663℃之间。然后，钢管在该温度下回火，并在回火温度范围内辊轧成所需的多边形横截面形状，特别是圆角矩形，然后在空气中冷却。根据该方法生产的中空体由于淬火和回火步骤而旨在不具有诸如屈曲的表面缺陷并且具有高屈服应力、独特的缺口冲击强度和应力特性。该方法的合适预制材料为具有大致0.2％碳，1.45％锰以及0.06％钒的硅-铝镇静后的钢，其是马氏体并且具有良好的可焊性。
德国公开文献DE 197 03 586公开了一种用于制造具有多边形横截面的细长中空钢体的方法。始于扁平预制材料的、具有多边形横截面的中间中空体通过挤压成型和焊接获得。中间中空体在其边缘区域中的曲率半径大于具有多边形横截面的最终细长中空钢体的相应曲率半径。之后在炉中加热中间中空体并最终将其辊轧。在最终辊轧的过程中，曲率半径减小，以达到具有多边形横截面的最终细长中空钢体的所需形状。
此外，欧洲专利EP 0 485 572公开了一种用于生产具有圆形横截面的无缝钢管的方法。该方法描述了从圆形块状预制材料到具有圆形横截面的中间中空体的生产。检测设备布置在生产线内的合适位置，特别是在轧机和冷床之间，以便检测管道的尺寸变化或缺陷。实现的检测结果用于为生产方法提供控制信息。该检测设备具有使用诸如X射线或伽玛射线的穿透性辐射源的源/检测器设备以用于无损检测。
此外，在德国公开文献DE 10 2012 006 472中教导了从扁平预制材料到具有圆形横截面的焊接钢管的生产。扁平预制材料在U-/O-成型和焊接之前，经由超声波或电涡流检测而进行无损控制。特别是连续或不连续地获得材料特性的均质性(homogeneity)，以提供生产方法的控制信息。
通常来说，无法对由钢构成的、具有方形或矩形横截面的中空体进行无损检测，尤其无法对其进行是用于检测特别是层状缺陷和夹杂物的缺陷的超声检测。如今，由钢制成并具有多边形，特别是正方形或矩形横截面的中空体在各个步骤中被辊轧和热处理。另外，由于单独的热处理步骤，会在方形度和直线度上发生凹度，凸度，扭曲以及偏差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于生产由钢构成并具有多边形尤其是方形或矩形横截面的细长中空体的方法，其特征在于所生产的中空体具有增强的尺寸稳定性，尤其是具有狭窄的尺寸公差。中空体被热处理并以无损的方式而被检测。
这一目的通过具有权利要求1的特征的方法而实现。从属技术方案2到14描述了本发明的有利的实施方式，并在权利要求15中描述了应用。
根据本发明，在一种生产由钢制成且具有多边形，尤其是方形或矩形的横截面的细长中空体方法的情况下，其中具有圆形横截面的中间中空体由扁平预制材料制成，或者具有圆形横截面的中间中空体由块状预制材料制成，从而所述中间中空体以部分相变或完全相变的方式被冷却或淬火，所述中间中空体以无损的方式优选地在较低的温度下尤其是在室温下进行检测，在不意图改变(不意图减小或意图降低)所述中间中空体的壁厚的情况下对其最终成型以形成具有多边形，特别是具有圆角的特别是正方形或矩形横截面的最终中空体，在中间中空体的最终成型之前立即进行最终热处理，或者通过最终成型生产的中空体在最终成型期间进行最终热处理，对无损检测的简化通过这样的事实实现，即在对具有圆形横截面的中间中空体进行最终成型之前对其进行无损检测。在最终成型期间，在特别是在多级成型至中空体的最终周长的期间，中间中空体的起始周长C0的对数减小ln(C0/C1)在0和0.3之间的范围内发生，其中中空体的延伸超过壁厚的增加。成型速度在0.2至5米/秒之间，优选地在0.5至5米/秒之间。中间中空体的最终成型或多或少是热机械成型步骤，特别是拉伸或伸展或压制，尤其是辊拉伸或辊伸展或辊轧。
在特征“在不意图改变所述中间中空体的壁厚的情况下对其最终成型”中的术语“不意图变化”结合本发明应当理解为与具有多边形尤其是方形或矩形横截面的中空体的壁厚相比，中间中空体的平均壁厚的变化(减小或增大)小于10％，优选地小于5％。壁厚应当理解为平均壁厚。
无损检测同样地结合本发明应当理解为以下检测方法的至少一个或其结合来进行。无损检测在中空体的热处理(例如淬火、正火，软退火)之前或之后发生。
-表面的电涡流检测，典型的可靠识别的最小缺陷深度大致为0.2毫米或中空体壁厚的5％(取较高值)；对于小于或等于15毫米的壁厚，能够识别在中空体外表面上和其内表面上的缺陷，而对于大于15毫米的壁厚，仅能识别在中空体外表面上的缺陷；
-(内和外)表面的超声检测，典型的可靠识别的最小缺陷深度大致为0.3毫米或中空体壁厚的5％(在纵向，切向和倾斜方向上取较高值)。典型地，用于超声检测的检测频率的范围在2-25兆赫之间；
-用于壁体积中的层状缺陷和其他缺陷超声检测，其使用具有最小尺寸为至少1毫米的参考表面的反射/参考缺陷(例如平底孔)；
-磁粉检测，用于中空体、管内侧和外侧表面以及端面、多边形结构的边缘及其角和端面的局部检测。也可以对最终中空产品进行局部磁粉检测。优选地，中间中空体的无损检测是电涡流检测或超声检测或其结合。
在特征“在中间中空体的最终成型之前立即进行最终热处理”中的术语“立即”结合本发明应当理解为最终热处理和最终成型之间的时间段小于5分钟，优选地小于60秒钟。
在特征“中间中空体在室温下进行无损检测”中的术语“室温”结合本发明应当理解为中间中空体的温度在5℃至60℃之间。
以尤其有利的方式如此规定根据本发明的方法，即对中间中空体的无损检测在中间中空体的中间热处理后或在中间中空体的最终成型之前进行，以控制最终中空体产品是否满足客户的要求。因此，不再对具有多边形尤其是方形或矩形的横截面的最终中空体进行检测。本发明的核心思想是依赖于在最终成型之前的无损检测结果以达到客户的要求。额外地，对无缝或焊接中间中空体的无损检测发生在中间中空体的中间或最终热处理之前，或者对用于焊接中间体的扁平预制材料进行无损检测。任选地，在最终成型后对中空体的角部或端部区域进行额外的外部无损检测。对中间中空体壁中的缺陷的无损检测，例如对于层状缺陷，可以使用传统的超声检测设备，其使用具有圆形横截面的中空体的典型检测标准来实现。当对扁平的预制材料进行检测时，通过更常用于该半成品的常规超声波测试设备在该初始状态下进行测试。由于是在所提供的热处理步骤中实现从具有圆形横截面中间中空体到具有多边形横截面的中空体的最终成型，因此可以保持中空体的非常窄的尺寸公差。取决于具有多边形横截面的中空体的所需性能，诸如用水、油或聚合物冷却的热处理也在奥氏体化中间中空体之后且在超声检测之前发生。最终热处理(例如回火、正火、时效硬化或双相退火)发生在最终成型至由钢构成且具有多边形尤其是方形或矩形横截面的中空体的过程中，或在这之前立即发生。作为所有最终热处理的基本条件，可适用的是，将中间中空体重新加热至预定温度范围内以实现所需的机械性能的持续时间至少为1分钟/壁厚毫米，至多为6分钟/壁厚毫米，如果在炉中使用感应加热，可以使用较少的时间。
关于中间中空体在预正火步骤方面的附加和任选的中间热处理，优选规定中间中空体在最终成型之前进行中间热处理，特别是通过将中间中空体加热到相应钢的Ac3温度之上，以便在最终成型之前将中间中空体奥氏体化并随后进行冷却。优选地，加热至相应钢的Ac3温度+20开尔文度，优选地加热至870至980℃之间，保持所述温度至少5分钟，并在最终成型之前用水、油或聚合物冷却。通过该冷却步骤，在中间中空体中的扩散过程被最小化或被避免。在尤其有利的方式中，随后的最终热处理是以在580℃至Ac1-20开尔文度之间的温度下回火5至60分钟的方式进行，这可以在中间中空体最终成型之前立即进行，或与中间中空体的最终成型一起在同一步骤中进行。
温度Ac1和Ac3基于通过适当试验调整的通常已知的方程而如下定义：
Ac1＝734.2-13.9*％Mn+22.2*％Si+23.3*％Cr-14.4*％Ni，
Ac3＝960.3-254.4*％C1/2-14.2*％Ni+51.7*％Si。
优选地，作为可替代的最终热处理而如此规定，中空体以在至少Ac3+20开尔文度的温度下保持至少5分钟这样正火的方式进行最终热处理。
关于中空体的时效硬化，优选规定中空体在小于Ac1温度+/-30开尔文度的公差下保持10至60分钟这样时效硬化的形式进行最终热处理。该特别的失效硬化温度取决于失效硬化的种类。
关于中空体的双相退火，优选规定中空体在Ac1至Ac3的温度之间保持5至60分钟这样双相退火的形式进行最终热处理。所得到的的双相硬化的微观结构可以由铁素体、珠光体、贝氏体、残余奥氏体和马氏体的组合组成。
在有利的方式中规定，无损检测由电涡流检测或超声检测或其结合进行。在无缝或焊接中间中空体或扁平预制材料的表面中的缺陷能够由电涡流检测来探测，而在无缝或焊接中间中空体或扁平预制材料的壁中的缺陷则由超声检测来探测。
优选地如此规定，具有圆角的最终中空体以无损的方式进行外部检测，在最终成型步骤之后尤其是通过磁粉检测在最终中空体的角部和/或端部进行。
在尤其有利的方式中，方法可以开始于尤其是弯曲和/或辊轧的成型，使得扁平预制材料形成具有邻接的对接端部的开槽中空体，并且焊接对接端部以形成焊接的具有圆形横截面的中间中空体，或者方法可以开始于尤其是辊轧的成型，使得块状预制材料形成具有圆形横截面的无缝中间中空体。根据随后的应用领域，在这种情况下使用已知的钢。条或薄板形式的扁平预制材料可以被冷成型或热成型。参考已知的由块状预制材料的无缝中间中空体成型，使用单独或一体化成型步骤的组合，所述成型步骤例如是在热处理之前或结合热处理，进行冲孔，减小壁厚和伸展，任选地压扁表面并且任选对材料进行辊轧以使其尺寸达到规定的外径。在冲孔、减小壁厚和压扁中使用内部工具。无需内部工具即可进行使材料符合尺寸的辊轧。在从直径为D0块状预制材料到形成壁厚为S1的具有圆形横截面的中间中空体的整个成型过程中进行的对数表面减小ln(D0/(2*S1))优选地在0.6至4.0之间。
优选地如此规定，在温度为550℃至Ac1-20开尔文度之间或温度至少在Ac3+20开尔文度条件下(因此在硬化或正火的温度范围内)的最终热处理之后立即进行中间中空体的最终成型。
本发明尤其适于生产中空体，尤其是具有多边形特别是方形或矩形的具有圆角的横截面的中空型材，因此这样的型材被用于钢铁工业，特别是用于起重机，机械工程，海上应用，深海应用和风力涡轮机以及承受高水平振动的部件。
通过使用根据本发明的方法，从型号为API 5L X70Q的钢实验制造出尺寸为200毫米×140毫米壁厚为6.3毫米、矩形的最终中空体。在辊轧具有圆形横截面的中间中空体之后，对其进行奥氏体化(加热至并保持在大于Ac3的温度)，然后进行淬火。然后，对具有圆形横截面的中间中空体进行超声检测。之后，在550至750℃的温度范围内同时进行最终成型和回火。随后测量的公差符合标准EN 10210-2：2006的规范。并且在中空体的角部没有发现裂缝。进行对应的磁粉检测。发现实现了以下机械性能：屈服点Rt0.5>485MPa，抗拉强度>570MPa，在温度为-40℃下缺口冲击强度>150J/cm2，硬度<240HV10。中空体尤其是中空型材的典型长度为12米或16米。
并且，根据本发明的方法，依据EN 10225:2009从型号为S355G15+N的钢实验制造出具有尺寸为160毫米x 160毫米且壁厚为10毫米的的方形中空体尤其是中空型材。在生产中间中空体后，对其进行超声检测。然后，在880和960℃之间正火的温度下，将中间中空体最终成型为其最终尺寸。随后测量的公差符合标准EN 10210-2：2006的规范。并且在中空型材的角部没有发现裂缝。进行对应的磁粉检测。机械性能符合标准EN 10225:2009的规范。
为了能够进行最终成型，尤其是最终辊轧，在热处理期间，用于最终成型尤其是最终辊轧的装置沿着正常生产线的顺序布置在紧接着热处理炉的下游。
附图说明
将借助于由附图所示的示例性实施例来在以下进一步详细说明根据本发明的生产方法，在图中,
图1示出了示例性实施方案的工艺流程图。
具体实施方式
在本发明的方法的第一种子变型中，首先通过无损检测装置3a以无损的方式测试扁平预制材料1a。然后，通过成型尤其是弯曲和/或辊轧来从扁平预制材料1a生产具有邻接的对接端部的有沟槽的中空体。随后，将对接端部焊接以形成具有圆形横截面的焊接中间中空体2b。替代用于扁平预制材料1a的无损检测装置3a或除其之外，可通过替代的或额外的无损检测装置3a对该中间中空体2b进行检测。
在本发明的方法的第二种子变形中，从块状预制材料1b开始，具有圆形横截面的无缝中间中空体2c由块状预制材料1b生产。特别是辊轧的成型用作生产方法。以无损的方式由无损检测装置3a对该具有圆形横截面的无缝中间中空体2c进行检测。
然后根据相应的材料对可用的具有圆形横截面的中间中空体2b，2c进行中间热处理。该中间热处理包括在中间加热炉4a中对中间中空体2b，2c进行中间加热，随后在最终成形之前在中间冷却路径4b中冷却中间中空体2b，2c，以形成经过中间热处理2b’,2c’的具有圆形横截面的中间中空体。替代于上述无损检测装置3a或除其之外，具有圆形横截面的中间中空体2b,2c可以在中间热处理2b’,2c’之前被替代的或额外的无损检测装置3a以无损的方式检测。因此，在生产过程中，通过一个或位于不同位置的多个无损检测装置3a来进行的无损检测发生在中间成型之后以及在最终成型之前。
然后，中间中空体2b’或2c’被最终加热炉5a和最终成型装置5b施加最终热处理以获得具有多边形尤其是方形或矩形横截面的中空体6。可替代地，能够在同一步骤中进行最终热处理和最终成型。
最后，最终的中空体6在其角部，边缘和/或端部的区域中使用最终无损检测装置7，特别是磁粉检测装置进行外部检测。
参考附图标记列表
1a 扁平预制材料
1b 块状预制材料
2b 具有圆形横截面的焊接中间中空体
2c 具有圆形横截面的无缝中间中空体
2b’ 经过中间热处理的具有圆形横截面的焊接中间中空体
2c’ 经过中间热处理的具有圆形横截面的无缝中间中空体
3a 无损检测装置
4a 中间加热炉
4b 中间冷却路径
5a 最终加热炉
5b 最终成型装置
6 具有多边形横截面的中空体
7 最终无损检测装置
Claims (17)
1.用于生产由钢制成且具有多边形横截面的细长中空体的方法，所述方法包括以下步骤：
从扁平预制材料或从块状预制材料生产具有圆形横截面的中间中空体，从而以部分或完全相变的方式对所述中间中空体进行冷却或淬火，
以无损的方式检测所述中间中空体，
通过所述中间中空体的平均壁厚的变化小于10％来最终成型以形成具有多边形横截面的最终中空体，
在最终成型之前立即对所述中间中空体进行最终热处理，或者在同一步骤中对所述中间中空体进行最终热处理和最终成型，
其中在所述最终成型之前对中间中空体进行中间热处理，以及其中在所述中间热处理之前和/或在所述中间热处理之后和/或在所述最终成型之前进行无损检测，
其中，所述最终热处理是以在Ac1至Ac3之间的温度下保持双相退火5至60分钟的方式进行，所述温度Ac1和Ac3如下定义：Ac1＝
734.2-13.9*％Mn+22.2*％Si+23.3*％Cr-14.4*％Ni，以及，Ac3＝
960.3-254.4*％C1/2-14.2*％Ni+51.7*％Si，并且其中，在从直径为D0块状预制材料到形成壁厚为S1的具有圆形横截面的所述中间中空体的整个成型过程中进行的对数表面减小ln(D0/(2*S1))在0.6至4.0之间。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述无损检测由电涡流检测或超声检测或其结合进行。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，对所述中间中空体的无损检测是在室温下进行的，所述室温定义为在5℃至60℃之间。
4.根据权利要求1至2任一项所述的方法，其特征在于，所述中间中空体的所述最终成型是拉伸或伸展或压制。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，与具有多边形横截面的所述中空体的壁厚相比，所述中间中空体的成型对所述中间中空体的壁厚的改变小于5％。
6.根据权利要求1至2任一项所述的方法，其特征在于，具有圆形横截面的所述中间中空体由块状预制材料产生。
7.根据权利要求1至2任一项所述的方法，其特征在于，在最终成型之前对中间中空体进行中间热处理，加热至对应钢的Ac3温度之上以进行奥氏体化，随后在最终成型之前对所述中间中空体进行冷却或淬火。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，加热至对应钢的Ac3温度+20开尔文度，保持所述温度至少5分钟，并用水、油或聚合物冷却。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，最终热处理是以在550℃至Ac1-20开尔文度之间的温度下保持回火5至60分钟的方式进行。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，最终热处理是以在至少Ac3+20开尔文度的温度下保持正火至少5分钟的方式进行。
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，最终热处理是以在小于Ac1温度+/-30开尔文度的公差下保持时效硬化10至60分钟方式进行。
12.根据权利要求1至2任一项所述的方法，其特征在于，对最终中空体的角部、边缘和/或端部进行外部最终无损检测。
13.根据权利要求1至2任一项所述的方法，其特征在于，对所述块状预制材料进行成型以形成无缝中间中空体。
14.根据权利要求1至2任一项所述的方法，其特征在于，在生产所述中间中空体之前对所述扁平预制材料进行无损检测。
15.根据权利要求1至2任一项所述的方法，其特征在于，对所述扁平预制材料进行成型，以形成具有邻接的对接端部的开槽中空体，并且焊接所述对接端部以形成焊接中间中空体。
16.根据权利要求1至2任一项所述的方法，其特征在于，在以550℃至Ac1-20开尔文度之间的温度或至少在Ac3+20开尔文度的温度下进行最终热处理之后，立即对所述中间中空体进行最终成型。
17.根据权利要求1-16中任一项所述的方法由钢生产的具有多边形横截面的中空体的用途，所述中空体用于桥梁结构，机械工程和海上应用以及承受高水平振动的部件。
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