CN113441551B - 一种厚壁的无缝钢管及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种厚壁的无缝钢管的制备方法，其包括以下步骤：(1)在棒坯端部沿棒坯长度方向设置定心孔；(2)然后在1100℃～1250℃下加热，单位加热时间为4min/cm～7min/cm；(3)然后通过穿孔机将步骤(2)中的棒坯加工成荒管，其中，咬入角β为2°～4°，轧辊倾斜角为8°～15°，轧辊转速为60r/min～100r/min，孔型椭圆度系数ζ为1.05～1.16，荒管内径D₀为20mm～60mm，荒管壁厚δ_m为10mm～18mm；(4)然后进行热处理得到无缝钢管，所述无缝钢管的壁厚为10mm～18mm。通过本申请提供的制备方法制得的无缝钢管壁厚均匀。

Description

一种厚壁的无缝钢管及其制备方法

技术领域

本申请涉及调质钢和不锈钢技术领域，特别涉及一种厚壁的无缝钢管及其制备方法。

背景技术

采用穿孔机对棒坯进行热穿孔以生产无缝钢管是一种应用十分广泛的技术，热穿孔法制备无缝钢管也适用于多种材料，如碳素钢、合金钢、奥氏体钢等，且多用于加工壁厚为5mm～8mm的薄壁无缝钢管，同时，热穿孔后荒管的壁厚均匀程度、表面质量、组织状态等直接关系到无缝钢管后续加工的难易程度以及壁厚均匀程度等。但通过热穿孔法在加工壁厚大于8mm、外径大于100mm的厚壁荒管时，热穿精度低，得到的荒管最大壁厚的最大值与最小值之差往往大于1mm，无缝钢管的厚度均匀程度较低，从而容易在壁厚较薄的地方破裂，导致无缝钢管的使用寿命降低，严重限制了碳素钢、合金钢、奥氏体钢等制备厚壁无缝钢管的发展。

发明内容

本申请实施例提供一种厚壁的无缝钢管及其制备方法，以制备出壁厚均匀的荒管，从而得到厚度差较小的厚壁无缝钢管。具体技术方案如下：

本申请的第一方面提供一种厚壁的无缝钢管的制备方法，其包括以下步骤：

(1)在棒坯端部沿棒坯长度方向设置定心孔；

(2)然后在1100℃～1250℃下加热，单位加热时间为4min/cm～7min/cm；

(3)然后通过穿孔机将步骤(2)中的棒坯加工成荒管，其中，咬入角β为2°～4°，轧辊倾斜角为8°～15°，轧辊转速为60r/min～100r/min，孔型椭圆度系数ζ为1.05～1.16，荒管内径D₀为20mm～60mm，荒管壁厚δ_m为10mm～18mm入口段；

(4)然后进行热处理得到无缝钢管，所述无缝钢管的壁厚为10mm～18mm。

优选地，定心孔直径与棒坯直径的比值为1∶3～1∶5，定心孔的深度为10mm～30mm。

优选地，穿孔机的顶头的材料满足以下特征：在1200℃下抗拉强度大于等于350MPa、在900℃下硬度大于等于450HV。

优选地，顶头的材料选自热作模具钢或钼基合金。

优选地，所述热处理方式选自高温回火或淬火处理，高温回火的热处理温度为500℃～800℃。

本申请的第二方面提供一种厚壁的无缝钢管，根据前述任一制备方法制得。

优选地，所述无缝钢管壁厚的最大值与最小值之差小于等于0.5mm。

优选地，所述无缝钢管的维氏硬度为160N/mm²～215N/mm²。

本申请提供的厚壁无缝钢管的制备方法，在将棒坯进行热穿孔之前采用快速加热的方法，同时调控咬入角和穿孔机的轧辊倾斜角和轧辊转速，以及根据孔型椭圆度系数、荒管内径和荒管壁厚，来确定轧辊间距、导板间距和顶头的直径，能够使得棒坯的在高温下同时具有高的可塑性和变形抗力，穿孔机的顶头不易偏离棒坯的轴向中心线，有利于制备出壁厚均匀的荒管，从而得到壁厚的最大值与最小值之差小于等于0.5mm的厚壁无缝钢管。

当然，实施本申请任一实施例的产品或方法并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

具体实施方式

下面将对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员基于本申请所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请实施例提供一种厚壁的无缝钢管的制备方法，其包括以下步骤：

(1)在棒坯端部沿棒坯长度方向设置定心孔；

(2)然后在1100℃～1250℃下加热，单位加热时间为4min/cm～7min/cm；

(3)然后通过穿孔机将步骤(2)中的棒坯加工成荒管，其中，咬入角β为2°～4°，轧辊倾斜角为8°～15°，轧辊转速为60r/min～100r/min，孔型椭圆度系数ζ为1.05～1.16，荒管内径D₀为20mm～60mm，荒管壁厚δ_m为10mm～18mm；

(4)然后进行热处理得到无缝钢管，无缝钢管的壁厚为10mm～18mm。

采用本申请提供的厚壁的无缝钢管的制备方法制备无缝钢管时，不限于任何理论，在将棒坯进行热穿孔之前采用快速加热的方法，同时调控咬入角和穿孔机的轧辊倾斜角和轧辊转速，以及根据孔型椭圆度系数、荒管内径和荒管壁厚，来确定轧辊间距、导板间距和顶头的直径，使得棒坯的在高温下同时具有高的可塑性和变形抗力，穿孔机的顶头不易偏离棒坯的轴向中心线，有利于制备出壁厚均匀的荒管，从而得到壁厚的最大值与最小值之差小于等于0.5mm的厚壁无缝钢管。

其中，轧辊间距、导板间距和顶头的直径可通过以下公式计算得到。轧辊间距Bz＝(1-ε)Dp，导板间距W＝ζBz，顶头的直径

Dp为棒坯的直径，ε为棒坯的变形总压缩率且ε＝L₁tanβ/Dp，L₁为轧辊入口段长度，Dm为荒管外径。

在步骤(2)中，随着加热温度的升高，棒坯的塑性随之提高、变形抗力降低。不限于任何理论，当加热温度过低时(例如小于1100℃)，棒坯的塑性不能满足加工要求；当加热温度过高时(例如大于1250℃)，棒坯表面会形成氧化铁皮，在穿孔过程中氧化铁皮会被压入荒管中，影响荒管尺寸精度及表面质量，甚至形成棒坯过烧，导致金属晶界熔化、塑性严重恶化，使得棒坯报废。本申请对加热时间没有特别限制，只要能实现本申请的目的即可，例如，根据棒坯的直径确定加热时间，加热时间＝单位加热时间×棒坯直径Dp。本申请对棒坯直径Dp没有特别限制，只要能实现本申请的目的即可，例如，棒坯的直径Dp为50mm～75mm。

在步骤(3)中，将步骤(2)中的棒坯加工成荒管时，不限于任何理论，咬入角β为2°～4°有利于轧辊咬入棒坯，使棒坯的变形分布在一个较长的区域上，从而减少内应力的产生，避免过早形成“孔腔”，以提高荒管的内表面质量。

轧辊间距Bz主要取决于棒坯的直径Dp和棒坯的变形总压缩率ε，当棒坯的变形总压缩率ε不变，棒坯的直径Dp增大，轧辊间距Bz则需相应增大；当棒坯的直径Dp不变，棒坯的变形总压缩率ε越小，轧辊间距Bz越接近棒坯的直径Dp；当棒坯的直径Dp不变，棒坯的变形总压缩率ε增大，轧辊间距Bz随之适当减小。其中，棒坯的变形总压缩率ε由咬入角β、轧辊入口段长度L₁和棒坯的直径Dp共同决定。本申请对轧辊入口段长度L₁没有特别限制，只要能实现本申请的目的即可，例如，轧辊入口段长度L₁为100mm～200mm。在本申请中，咬入角β是指轧辊入口段锥角。

导板间距W主要取决于轧辊间距Bz和孔型椭圆度系数ζ，可以理解的是，不同材料的孔型椭圆度系数ζ不同，具体地，低碳钢、中碳钢、低合金钢和中合金钢的孔型椭圆度系数ζ为1.10～1.16，高合金钢(包括不锈钢)的孔型椭圆度系数ζ为1.05～1.10。在本申请中，低碳钢是指碳的质量含量小于0.25％的碳素钢，中碳钢是指碳的质量含量为0.25％～0.60％的碳素钢，低合金钢是指合金元素的质量含量小于5％的合金钢，中合金钢是指合金元素的质量含量为5％～10％的合金钢，高合金钢是指合金元素的质量含量大于10％的合金钢。其中，合金元素可以包括但不局限于硅、锰、铬、镍、钼、钨、钒、钛、铌、锆、钴、铝、铜、硼中的至少一种。

轧辊倾斜角为8°～15°、轧辊转速为60r/min～100r/min，优选地，轧辊倾斜角为9°～12°，轧辊转速为70r/min～100r/min。不限于任何理论，当轧辊倾斜角和轧辊转速在上述范围内，可以减小穿孔过程中的变形抗力和沿棒坯轴向的阻力，有利于提高穿孔过程中的稳定性，进而得到壁厚均匀的荒管。

顶头直径Dt的大小主要取决于荒管的参数，具体地，当荒管外径Dm和荒管壁厚δ_m不变，荒管内径D₀增大，顶头直径Dt随之增大；当荒管内径D₀和荒管壁厚δ_m不变，荒管外径Dm增大，顶头直径Dt减小；当荒管内径D₀和荒管外径Dm不变，荒管壁厚δ_m增大，顶头直径Dt随之增大。本申请对顶头直径Dt、荒管内径D₀、荒管外径Dm和荒管壁厚δ_m没有特别限制，只要能实现本申请的目的即可，例如，顶头直径Dt为17mm～55mm，荒管内径D₀为20mm～60mm，荒管外径Dm为50mm～80mm，荒管壁厚δ_m为10mm～18mm。

在本申请的一种实施方案中，定心孔直径与棒坯直径的比值为1∶3～1∶5，定心孔的深度为10mm～30mm，优选地，定心孔直径与棒坯直径的比值为1∶4～1∶5，定心孔的深度为20mm～30mm。不限于任何理论，当定心孔直径与棒坯直径的比值和定心孔的深度在上述范围内时，有利于得到壁厚均匀的荒管。

在本申请的一种实施方案中，穿孔机的顶头的材料满足以下特征：在1200℃下抗拉强度大于等于350MPa、在900℃下硬度大于等于450HV。优选地，顶头的材料选自热作模具钢或钼基合金。顶头采用上述材料能够有效避免由于高温和高轧制力引起的顶头锥尖塌陷、粘着磨损，或顶头被加工中的棒坯抱死无法运动的情况，从而提高穿孔的精度和稳定性，以及荒管的内表面质量。

在本申请的一种实施方案中，热处理方式选自高温回火或淬火处理，高温回火的热处理温度为500℃～800℃，优选为550℃～800℃。不限于任何理论，采用高温回火或淬火处理的热处理方式、高温回火的热处理温度为500℃～800℃，得到的无缝钢管具有良好的力学性能和合适的维氏硬度(HV)。维氏硬度过高，则不利于后续的冷加工。具体地，采用本申请的制备方法制得的无缝钢管的维氏硬度为160N/mm²～215N/mm²。

本申请对高温回火和淬火处理的方式没有特别限制，只要能实现本申请的目的即可。例如，高温回火可以是将带有穿孔余温的荒管直接放入温度为500℃～800℃的加热炉中保持4h～8h，冷却后得到无缝钢管。淬火的方式可以是对荒管直接进行水冷。

可以理解的是，棒坯的材料不同，适用的热处理方式也不同。采用本申请的制备方法制备无缝钢管时，低碳钢、中碳钢和非奥氏体不锈钢可以采用高温回火的热处理方式，奥氏体不锈钢可以采用淬火处理的方式。在本申请中，奥氏体不锈钢是指常温下具有奥氏体组织的不锈钢。

本申请的第二方面提供一种厚壁的无缝钢管，根据前述任一制备方法制得。由于在制备过程中将棒坯进行热穿孔之前采用快速加热的方法，同时调控咬入角和穿孔机的轧辊倾斜角和轧辊转速，以及根据孔型椭圆度系数、荒管内径和荒管壁厚，来确定轧辊间距、导板间距、顶头的直径，从而得到壁厚均匀的无缝钢管。

在本申请的一种实施方案中，无缝钢管壁厚的最大值与最小值之差小于等于0.5mm，说明无缝钢管的厚度均匀性很好。

在本申请的一种实施方案中，无缝钢管的维氏硬度为160N/mm²～215N/mm²，有利于后续加工。

实施例1

(1)定心孔设置：选用

的304不锈钢作为棒坯，切平棒坯的端面，使端面与棒坯的轴线垂直，通过机械加工的方式在棒坯的一端设置直径为13mm、深度为30mm的定心孔，其中，304不锈钢成分及含量如表1所示；

表1 304不锈钢成分及含量

元素

C

Cr

Ni

Si

Mn

S

P

Fe

含量(wt％)

≤0.08

18.0～20.0

8.0～10.5

0.17-0.37

≤2.00

≤0.030

≤0.045

余量

(2)棒坯加热：将设置有定心孔的棒坯放入加热炉中进行加热，加热温度为1100℃，单位加热时间为5.5min/cm，加热时长为33min；

(3)制备荒管：采用

加强型两辊穿孔机进行穿孔，顶头的材料为钼钛锆合金，顶杆为H13钢顶杆，咬入角β为3°，轧辊入口段长度L₁为150mm，棒坯的变形总压缩率ε为13.1％，孔型椭圆度系数ζ为1.1，穿孔机的参数设置如表2所示：

表2穿孔机的参数设置

荒管内径D₀为40mm，荒管外径Dm为65mm，荒管壁厚δ_m为12.5mm，以上参数的计算结果均取整数；

(4)将荒管直接进行水冷，得到直径为65mm、平均壁厚为12.5mm的无缝钢管。

实施例2

(1)定心孔设置：选用

的45#钢作为棒坯，切平棒坯的端面，使端面与棒坯的轴线垂直，通过机械加工的方式在棒坯的一端设置直径为13mm、深度为30mm的定心孔，其中，45#钢成分及含量如表3所示；

表3 45#钢成分及含量

元素

C

Si

Mn

Cr

Ni

S

P

Fe

含量(wt％)

0.42-0.50

0.17-0.37

0.50-0.80

≤0.25

≤0.25

≤0.035

≤0.035

余量

(2)棒坯加热：将设置有定心孔的棒坯放入加热炉中进行加热，加热温度为1150℃，单位加热时间为5.5min/cm，加热时长为33min；

(3)制备荒管：采用

加强型两辊穿孔机进行穿孔，并在传输区域加装隔热保温罩；顶头的材料为钼钛锆合金，顶杆为H13钢顶杆，咬入角β为3°，轧辊入口段长度L₁为155mm，棒坯的变形总压缩率ε为13.5％，孔型椭圆度系数ζ为1.16，穿孔机的参数设置如表4所示：

表4穿孔机的参数设置

荒管内径D₀为38mm，荒管外径Dm为65mm，荒管壁厚δ_m为13.5mm，以上参数的计算结果均取整数；

(4)将荒管放入温度为790℃的加热炉中保温6h进行热处理，并随保温炉冷却，得到直径为65mm、平均壁厚为13.5mm的无缝钢管。

实施例3

除了在步骤(2)中的加热温度为1250℃、单位加热时间为7min/cm，其余与实施例2相同。

实施例4

除了在步骤(2)中的加热温度为1100℃、单位加热时间为4min/cm，其余与实施例1相同。

实施例5

除了在步骤(3)中咬入角β为2°、棒坯的变形总压缩率ε为9.0％、轧辊间距Bz为55mm、导板间距W为64mm，其余与实施例2相同。

实施例6

除了在步骤(3)中咬入角β为4°、棒坯的变形总压缩率ε为18.1％、轧辊间距Bz为50mm、导板间距W为58mm，其余与实施例2相同。

实施例7

除了在步骤(3)中轧辊倾斜角为8°、轧辊转速为60r/min，其余与实施例2相同。

实施例8

除了在步骤(3)中轧辊倾斜角为15°、轧辊转速为100r/min，其余与实施例2相同。

实施例9

除了在步骤(4)中的热处理温度为500℃，其余与实施例2相同。

对比例1

除了在步骤(2)中的加热温度为1350℃、单位加热时间为10min/cm，其余与实施例2相同。

对比例2

除了在步骤(3)中咬入角β为5°、棒坯的变形总压缩率ε为22.6％、穿孔机的参数设置如表5所示，其余与实施例2相同。

表5穿孔机的参数设置

对比例3

除了在步骤(4)中的热处理温度为300℃，其余与实施例2相同。

无缝钢管壁厚测试：

根据GB/T6312-2004《厚壁千分尺》中的测试方法，采用量程为0～25mm的壁厚千分尺对实施例及对比例中的无缝管壁厚进行测量。

维氏硬度测试：

根据GB/T4340-2009《金属材料：维氏硬度试验》中的检测方法对无缝管硬度进行测量。

各实施例和对比例中无缝钢管的性能对比如表6所示：

表6各实施例和对比例中无缝钢管的性能对比

从表1数据可以看出，实施例1～9的无缝钢管壁厚的最大值最小值之差远小于对比例1和对比例2。从而说明采用本申请提供的厚壁无缝钢管制备方法制备无缝钢管，且棒坯的加热温度、咬入角和穿孔机的轧辊间距、轧辊转速等在本申请的范围内，得到的厚壁无缝钢管的壁厚均匀性好，且壁厚的最大值与最小值之差小于等于0.5mm，同时具有较低的维氏硬度，便于后续冷加工。对比例1中的无缝钢管由于加热温度过高导致材料过烧，热穿孔后荒管内表面出现大量轴向裂纹，不具有实用价值。从实施例1～9、对比例3可以看出，荒管的热处理温度过低，未在本申请的范围内，得到的无缝钢管具有较高的维氏硬度，从而不利于后续冷加工。从实施例2、实施例9可以看出，荒管的热处理温度会影响无缝钢管的维氏硬度，且热处理温度升高，能够降低无缝钢管的维氏硬度。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的方法或者物品不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种方法或者物品所固有的要素。

本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并非用于限定本申请的保护范围。凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本申请的保护范围内。

Claims (7)

1.一种厚壁的无缝钢管的制备方法，其包括以下步骤：

(1)在棒坯端部沿棒坯长度方向设置定心孔，定心孔直径与棒坯直径的比值为1∶3～1∶5，定心孔的深度为10mm～30mm；

(2)然后在1100℃～1250℃下加热，单位加热时间为4min/cm～7min/cm；

(3)然后通过穿孔机将步骤(2)中的棒坯加工成荒管，其中，咬入角β为2°～4°，轧辊倾斜角为8°～15°，轧辊转速为60r/min～100r/min，孔型椭圆度系数ζ为1.05～1.16，荒管内径D₀为20mm～60mm，荒管壁厚δ_m为10mm～18mm；

(4)然后进行热处理得到无缝钢管，所述无缝钢管的壁厚为10mm～18mm。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其中，穿孔机的顶头的材料满足以下特征：在1200℃下抗拉强度大于等于350MPa、在900℃下硬度大于等于450HV。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其中，顶头的材料选自热作模具钢或钼基合金。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的制备方法，其中，所述热处理方式选自高温回火或淬火处理，高温回火的热处理温度为500℃～800℃。

5.一种根据权利要求1-4中任一项所述的制备方法制得的厚壁的无缝钢管。

6.根据权利要求5所述的无缝钢管，其中，所述无缝钢管壁厚的最大值与最小值之差小于等于0.5mm。

7.根据权利要求5所述的无缝钢管，其中，所述无缝钢管的维氏硬度为160N/mm²～215N/mm²。