CN113522981B - 一种减少含硫钢斜轧无缝钢管表面裂纹缺陷的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种减少含硫钢斜轧无缝钢管表面裂纹缺陷的方法，依次包括管坯直径选择、管坯加热、穿孔、轧管和减径工序，其中，轧管工序采用ASSEL斜轧机进行轧管，轧管机减径量≤15mm，轧管机减壁量≤2mm。根据成品规格确定坯料直径，确保坯料直径与成品外径差值≤20mm，穿孔后得到的毛管壁厚与成品规格壁厚差值≤2mm；采用等径或微扩径穿孔，同时减少毛管壁厚，减少轧管机变形量；采用大辗轧角和小喂入角的方式轧管，辗轧角为3.5°～4.5°、喂入角为4°～5°。本发明通过控制管坯加热和轧管工艺，可有效避开热脆性区，使无缝钢管的表面质量缺陷深度不超过壁厚的5％，减少了钢管表面裂纹的产生，满足产品质量要求。
Description
技术领域
本发明属于金属压力加工领域，涉及一种材料成型控制方法，尤其涉及一种减少含硫钢斜轧无缝钢管的表面裂纹缺陷的工艺方法。
背景技术
对于机加工用热轧无缝钢管，通过添加某些易切削元素从而提高钢的切削性，通常我们将这种钢称为易切削钢，含硫易切削钢是在钢中加入一定量硫元素改善钢的切削性，但钢中硫元素容易与铁元素容易形成低熔点(1190℃)的FeS和更低熔点(989℃)的FeS·Fe共晶体，这种低熔点的共晶体一般分布在晶界上，含硫钢经过热轧加工变形(加热温度1000℃以上)，如ASSEL轧管时，晶界上的FeS·Fe共晶熔化，导致热加工时钢的开裂，称为“热脆”
现有技术中，常采用连铸圆管坯生产薄壁含硫钢无缝钢管，当无缝钢管的含硫量较低时(S≤0.010wt％)，轧管机减径量为20～40mm，生产出的钢管内外表面无裂纹等缺陷，但采用相同的工艺轧制硫含量S＞0.010wt％的相同规格的钢管，生产出的钢管表面容易有裂纹，材料合格率低。
因此，急需开发出一种减少含硫钢(S＞0.010wt％)斜轧无缝钢管的表面裂纹缺陷的工艺方法，以减少斜轧管后钢管表面裂纹的产生，提高含硫钢斜轧无缝钢管的合格率。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种减少含硫钢斜轧无缝钢管表面裂纹缺陷的方法，通过采用小直径圆管坯、微扩径穿孔、减小轧管机变形量、大辗轧角、小喂入角等措施，使钢管在斜轧时受到的剪切力尽可能小，减少开裂发生，从而解决钢管表面裂纹问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种减少含硫钢斜轧无缝钢管表面裂纹缺陷的方法，依次包括如下工序：管坯直径选择、管坯加热、穿孔、轧管和减径，其中，所述轧管工序采用ASSEL斜轧机进行轧管，轧管机减径量≤15mm，减壁量≤2mm；所述含硫钢斜轧无缝钢管的硫含量＞0.010wt％。
上述方法中，作为一种优选实施方式，所述含硫钢斜轧无缝钢管的硫含量为0.015wt％～0.050wt％。
上述方法中，作为一种优选实施方式，所述管坯直径选择工序中，根据成品钢管确定管坯直径，管坯直径与成品钢管外径差值不大于20mm，穿孔后得到的毛管壁厚与成品钢管壁厚差值≤2mm；以便减小穿孔后毛管壁厚，进一步减少轧管机变形量。
上述方法中，作为一种优选实施方式，所述管坯加热工序中，所述管坯加热采用分段式加热方式，加热过程共分为6段，分别为预热段、加热1段、加热2段、加热3段、加热4段和均热段。
上述方法中，作为一种优选实施方式，所述管坯加热工序中，均热段保温温度控制在1200～1240℃，(例如，1210℃、1220℃、1230℃、1235℃)，优选1200～1220℃(例如，1205℃、1210℃、1215℃)。
上述方法中，作为一种优选实施方式，所述管坯加热工序中，所述预热段的加热温度≤850℃(例如：790℃、800℃、810℃、820℃、830℃)。
上述方法中，作为一种优选实施方式，所述加热1段的加热温度≤950℃(例如，910℃、920℃、930℃、940℃、945℃)。
上述方法中，作为一种优选实施方式，所述管坯加热工序中，加热2段的加热温度为1030～1100℃(例如，1040℃、1050℃、1070℃、1080℃、1090℃)，优选为1050-1100℃(例如，1060℃、1070℃、1080℃、1090℃)；
上述方法中，作为一种优选实施方式，所述管坯加热工序中，所述加热3段的加热温度1130-1160℃(例如，1135℃、1140℃、1145℃、1150℃、1155℃)；优选为1140-1160℃(例如，1145℃、1150℃、1155℃)。
上述方法中，作为一种优选实施方式，所述管坯加热工序中，所述加热4段的加热温度为1200-1240℃(例如，1200℃、1210℃、1220℃、1230℃)；优选为1200-1220℃(例如，1205℃、1210℃、1215℃)。
上述方法中，作为一种优选实施方式，所述管坯加热工序的总加热时间控制在240～300min(例如，250min、260min、270min、280min、290min)；优选地，所述管坯加热在环形加热炉中进行。
本发明采用高温加热方式，减少因薄壁管热损失过快而造成的轧管机初轧温度过低、钢管变形抗力增加、增加钢管裂纹产生几率的问题；同时可有效避免轧管机初轧在热脆性温度区间(850℃-1050℃)内进行，从而避免钢管裂纹产生。
上述方法中，作为一种优选实施方式，所述穿孔工序中，采用等径或微扩径穿孔，同时减少毛管壁厚，减少轧管机变形量；优选地，等径穿孔是指穿孔后毛管外径约等于管坯直径，微扩径穿孔是指穿孔后毛管外径与管坯直径差值≤10mm，以减少轧管机变形量。
上述方法中，作为一种优选实施方式，所述穿孔工序中，所述穿孔采用菌式穿孔机进行穿孔。
上述方法中，作为一种优选实施方式，所述轧管工序中，采用大辗轧角和小喂入角的方式进行轧管，其中，辗轧角为3.5°～4.5°、喂入角为4°5°。
本发明采用大辗轧角和小喂入角的方式，限制薄壁含硫钢尾部三角形成。
本发明通过小减壁量(即减壁量控制在2mm以内)的方式，降低钢管通过轧管机轧辊台阶形成裂纹几率，确保薄壁含硫钢表面质量。
上述方法中，作为一种优选实施方式，所述减径工序中，经过减径机进行减径，使轧管后得到的荒管(即轧管工序得到的管坯)进一步延伸，最终达到符合质量要求产品。
上述方法中，作为一种优选实施方式，所述管坯选择工序与所述管坯加热工序之间还包括管坯磁粉探伤工序，其中管坯磁粉探伤工序用于检测管坯的质量。
上述方法中，作为一种优选实施方式，所述方法生产的含硫无缝钢管的表面质量缺陷深度不超过壁厚的5％。
本发明中，上述技术特征在相互不冲突的情况下可自由组合形成新的技术方案。
与现有工艺相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明通过控制管坯加热、轧管工艺，可有效避开热脆性区，使含硫无缝钢管的表面质量缺陷控制在壁厚的5％以内，满足产品质量要求。
(2)与现有工艺中轧管机减径量为20～40mm相比，采用本发明的技术方案，可以将轧管机减径量控制在15mm以内，轧管机减径量比现有技术减少5～25mm，有效降低含硫钢管表面裂纹。
(3)与现有工艺中轧管机减壁量为5mm相比，采用本发明的技术方案，可以将轧管机减壁量控制2mm以内，轧管机减径量比现有技术减少一半，有效降低含硫钢管表面裂纹。
(4)本发明的操作简便易行，在含硫钢热轧无缝钢管制造过程中，通过降低轧管机变形量、采用大辗轧角、小喂入角等措施无需增加额外工序，可有效控制裂纹产生风险，减少了不合格产品对流程的制约，解决了因不良产品造成合同欠交补产的交付周期问题。
附图说明
图1为本发明中斜轧时金属等效变形示意图，其中(a)为减径区、(b)为减壁区，图中1为轧辊，2为钢管，3为芯棒。
图2为本发明实施例1制备的无缝钢管产品的内表面宏观图。
图3为本发明实施例1制备的无缝钢管产品的外表面宏观图。
图4为本发明对比例1制备的无缝钢管产品的内表面裂纹横截面宏观图。
图5为本发明对比例1制备的无缝钢管裂纹处微观图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种减少含硫钢斜轧无缝钢管表面裂纹缺陷的制造方法，包括管坯选择、管坯加热和轧管工艺，其中，所述轧管工艺采用ASSEL斜轧机进行轧管；所述含硫钢的硫含量为0.015％～0.050wt％。具体工艺步骤如下：
管坯选择→管坯磁粉探伤→管坯锯切→管坯加热→菌式穿孔→ASSEL轧管→步进炉再加热→减径→冷却→矫直→超声探伤→锯切头尾→精整、打捆→包装、入库。
根据图1所示的斜轧时金属等效变形示意图，本发明中提供的技术方案的斜轧理论分析如下。
Assel轧管机的轧制力计算包含两部分：作用在金属上的塑性弯曲抗力，作用在金属上的塑性变形抗力。轧制力P的基本计算公式：
P＝Pdia+Pth (1)
Pdia＝Fdiaσdia (2)
Pth＝Fthσth (3)
式中，Pdia——减径区金属塑性弯曲抗力，MPa；
Pth——减壁区金属塑性变形抗力，MPa；
Fdia——减径区接触面积水平投影值，mm2；
Fth——减壁区接触面积水平投影值，mm2；
σdia——减径区金属平均单位变形抗力，MPa；
σth——减壁区金属平均单位变形抗力，MPa。
1)金属与轧辊接触面积水平投影值
按轧件每1/3转前进值划分若干个截面，人为地将变形区分成若干小单元。每一个小单元就形成一个近似的梯形面积F。先计算每个小单元的变形区面积，然后将若干个小单元面积相加，即求得变形区的总面积。即：
F＝∑[(bx+bx+1)Sx-l/2] (4)
Sx＝πd(d2-dn 2)tanα/[2(dx 2-dnx 2)] (5)
式中，bx，bx+1——x截面和x+1截面上金属与轧辊的接触宽度，mm；
Sx，Sx-1——x截面和x-1截面上金属的1/3转螺距，mm；
d——轧出钢管外径，mm；
dn——轧出钢管内径，mm；
dx——x截面处钢管外径，mm；
dnx——x截面处钢管内径，mm；
α——送进角，(°)。
如图1(a)所示，在减径区，x截面上金属与轧辊的接触宽度按照文献(万本振，韩建元，周新亮.Assel轧管机轧制力计算研究[J].钢管，2018，47(3)：63-67)给出的方法进行计算，为：
bx＝Bdiax＝Rxsinγx (6)
γx＝arccos[1-(dax-dx)/(2Rx)] (7)
式中，Bdiax——x截面处减径区金属与轧辊的接触宽度，mm；
Rx——x截面处轧辊半径，mm；
γx——x截面处减径区金属与轧辊接触宽度对应中心角，(°)；
ddx——x截面处进入孔型钢管直径，mm；
dx——x截面处轧出孔型钢管直径，mm。
如图1(b)所示，在减壁区，x截面上金属与轧辊的接触宽度按照文献(万本振，韩建元，周新亮.Assel轧管机轧制力计算研究[J].钢管，2018，47(3)：63-67)给出的方法进行计算，为：
φx＝arccos[(Rx+Sx)/(Rx+Ssx)] (9)
式中，Bthx——x截面处减壁区金属与轧辊的接触宽度，mm；
Rx——x截面处轧辊半径，mm；
Ssx——x截面处进入孔型钢管壁厚，mm；
Sx——x截面处轧出孔型钢管壁厚，mm。
2)平均单位变形抗力
减径区平均单位变形抗力σdia计算公式为：
σdia＝2.30KfSsx/ddx (10)
式中，Kf——轧制温度下金属的变形抗力，MPa。
减壁区平均单位变形抗力σth可以近似地利用经验公式进行计算：
σth＝σ0u2 a(10ε)b(t/1000)-c (11)
ε＝1-Sx/Ssx (12)
u2＝4πRxnε/Bthx (13)
式中，u2——减壁区变形速度，s-1；
n——轧辊转速，r/min；
ε——变形程度；
t——轧制温度，℃；
σ0，a，b，c——常数，根据钢种选择。
当轧管机减径量和减壁量过大时，轧管机的轧制力也增大，当超过金属塑性变形时就会开裂，尤其生产薄壁含硫钢时，轧管机减壁量较大，且钢中存在低熔点的共晶体，势必增加了钢管开裂的趋势。
实施例1
本实施例生产
(外径*壁厚)规格的E470含硫钢无缝钢管，其管坯的合金成分如表1所示。具体地生产步骤如下：
1、管坯外径选择+磁粉探伤
采用规格为Φ155mm的管坯，经磁粉探伤，管坯坯料表面质量合格。
表1实施例1中E470无缝钢管管坯的合金成分(wt％，余量为铁)
2、管坯加热
为了给穿孔、轧管工序提供合适塑性和低变形抗力的管坯，首先对管坯进行加热处理。管坯加热采用分段加热方式进行加热，其过程共分为6段，分别为预热段、加热1段、加热2段、加热3段、加热4段、均热段。其中，管坯加热工序的总加热时间控制在276min。
表2实施例1中管坯加热制度
3、穿孔
采用穿孔机主要作用将实心管坯轧制成空心毛管，同时为轧管机、减径机提供表面质量合格毛管。本次生产所采用的穿孔工艺参数如表3所示。经过穿孔，得到毛管，其尺寸为φ165mm*15.5mm。
表3实施例1中的穿孔工艺参数
本次生产薄壁含硫钢穿孔机主要控制要点为：等径或微扩径穿孔(穿孔后得到的毛管直径较管坯直径增加10mm)，同时减少毛管壁厚，减少轧管机变形量。
4、轧管
轧管工序的主要作用为定壁，同步为下工序提供合格产品。本次生产薄壁含硫钢轧管机的轧制参数如表4所示，轧制得到尺寸为φ157mm*14mm的荒管。采用大辗轧角和小喂入角的方式进行轧管，其中，辗轧角为3.5°～4.5°、喂入角为4°～5°。
表4实施例1中的轧管工艺参数
通过前期工艺设计及生产经验，发明人发现，抑制薄壁管尾部三角形成、降低减壁量可有效降低钢管表面裂纹风险。本次生产通过大辗轧角(4°)、小喂入角(4°)的方式，限制薄壁含硫钢尾部三角形成；同时通过小减壁量(1.5mm)、小减径量(13mm＝穿孔后毛管外径-轧管机喉径)的方式，降低钢管通过轧管机轧辊台阶形成裂纹几率，确保薄壁含硫钢表面质量。
5、减径
采用步进炉对轧管工序得到的荒管再加热，然后使用减径机进行13mm减径，使荒管进一步延伸，最终达到符合质量要求产品。
现有技术中，一般通过超声探伤检测无缝钢管产品的纵向内表面、纵向外表面、横向内表面和横向外表面的表面质量缺陷。当无缝钢管产品的表面质量缺陷，即缺陷深度大于壁厚的5％时，该无缝钢管产品的质量不合格。而当无缝钢管产品的缺陷深度控制在壁厚的5％以内时，该无缝钢管产品为合格产品。
对本实施例得到的无缝钢管产品进行超声探伤，无缝钢管产品的纵向内表面、纵向外表面、横向内表面和横向外表面的表面质量缺陷均控制在壁厚的5％以内。图2为无缝钢管的内表面宏观图，图3为无缝钢管的外表面宏观图，从图2-3可以看出，本实施例生产的无缝钢钢管的内表面和外表面均无明显裂纹。
采用本实施例的技术方案生产得到的一批薄壁含硫钢无缝钢管(共20件)，该含硫钢无缝钢管的内表面和外表面均无明显裂纹，产品合格率100％。
实施例2
本实施例生产φ120*12mm规格的E470薄壁含硫钢无缝钢管。选择规格为φ140mm的轧坯，经磁粉探伤、管坯加热、穿孔、轧管、减径得到φ120*12mm规格的E470薄壁含硫钢无缝钢管，具体地，
管坯加热：本实施例中管坯加热制度与实施例1中的管坯加热制度相同。
穿孔：采用表5中的穿孔工艺参数，对加热后管坯进行加热，穿孔后得到的毛管直径较管坯直径增加5mm。
表5实施例2中的穿孔工艺参数
表6实施例2中的轧管工艺参数
轧管：采用表6中的轧管工艺参数，可以将轧管机减径量控制在15mm，减壁量控制在1.5mm，有效降低钢管表面裂纹。
减径：在轧管工序之后，采用步进炉对轧管工序得到的荒管再加热，然后使用减径机进行减径，使荒管进一步延伸，最终达到符合质量要求产品。
对本实施例得到的无缝钢管产品进行超声探伤，无缝钢管产品的纵向内表面、纵向外表面、横向内表面和横向外表面的表面质量缺陷均控制在壁厚的5％以内。本实施例生产得到薄壁含硫钢无缝钢管的内表面和外表面均无明显裂纹。
采用本实施例的技术方案生产得到的20件薄壁含硫钢无缝钢管，其内表面和外表面均无明显裂纹，产品合格率为100％。
对比例1
现有技术中，以
连铸圆管坯为原料，生产规格
的低硫钢(S≤0.010wt％)E470薄壁无缝钢管。表7列出了低硫钢E470无缝钢管的合金成分。
表7实施例1中E470无缝钢管管坯的合金成分(wt％，余量为铁)
薄壁低硫E470无缝钢管的生产工序如下：
管坯磁粉探伤→下断→管坯加热→菌式穿孔→ASSEL轧管→步进炉再加热→减径→冷却→矫直→超声探伤→锯切头尾→精整、打捆→包装、入库。具体地，
管坯加热：采用与对比例1中相同的管坯加热制度对管坯进行加热。
表8对比例1中的穿孔工艺参数
穿孔：采用表8中的穿孔工艺参数，对加热后的管坯进行穿孔，得到的毛管直径较管坯直径增加14mm。
轧管：采用表9中的轧管工艺参数，对穿孔后的毛管进行轧管，轧管过程中，轧管机减径量为37mm，减壁量为5mm。
表9对比例1中的轧管工艺参数
减径：轧管后，使用减径机对荒管进行减径，得到规格为
的钢管。
采用现有技术(即，本对比例中的上述技术方案)生产出的低硫(S≤0.010wt％)钢管的内表面和外表面均有明显裂纹，产品合格率100％。
但是，采用本对比例中的上述技术方案生产含硫(S＞0.010wt％；优选S：0.015wt％～0.050wt％)E470薄壁无缝钢管，钢管的内表面和外表面均有明显裂纹，产品合格率0％。该无缝钢管产品的内表面裂纹横截面宏观图如图4所示，图5显示了该无缝钢管裂纹处的微观图。
采用现有技术中低硫钢(S≤0.010wt％)薄壁无缝钢管的生产工艺(即本对比例中上述技术方案)进行E470薄壁含硫钢无缝钢管的生产，产品合格率低的原因分析如下：由于硫元素的存在，使用ASSEL轧管机轧管过程中，由于减径量和减壁量过大，造成周向剪切力较大，含硫钢管中硫元素容易与铁元素容易形成低熔点低熔点(989℃)的二元共晶产物(Fe+FeS)或熔点(约940℃)更低的三元共晶产物(Fe+FeO+FeS)，这些共晶产物的熔点都低于管坯的正常加热及轧制温度，当钢加热至1200℃-1240℃进行轧制时，沿晶界分布的Fe+FeS共晶体局部已经开始熔化，晶粒间的结合力遭受破坏，产生所谓的沿晶裂纹，导致热脆现象及轧制终了的开裂现象，导致生产出的钢管的内表面和外表面均有明显裂纹，产品合格率为0％。
综上分析，相对于现有技术，采用本发明提供的技术方案能够实现薄壁含硫钢无缝钢管的生产，生产得到的薄壁含硫钢无缝钢管，其内表面和外表面均无明显裂纹，产品合格率为100％。
Claims (13)
1.一种减少含硫钢斜轧无缝钢管表面裂纹缺陷的方法，其特征在于，所述方法依次包括如下工序：管坯直径选择、管坯加热、穿孔、轧管和减径，其中，所述轧管工序采用ASSEL斜轧机进行轧管，轧管机减径量≤15mm，轧管机减壁量≤2mm；所述含硫钢斜轧无缝钢管的硫含量＞0.010wt％；
所述管坯直径选择工序中，根据成品钢管确定管坯直径，管坯直径与成品钢管外径差值不大于20mm；
所述穿孔工序中，采用等径或微扩径穿孔对加热后的管坯进行穿孔得到毛管；等径穿孔是指穿孔后毛管外径等于管坯直径，微扩径穿孔是指穿孔后毛管外径与管坯直径差值≤10mm；穿孔后得到的毛管壁厚与成品钢管壁厚差值≤2mm；
所述轧管工序中，采用大辗轧角和小喂入角的方式对穿孔后的毛管进行轧管得到荒管，其中，辗轧角为3.5°～4.5°、喂入角为4°～5°。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述含硫钢斜轧无缝钢管的硫含量为0.015wt％～0.050wt％。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述管坯加热工序中，所述管坯加热采用分段式加热方式，加热过程共分为6段，分别为预热段、加热1段、加热2段、加热3段、加热4段和均热段；所述均热段保温温度控制1200～1240℃。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，预热段的加热温度≤850℃。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，加热1段的加热温度≤950℃。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，加热2段的加热温度为1030～1100℃。
7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述加热3段的加热温度1130-1160℃。
8.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，加热4段的加热温度为1200-1240℃。
9.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述管坯加热工序的总加热时间控制在240～300min。
10.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述管坯加热在环形加热炉中进行。
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述穿孔工序中，所述穿孔采用菌式穿孔机进行穿孔。
12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述管坯直径选择工序与所述管坯加热工序之间还包括管坯磁粉探伤工序，其中管坯磁粉探伤工序用于检测管坯的质量。
13.根据权利要求1-12任一项所述的方法，其特征在于，所述方法生产的无缝钢管的表面质量缺陷深度不超过壁厚的5％。
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