CN113862556B - 一种4140中厚壁无缝钢管及生产方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种4140中厚壁无缝钢管，中厚壁无缝钢管的外圆直径为φ100mm～φ273mm，壁厚为14mm～50mm。生产方法为：⑴冶炼+连铸生产4140坯料；⑵坯料轧制成圆坯料；⑶圆坯料退火，降低硬度；⑷圆坯料加热到1220℃～1250℃；⑸用219mm新型狄塞尔热轧机组轧制出厚壁钢管，包括①穿孔机工序，②轧管机工序和③定径机工序；⑹调质处理，包括淬火和回火；⑺无缝钢管在线旋转矫直。本发明采用优化成分+新型狄塞尔热轧机组轧制成型+水淬代替油淬热处理相结合生产4140中厚壁无缝钢管，生产出的中厚壁无缝钢管尺寸精度高，钢管表面质量好，力学性能稳定。

Description

一种4140中厚壁无缝钢管及生产方法
技术领域
本发明属于无缝钢管生产技术领域，涉及一种4140中厚壁无缝钢管及生产方法。
背景技术
4140是一种CrMo合金结构钢，在国标GB/T3077牌号42CrMo的基础上提高了Mn含量，材质的淬透性进一步提高，适合调质中厚壁无缝钢管，通过合理的热处理工艺设计能够实现不同强度和韧性匹配的性能，应用于汽车工程机械、模具制造等领域，特别是在油气田开采中的螺杆钻具等设备中有广泛应用。4140无缝钢管普遍是通过热轧工艺成型，来获得相应尺寸，再通过热处理工艺，得到优异性能。目前常用的三辊轧机和连轧轧机生产的厚壁管尺寸精度差，偏壁严重。4140淬透性大，淬火应力大，很容易产生淬火裂纹，零件报废，目前成熟的淬火介质是油，油的冷却速度变慢，降低了马氏体形成时的温度应力、组织应力，避免了淬火裂纹。但是，该工艺有如下不足：钢管用油淬火需要大型油槽，连续生产更换冷却油使生产成本较高。连续淬火的冷却油容易燃烧冒烟污染车间空气，安全性差，必须配备油槽冷却系统。淬火后的钢管要清除带油渍的氧化皮，费工费时。
发明内容
本发明的目的是提供一种4140中厚壁无缝钢管，优化4140钢的成分，使生产出的中厚壁无缝钢管尺寸精度高，表面质量好，力学性能稳定。本发明的另一目的是提供一种4140中厚壁无缝钢管的生产方法，用水淬代替油淬，减少清洗工序，避免污染环境，提高现场操作的安全性。
本发明的技术方案是：4140中厚壁无缝钢管，无缝钢管用钢的成分按质量百分比为：C：0.38～0.43、Si：0.30～0.50、Mn：0.80～1.05、P：≤0.018、S：≤0.006、Cr：1.01～1.25、Ni：0.05～0.25、Mo：0.17～0.25、Ti：0.01～0.03、V：0.01～0.06、Al：0.01～0.05、N：0.008～0.025、Cu：≤0.25、O：≤0.0030、H：≤0.0003，其余为Fe和不可避免杂质。
无缝钢管的外圆直径为φ100mm～φ273mm，壁厚为14mm～50mm。无缝钢管的性能为：抗拉强度≥670MPa，Rt0.5屈服强度560MPa～1000MPa，伸长率≥15％，无缝钢管-10℃的横向夏比V型缺口全尺寸冲击功≥40J。
本发明4140中厚壁无缝钢管的生产方法，包括以下步骤：
⑴冶炼+连铸：利用转炉冶炼+连铸生产4140坯料；
⑵坯料轧制：将圆管坯轧制成圆坯料，坯料的压缩比3.0～15.0；
⑶圆坯料退火：对圆坯料进行退火，退火温度740℃～800℃，降低坯料硬度；
⑶圆坯料加热：在环形炉中用天然气加热到1220℃～1250℃；
⑸轧制钢管：用219mm新型狄塞尔热轧机组轧制出厚壁钢管，包括①穿孔机工序，扩径率在2％～10％，压缩比1.3～5.0；②轧管机工序，减径量5mm～25mm，压缩比1.2～4.0，③定径机工序，压缩比1.05～1.8；
⑹调质处理：调制处理包括，对步骤⑸轧制出的厚壁钢管进行淬火，淬火冷却介质为水，淬火温度为850℃～900℃，保温时间为50～120min,(保温为2mm～4min/mm)；然后均匀加热到回火温度后进行回火，回火温度600℃～800℃，保温时间为80～200min(保温3～6min/mm)。
⑺矫直：回火后趁温，在400℃～500℃时，将钢管在线旋转矫直。
步骤⑴坯料冶炼为，钢水先经转炉冶炼，C≥0.05％，P≤0.008％，出钢温度≥1640℃，到LF精炼炉温度≥1540℃；钢包入精炼位送电加热、加料、调渣，取样做全分析，调整钢液成分；精炼前期强化脱氧和脱硫，据渣况萤石调整用量≤1.5kg/t，白渣时间≥20min，并喂Al线；钢液温度1620℃～1670℃时，进行VD炉真空处理，真空度≤67Pa，真空保持20min～30min；破空后，搅拌1min～2min取样分析，喂硅钙线，Ca/Al：0.14～0.25；钢液温度在1520℃～1540℃时，连铸成圆管坯。
步骤⑶圆坯料退火的退火温度为740℃～800℃，保温12h～24h，随炉冷却到500℃以下出炉。步骤⑷圆坯料加热阶段，在中径20m的环形加热炉，单排布料，布料角为2.5°，炉内压力保持微正压10Pa～22Pa，空燃比控制在10:1，加热时间0.6min～2min/mm，天然气加热到1220℃～1250℃。
步骤⑸钢管轧制阶段，用Φ219mm新型狄塞尔热轧机组轧制出厚壁钢管：在穿孔机工序，辊距为(85％～90％)×D坯(mm，D坯是圆坯料的直径)，导板距为(1.06～1.15)×辊距(mm)，顶前压下率为4％～7％，轧辊电机转速为200～380rpm，扩径率为2％～10％，压缩比为1.3～5.0；轧管机工序，导盘倍速比＝1.5～2.5，轧制速度为0.3m/s～0.45m/s，钢管减径量(外径缩小量)为5mm～25mm，压缩比为1.2～4.0。
步骤⑹钢管调质阶段，①将钢管送入步进淬火炉中加热到850℃～900℃，完成保温后立刻出炉；②迅速将钢管输送到装满循环水的水池上方的旋转托轮上，托轮转速40rpm～55rpm，每对拖轮间距1.2m～1.5m，钢管在拖轮的带动下旋转，打开布置在钢管一端的内喷水，内喷头比钢管内径小20mm～30mm，内喷水沿轴向喷入钢管内孔中；③内喷水冷却6s～12s后，冷却装置整体下沉，使钢管直径方向浸入水面以下200mm～300mm，钢管在内喷和浸入同时作用下继续冷却；④当钢管温度冷却到90℃～150℃时，冷却装置整体升起使钢管离开水面；⑤将淬水后的钢管输送至冷床处，利用余温自回火，降低淬火应力，避免裂纹；⑥经过5min～10min空冷后，把钢管输送至回火炉，根据相应钢级性能进行回火处理。
步骤⑺钢管矫直阶段，回火后趁温在400℃～500℃时，将钢管在线旋转矫直；如果矫直温度高于400℃，用压力矫直进行冷矫直，不再进行去应力退火。如果旋转矫直温度低于400℃，矫直后必须再次加热进行去应力退火，去应力退火最低温度为500℃，退火最高温度为回火温度减去40℃。
本发明采用优化的4140成分+新型狄塞尔热轧机组轧制成型+水淬代替油淬热处理相结合的方法生产4140中厚壁无缝钢管，生产出的中厚壁无缝钢管尺寸精度高，钢管表面质量好，力学性能稳定。本发明4140中厚壁无缝钢管的生产方法，克服了现有技术尺寸精度差、淬油容易着火冒烟污染环境，现场操作的不安全的问题。水是环保的淬火冷却介质，容易获得，成本低，有利于提高4140中厚壁无缝钢管的表面质量，提高生产节奏，降低生产成本。本发明生产的无缝钢管具有较高的强度和良好的韧性，广泛用于油田开采的石油装备。
附图说明
图1为4140中厚壁无缝钢管生产装置的流程示意图；
图2为转炉的结构示意图；
图3为退火炉的结构示意图。
其中：1—转炉、2—连铸设备、3—轧制设备、4—退火炉、5—环形加热炉、6—狄塞尔热轧机组、7—步进淬火炉、8—矫直机、9—炉体、10—支承机构、11—倾倒机构、12—升级机构、13—炉壳、14—循环风机、15—炉盖、16—装料空间、17—加热炉丝、18—冷却风机。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明进行详细说明。本发明保护范围不限于实施例，本领域技术人员在权利要求限定的范围内做出任何改动也属于本发明保护的范围。
4140中厚壁无缝钢管生产装置如图1所示，包括转炉1、连铸设备2、轧制设备3、退火炉4、环形加热炉5、狄塞尔热轧机组6、步进淬火炉7和矫直机8。转炉、连铸设备、轧制设备、退火炉、环形加热炉、狄塞尔热轧机组、步进淬火炉和矫直机依次布置。转炉如图2所示，包括炉体9、支承机构10和倾倒机构11。如图3所示，退火炉4设有升级机构12、炉壳13、循环风机14、炉盖15、装料空间16、加热炉丝17和冷却风机18，循环风机位于退火炉的顶部，冷却风机位于退火炉的下部。本发明4140中厚壁无缝钢管的生产过程包括：转炉冶炼、连铸、坯料轧制、坯料退火、圆坯料加热、Φ219mm新型狄塞尔热轧机组轧制钢管、水淬调质处理和矫直。
实施例1
本发明4140中厚壁无缝钢管，生产规格为φ159mm×26mm(壁厚)，化学成分如表1所示：
表1.φ159mm×26mm的4140无缝钢管成分化验数据/(质量百分数％)
Figure BDA0003198694380000051
本发明4140中厚壁无缝钢管的生产方法，包括以下步骤：
⑴炼+连铸：利用转炉冶炼+连铸生产4140坯料；
坯料冶炼为，钢水先经转炉冶炼，C≥0.05％，P≤0.008％，出钢温度≥1640℃，到LF精炼炉温度≥1540℃。钢包入精炼位送电加热、加料、调渣，取样做全分析，调整钢液成分。精炼前期强化脱氧和脱硫，据渣况萤石调整用量≤1.5kg/t，白渣时间≥20min，并喂Al线，钢液温度1620℃～1670℃时，进行VD炉真空处理，真空度≤67Pa，真空保持20min～30min。破空后，搅拌1min～2min取样分析，喂硅钙线，Ca/Al：0.15，钢液温度在1520℃～1540℃时，连铸成直径600mm的圆管坯。
⑵坯料轧制：将直径600mm的圆管坯轧制成直径185mm圆坯料。
⑶圆坯料退火：对圆坯料进行退火，退火温度800℃，降低坯料硬，保温15h，随炉冷却到500℃以下出炉。
⑷圆坯料加热：在中径20m的环形加热炉，单排布料，布料角为2.5°，炉内压力保持微正压10Pa～22Pa，空燃比控制在10:1，天然气加热到1220℃～1250℃。圆坯料在环形炉中加热到1220℃～1250℃，加热时间1min～1.5min/mm。
⑸轧制钢管：用Φ219mm新型狄塞尔热轧机组轧制出厚壁钢管：①穿孔机工序，毛管尺寸φ197mm×31mm；辊距为(85％～90％)×D坯，导板距为(1.06～1.15)×辊距，顶前压下率为4％～7％，轧辊电机转速为200～380rpm，扩径率在2％～10％，压缩比1.3～5.0。②轧管机工序，导盘倍速比＝1.5～2.5，轧制速度是0.3m/s～0.45m/s，钢管减径量5mm～25mm，压缩比1.2～4.0。荒管尺寸φ180mm×26mm。③定径机工序，成品尺寸φ159mm×26mm。
⑹调质处理：①轧制后的无缝钢管在步进淬火炉中加热到880℃，水为萃取冷却介质，保温60min，钢管完成保温后立刻出炉；②迅速将钢管输送到装满循环水的水池上方的旋转托轮上，托轮转速50rpm，钢管在拖轮的带动下旋转，此时打开布置在钢管一端的内喷水，内喷头比钢管内径小30mm，内喷水沿轴向喷入钢管内孔中；③内喷水冷却10s后，冷却装置整体下沉，使钢管直径方向浸入水面以下300mm，钢管在内喷和浸入同时作用下继续冷却；④当钢管温度冷却到120℃～150℃时，冷却装置整体升起使钢管离开水面；⑤将淬水后的钢管输送至冷床处，利用余温自回火，降低淬火应力，避免裂纹；⑥经过5min～10min空冷后，把钢管输送至回火炉，加热到740℃保温100min，出炉空冷。
⑺矫直：回火后趁温，在400℃～500℃时，将钢管在线旋转矫直。
⑻性能检测：对生产的4140无缝钢管进行力学性能检验，检验数据见表2。
表2.4140无缝钢管性能检测结果
Figure BDA0003198694380000071
实施例2
本发明另一实施方式为：4140中厚壁无缝钢管，生产规格为φ216mm×35mm，化学成分如表3所示：
表3.φ216mm×35mm的4140无缝钢管成分化验数据/(质量百分数％)
Figure BDA0003198694380000072
中厚壁无缝钢管的生产方法，包括以下步骤：
⑴利用转炉冶炼+连铸生产4140坯料；
坯料冶炼为钢水先经转炉冶炼，C≥0.05％，P≤0.008％，出钢温度≥1640℃，到LF精炼炉温度≥1540℃。钢包入精炼位送电加热、加料、调渣，取样做全分析，调整钢液成分。精炼前期强化脱氧和脱硫，据渣况萤石调整用量≤1.5kg/t，白渣时间≥20min，并喂Al线，钢液温度1620℃～1670℃时，进行VD炉真空处理，真空度≤67Pa，真空保持20min～30min。破空后，搅拌1min～2min取样分析，喂硅钙线，Ca/Al：0.18，钢液温度在1520℃～1540℃时，连铸成直径600mm的圆管坯。
⑵坯料轧制，将直径600mm的圆管坯轧制成直径250mm圆坯料。
⑶圆坯料退火：对圆坯料进行退火，退火温度800℃，降低坯料硬，保温18h，随炉冷却到500℃以下出炉。
⑷圆坯料加热，在中径20m的环形加热炉，单排布料，布料角为2.5°，炉内压力保持微正压10Pa～22Pa，空燃比控制在10:1，加热时间1min～1.5min/mm，天然气加热到1220℃～1250℃；圆坯料在环形炉中加热到1220℃～1250℃，加热时间1min～1.5min/mm。
⑸轧制钢管：用Φ219mm新型狄塞尔热轧机组轧制出厚壁钢管：①穿孔机工序，毛管尺寸φ257mm×42mm；辊距是(85％～90％)×D坯，导板距是(1.06～1.15)×辊距，顶前压下率是4％～7％，轧辊电机转速是200～380rpm，扩径率在2％～10％，压缩比1.3～5.0；轧管机工序，导盘倍速比＝1.5～2.5，轧制速度是0.3m/s～0.45m/s，钢管减径量5mm～25mm，压缩比1.2～4.0。②轧管机工序，荒管尺寸φ236mm×35mm；③定径机工序，成品尺寸φ216mm×35mm。
⑹调质处理：①轧制后的无缝钢管在步进淬火炉中加热到880℃水为萃取冷却介质，保温105min，钢管完成保温后立刻出炉；②迅速将钢管输送到装满循环水的水池上方的旋转托轮上，托轮转速46rpm，钢管在拖轮的带动下旋转，此时打开布置在钢管一端的内喷水，内喷头比钢管内径小30mm，内喷水沿轴向喷入钢管内孔中；③内喷水冷却12s后，冷却装置整体下沉，使钢管直径方向浸入水面以下260mm，钢管在内喷和浸入同时作用下继续冷却；④当钢管温度冷却到100℃～130℃时，冷却装置整体升起使钢管离开水面；⑤将淬水后的钢管输送至冷床处，利用余温自回火，降低淬火应力，避免裂纹；⑥经过5min～10min空冷后，把钢管输送至回火炉，加热到610℃,保温170min，出炉空冷。
⑺矫直：回火后趁温，在400℃～450℃时，将钢管在线旋转矫直。
⑻性能检测：对生产的4140无缝钢管进行力学性能检验，检验数据见表4。
表4.4140无缝钢管性能检测结果
Figure BDA0003198694380000091
本发明与传统4140无缝钢管生产方法的主要区别是，热处理采用水淬代替油淬，避免了淬油容易着火冒烟，减少了清洗工序，避免了污染环境，提高了现场操作的安全性，钢管表面质量好，力学性能稳定，降低了生产成本。

Claims (9)

1.一种4140中厚壁无缝钢管，其特征是：所述无缝钢管用钢的成分按质量百分比为：C：0.38～0.43、Si：0.30～0.50、Mn：0.80～1.05、P：≤0.018、S：≤0.006、Cr：1.01～1.25、Ni：0.05～0.25、Mo：0.17～0.25、Ti：0.01～0.03、V：0.01～0.06、Al：0.01～0.05、N：0.008～0.025、Cu：≤0.25、O：≤0.0030、H：≤0.0003，其余为Fe和不可避免杂质；所述4140中厚壁无缝钢管的生产方法包括以下步骤：
⑴冶炼+连铸：利用转炉冶炼+连铸生产4140坯料；
⑵坯料轧制：将圆管坯轧制成圆坯料，坯料的压缩比3.0～15.0；
⑶圆坯料退火：对圆坯料进行退火，退火温度740℃～800℃，降低坯料硬度；
⑷圆坯料加热：在环形炉中用天然气加热到1220℃～1250℃；
⑸轧制钢管：用219mm新型狄塞尔热轧机组轧制出厚壁钢管，包括①穿孔机工序，扩径率在2％～10％，压缩比1.3～5.0；②轧管机工序，减径量5mm～25mm，压缩比1.2～4.0，③定径机工序，压缩比1.05～1.8；
⑹调质处理：调制处理包括，对步骤⑸轧制出的厚壁钢管进行淬火，淬火冷却介质为水，淬火温度为850℃～900℃，保温时间为50～120min；然后均匀加热到回火温度后进行回火，回火温度600℃～800℃，保温时间为80～200min；
⑺矫直：回火后趁温，在400℃～500℃时，将钢管在线旋转矫直。
2.根据权利要求1所述的4140中厚壁无缝钢管，其特征是：所述无缝钢管的外圆直径为φ100mm～φ273mm，壁厚为14mm～50mm。
3.根据权利要求1所述的4140中厚壁无缝钢管，其特征是：所述无缝钢管的性能为：抗拉强度≥670MPa，Rt0.5屈服强度560MPa～1000MPa，伸长率≥15％，-10℃的横向夏比V型缺口全尺寸冲击功≥40J。
4.根据权利要求1所述的4140中厚壁无缝钢管，其特征是：所述步骤⑴坯料冶炼为，钢水先经转炉冶炼，C≥0.05％，P≤0.008％，出钢温度≥1640℃，到LF精炼炉温度≥1540℃；钢包入精炼位送电加热、加料、调渣，取样做全分析，调整钢液成分；精炼前期强化脱氧和脱硫，据渣况萤石调整用量≤1.5kg/t，白渣时间≥20min，并喂Al线；钢液温度1620℃～1670℃时，进行VD炉真空处理，真空度≤67Pa，真空保持20min～30min；破空后，搅拌1min～2min取样分析，喂硅钙线，Ca/Al：0.14～0.25；钢液温度在1520℃～1540℃时，连铸成圆管坯。
5.根据权利要求1所述的4140中厚壁无缝钢管，其特征是：所述步骤⑶圆坯料退火的退火温度为740℃～800℃，保温12h～24h，随炉冷却到500℃以下出炉。
6.根据权利要求1所述的4140中厚壁无缝钢管，其特征是：所述步骤⑷圆坯料加热阶段，在中径20m的环形加热炉，单排布料，布料角为2.5°，炉内压力保持微正压10Pa～22Pa，空燃比控制在10:1，加热时间0.6min～2min/mm，天然气加热到1220℃～1250℃。
7.根据权利要求1所述的4140中厚壁无缝钢管，其特征是：所述步骤⑸钢管轧制阶段，用Φ219mm新型狄塞尔热轧机组轧制出厚壁钢管：在穿孔机工序，辊距为(85％～90％)×D坯，导板距为(1.06～1.15)×辊距，顶前压下率为4％～7％，轧辊电机转速是200～380rpm，扩径率为2％～10％，压缩比为1.3～5.0；轧管机工序，导盘倍速比＝1.5～2.5，轧制速度为0.3m/s～0.45m/s，钢管减径量为5mm～25mm，压缩比为1.2～4.0。
8.根据权利要求1所述的4140中厚壁无缝钢管，其特征是：所述步骤⑹调质处理阶段，①将钢管送入步进淬火炉中加热到850℃～900℃，完成保温后立刻出炉；②迅速将钢管输送到装满循环水的水池上方的旋转托轮上，托轮转速40rpm～55rpm，每对拖轮间距1.2m～1.5m，钢管在拖轮的带动下旋转，打开布置在钢管一端的内喷水，内喷头比钢管内径小20mm～30mm，内喷水沿轴向喷入钢管内孔中；③内喷水冷却6s～12s后，冷却装置整体下沉，使钢管直径方向浸入水面以下200mm～300mm，钢管在内喷和浸入同时作用下继续冷却；④当钢管温度冷却到90℃～150℃时，冷却装置整体升起使钢管离开水面；⑤将淬水后的钢管输送至冷床处，利用余温自回火，降低淬火应力，避免裂纹；⑥经过5min～10min空冷后，把钢管输送至回火炉，根据相应钢级性能进行回火处理。
9.根据权利要求1所述的4140中厚壁无缝钢管，其特征是：所述步骤⑺钢管矫直阶段，回火后趁温在400℃～500℃时，将钢管在线旋转矫直；如果矫直温度高于400℃，用压力矫直进行冷矫直，不再进行去应力退火；如果旋转矫直温度低于400℃，矫直后必须再次加热进行去应力退火，去应力退火最低温度为500℃，退火最高温度为回火温度减去40℃。
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