一种采用钢管连轧机组制造大口径、高合金钢无缝管材的新方法

摘要

一种采用钢管连轧机组制造大口径、高合金钢无缝管材的新方法，包括如下工艺步骤：炉外精炼的高合金钢钢水离心铸造成空心管坯；将所述空心管坯的前端外表面加工成带锥度的“咬入头”，并对所述空心管坯的内外表面和所述前端的“咬入头”进行机加工和质量检查；对机加工和质量检查后的所述空心管坯进行加热；对加热后的所述空心管坯导入芯棒并在所述钢管连轧机组上进行连续轧制，制得壁厚、直径和长度符合要求的管件；对所述管件进行定径、冷却、热处理、精整，制得合格的成品管材。该工艺方法缩短了工艺流程、降低了成本；无须穿孔步骤，提高了产品质量和产品合格率；前端带有小锥度“咬入头”，有助于改善轧件的一次、二次咬入条件，能快速建立起稳定的轧制过程，提高了整个机组的变形能力和轧制稳定性。

说明书

技术领域：

本发明涉及无缝钢管的制造技术，尤其涉及大口径、中厚壁、难加工的高合金钢高端无缝管材的制造技术。

背景技术：

钢材具有良好的综合使用性能，能够在不同工况条件下承受所要求的负载和具有所需的使用寿命周期，且工艺性能良好，是国民经济建设不可或缺的重要基础材料。一般来说，把含碳量0.02％-2％的碳铁合金称为钢，含碳量大于2％的碳铁合金称为铸铁。根据不同的划分标准，可以将钢材划分成不同的类别。按照钢的化学成分可以分为碳素钢和合金钢：

碳素钢中的成分除了铁和碳外，还含有在冶炼中难以除净的少量硅、锰、磷、硫、氧和氮等。根据含碳量大小，将碳素钢分为低碳钢(含碳小于0.25％)、中碳钢(含碳0.25％～0.6％)和高碳钢(含碳大于0.6％)。

合金钢是特意加入或超过碳素钢限量的合金元素的钢，以便使其具有一般碳素钢不可能具备的强度、韧性、耐蚀性、耐磨性、耐热性、红硬性等特殊性能。这些合金元素包括锰、硅、矾、铬、镍、钛、钒等。合金元素总含量小于5％为低合金钢，5％～10％为中合金钢，大于10％为高合金钢。

总体上讲钢具有好的加工性能，但是随着合金元素含量的提高，合金钢特别是高合金钢一般情况下都表现为：工艺塑性下降、变形温度区间变窄、脆性增大、变形抗力加大、从而使得加工难度越来越大，因此高合金钢产品的加工难度更大，不但耗材、耗时、成本高，而且质量难以得到保证。尤其是高合金钢无缝管材的加工成形，一直是困扰无缝钢管制造业的难题之一。

作为现代钢管制造行业技术进步的重要特征之一，以PQF三辊连轧机组为代表的钢管连轧技术得到了令世人瞩目的发展，并使之成为一种高产能、高精度、高自动化水平的具有代表性的轧管机组。业内人士一直不无道理地认定这类钢管连轧机组适合生产具有批量性的各类中小直径、中薄壁的专用管材，且采用连铸坯生产碳素钢、低合金钢管材的优越性也十分显著。此时，包括穿孔在内的整个连轧生产过程相当稳定、工艺也很成熟。但是，面对各类高合金钢，尤其是中大口径(外径在Φ250mm以上)、中厚壁(径壁比在25以下)的高合金钢高端管材，该类钢管连轧机组却远未显示出作为一种强变形机组应有的优势。其中一个原因是，其要直接采用连铸坯经过穿孔再通过钢管连轧机组来生产高合金钢的高端管材，这在技术上尚存在不少问题，有待进一步加以解决。

采用钢管连轧机组来制造无缝钢管的现有工艺流程为：

经过炉外精炼的钢水→连铸→圆坯切断→(加热→锻轧开坯)→表面清理→加热→热定心、除鳞→穿孔→保证获得延伸系数3-5的连轧成形→再加热→定减径→冷却→成品热处理→后精整→成品。(如图1所示)。

采用上述现有技术，在钢管连轧机组上生产各类高合金钢大口径、中厚壁高端管材，最大的局限来自于对连铸坯的穿孔及其所用管坯的质量水平。一方面，高合金钢连铸坯本身的质量须要提高和稳定；另一方面，穿孔也很难保证达到预期的质量要求，因为合金钢特别是高合金钢在穿孔过程极易在其中心部位形成孔腔即产生所谓的“曼内斯曼效应”，从而留下种种表面的和内在的缺陷。暴露型的孔腔在内壁则往往形成内折叠缺陷，封闭型孔腔则易产生各类分层缺陷。这些缺陷对于高端管材常常都被看作是致命性的。因此，对于大口径的高合金钢高端无缝钢管，“零穿孔缺陷”的制造工艺一直是钢管界人士长期追求的一个目标。

发明内容：

本发明正是在上述背景技术条件下，经过潜心研发得出的大口径、中厚壁、难变形的高合金钢高端无缝钢管生产的新工艺方法，具体为：

一种采用钢管连轧机组制造高合金钢高端无缝管材的新方法，包括以下工艺步骤：

第一步，经炉外精炼的高合金钢钢水通过离心铸造机离心铸造成空心管坯；

第二步，将所述空心管坯的前端外表面加工成带锥度的“咬入头”，并对所述空心管坯的内外表面和所述前端的“咬入头”进行机加工和质量检查；

第三步，对机加工和质量检查后的所述空心管坯进行加热；

第四步，对加热后的所述空心管坯导入芯棒并在所述钢管连轧机组上进行连续轧制，制得壁厚、直径和长度符合要求的管件；

第五步，对所述管件进行定径、冷却、热处理、精整，制得合格的成品管材。

其中，第一步所述的离心铸造是在铸型的旋转轴线与水平夹角为0度的卧式离心铸造机上进行的，离心铸造出的空心管坯为等壁厚的两端通透的空心管坯。

在所述第二步中，将所述空心管坯的前端250mm长度外表面加工成锥度为1∶(1500～2000)/D的“咬入头”，D为以毫米为单位的所述管坯的直径；

第二步中所述的机加工是对离心铸造成的所述空心管坯的内外表面及所述前端的“咬入头”进行的切削加工。

进一步，对所述空心管坯内表面的切削厚度不少于5毫米，所述空心管坯外表面的切削厚度不少于2毫米。

第三步所述的加热采用联合加热法，即800℃以下采用炉内燃气加热，800℃～1200℃采用感应加热。

第四步所述的空心管坯导入芯棒并在所述钢管连轧机组上进行连续轧制时，总延伸系数大于等于3。

进一步，所述钢管连轧机组包括多架轧管机，所述钢管连轧机组中的第一架轧管机和第二架轧管机的轧辊孔型的宽高比为1.26～1.29。

所述钢管连轧机组的第一架轧管机、第二架轧管机和第三架轧管机的变形量分别为18～22％，22～26％，24～28％，最后两架轧管机的变形量分别为0.5～1.0％和0.3～0.5％。

第五步所述的精整包括根据需要对所述管件进行的机加工和矫直。

采用本发明的上述加工方法，首次将高质量的离心铸造坯与技术成熟、变形条件比较理想的钢管连轧机组之间建立起了工艺上的联系，尤其适用用于生产大口径、中厚壁、难加工的高合金钢无缝管材，形成了一种节能、优质、经济而有别于传统方法的生产高合金钢无缝钢管的一种短流程生产新工艺。

本发明的上述方法，相对于现有加工工艺具有以下优点：

1、采用本专利方法生产大口径高合金钢无缝管材，无需专门安排容易出现多种缺陷的穿孔工步，并相应地减少了热定心以及再加热等步骤，缩短了工艺流程、降低了成本；

2、采用本专利方法，无需“穿孔”工步，真正实现了“零穿孔缺陷”，为在具有强变形能力的钢管连轧机组上生产难变形、高精度的高合金钢高端管材奠定了基础，提高了产品质量和产品合格率；

3、采用本专利的方法，还可以在加热之前对空心管坯的质量进行检查，合格后再投入后续的加热和连轧工序，便于产成品质量的控制，有助于提高产品的合格率。而采用现有工艺则不能对穿孔后进入下道连轧工序前的工件质量进行检测，从而很有可能导致质量参差不齐的工件均通过后续工序，导致产成品质量难以得到有效控制；

4、采用本专利方法，无需专门安排容易出现多种缺陷的穿孔工序，为生产变形温度区间窄、抗力大的高合金钢高端管材提供了更为有利的温度条件，并可减少至少一次再加热环节和缩短加热时间，可节约能源10％左右；

5、本专利方法是一种短流程的制管工艺，至少可以减少2-3个环节，且不需要价格昂贵的大吨位的开坯设备，从而明显降低制管车间的设备投资和运行费用以及占地面积；

6、本专利方法由于采用组织致密、机械性能更好，气孔、缩孔、夹渣、粗大晶粒等缺陷更少的离心铸造管坯，在变形条件相同的情况下，本专利方法可以获得表面质量和综合性能更为优良的、可用于重要场合的专用管材；

7、采用本专利方法，前端带有小锥度“咬入头”的空心坯将有助于改善轧件的一次、二次咬入条件，能快速建立起稳定的轧制过程。这对加工温度范围较窄的高合金钢管的生产十分有利，提高了整个机组的变形能力；

8、采用本专利方法，管件在钢管连轧机组上进行连续轧制的整个过程，由于采用离心铸的造空心坯使得加工过程变得极为平稳、加工后的尺寸精度高，且可降低切头切尾的料耗。

附图说明：

图1为现有技术的工艺流程框图；

图2为本专利的工艺流程框图；

图3为本专利一实施例的工艺流程框图。

具体实施方式：

如图3所示，为本发明提供的采用钢管连轧机组来生产Φ273x28x8000mm难加工的1Cr18Ni9奥氏体不锈钢无缝钢管的一个实施例，其工艺步骤为：

第一步，经炉外精炼的1Cr18Ni9钢水通过离心铸造机将其浇铸成具有2130mm倍尺长的Φ402x94mm的空心管坯。该步骤中，所述炉外精炼钢水与现有技术相同，这里不再赘述；所述离心铸造是在铸型的旋转轴线与水平夹角为0度的卧式离心铸造机上进行，离心铸造出的空心管坯为等壁厚的两端通透的空心管坯。采用离心铸造机可以方便地、高质量地加工出用于后续步骤使用的空心管坯，而不需要类似现有技术对连铸钢锭的再开坯、热定心和穿孔等，不但缩短了整个工艺流程，而且真正实现了“零穿孔”和“零穿孔缺陷”；而且，通过离心铸造获得的管坯，内部晶粒结构更有利于后续步骤的轧制，可有效保证后续的加工质量和产成品管的质量。至于离心铸造机，已经在铸铁管生产领域得到了推广和应用，可以直接用于本专利，对其结构和原理这里也不再赘述。

第二步，将所述空心管坯的前端250mm长度外表面加工成锥度为1∶4.17的“咬入头”，此时所述“咬入头”的锥度范围在1∶1500/D～2000/D之间选取，对于本实施例Φ400mm的管坯来说即可以在1∶3.75～5之间选取，本实施例优选为1∶4.17；并对所述空心管坯的内外表面和所述前端“咬入头”进行机加工和质量检查，对所述空心管坯内表面的切削厚度为5毫米，对所述空心管坯外表面的切削厚度为2毫米，得到尺寸为Φ400x87x2130mm的管坯。该机加工步骤可以清除空心管坯粗糙的内外表层和析出的杂质，并去除内外表层上的裂纹、气泡等其它缺陷，保证空心管坯内外表面的光洁度，可大大提高加工后的产成品的质量。

所述的质量检查包括缺陷检查，将存在质量缺陷且经修磨后仍不符合要求的空心管坯排除出本申请所述工艺方法之外，这样可以保证后期用于连轧的空心管坯均是合格的坯料，可以提高成品质量、减少废品的产生。

第三步，对机加工和质量检查后的所述空心管坯进行加热。加热采用联合加热法，即800℃以下采用炉内燃气加热，800℃～1200℃采用感应加热。

第四步，对加热后的所述空心管坯插入Φ215mm的芯棒并在钢管连轧机组上进行连续轧制，轧出尺寸为Φ273x28x8500mm的管件。为此，设定所述钢管连轧管机组中的第一架轧管机和第二架轧管机的轧辊孔型宽高比分别为1.26和1.28；第一架轧管机、第二架轧管机和第三架轧管机的变形量分别为20％，23％，24％；最后两架轧管机的变形量分别为0.6％和0.4％。在8-9架轧管机上完成整个连轧过程，总延伸系数为4。

第五步，对所述管件进行定径、冷却，使得成品的尺寸和公差符合要求，再经固溶热处理、精整，然后切头、切尾，最后制成Φ273x28x8000mm的合格成品管材。所述精整包括根据需要对所述管件进行的机加工和矫直，以满足不同使用环境下的要求。

本发明首先创造性地采用离心铸造来制备空心管坯的上述生产方法，特别适合于制造口径在250毫米以上、径壁比在25以下的大口径、中厚壁高端无缝高合金钢管。如果管材的口径过小，例如100毫米以下，则很难体现离心铸造坯的优势；壁厚过薄，连轧过程高合金钢管件温降过大，变形抗力剧增，会影响到轧制过程的稳定性。

本发明上述实施例的详细说明及附图，目的是通过文字和图示来进行解释，而不在于限定权利要求的保护范围。在本申请说明书所述具体实施方式上的各种变化，对于本领域普通技术人员来说是显而易见的，并处于权利要求及其等同技术的保护范围内，任何不脱离本发明权利要求的变更、修改均属于本发明保护的内容。