專利名稱：一種采用鋼管連軋機組制造大口徑、高合金鋼無縫管材的新方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無縫鋼管的制造技術(shù)，尤其涉及大口徑、中厚壁、難 加工的高合金鋼高端無縫管材的制造技術(shù)。
背景技術(shù)：
鋼材具有良好的綜合使用性能，能夠在不同工況條件下承受所要 求的負載和具有所需的使用壽命周期，且工藝性能良好，是國民經(jīng)濟 建設(shè)不可或缺的重要基礎(chǔ)材料。 一般來說，把含碳量0. 02%-2%的碳鐵 合金稱為鋼，含碳量大于2%的碳鐵合金稱為鑄鐵。根據(jù)不同的劃分標 準，可以將鋼材劃分成不同的類別。按照鋼的化學成分可以分為碳素 鋼和合金鋼碳素鋼中的成分除了鐵和碳外，還含有在冶煉中難以除凈的少量 硅、錳、磷、硫、氧和氮等。根據(jù)含碳量大小，將碳素鋼分為低碳鋼 (含碳小于0.25%)、中碳鋼(含碳0.25% 0.6%)和高碳鋼(含碳大于 0. 6%)。合金鋼是特意加入或超過碳素鋼限量的合金元素的鋼，以便使其 具有一般碳素鋼不可能具備的強度、韌性、耐蝕性、耐磨性、耐熱性、 紅硬性等特殊性能。這些合金元素包括錳、硅、礬、鉻、鎳、鈦、釩 等。合金元素總含量小于5%為低合金鋼，5% 10%為中合金鋼，大于 10%為高合金鋼?？傮w上講鋼具有好的加工性能，但是隨著合金元素含量的提高， 合金鋼特別是高合金鋼一般情況下都表現(xiàn)為工藝塑性下降、變形溫 度區(qū)間變窄、脆性增大、變形抗力加大、從而使得加工難度越來越大，因此高合金鋼產(chǎn)品的加工難度更大，不但耗材、耗時、成本高，而且 質(zhì)量難以得到保證。尤其是高合金鋼無縫管材的加工成形， 一直是困 擾無縫鋼管制造業(yè)的難題之一。作為現(xiàn)代鋼管制造行業(yè)技術(shù)進步的重要特征之一，以PQF三輥 連軋機組為代表的鋼管連軋技術(shù)得到了令世人矚目的發(fā)展，并使之成 為一種高產(chǎn)能、高精度、高自動化水平的具有代表性的軋管機組。業(yè) 內(nèi)人士一直不無道理地認定這類鋼管連軋機組適合生產(chǎn)具有批量性 的各類中小直徑、中薄壁的專用管材，且采用連鑄坯生產(chǎn)碳素鋼、低 合金鋼管材的優(yōu)越性也十分顯著。此時，包括穿孔在內(nèi)的整個連軋生 產(chǎn)過程相當穩(wěn)定、工藝也很成熟。但是，面對各類高合金鋼，尤其是 中大口徑(外徑在O250mm以上)、中厚壁(徑壁比在25以下)的 高合金鋼高端管材，該類鋼管連軋機組卻遠未顯示出作為一種強變形 機組應(yīng)有的優(yōu)勢。其中一個原因是，其要直接采用連鑄坯經(jīng)過穿孔再 通過鋼管連軋機組來生產(chǎn)高合金鋼的高端管材，這在技術(shù)上尚存在不 少問題，有待進一步加以解決。采用鋼管連軋機組來制造無縫鋼管的現(xiàn)有工藝流程為 經(jīng)過爐外精煉的鋼水一連鑄一圓坯切斷一(加熱一鍛軋開坯)一 表面清理一加熱一熱定心、除鱗一穿孔一保證獲得延伸系數(shù)3-5的連 軋成形一再加熱一定減徑一冷卻一成品熱處理一后精整一成品。(如 圖l所示)。采用上述現(xiàn)有技術(shù)，在鋼管連軋機組上生產(chǎn)各類高合金鋼大口 徑、中厚壁高端管材，最大的局限來自于對連鑄坯的穿孔及其所用管 坯的質(zhì)量水平。一方面，高合金鋼連鑄坯本身的質(zhì)量須要提高和穩(wěn)定； 另一方面，穿孔也很難保證達到預(yù)期的質(zhì)量要求，因為合金鋼特別是 高合金鋼在穿孔過程極易在其中心部位形成孔腔即產(chǎn)生所謂的"曼內(nèi) 斯曼效應(yīng)"，從而留下種種表面的和內(nèi)在的缺陷。暴露型的孔腔在內(nèi) 壁則往往形成內(nèi)折疊缺陷，封閉型孔腔則易產(chǎn)生各類分層缺陷。這些 缺陷對于高端管材常常都被看作是致命性的。因此，對于大口徑的高 合金鋼高端無縫鋼管，"零穿孔缺陷"的制造工藝一直是鋼管界人士長期追求的一個目標。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明正是在上述背景技術(shù)條件下，經(jīng)過潛心研發(fā)得出的大口 徑、中厚壁、難變形的高合金鋼高端無縫鋼管生產(chǎn)的新工藝方法，具 體為-一種采用鋼管連軋機組制造高合金鋼高端無縫管材的新方法，包 括以下工藝步驟-第一步，經(jīng)爐外精煉的高合金鋼鋼水通過離心鑄造機離心鑄造成 空心管坯；第二步，將所述空心管坯的前端外表面加工成帶錐度的"咬入 頭"，并對所述空心管坯的內(nèi)外表面和所述前端的"咬入頭"進行機 加工和質(zhì)量檢查；第三步，對機加工和質(zhì)量檢查后的所述空心管坯進行加熱；第四步，對加熱后的所述空心管坯導(dǎo)入芯棒并在所述鋼管連軋機 組上進行連續(xù)軋制，制得壁厚、直徑和長度符合要求的管件；第五步，對所述管件進行定徑、冷卻、熱處理、精整，制得合格 的成品管材。其中，第一步所述的離心鑄造是在鑄型的旋轉(zhuǎn)軸線與水平夾角為 O度的臥式離心鑄造機上進行的，離心鑄造出的空心管坯為等壁厚的 兩端通透的空心管坯。在所述第二步中，將所述空心管坯的前端250mm長度外表面加工 成錐度為l: (1500 2000)/D的"咬入頭"，D為以毫米為單位的所述 管坯的直徑；第二步中所述的機加工是對離心鑄造成的所述空心管坯的內(nèi)外 表面及所述前端的"咬入頭"進行的切削加工。進一步，對所述空心管坯內(nèi)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。第三步所述的加熱采用聯(lián)合加熱法，即800。C以下采用爐內(nèi)燃氣 加熱，80(TC 120(TC采用感應(yīng)加熱。第四步所述的空心管坯導(dǎo)入芯棒并在所述鋼管連軋機組上進行 連續(xù)軋制時，總延伸系數(shù)大于等于3。進一步，所述鋼管連軋機組包括多架軋管機，所述鋼管連軋機組 中的第一架軋管機和第二架軋管機的軋輥孔型的寬高比為1.26 1.29。所述鋼管連軋機組的第一架軋管機、第二架軋管機和第三架軋管 機的變形量分別為18 22%， 22 26%， 24 28%，最后兩架軋管機的 變形量分別為O. 5 1. 0%和0. 3 0. 5%。第五步所述的精整包括根據(jù)需要對所述管件進行的機加工和矯直。采用本發(fā)明的上述加工方法，首次將高質(zhì)量的離心鑄造坯與技術(shù) 成熟、變形條件比較理想的鋼管連軋機組之間建立起了工藝上的聯(lián) 系，尤其適用用于生產(chǎn)大口徑、中厚壁、難加工的高合金鋼無縫管材， 形成了一種節(jié)能、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟而有別于傳統(tǒng)方法的生產(chǎn)高合金鋼無縫 鋼管的一種短流程生產(chǎn)新工藝。本發(fā)明的上述方法，相對于現(xiàn)有加工工藝具有以下優(yōu)點1、 采用本專利方法生產(chǎn)大口徑高合金鋼無縫管材，無需專門安 排容易出現(xiàn)多種缺陷的穿孔工步，并相應(yīng)地減少了熱定心以及再加熱 等步驟，縮短了工藝流程、降低了成本；2、 采用本專利方法，無需"穿孔"工步，真正實現(xiàn)了 "零穿孔 缺陷"，為在具有強變形能力的鋼管連軋機組上生產(chǎn)難變形、高精度 的高合金鋼高端管材奠定了基礎(chǔ)，提高了產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)品合格率；3、采用本專利的方法，還可以在加熱之前對空心管坯的質(zhì)量進 行檢查，合格后再投入后續(xù)的加熱和連軋工序，便于產(chǎn)成品質(zhì)量的控 制，有助于提高產(chǎn)品的合格率。而采用現(xiàn)有工藝則不能對穿孔后進入 下道連軋工序前的工件質(zhì)量進行檢測，從而很有可能導(dǎo)致質(zhì)量參差不 齊的工件均通過后續(xù)工序，導(dǎo)致產(chǎn)成品質(zhì)量難以得到有效控制；74、 采用本專利方法，無需專門安排容易出現(xiàn)多種缺陷的穿孔工 序，為生產(chǎn)變形溫度區(qū)間窄、抗力大的高合金鋼高端管材提供了更為 有利的溫度條件，并可減少至少一次再加熱環(huán)節(jié)和縮短加熱時間，可節(jié)約能源10%左右；5、 本專利方法是一種短流程的制管工藝，至少可以減少2-3個環(huán) 節(jié)，且不需要價格昂貴的大噸位的開坯設(shè)備，從而明顯降低制管車間 的設(shè)備投資和運行費用以及占地面積；6、 本專利方法由于采用組織致密、機械性能更好，氣孔、縮孔、 夾渣、粗大晶粒等缺陷更少的離心鑄造管坯，在變形條件相同的情況 下，本專利方法可以獲得表面質(zhì)量和綜合性能更為優(yōu)良的、可用于重 要場合的專用管材；7、 采用本專利方法，前端帶有小錐度"咬入頭"的空心坯將有 助于改善軋件的一次、二次咬入條件，能快速建立起穩(wěn)定的軋制過程。 這對加工溫度范圍較窄的高合金鋼管的生產(chǎn)十分有利，提高了整個機 組的變形能力；8、 采用本專利方法，管件在鋼管連軋機組上進行連續(xù)軋制的整 個過程，由于采用離心鑄的造空心坯使得加工過程變得極為平穩(wěn)、加 工后的尺寸精度高，且可降低切頭切尾的料耗。


圖1為現(xiàn)有技術(shù)的工藝流程框圖；圖2為本專利的工藝流程框圖；圖3為本專利一實施例的工藝流程框圖。
具體實施例方式如圖3所示，為本發(fā)明提供的采用鋼管連軋機組來生產(chǎn)O 273x28x8000mm難加工的lCrl8Ni9奧氏體不銹鋼無縫鋼管的一個實施 例，其工藝步驟為第一步，經(jīng)爐外精煉的lCrl8Ni9鋼水通過離心鑄造機將其澆鑄成 具有2130mm倍尺長的O402x94咖的空心管坯。該步驟中，所述爐外精 煉鋼水與現(xiàn)有技術(shù)相同，這里不再贅述；所述離心鑄造是在鑄型的旋 轉(zhuǎn)軸線與水平夾角為O度的臥式離心鑄造機上進行，離心鑄造出的空 心管坯為等壁厚的兩端通透的空心管坯。采用離心鑄造機可以方便 地、高質(zhì)量地加工出用于后續(xù)步驟使用的空心管坯，而不需要類似現(xiàn) 有技術(shù)對連鑄鋼錠的再開坯、熱定心和穿孔等，不但縮短了整個工藝 流程，而且真正實現(xiàn)了 "零穿孔"和"零穿孔缺陷"；而且，通過離 心鑄造獲得的管坯，內(nèi)部晶粒結(jié)構(gòu)更有利于后續(xù)步驟的軋制，可有效 保證后續(xù)的加工質(zhì)量和產(chǎn)成品管的質(zhì)量。至于離心鑄造機，已經(jīng)在鑄 鐵管生產(chǎn)領(lǐng)域得到了推廣和應(yīng)用，可以直接用于本專利，對其結(jié)構(gòu)和 原理這里也不再贅述。第二步，將所述空心管坯的前端250mm長度外表面加工成錐度為 1: 4.17的"咬入頭"，此時所述"咬入頭"的錐度范圍在l: 1500/D 2000/D之間選取，對于本實施例①400mm的管坯來說即可以在l: 3.75 5之間選取，本實施例優(yōu)選為l: 4.17;并對所述空心管坯的內(nèi) 外表面和所述前端"咬入頭"進行機加工和質(zhì)量檢査，對所述空心管 坯內(nèi)表面的切削厚度為5毫米，對所述空心管坯外表面的切削厚度為2 毫米，得到尺寸為①400x87x2130咖的管坯。該機加工步驟可以清除 空心管坯粗糙的內(nèi)外表層和析出的雜質(zhì)，并去除內(nèi)外表層上的裂紋、 氣泡等其它缺陷，保證空心管坯內(nèi)外表面的光潔度，可大大提高加工 后的產(chǎn)成品的質(zhì)量。所述的質(zhì)量檢査包括缺陷檢查，將存在質(zhì)量缺陷且經(jīng)修磨后仍不 符合要求的空心管坯排除出本申請所述工藝方法之外，這樣可以保證 后期用于連軋的空心管坯均是合格的坯料，可以提高成品質(zhì)量、減少 廢品的產(chǎn)生。第三步，對機加工和質(zhì)量檢查后的所述空心管坯進行加熱。加熱 采用聯(lián)合加熱法，即800。C以下采用爐內(nèi)燃氣加熱，800。C 1200。C采 用感應(yīng)加熱。第四步，對加熱后的所述空心管坯插入①215mm的芯棒并在鋼管 連軋機組上進行連續(xù)軋制，軋出尺寸為O273x28x8500mm的管件。為 此，設(shè)定所述鋼管連軋管機組中的第一架軋管機和第二架軋管機的軋 輥孔型寬高比分別為l. 26和1. 28;第一架軋管機、第二架軋管機和第 三架軋管機的變形量分別為20%， 23%, 24%;最后兩架軋管機的變形 量分別為O. 6%和0. 4%。在8-9架軋管機上完成整個連軋過程，總延伸 系數(shù)為4。第五步，對所述管件進行定徑、冷卻，使得成品的尺寸和公差符 合要求，再經(jīng)固溶熱處理、精整，然后切頭、切尾，最后制成O 273x28x8000mm的合格成品管材。所述精整包括根據(jù)需要對所述管件 進行的機加工和矯直，以滿足不同使用環(huán)境下的要求。本發(fā)明首先創(chuàng)造性地采用離心鑄造來制備空心管坯的上述生產(chǎn) 方法，特別適合于制造口徑在250毫米以上、徑壁比在25以下的大口 徑、中厚壁高端無縫高合金鋼管。如果管材的口徑過小，例如100毫 米以下，則很難體現(xiàn)離心鑄造坯的優(yōu)勢；壁厚過薄，連軋過程高合金 鋼管件溫降過大，變形抗力劇增，會影響到軋制過程的穩(wěn)定性。本發(fā)明上述實施例的詳細說明及附圖，目的是通過文字和圖示來 進行解釋，而不在于限定權(quán)利要求的保護范圍。在本申請說明書所述具體實施方式
上的各種變化，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說是顯而易 見的，并處于權(quán)利要求及其等同技術(shù)的保護范圍內(nèi)，任何不脫離本發(fā) 明權(quán)利要求的變更、修改均屬于本發(fā)明保護的內(nèi)容。
權(quán)利要求
1、一種采用鋼管連軋機組制造高合金鋼無縫管材的新方法，包括以下工藝步驟第一步，經(jīng)爐外精煉的高合金鋼鋼水通過離心鑄造機離心鑄造成空心管坯；第二步，將所述空心管坯的前端外表面加工成帶錐度的“咬入頭”，并對所述空心管坯的內(nèi)外表面和所述前端的“咬入頭”進行機加工和質(zhì)量檢查；第三步，對機加工和質(zhì)量檢查后的所述空心管坯進行加熱；第四步，對加熱后的所述空心管坯導(dǎo)入芯棒并在所述鋼管連軋機組上進行連續(xù)軋制，制得壁厚、直徑和長度符合要求的管件；第五步，對所述管件進行定徑、冷卻、熱處理、精整，制得合格的成品管材。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的新方法，其特征在于第一步所述的離 心鑄造是在鑄型的旋轉(zhuǎn)軸線與水平夾角為O度的臥式離心鑄造機上進 行的，離心鑄造出的空心管坯為等壁厚的兩端通透的空心管坯。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的新方法，其特征在于在所述第二步中， 將所述空心管坯的前端250mm長度外表面加工成錐度為l: (1500 2000)/D的"咬入頭"，D為以毫米為單位的所述管坯的直徑。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的新方法，其特征在于第二步中所述 的機加工是對離心鑄造成的所述空心管坯的內(nèi)外表面及所述前端的"咬入頭"進行的切削加工。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的新方法，其特征在于對所述空心管 坯內(nèi)表面的切削厚度不少于5毫米，對所述空心管坯外表面的切削厚 度不少于2毫米。
6 、根據(jù)權(quán)利要求l所述的新方法，其特征在于第三步所述的加熱采用聯(lián)合加熱法，即80(TC以下采用爐內(nèi)燃氣加熱，800°C 1200 "C采用感應(yīng)加熱。
7、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的新方法，其特征在于第四步所述的 空心管坯導(dǎo)入芯棒并在所述鋼管連軋機組上進行連續(xù)軋制時，總延伸 系數(shù)大于等于3。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的新方法，其特征在于所述鋼管連軋 機組包括多架軋管機，所述鋼管連軋機組中的第一架軋管機和第二架 軋管機的軋輥孔型的寬高比l. 26 1. 29。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的新方法，其特征在于所述鋼管連軋 機組的第一架軋管機、第二架軋管機和第三架軋管機的變形量分別為 18 22%, 22 26%， 24 28%，最后兩架軋管機的變形量分別為O. 5 1.0%和0. 3 0. 5%。
10、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的新方法，其特征在于第五步所述的 精整包括根據(jù)需要對所述管件進行的機加工和矯直。
全文摘要
一種采用鋼管連軋機組制造大口徑、高合金鋼無縫管材的新方法，包括如下工藝步驟爐外精煉的高合金鋼鋼水離心鑄造成空心管坯；將所述空心管坯的前端外表面加工成帶錐度的“咬入頭”，并對所述空心管坯的內(nèi)外表面和所述前端的“咬入頭”進行機加工和質(zhì)量檢查；對機加工和質(zhì)量檢查后的所述空心管坯進行加熱；對加熱后的所述空心管坯導(dǎo)入芯棒并在所述鋼管連軋機組上進行連續(xù)軋制，制得壁厚、直徑和長度符合要求的管件；對所述管件進行定徑、冷卻、熱處理、精整，制得合格的成品管材。該工藝方法縮短了工藝流程、降低了成本；無須穿孔步驟，提高了產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)品合格率；前端帶有小錐度“咬入頭”，有助于改善軋件的一次、二次咬入條件，能快速建立起穩(wěn)定的軋制過程，提高了整個機組的變形能力和軋制穩(wěn)定性。
文檔編號B22D13/00GK101579816SQ20091008730
公開日2009年11月18日 申請日期2009年6月17日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月17日
發(fā)明者劉懷文, 馬曉梅 申請人:劉懷文;馬曉梅