程志宏11.热处理doc

§11.5 钢管的热处理 钢管作为一种产品必须具备一定的性能才能满足使用条件的需求。改善钢的性能有两个途径，一是调整钢的化学成分，即合金化的方法；另一是热处理及热处理和塑性变形相结合的办法。在现代工业技术领域，热处理在改善钢的性能方面仍占据着主导地位。 1.钢管热处理的目的是： 1） 为使钢管组织均匀化 通过热处理可以消除原来钢管生产中产生的组织性能不均，达到所要求的均匀组织和物理性能。 2） 消除生产中留下的缺陷 如冷拔钢管加工后生产的硬化使强度提高1.3～1.6倍，延伸率相应降低了30～35％，继续冷加工就会拔断，因此需要中间退火以消除内应力；当热轧无缝钢管中残余应力较大，影响其抗腐蚀性能、抗击毁性能时也需要进行消除残余应力热处理。 3） 进一步提高钢管的质量 满足不同用户要求，但为了提高产品质量，适应高钢级用途，延长使用寿命，增加产品竞争力，也要进行热处理。 4） 简化工艺 同一种原料和加工方法，在控制不同的热处理条件下，可以生产出具有多种不同性能的产品，从而可使原料单一化。

钢管的种类繁多，并制定出了相应的标准，所使用的钢种千差万别，有时用户根据只身的需求还要增加附加条件。在标准中，作为交货条件之一的性能指标必须达到规定要求。钢管的性能主要指的是力学性能、物理性能、使用性能及工艺性能等。而热处理则通过加热、保温及冷却使钢获得一定的金相组织和与之相对应的各种性能，以满足产品标准及用户的要求。 2. 钢管热处理的种类和工艺 钢管热处理从生产过程角度可以分为二类，即为了满足产品使用性能要求的最终热处理及钢管制造过程中的工序间的热处理。依据热处理方式可以分为退火（包括完全退火、不完全退火、再结晶退火、常化）、淬火和调质几种。 完全退火可以细化晶粒，消除网状及魏氏组织；降低硬度；消除内应力。 不完全退火可以改善珠光体分布、散度、消除内应力，有防脱碳要求时采用缓慢的冷却速度（20～60℃/h）可得到球状珠光体。 再结晶退火能消除内应力，降低硬度，消除加工硬化，恢复塑性。 常化（在线常化）可提高低碳钢的切削能力，提高机械性能，细化奥氏体晶粒，消除网状碳化物。 淬火可提高材料的硬度和强度。 调质处理能消除内应力，提高材料的塑性和韧性，使材料既有高的强度和硬度又有良好的韧性，即可获得高水准的综合机械性能。 同其它产品一样，根据产品标准的技术条件要求，钢管使用不同的热处理工艺主（淬火、回火、正火、在线常化及退火等）。例如：石油专用管中的套管、油管、钻杆、管线管等，根据钢级的高低则相应采用正火、在线常化、正火加回火、淬火加回火（调质）的工艺；高压锅炉管、高压化肥管通常采用正火、正火加回火、淬火加回火（厚壁管）及奥氏体不锈钢管的固溶处理；轴承用钢管的球化退火等。工序间的热处理用于冷轧、冷拔钢管的生产过程中，通常采用再结晶退火、软化退火，目的在于消除冷作硬化效应，降低硬度、提高塑性以利于进一步冷变形工序得以实施。 制定热处理工艺首先应明确待处理的钢管执行的标准或者供货技术条件所规定的性能要求，确定采用哪一种工艺，即正火、淬火、回火及退火等。再根据钢管所使用的钢种确定工艺参数：如工艺温度、保温时间、冷却方式等。工艺参数应依据钢种的成分、物理性能、工艺性能及所使用的设备性能等多种因素来确定。对于一种新产品，应遵循实验室试验——生产试验——试生产——正常生产这样一种科学程序。 3. 钢管热处理生产线主体设备组成 钢管热处理生产线的设备选择应以产品大纲为依据，也就是说应根据钢管的品种、规格、产量等选择适用的设备。 （1）淬火炉，或者叫高温炉，用于对钢管进行加热以实现奥氏体化，炉型及技术参数的选择应与产品大纲相适应，产品大纲的主要内容为产量、品种、规格等。热处理生产线一般以步进式炉型为主，也可以采用其它炉型，如辊底式炉、感应加热炉等。 （2）冷却装置，主要是指淬火设备。钢管是一种空心的圆柱形产品，其长度为几米到十几米，在淬火过程中，如何将钢管变形控制在最小范围内应优先考虑。此外，正火冷却装置也很重要，适合于大批量且冷却均匀的装置是带有正、反向链的冷床。 （3）回火炉，或者叫低温炉，主要用于对淬火后的钢管进行回火，也可用于对钢管进行临界温度以下的其它处理工艺，如再结晶退火，去应力退火等。炉型应与淬火炉型一致，多以步进式炉型为主。 （4）定径机，为了保证钢管热处理后的几何尺寸精度，主要是外径和椭圆度，有的热处理线在回火后对钢管进行定径。定径机的选用与否应考虑以下因素；钢管的轧制精度、钢管淬火后的变形大小（椭圆度），如果轧制精度及椭圆度能够满足标准或下道工序的要求可以不设定径机。 （5）矫直机，热处理后的钢管必然产生变形，即弯曲和椭圆度增大，因此矫直工序必不可少。矫直机一般设在回火炉后，钢管出回火炉后即进行矫直，一般称之为“热矫”或“温矫”，这种带温度的矫直效果好，尤其是高强度产品。另外，有的产品对矫直温度有要求，如石油套管中的抗H2S腐蚀钢级不允许冷矫，对“热矫”则有最低矫直温度要求。 热处理生产线根据需要也可以设置冷矫直机，它可以进一步提高钢管的矫直效果，另外，可以对不经过回火炉的钢管进行矫直。 另外，钢管热处理后（淬火）有时在钢管端部发生弯曲，经斜辊矫直机矫直也不能完全消除，这样，就需要配备压力矫直机进行端部矫直。 （6）无损检测，产量高的钢管热处理生产线应配置在线无损检测设备，常用的检测方法为超声波，为了加强检测效果，也可以用其它的检测方法与之配合，如涡流探伤等。 （7）其它，热处理生产线除了主体设备外，还必须有附属装置与之配套，如冷床、收集链、运输辊道等，这些装置对生产组织及工艺的顺利执行十分重要。 适于钢管热处理的炉型主要有步进式、辊底式及感应加热式等，对大规模生产而言，采用步进式炉型较为合理，但投资大；辊底式及感应加热式炉型的产量较低，冷却方式及组成自动生产线受限制，但投资小。实际上，炉型的选择与钢管的品种、规格、产量及产品的技术条件要求密切相关。某些大规格的钢管因其产量低，也可以采用其它适用的炉型。 4. 钢管在步进式炉内加热的优点 步进式加热炉是钢管热处理生产线应用最多的炉型，它具有以下优点： （1）产量高，最高小时产量可达50吨以上。步进炉是一种连续生产的炉型，操作可以完全实现自动化，可处理的钢管尺寸范围也较宽。 （2）升温快，步进炉使用的是气体或液体燃料，对钢管的传热方式为对流及辐射；钢管在炉内呈“架空”状态均匀分布在布料梁（固定梁）上。 （3）钢管温度均匀，其出炉时全长温度均匀性可达到±5℃，这是由于钢管在炉内的布料梁上呈“架空”状态进行加热，而且钢管每前进一步可以转动一定的角度。 （4）变形小，由于钢管在炉内的加热方式较为理想，温度均匀，因此，钢管出炉时，无论是弯曲度还是椭圆度均较小，为淬火等冷却工序创造了条件。 （5）操作方便，可以实现生产的自动化，钢管在炉内的加热情况及烧嘴的工作状态便于观察，为及时调整创造了条件。 5. 钢管淬火及正火工艺的加热温度确定及操作 一般用“合金结构钢”制造的钢管可以进行淬火处理，如石油专用管中的套管、油管、钻杆、管线管；高压锅炉管、高压化肥管及用户要求具有较高综合力学性能的钢管等品种。 “合金结构钢”为亚共析钢，淬火及正火的加热温度也就是钢的奥氏体化温度，制定原则也是AC3＋30~50℃。但考虑到提高钢的淬透性及减少加热时间，采用较高温度为好，即AC3＋50℃作为钢管的奥氏体化温度。这里提到的温度是指钢管的实际温度，而热电偶在炉膛内的测温点多在钢管的上方，而在燃料炉的炉膛内，上部温度高于下部温度，为了保证钢管的实际温度达到预定要求，炉子的设定温度应略高于预定的奥氏体化温度。 步进式加热炉在炉子长度方向上一般分布有2~3排烧嘴，我们可称之为保温段、加热段，而每一段又分为几个区，每一区包括几个燃烧器（烧嘴）。为了提高加热效率，可以根据钢管的外径适当提高加热区的设定温度。 6. 钢管热处理线设高压水除鳞工序的优点 在钢的热加工工序过程中，钢件表面将随着加热温度的高低及时间的长短而产生不同程度的氧化，并形成厚度不同的氧化皮。为了提高钢管表面质量及尺寸精度，在钢管的热轧过程中，均采用高压水除鳞工序以去掉氧化皮。 在热处理加热过程中，同样也会在钢管表面形成氧化皮，增加高压水除鳞工序有以下优点： （1）同轧制工序一样，高压水除鳞工序可以显著改善钢管表面质量。 （2）钢管经除鳞清除氧化皮后，淬火时钢管冷却均匀、热量交换加快，可以起到减少钢管淬火变形、提高冷却速度之功效。 （3）钢管在热处理后的矫直过程中，钢管对矫直辊会产生很大的摩擦力，并造成辊型磨损，在钢管表面存在氧化皮的情况下会加快磨损过程，而除鳞就可以减轻辊型磨损。 （4）钢管热处理后均需进行无损检测，如果表面存在氧化皮将影响探伤效果，严重时探伤将无法进行，而除鳞工序则可避免这一情况的发生。 7.石油管材淬火加热、保温时间的确定 石油管材指的是套管、油管、管线管及钻杆，为了达到标准所要求的综合性能指标，其中较高强度的钢级均须进行调质处理，即淬火加回火。 这里的保温时间指的是钢管实际温度达到规定后的时间，我们知道，钢管加热达到奥氏体化温度后，将发生奥氏体的形核、长大及均匀化这一过程。石油管材用钢基本上是中、低碳的合金结构钢，钢管的有效厚度（壁厚）较薄且均匀，淬火加热时的保温时间无须过多，但至少要大于5分钟。保温时间的长短要根据钢中的合金元素种类及含量略作调整，例如，当钢中含有V、Nb、Mo等强碳化物形成元素时，应适当增加保温时间，以利于碳化物的溶解，以达到充分发挥合金元素的作用。而钢中含有非碳化物形成元素或弱碳化物形成元素时，如Ni、Si、Mn等，就没有必要过多地增加保温时间，否则将增加钢管的表面氧化，并影响表面质量。 对于管端加厚的产品，如钻杆、油管等，加厚处的壁厚远大于管体壁厚，在这种情况下，加热及保温时间应以加厚处的壁厚作为有效厚度进行考虑。 8. 石油管材的热处理主要质量指标