不銹鋼無縫管和焊管的生產工藝技術及熱處理設備

    隨著世界經(jīng)濟的發(fā)展,對不銹鋼耐腐蝕性能要求逐漸提高,超低碳不銹鋼的使用越來越普及;另外,由于鎳資源緊缺,鎳價高漲,400系列不銹鋼、雙相不銹鋼和超級不銹鋼的迅速發(fā)展,因此不銹鋼的冶煉應采用二步法和三步法相結合的工藝。在生產普通含碳量不銹鋼時以二步法為主;在生產超低碳、氮不銹鋼時以三步法為主,以此提高不銹鋼的冶煉質量。

1無縫不銹鋼管生產工藝技術

（1）提高不銹鋼冶煉水平和采用連鑄管坯

目前,不銹鋼已基本采用連鑄化,連鑄機以立式和弧形為主。不銹鋼連鑄坯與傳統(tǒng)的鋼錠-軋坯相比,連鑄坯質量好,一火成材,金屬收得率提高了10%~15%,既節(jié)省了能源又降低了生產成本。

不銹鋼在澆注過程中有些合金元素極易氧化,易產生氧化物夾雜;另外,鋼水的粘度大,很容易造成水口堵塞。由于不銹鋼的凝固形態(tài)比較復雜,鋼水的導熱性差,連鑄坯易產生裂紋,因此對連鑄坯冷卻和拉坯的速度要求較嚴格;此外,由于采用各中間包加熱、無氧化保護澆注、電磁攪拌及液面自動控制等一系列新技術,因此使得連鑄坯的質量大大提高。對一些難澆注的鋼種,如含鈦不銹鋼、單相奧氏體不銹鋼和馬氏體不銹鋼等也能順利澆注,擴大了不銹鋼連鑄坯的鋼種范圍。

（2）生產不銹鋼無縫管主要采用熱擠壓工藝

隨著生產技術的發(fā)展,雖然一些熱軋鋼管機組也可以生產不銹鋼管,但是擠壓機組卻是世界上生產不銹鋼無縫管的主要機組。世界上現(xiàn)有60多套擠壓機組,除少數(shù)用于型材擠壓外,70%的機組用于生產鋼管,主要品種是不銹鋼管。與軋制(縱軋和斜軋)生產方法相比,擠壓法的特點是金屬變形過程中承受三向壓縮應力。在這種*佳應力狀態(tài)下,對于鋼號多、變形抗力大的不銹鋼管,可以獲得較好的變形、內外表面質量和金相組織。立式液壓穿孔工藝設備的改進,可使擠壓后的荒管壁厚偏差精度達到5%~7%。擠壓機工模具簡單,易于制造和更換,適合小批量、多規(guī)格不銹鋼管的生產。擠壓機組還可以生產規(guī)格范圍較寬的鋼管,1套50MN(5000t)的擠壓機組可生產規(guī)格為Φ25~245mm的鋼管,對市場需求的適應遠遠高于其他軋管機組。

采用擠壓法生產不銹鋼管的*大好處是可以直接使用連鑄坯作原料,產品質量穩(wěn)定,品種更換靈活,可以直接生產熱擠壓成品管,也可以生產各種異型斷面不銹鋼管。但擠壓法生產鋼管的缺點是成材率較低。為了提高成材率,國外生產企業(yè)改進了生產工藝。對于高要求的品種一般采用預鉆孔、液壓穿孔機擴孔和擠壓成管的生產工藝。對于一般要求的冷加工原料管可根據(jù)具體情況采用不同的生產工藝:小規(guī)格鋼管用實心坯料直接在立式液壓穿孔機上穿孔和擠壓成管;中等規(guī)格鋼管所用坯料盡可能預鉆小孔、立式液壓穿孔機擴孔和擠壓成管;大規(guī)格鋼管所用坯料預鉆較大的孔后,直接進入擠壓機擠壓成管。顯然,用擠壓法生產成品管和為冷加工提供荒管料,是目前國外熱加工不銹鋼管廣為采用的一種較為經(jīng)濟實用的生產方法。

隨著高速化、自動化、大噸位擠壓機的采用,以及玻璃潤滑劑、無氧化加熱、高強度高韌性熱作模具等相關技術的發(fā)展,用熱擠壓法生產不銹鋼無縫管,特別是生產難變形的不銹鋼管、高合金鋼管得到了迅速發(fā)展。而采用單一的二輥斜軋穿孔為冷加工提供荒管料的生產方法,國外已經(jīng)基本上不再采用。

（3）冷加工不銹鋼管采用冷軋為主、冷拔為輔的生產工藝

50%~80%的不銹鋼管需要通過冷加工制成成品。因此,冷加工工藝設備有了很大的發(fā)展。冷加工工藝基本上有3種,即冷拔工藝、冷軋工藝、冷軋-冷拔聯(lián)合工藝。國外不銹鋼管的冷加工大多數(shù)采用冷軋-冷拔聯(lián)合工藝,并以冷軋為主、冷拔為輔的加工工藝。

現(xiàn)代冷軋管機可實現(xiàn)不銹鋼管的大減壁量和大減徑量,80%的變形量可在冷軋管機上完成。采用冷軋定壁、輔以冷拔改變鋼管規(guī)格和控制外徑,可以滿足不同規(guī)格和品種的生產要求。冷軋-冷拔聯(lián)合生產工藝的優(yōu)點是:鋼管質量好,冷軋鋼管的壁厚精度和表面質量較高,冷拔鋼管的外徑精度較高;冷加工周期短,減少了中間脫脂、熱處理、縮口、矯直等工序及金屬消耗,節(jié)省了能源;可采用大規(guī)格荒管原料生產小規(guī)格鋼管,簡化原料規(guī)格種類。

目前,世界上冷軋和冷拔工藝技術和裝備水平有了很大的發(fā)展。冷軋管機正向高速、長行程、環(huán)孔型、高精度的方向發(fā)展。這種軋管機的特點如下:①采用慣性力和慣性扭矩垂直平衡機構,軋管機往返次數(shù)增多;②采用環(huán)孔型,軋塊長度比短行程軋管機長70%,軋制變形的均勻性提高、送進量增加;③采用長管坯,荒管原料長度可增加到12~15m,提高了軋管機利用率,軋制有效利用系數(shù)在0.80以上;④采用曲線型芯棒和*佳拋物面孔型,金屬變形合理,提高了工模具的使用壽命。

上述特點,使冷軋管機的生產能力和所生產的產品尺寸精度大大提高。生產不銹鋼管的冷拔管機結構上仍以鏈式冷拔管機為主,也有少數(shù)液壓冷拔管機。多線、高速、全自動是冷拔管機發(fā)展的方向。此外還有溫軋新技術,它是將冷軋前的不銹鋼管料通過一感應加熱裝置將其加熱到150~400℃后,再進行軋制。溫軋技術具有軋制力小、一次變形量大的優(yōu)點,對0Cr18Ni9Ti不銹鋼管進行2~3次溫軋,無需進行中間退火,總變形量可達98%。

2不銹鋼焊管生產工藝技術的發(fā)展

目前,工業(yè)上應用的不銹鋼焊接方法主要有鎢極氬弧焊(TIG)、高頻焊、等離子焊和激光焊等。幾種焊接方法各具特點,但使用*多的是氬弧焊和高頻焊。

(1)氬弧焊接技術

不銹鋼焊管要求熔深焊透,不含氧化物夾雜,熱影響區(qū)盡可能小。鎢極惰性氣體保護的氬弧焊具有較好的適應性,焊接質量高、焊透性能好,其產品在化工、核工業(yè)和食品業(yè)等領域中得到了廣泛使用。氬弧焊的不足之處是焊接速度不高。為了提高焊接速度,國外一些企業(yè)研究開發(fā)了多種方法。其中,有由單電極單焊炬發(fā)展成多電極多焊炬的焊接方法,20世紀70年代德國首先采用多焊炬沿焊縫方向直線排列,形成長形熱流分布,明顯提高焊速;有采用三電極焊炬的氬弧焊,焊接鋼管厚度S≥2mm,焊接速度比單焊炬提高3~4倍,焊接質量也得到改善。氬弧焊與等離子焊組合使用,可以焊接更大壁厚的鋼管。此外,在氬氣中使用5%~10%的氫氣,再采用高頻脈沖焊接電源,也可以提高焊接速度。多焊炬氬弧焊適用于焊接奧氏體和鐵素體不銹鋼管。

(2)高頻焊接技術

高頻焊用于碳鋼焊管生產已經(jīng)有40多年的歷史,用于焊接不銹鋼管還是較新的技術,其生產的經(jīng)濟性使其產品更為廣泛地用于建筑裝飾、家用器具和機械結構等行業(yè)。高頻焊接的電源功率較大,對不同材質、外徑、壁厚的鋼管都能達到較高的焊接速度。與氬弧焊相比,它的焊接速度是氬弧焊*高速度的10倍以上,因此,生產一般用途的不銹鋼管具有較高的生產率。因為高頻焊接的速度高,所以焊管內毛刺的去除較為困難。目前,高頻焊不銹鋼管尚不能被化工、核工業(yè)所接受,上述原因也是其中之一。高頻焊可以焊接各種類型的奧氏體不銹鋼管,同時,由于新鋼種的開發(fā)和成型焊接方法的進步,可以焊接鐵素體不銹鋼AISI409等鋼種。

(3)激光焊接技術

激光焊接技術是一種*新的焊接技術,焊接的鋼管焊縫非常小,焊接質量高,焊接速度快,適宜焊接高質量的不銹鋼管,德國、日本等國已采用這種技術(國內有些企業(yè)也在采用這種技術)。采用激光焊接技術可以生產高標準、高質量、高附加值的不銹鋼焊管,并且效果很好。

(4)組合焊接技術

不銹鋼焊管的各種焊接方法均有各自的優(yōu)點和不足。如何揚長避短,將幾種焊接方法加以組合形成新的焊接工藝,以及滿足人們對不銹鋼焊管的質量和生產效率的要**當前不銹鋼焊管技術發(fā)展的新趨勢。經(jīng)過近幾年的探索研究,組合焊接工藝已取得了進展,日本、法國等國的不銹鋼焊管生產已經(jīng)使用了一定的組合焊接技術。組合焊接方法有:氬弧焊+等離子焊、高頻焊+等離子焊、高頻預熱+三焊炬氬弧焊、高頻預熱+等離子焊+氬弧焊等。組合焊接能顯著提高焊速。采用高頻預熱組合焊接鋼管,焊管的焊縫質量與常規(guī)的氬弧焊、等離子焊的焊縫質量相當。高頻預熱的組合焊接操作簡單,整個焊接系統(tǒng)易實現(xiàn)自動化,這種組合易于與現(xiàn)有的高頻焊接設備銜接,投資成本低,效益好。

3采用保護氣體光亮連續(xù)熱處理爐

對不銹鋼管的熱處理,國外普遍采用帶保護氣體的無氧化連續(xù)熱處理爐進行中間熱處理和成品熱處理,鋼管可以獲得無氧化的光亮表面,因而取消了傳統(tǒng)的酸洗工序。采用這一熱處理工藝既改善了鋼管的質量,又避免了酸洗排放物對環(huán)境的污染。根據(jù)目前世界發(fā)展的趨勢,光亮連續(xù)熱處理爐基本分為3種類型。

(1)輥底式光亮熱處理爐

這種爐型適用于大規(guī)格、大批量的鋼管熱處理,小時產量為1.0t以上,可使用的保護氣體為高純度氫氣、分解氨及其他保護氣體?？膳鋫鋵α骼鋮s系統(tǒng),以便較快地冷卻鋼管。

(2)網(wǎng)帶式光亮熱處理爐這種爐型適合于小直徑薄壁精密鋼管,小時產量約0.3~1.0t,鋼管長度可達40m,也可以處理成卷的毛細管;配備對流冷卻系統(tǒng)還可進行快冷?？梢允褂脷怏w燃料或電加熱,各種保護氣體均適用。熱處理后的鋼管無劃傷,光亮度好。

(3)馬弗式光亮熱處理爐

鋼管置于連續(xù)的托架上,在馬弗管內進行加熱,能以較低的成本處理上等的小直徑厚壁管,小時產量在0.3t以上?？梢越?jīng)濟地使用保護氣體,加熱的熱源可為燃氣、油或電。應根據(jù)馬氏體、鐵素體、奧氏體和雙相不銹鋼的不同鋼種,選擇不同的熱處理爐型和工藝制度。

4配備現(xiàn)代化的精整設備,加強質量控制

不銹鋼管質量控制的重要環(huán)節(jié)是精整工序及其裝備設置,無損探傷是必不可少的質量檢測手段。無損探傷技術的進步使得更多的廠家采用渦流、超聲波組合探傷機組,在探傷機組中配備激光測徑、超聲波測厚裝置。生產廠在鋼管出廠前,從多個環(huán)節(jié)把住質量關。這種組合探傷機組具有先進的處理系統(tǒng),測得的信號全部數(shù)據(jù)化并經(jīng)計算機處理儲存,自動化程度和生產效率高。高精度矯直機、冷態(tài)推壓及旋壓縮口機、多頭(6~8頭)拋光機、全長標記裝置等,都是目前世界上廣為采用的高效率不銹鋼精整設備