不銹鋼無縫管和焊管的生產工藝技術及熱處理設備

    隨著世界經濟的發展,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。世界上現有60多套擠壓機組,除少數用于型材擠壓外,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、多規格不銹鋼管的生產。擠壓機組還可以生產規格范圍較寬的鋼管,1套50MN(5000t)的擠壓機組可生產規格為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具體情況采用不同的生產工藝:小規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-冷拔聯合工藝。國外不銹鋼管的冷加工大多數采用冷軋-冷拔聯合工藝,并以冷軋為主、冷拔為輔的加工工藝。

現代冷軋管機可實現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格和控制外徑,可以滿足不同規格和品種的生產要求。冷軋-冷拔聯合生產工藝的優點是: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,節省了能源;可采用大規格荒管原料生產小規格鋼管,簡化原料規格種類。

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展。冷軋管機正向高速、長行程、環孔型、高精度的方向發展。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,軋管機往返次數增多;②采用環孔型,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,也有少數液壓冷拔管機。多線、高速、全自動是冷拔管機發展的方向。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展

目前,工業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、核工業和食品業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,國外一些企業研究開發了多種方法。其中,有由單電極單焊炬發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。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展的新趨勢。經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,整個焊接系統易實現自動化,這種組合易于與現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境的污染。根據目前世界發展的趨勢,光亮連續熱處理爐基本分為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。可配備對流冷卻系統,以便較快地冷卻鋼管。

(2)網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;配備對流冷卻系統還可進行快冷。可以使用氣體燃料或電加熱,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。可以經濟地使用保護氣體,加熱的熱源可為燃氣、油或電。應根據馬氏體、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節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,從多個環節把住質量關。這種組合探傷機組具有先進的處理系統,測得的信號全部數據化并經計算機處理儲存,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