不锈钢无缝管和焊管的生产工艺技术及热处理设备
不锈钢无缝管和焊管的生产工艺技术及热处理设备
随着世界经济的发展,对不锈钢耐腐蚀性能要求逐渐提高,超低碳不锈钢的使用越来越普及;另外,由于镍资源紧缺,镍价高涨,400系列不锈钢、双相不锈钢和超级不锈钢的迅速发展,因此不锈钢的冶炼应采用二步法和三步法相结合的工艺。在生产普通含碳量不锈钢时以二步法为主;在生产超低碳、氮不锈钢时以三步法为主,以此提高不锈钢的冶炼质量。
1无缝不锈钢管生产工艺技术
（1）提高不锈钢冶炼水平和采用连铸管坯
目前,不锈钢已基本采用连铸化,连铸机以立式和弧形为主。不锈钢连铸坯与传统的钢锭-轧坯相比,连铸坯质量好,一火成材,金属收得率提高了10%~15%,既节省了能源又降低了生产成本。
不锈钢在浇注过程中有些合金元素极易氧化,易产生氧化物夹杂;另外,钢水的粘度大,很容易造成水口堵塞。由于不锈钢的凝固形态比较复杂,钢水的导热性差,连铸坯易产生裂纹,因此对连铸坯冷却和拉坯的速度要求较严格;此外,由于采用各中间包加热、无氧化保护浇注、电磁搅拌及液面自动控制等一系列新技术,因此使得连铸坯的质量大大提高。对一些难浇注的钢种,如含钛不锈钢、单相奥氏体不锈钢和马氏体不锈钢等也能顺利浇注,扩大了不锈钢连铸坯的钢种范围。
（2）生产不锈钢无缝管主要采用热挤压工艺
随着生产技术的发展,虽然一些热轧钢管机组也可以生产不锈钢管,但是挤压机组却是世界上生产不锈钢无缝管的主要机组。世界上现有60多套挤压机组,除少数用于型材挤压外,70%的机组用于生产钢管,主要品种是不锈钢管。与轧制(纵轧和斜轧)生产方法相比,挤压法的特点是金属变形过程中承受三向压缩应力。在这种*佳应力状态下,对于钢号多、变形抗力大的不锈钢管,可以获得较好的变形、内外表面质量和金相组织。立式液压穿孔工艺设备的改进,可使挤压后的荒管壁厚偏差精度达到5%~7%。挤压机工模具简单,易于制造和更换,适合小批量、多规格不锈钢管的生产。挤压机组还可以生产规格范围较宽的钢管,1套50MN(5000t)的挤压机组可生产规格为Φ25~245mm的钢管,对市场需求的适应远远高于其他轧管机组。
采用挤压法生产不锈钢管的*大好处是可以直接使用连铸坯作原料,产品质量稳定,品种更换灵活,可以直接生产热挤压成品管,也可以生产各种异型断面不锈钢管。但挤压法生产钢管的缺点是成材率较低。为了提高成材率,国外生产企业改进了生产工艺。对于高要求的品种一般采用预钻孔、液压穿孔机扩孔和挤压成管的生产工艺。对于一般要求的冷加工原料管可根据具体情况采用不同的生产工艺:小规格钢管用实心坯料直接在立式液压穿孔机上穿孔和挤压成管;中等规格钢管所用坯料尽可能预钻小孔、立式液压穿孔机扩孔和挤压成管;大规格钢管所用坯料预钻较大的孔后,直接进入挤压机挤压成管。显然,用挤压法生产成品管和为冷加工提供荒管料,是目前国外热加工不锈钢管广为采用的一种较为经济实用的生产方法。
随着高速化、自动化、大吨位挤压机的采用,以及玻璃润滑剂、无氧化加热、高强度高韧性热作模具等相关技术的发展,用热挤压法生产不锈钢无缝管,特别是生产难变形的不锈钢管、高合金钢管得到了迅速发展。而采用单一的二辊斜轧穿孔为冷加工提供荒管料的生产方法,国外已经基本上不再采用。
（3）冷加工不锈钢管采用冷轧为主、冷拔为辅的生产工艺
50%~80%的不锈钢管需要通过冷加工制成成品。因此,冷加工工艺设备有了很大的发展。冷加工工艺基本上有3种,即冷拔工艺、冷轧工艺、冷轧-冷拔联合工艺。国外不锈钢管的冷加工大多数采用冷轧-冷拔联合工艺,并以冷轧为主、冷拔为辅的加工工艺。
现代冷轧管机可实现不锈钢管的大减壁量和大减径量,80%的变形量可在冷轧管机上完成。采用冷轧定壁、辅以冷拔改变钢管规格和控制外径,可以满足不同规格和品种的生产要求。冷轧-冷拔联合生产工艺的优点是:钢管质量好,冷轧钢管的壁厚精度和表面质量较高,冷拔钢管的外径精度较高;冷加工周期短,减少了中间脱脂、热处理、缩口、矫直等工序及金属消耗,节省了能源;可采用大规格荒管原料生产小规格钢管,简化原料规格种类。
目前,世界上冷轧和冷拔工艺技术和装备水平有了很大的发展。冷轧管机正向高速、长行程、环孔型、高精度的方向发展。这种轧管机的特点如下:①采用惯性力和惯性扭矩垂直平衡机构,轧管机往返次数增多;②采用环孔型,轧块长度比短行程轧管机长70%,轧制变形的均匀性提高、送进量增加;③采用长管坯,荒管原料长度可增加到12~15m,提高了轧管机利用率,轧制有效利用系数在0.80以上;④采用曲线型芯棒和*佳抛物面孔型,金属变形合理,提高了工模具的使用寿命。
上述特点,使冷轧管机的生产能力和所生产的产品尺寸精度大大提高。生产不锈钢管的冷拔管机结构上仍以链式冷拔管机为主,也有少数液压冷拔管机。多线、高速、全自动是冷拔管机发展的方向。此外还有温轧新技术,它是将冷轧前的不锈钢管料通过一感应加热装置将其加热到150~400℃后,再进行轧制。温轧技术具有轧制力小、一次变形量大的优点,对0Cr18Ni9Ti不锈钢管进行2~3次温轧,无需进行中间退火,总变形量可达98%。
2不锈钢焊管生产工艺技术的发展
目前,工业上应用的不锈钢焊接方法主要有钨极氩弧焊(TIG)、高频焊、等离子焊和激光焊等。几种焊接方法各具特点,但使用*多的是氩弧焊和高频焊。
(1)氩弧焊接技术
不锈钢焊管要求熔深焊透,不含氧化物夹杂,热影响区尽可能小。钨极惰性气体保护的氩弧焊具有较好的适应性,焊接质量高、焊透性能好,其产品在化工、核工业和食品业等领域中得到了广泛使用。氩弧焊的不足之处是焊接速度不高。为了提高焊接速度,国外一些企业研究开发了多种方法。其中,有由单电极单焊炬发展成多电极多焊炬的焊接方法,20世纪70年代德国首先采用多焊炬沿焊缝方向直线排列,形成长形热流分布,明显提高焊速;有采用三电极焊炬的氩弧焊,焊接钢管厚度S≥2mm,焊接速度比单焊炬提高3~4倍,焊接质量也得到改善。氩弧焊与等离子焊组合使用,可以焊接更大壁厚的钢管。此外,在氩气中使用5%~10%的氢气,再采用高频脉冲焊接电源,也可以提高焊接速度。多焊炬氩弧焊适用于焊接奥氏体和铁素体不锈钢管。
(2)高频焊接技术
高频焊用于碳钢焊管生产已经有40多年的历史,用于焊接不锈钢管还是较新的技术,其生产的经济性使其产品更为广泛地用于建筑装饰、家用器具和机械结构等行业。高频焊接的电源功率较大,对不同材质、外径、壁厚的钢管都能达到较高的焊接速度。与氩弧焊相比,它的焊接速度是氩弧焊*高速度的10倍以上,因此,生产一般用途的不锈钢管具有较高的生产率。因为高频焊接的速度高,所以焊管内毛刺的去除较为困难。目前,高频焊不锈钢管尚不能被化工、核工业所接受,上述原因也是其中之一。高频焊可以焊接各种类型的奥氏体不锈钢管,同时,由于新钢种的开发和成型焊接方法的进步,可以焊接铁素体不锈钢AISI409等钢种。
(3)激光焊接技术
激光焊接技术是一种*新的焊接技术,焊接的钢管焊缝非常小,焊接质量高,焊接速度快,适宜焊接高质量的不锈钢管,德国、日本等国已采用这种技术(国内有些企业也在采用这种技术)。采用激光焊接技术可以生产高标准、高质量、高附加值的不锈钢焊管,并且效果很好。
(4)组合焊接技术
不锈钢焊管的各种焊接方法均有各自的优点和不足。如何扬长避短,将几种焊接方法加以组合形成新的焊接工艺,以及满足人们对不锈钢焊管的质量和生产效率的要**当前不锈钢焊管技术发展的新趋势。经过近几年的探索研究,组合焊接工艺已取得了进展,日本、法国等国的不锈钢焊管生产已经使用了一定的组合焊接技术。组合焊接方法有:氩弧焊+等离子焊、高频焊+等离子焊、高频预热+三焊炬氩弧焊、高频预热+等离子焊+氩弧焊等。组合焊接能显著提高焊速。采用高频预热组合焊接钢管,焊管的焊缝质量与常规的氩弧焊、等离子焊的焊缝质量相当。高频预热的组合焊接操作简单,整个焊接系统易实现自动化,这种组合易于与现有的高频焊接设备衔接,投资成本低,效益好。
3采用保护气体光亮连续热处理炉
对不锈钢管的热处理,国外普遍采用带保护气体的无氧化连续热处理炉进行中间热处理和成品热处理,钢管可以获得无氧化的光亮表面,因而取消了传统的酸洗工序。采用这一热处理工艺既改善了钢管的质量,又避免了酸洗排放物对环境的污染。根据目前世界发展的趋势,光亮连续热处理炉基本分为3种类型。
(1)辊底式光亮热处理炉
这种炉型适用于大规格、大批量的钢管热处理,小时产量为1.0t以上,可使用的保护气体为高纯度氢气、分解氨及其他保护气体。可配备对流冷却系统,以便较快地冷却钢管。
(2)网带式光亮热处理炉这种炉型适合于小直径薄壁精密钢管,小时产量约0.3~1.0t,钢管长度可达40m,也可以处理成卷的毛细管;配备对流冷却系统还可进行快冷。可以使用气体燃料或电加热,各种保护气体均适用。热处理后的钢管无划伤,光亮度好。
(3)马弗式光亮热处理炉
钢管置于连续的托架上,在马弗管内进行加热,能以较低的成本处理上等的小直径厚壁管,小时产量在0.3t以上。可以经济地使用保护气体,加热的热源可为燃气、油或电。应根据马氏体、铁素体、奥氏体和双相不锈钢的不同钢种,选择不同的热处理炉型和工艺制度。
4配备现代化的精整设备,加强质量控制
不锈钢管质量控制的重要环节是精整工序及其装备设置,无损探伤是必不可少的质量检测手段。无损探伤技术的进步使得更多的厂家采用涡流、超声波组合探伤机组,在探伤机组中配备激光测径、超声波测厚装置。生产厂在钢管出厂前,从多个环节把住质量关。这种组合探伤机组具有先进的处理系统,测得的信号全部数据化并经计算机处理储存,自动化程度和生产效率高。高精度矫直机、冷态推压及旋压缩口机、多头(6~8头)抛光机、全长标记装置等,都是目前世界上广为采用的高效率不锈钢精整设备