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摘要:

本文論述了鋼管進(jìn)行熱處理的原因及必要性，介紹了一種雙桿石油管體熱處理工藝的特點(diǎn)，通過實(shí)例給出了該工藝設(shè)備的組成及布置，為生產(chǎn)高鋼級鋼管提供了一種新的熱處理工藝。

關(guān)鍵詞:

雙桿;熱處理;噴淋系統(tǒng);窯爐

高鋼級鋼管的需求帶動(dòng)了細(xì)長鋼管熱處理的研究，要想取得高性能鋼管一般采用調(diào)質(zhì)(即淬火+高溫回火)工藝，調(diào)質(zhì)處理將大幅提高鋼管的強(qiáng)度、硬度、耐磨性、疲勞強(qiáng)度以及韌性等，從而滿足鋼管的使用要求。也可以通過熱處理滿足某些特種鋼管的鐵磁性、耐蝕性等特殊的物理、化學(xué)性能。目前市場上淬火爐、回火爐普遍采用步進(jìn)式，淬火采用“外淋+內(nèi)噴+旋轉(zhuǎn)”和“浸淬+內(nèi)噴+旋轉(zhuǎn)”兩種工藝，采用“外淋+內(nèi)噴+旋轉(zhuǎn)”工藝的外淋內(nèi)噴式淬火生產(chǎn)線適用于油井管、油套管、鉆桿的淬火，較利于薄壁鋼管的整體淬火;采用“浸淬+內(nèi)噴+旋轉(zhuǎn)”淬火工藝的浸淬式淬火生產(chǎn)線適用于壁厚比較大的高性能厚壁管的整體淬火。采用目前的熱處理工藝技術(shù)產(chǎn)品性能穩(wěn)定、設(shè)備生產(chǎn)率非常高。為了保證鋼管的加熱均勻性，淬火爐、回火爐都設(shè)計(jì)有進(jìn)料區(qū)、加熱區(qū)、保溫區(qū)和出料區(qū)，生產(chǎn)過程中考慮節(jié)能每個(gè)區(qū)都放置有鋼管，在進(jìn)爐輥道和出爐輥道的中心線之間勢必有一定的距離，而且鋼管規(guī)格越大、壁厚越厚距離也就越大。生產(chǎn)線中某一環(huán)節(jié)或設(shè)備一旦出現(xiàn)故障，爐內(nèi)的鋼管將處于一直加熱的狀況，不僅耗能而且影響產(chǎn)品的質(zhì)量，造成鋼管過燒、氧化皮加厚等缺陷，甚而造成鋼管的報(bào)廢。對于厚壁鋼管由于加熱工藝時(shí)間長，爐內(nèi)的鋼管數(shù)量就會增多，報(bào)廢鋼管的數(shù)量將會更多。針對生產(chǎn)率要求不高的厚壁管熱處理提出了中頻感應(yīng)加熱鋼管熱處理生產(chǎn)線，該生產(chǎn)線只能進(jìn)行單根熱處理。鋼管加熱采用中頻感應(yīng)加熱爐，加熱爐功率要求特別大，而運(yùn)行過程中還會影響電網(wǎng)及其他設(shè)備的運(yùn)行。

1產(chǎn)品大綱

1．1產(chǎn)品規(guī)格、品種及鋼種鋼管規(guī)格為:60．3～177．8mm;鋼管壁厚為:4．83～25．00mm;鋼管長度為:6000～12500mm;鋼管直度:＜1．0/1000mm。鋼管材質(zhì)為碳鋼、低合金鋼和合金鋼。常用材質(zhì)有:16Mn、25Mn、27SiMn、30CrMo等。

1．2生產(chǎn)能力最大生產(chǎn)能力:15t/h。

2淬火工藝確定

2．1外淋或浸淬式鋼管熱處理生產(chǎn)線外淋內(nèi)噴式鋼管熱處理生產(chǎn)線和浸淬式鋼管熱處理生產(chǎn)線的設(shè)備工藝流程見圖1所示。生產(chǎn)線中淬火爐、回火爐的結(jié)構(gòu)都采用了步進(jìn)梁式，單面加熱、多段供熱、鋼管側(cè)進(jìn)側(cè)出。該生產(chǎn)線的特點(diǎn)有:1)生產(chǎn)率高，最大生產(chǎn)能力可達(dá)45t/h;2)同時(shí)加熱鋼管的數(shù)量達(dá)二十根以上;3)鋼管整體加熱整體淬火，淬火后鋼管彎曲度比較小;4)淬火水系統(tǒng)比較龐大，淬火用水量超過3000m3/h;5)自動(dòng)化程度高。

2．2中頻感應(yīng)加熱鋼管熱處理生產(chǎn)線中頻感應(yīng)加熱鋼管熱處理生產(chǎn)線的設(shè)備工藝流程見圖2所示。生產(chǎn)線中淬火爐、回火爐都采用了中頻感應(yīng)加熱爐，淬火裝置采用了環(huán)形外淋淬火方式。該生產(chǎn)線的特點(diǎn)有:1)生產(chǎn)線單根加熱、單根熱處理，最大生產(chǎn)能力10t/h;2)鋼管隨時(shí)加熱隨時(shí)進(jìn)行熱處理;3)鋼管邊旋轉(zhuǎn)邊加熱，克服鋼管加熱的不均勻性;4)淬火水系統(tǒng)比較小，淬火用水量一般為400m3/h;5)生產(chǎn)線裝機(jī)功率比較大，接近1萬kW;6)自動(dòng)化程度高。以上工藝都難以滿足生產(chǎn)要求，考慮到節(jié)能、減排，我院提出采用窯爐雙根同時(shí)加熱、淬火環(huán)冷卻的淬火工藝。

3雙桿石油管體熱處理工藝

熱處理工藝采用淬火+高溫回火，淬火溫度為850～1100℃，回火溫度為550～800℃，淬火方式為環(huán)淬。兩臺加熱爐采用窯爐，燃燒介質(zhì)為天然氣，同時(shí)加熱兩根鋼管;淬火介質(zhì)選用工業(yè)水，水是冷卻能力較強(qiáng)的淬火介質(zhì)，來源廣、價(jià)格低、成分穩(wěn)定不易變質(zhì);淬火水在鋼管表面噴射均勻且有一定的角度，用于打散鋼管表面的蒸汽膜，增加鋼管的冷卻速度;淬火后設(shè)計(jì)有瀝水臺架，空干鋼管內(nèi)外的淬火水，防止淬火水進(jìn)入回火爐引起事故。雙桿石油管體熱處理生產(chǎn)線的設(shè)備工藝流程見圖3所示。生產(chǎn)線的設(shè)備工藝流程:天車將鋼管吊運(yùn)到入料裝置上→雙位淬火上料翻板→淬火輸送輥道→輥道快速運(yùn)行一定的時(shí)間→輥道慢速運(yùn)行→淬火窯爐→鋼管加熱到850～1100℃→高溫測溫儀檢測鋼管溫度組成閉環(huán)控制，調(diào)整淬火窯爐燃?xì)庾扉_口度→噴淋環(huán)淬火→低溫測溫儀檢測鋼管溫度，調(diào)整淬火水水量→淬火下料翻板→瀝水臺架→雙位回火上料翻板→回火輸送輥道→回火窯爐→鋼管加熱到550～780℃→高溫測溫儀檢測鋼管溫度組成閉環(huán)控制，調(diào)整回火窯爐燃?xì)庾扉_口度→回火下料翻板→出料冷床→后續(xù)工序。

4實(shí)施方案

4．1入料裝置入料裝置用于鋼管淬火加熱前的準(zhǔn)備和供料，主要由散捆裝置、斜臺架和擋料器等組成。斜臺架由型鋼焊接而成，具有一定的傾斜角度，以便于鋼管自由散開，斜臺架的端部設(shè)有擋料器，擋料器通過人工調(diào)節(jié)，適用于規(guī)格60．3～177．8mm的鋼管，滿足雙位淬火上料翻板每次翻送一根鋼管。散捆裝置由氣缸、軸和擋料臂等組成，用于存儲吊裝的待處理鋼管，氣缸動(dòng)作擋料臂放料，鋼管自由散開在斜臺架上。

4．2雙位淬火上料翻板雙位淬火上料翻板由氣缸驅(qū)動(dòng)，用于從入料裝置上單根取料，并同時(shí)將兩根鋼管放置在變頻淬火輸送輥道上。

4．3淬火輸送輥道淬火輸送輥道為變頻調(diào)速，每個(gè)輥道單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，其上都安裝有兩個(gè)V型輥?zhàn)樱逸伒琅c鋼管輸送方向成一定的角度(20°～25°)，使鋼管在輸送過程中產(chǎn)生自轉(zhuǎn)，這種自轉(zhuǎn)不僅可以保證鋼管均勻加熱，而且對鋼管有一定的熱矯直作用。淬火輸送輥道分為三組，分別為:進(jìn)料區(qū)輥道、加熱區(qū)輥道和出料區(qū)輥道，它們分別由多個(gè)輸送輥道組成，傳輸速度可單獨(dú)設(shè)定與控制。進(jìn)料區(qū)輥道和出料區(qū)輥道均為快速輥道。進(jìn)料區(qū)輥道主要作用是讓每根鋼管在進(jìn)入感應(yīng)器加熱區(qū)時(shí)，能夠首尾相接，從而保證鋼管頭部和尾部的加熱溫度均勻一致。出料區(qū)輥道也為快速輥道，主要是為了拉開每根鋼管間的距離。淬火輸送輥道傾斜1°布置，盡量減少鋼管在淬火時(shí)冷卻介質(zhì)的倒流，影響鋼管的淬火性能。為了減少鋼管在加熱及淬火時(shí)產(chǎn)生彎曲，淬火輸送輥道的間距設(shè)計(jì)為1．2～1．5m，同時(shí)在淬火區(qū)安裝上下交錯(cuò)的滾輪，提高鋼管淬火后的直線度。淬火輸送輥道的速度為2500～1000mm/min，其中:生產(chǎn)最大規(guī)格177．8mm×25mm的淬火速度為2500mm/min;最小規(guī)格60．3mm×4．83mm的淬火速度為10000mm/min;中間規(guī)格114．3mm×8．56mm的淬火速度為5500mm/min。

4．4淬火窯爐淬火窯爐部分由窯爐、燃?xì)庾熳詣?dòng)控制系統(tǒng)、排煙系統(tǒng)和雙色高溫測溫儀組成，通過測溫儀檢測鋼管的加熱溫度，自動(dòng)調(diào)節(jié)燃?xì)庾斓拈_口度，組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，滿足鋼管淬火溫度的要求。其主要參數(shù)如下:最高加熱溫度為1100℃;溫度誤差為±10℃;窯爐長度為57m;同時(shí)加熱根數(shù)為2根;燃燒介質(zhì)為天然氣;最大生產(chǎn)能力為15t/h。其它參數(shù)符合產(chǎn)品大綱要求。

4．5噴淋淬火系統(tǒng)噴淋淬火系統(tǒng)由水控制系統(tǒng)、環(huán)形噴淋裝置和供水系統(tǒng)組成。噴淋淬火系統(tǒng)布置在淬火窯爐之后，用于鋼管的快速冷卻，使鋼管內(nèi)部組織快速均勻完全淬透并變成馬氏體組織。

4．5．1水控制系統(tǒng)水控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)鋼管熱處理工藝的核心部件之一。鋼管淬火質(zhì)量的好壞取決于噴射水的時(shí)間、噴射量及噴射水的速度，因此必須選擇合理的工藝參數(shù)。水控制系統(tǒng)由一級管道、二級管道、流量計(jì)、壓力傳感器、溫度傳感器和電動(dòng)閘閥等組成，通過調(diào)節(jié)各冷卻區(qū)的一級管道與二級管道之間的閘閥，適應(yīng)不同直徑的鋼管對冷卻水量的需求，盡可能使二級管道內(nèi)形成均壓系統(tǒng)，使所有噴射管按設(shè)計(jì)流量噴出，滿足鋼管淬火工藝要求。在一級管道的適當(dāng)位置上裝有流量計(jì)、壓力傳感器、溫度傳感器，其測得的流量值、壓力值、溫度反饋給PLC，再通過PLC將流量值、壓力值、溫度值顯示在上位機(jī)上。根據(jù)PLC反饋的流量值、壓力值、溫度值和淬火工藝參數(shù)，通過電動(dòng)閘閥可以進(jìn)行在線調(diào)整，使工藝參數(shù)達(dá)到最佳值。

4．5．2環(huán)形噴淋裝置環(huán)形噴淋裝置由支架、環(huán)形冷卻圈、調(diào)整裝置、收集裝置和防水罩等組成，每組可單獨(dú)控制流量，便于調(diào)整淬火工藝。環(huán)形冷卻圈為不銹鋼材料制成，安裝有數(shù)百個(gè)噴嘴，噴水的方向與鋼管運(yùn)行方向呈20°～30°，以利于冷卻水與鋼管表面水接觸時(shí)間。噴嘴水流方向相對于周向投影，噴水方向?yàn)榻朴阡摴芡獗砻娴那芯€方向，從而起到高壓水流沖刷鋼管表面，防止在鋼管的外表面形成氣泡影響水冷效果。噴嘴是噴淋的核心工具，為配合噴淬工藝參數(shù)(如流量、壓力)，噴嘴采用硬質(zhì)合金(或不銹鋼)制造，設(shè)計(jì)為可拆卸形式，如有堵塞可以及時(shí)方便拆卸進(jìn)行更換或清洗。環(huán)形冷卻圈的出口處噴水方向與鋼管運(yùn)行方向呈150°～160°，形成水密封圈，防止水從出口流出，便于冷卻水的收集。環(huán)形噴淋裝置設(shè)有收集裝置和防水罩。在生產(chǎn)過程中淬火冷卻水只能從水箱下出口經(jīng)管道流入收集裝置。環(huán)形噴淋裝置的支架和調(diào)整裝置用于支撐調(diào)整環(huán)形冷卻圈。調(diào)整裝置主要用于調(diào)整環(huán)形冷卻圈與鋼管的同心度，使冷卻水360°均勻噴射，保證鋼管四周均勻冷卻。

4．5．3供水系統(tǒng)供水系統(tǒng)是提供噴淋冷卻用水的動(dòng)力源。由葉片泵、電動(dòng)碟閥、手動(dòng)碟閥、手動(dòng)閘閥及管道、法蘭等組成。淬火裝置供水系統(tǒng)選用側(cè)進(jìn)側(cè)出離心泵，共計(jì)兩臺水泵，其中一用一備，每臺水泵流量500m3/h，揚(yáng)程125m。

4．6淬火下料翻板淬火下料翻板由氣缸驅(qū)動(dòng)，用于將淬過火的鋼管從輥道上輸送到瀝水臺架上。

4．7瀝水臺架瀝水臺架包括臺架、吹氣裝置和擋料裝置。臺架由型鋼焊接而成，具有一定的傾斜角度，臺架的端部設(shè)有擋料器，可以根據(jù)不同的鋼管規(guī)格進(jìn)行調(diào)整，使雙位回火上料翻板單根取料。臺架設(shè)計(jì)為自然傾斜角度，使鋼管在擋料器處呈一定的角度，可以進(jìn)行自然空水。在空水臺架擋料器端設(shè)置吹氣裝置，在鋼管自然空水的同時(shí)，用壓縮空氣將鋼管內(nèi)的淬火水去除干凈。

4．8雙位回火上料翻板雙位回火上料翻板由氣缸驅(qū)動(dòng)，用于從瀝水臺架上單根取料，并同時(shí)將兩根鋼管放置在變頻回火輸送輥道上。

4．9回火輸送輥道回火輸送輥道為變頻調(diào)速，每個(gè)輥道單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，其上都安裝有兩個(gè)V型輥?zhàn)樱逸伒琅c鋼管輸送方向成一定的角度(20°～25°)，使鋼管在輸送過程中產(chǎn)生自轉(zhuǎn)，這種自轉(zhuǎn)不僅可以保證鋼管均勻性加熱，而且對鋼管有一定的熱矯直作用。回火輸送輥道與淬火輥道一樣亦分為三組，分別為:進(jìn)料區(qū)輥道、加熱區(qū)輥道和出料區(qū)輥道。為了減少鋼管在加熱時(shí)產(chǎn)生彎曲，回火輸送輥道之間的間距設(shè)計(jì)為1．2～1．5m。

4．10回火窯爐回火窯爐與淬火窯爐的結(jié)構(gòu)一致，也由窯爐、燃?xì)庾熳詣?dòng)控制系統(tǒng)、排煙系統(tǒng)和測溫儀組成，通過測溫儀檢測鋼管的加熱溫度，自動(dòng)調(diào)節(jié)燃?xì)庾斓拈_口度，組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，滿足鋼管回火溫度的要求。主要參數(shù):最高加熱溫度800℃;誤差±5℃;窯爐長度68m;同時(shí)加熱根數(shù)為2根;燃燒介質(zhì)為天然氣;最大生產(chǎn)能力為15t/h。其它參數(shù)符合產(chǎn)品大綱要求。

4．11回火下料翻板回火下料翻板用于將調(diào)質(zhì)后的鋼管從回火輥道上輸送到出料鏈床上。4．12氣動(dòng)控制系統(tǒng)生產(chǎn)線中有些動(dòng)作需要?dú)飧昨?qū)動(dòng)，所以設(shè)有氣動(dòng)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)由氣源、截止球閥、氣體三聯(lián)件、電磁氣閥、接頭和管路等組成。其中換向閥、三聯(lián)件、節(jié)流閥和消音器等都采用了法斯特系列產(chǎn)品。

4．13電氣控制系統(tǒng)電氣控制系統(tǒng)是雙桿石油管體熱處理生產(chǎn)線的管理和控制核心，主要由總電源柜、電機(jī)啟動(dòng)柜、PLC控制柜、主操作臺和工控機(jī)等組成。該系統(tǒng)選用了德國西門子公司的314c/2dp可編程控制器(PLC)，可對生產(chǎn)線進(jìn)行自動(dòng)控制、手動(dòng)控制和調(diào)整控制，同時(shí)可根據(jù)工藝要求對設(shè)備進(jìn)行連鎖保護(hù)。在滿足自動(dòng)程序運(yùn)行的條件下，啟動(dòng)自動(dòng)按鈕，設(shè)備將會按照設(shè)定程序完成生產(chǎn)線的整個(gè)動(dòng)作，并不斷運(yùn)行該循環(huán)程序，完成鋼管的調(diào)質(zhì)處理。

5結(jié)論

雙桿石油管體熱處理生產(chǎn)線克服了以往鋼管熱處理生產(chǎn)線的弊端，鋼管雙線運(yùn)行同時(shí)淬火，降低了生產(chǎn)成本，機(jī)械性能指標(biāo)可以達(dá)到API標(biāo)準(zhǔn)要求。

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作者：杜學(xué)斌 徐能惠 邵國棟 馬輝 高璐 衛(wèi)凌云 單位：中國重型機(jī)械研究院股份公司 金屬擠壓與鍛造裝備技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室