采用無縫鋼管加工121內(nèi)齒圈小批量試制總結(jié)報告

采用無縫鋼管加工ST121內(nèi)齒圈小批量試制總結(jié)報告

戴育淳

一.項目的背景與意義

目前我公司ST121內(nèi)齒圈的年產(chǎn)量達十萬件以上，市場競爭激烈，產(chǎn)品價格不斷下降，雖經(jīng)多方降成本，但可降空間已接近極限，產(chǎn)品無利可投。項目組將降成本方向從機械加工轉(zhuǎn)向齒坯生產(chǎn)方面。

ST內(nèi)齒圈傳統(tǒng)的毛坯生產(chǎn)工藝為：下料、加熱、鍛造（墩粗、沖孔、碾環(huán)）、正火。

ST內(nèi)齒圈試制毛坯生產(chǎn)工藝為：鋼管下料、正火。

若采用無縫鋼管直接下料，雖原材料費用有所增加，但可取消鍛坯工序，減少機加工余量,降低材料消耗，降成本效果顯著。

二.試制過程與效果

由技術(shù)工程牽頭，于4月25日成立項目組，走訪鋼材市場，簽訂技術(shù)協(xié)議，采購專用優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼管于5月26日進廠，并組織試生產(chǎn)。6月15日，經(jīng)過小批量試制，共入庫187件ST121內(nèi)齒圈。6月18日，第一次靜扭試驗，加載至4200N.M時,靜扭輔具失效.7月18日，第二次靜扭試驗，加載至28300N.M時均未有異常，已接近靜扭試驗機加載極限，最大靜扭矩完全符合使用要求。靜扭試驗證明，鋼管齒坯內(nèi)齒圈在承受靜扭矩載荷方面，完全可以滿足整個輪邊系統(tǒng)的要求，動載荷持續(xù)運轉(zhuǎn)壽命試驗因我廠無相關(guān)試驗設(shè)備而無法驗證。試制樣品發(fā)維修市場后，跟蹤其使用狀況，收集相關(guān)維修、損壞信息，確定其是否可完全代替鍛造齒坯內(nèi)齒圈發(fā)往主機廠使用。項目運行過程見下表：序號試制節(jié)點計劃工作內(nèi)容1、走訪鋼廠進行技術(shù)調(diào)研計劃完成時間5.5~5.10實際完成情況經(jīng)走訪多家鋼材廠，湖北大冶鋼材廠愿意為我廠提供相關(guān)規(guī)格的鋼管樣品初步分析鋼管內(nèi)齒圈可降低成本15~20元/件。購買合同簽訂順利。材料45#，規(guī)格φ273X28，長8m4根無縫鋼管運至鋼材庫。幾何尺寸符合要求，機械加工余量合適�；瘜W(xué)成分、金相、硬度等符合我廠要求。按單件99mm長下料，4根管材共下料齒坯248件。按鍛造齒坯相同參數(shù)進行正火。正火工序順利，無異常正火后硬度，金相組織符合后續(xù)機械加工工藝要求。在外協(xié)廠精車，未有車不起、車削困難等現(xiàn)象。實際完成時間責(zé)任部門5.8責(zé)任人1市場調(diào)研2、對鋼管加工內(nèi)齒圈進行成本對標(biāo)分析5.125.155.306.16.26.35.256.46.56.8開發(fā)部工程部戴育淳5.125.135.245.25質(zhì)量部5.305.305.206.46.56.8生產(chǎn)制造部李亞英萬德周海萬德精鍛周海李月喜2材料采購1、簽訂材料采購合同及相關(guān)技術(shù)協(xié)議2、材料按時到廠1、幾何尺寸檢驗采購部陳林強3鋼管驗收2、按GB相關(guān)規(guī)定進行成份及其它項次檢驗1、按工藝規(guī)范下料并驗收1、正火參數(shù)選擇4下料5正火2、正火3、硬度、金相檢驗1、外協(xié)齒坯加工6齒坯加工2、機械加工性能跟蹤7齒坯檢驗1、按工藝要求檢驗1、拉削6.96.10檢驗合格第一批次共187件精車坯試拉順利，未有拉削困難，打刀卡刀，拉爛齒等異�，F(xiàn)象。輪邊車間剩余61件齒部精度符合工藝要求，但表面粗糙度稍差。最大拉削力與鍛造齒坯相當(dāng)，在拉床工作安全范圍內(nèi)。拉刀磨損與鍛造齒坯相當(dāng)，未有大拉刀急劇磨損現(xiàn)象。材料，金相組織與鍛造齒坯相當(dāng)，按鍛造齒坯熱處理參數(shù)進行熱處理。熱處理后失圓、錐度在允許范圍內(nèi)，未有熱處理廢品。硬度，金相等要求符合工藝要求。187件成檢合格，2件用于靜扭試驗，其余185件已入庫。7月25日，第二批61件入庫6.96.11質(zhì)量部李月喜8齒部拉削2、產(chǎn)品拉削質(zhì)量檢測3、拉削力檢查4、大拉刀磨損檢查6.116.116.116.126.126.12工程部文貴華1、熱處理參數(shù)調(diào)整分析9熱處理6.36.1熱處理黃星星2、熱處理3、熱處理相關(guān)檢驗6.136.146.136.1410成檢1、按產(chǎn)品圖要求檢驗入庫6.156.15質(zhì)量部李月喜11靜扭試驗1、試驗所需工裝設(shè)計制造6.126.166.176.202、強度試驗11靜扭試驗3、與鍛造齒坯進行對比分析1、成本精確計算第一次試驗所用工裝強度不夠，加載至4200N.m時輔具損壞，第二次試驗，一件在18300N.m載荷下持續(xù)2分鐘，另一件加載至28300N.m均未有異常，已接近靜扭試驗機加載極限，最大靜扭矩完全符合使用要求。第一次試驗6.20第二次試驗7.20開發(fā)部工程部戴育淳黃桂良開發(fā)部工程部戴育淳黃桂良1、萬德精鍛現(xiàn)有帶鋸機床中只有1臺機床能加工直徑能達到φ238，鋸一件約9分鐘，下料將是制約產(chǎn)能的關(guān)鍵因素。2、未進行疲勞壽命試驗，大批量生產(chǎn)有一定質(zhì)量風(fēng)險。3、供應(yīng)商單一，原材料價格控制力差。12評審2、批量生產(chǎn)可行性分析6.20品控中心6.20楊鵬1314發(fā)維修市場1、發(fā)市場市場調(diào)研1、市場分析6.207.20銷售部開發(fā)部工程部楊召華戴育淳黃桂良三.總結(jié)與展望

1、機械加工性能方面，試制證明，無需調(diào)整現(xiàn)有機加工工藝，采用無縫鋼管生產(chǎn)ST121內(nèi)齒圈在我廠工藝水平上是可行的。若大批量生產(chǎn)，下料設(shè)備產(chǎn)能不足，需增購下料設(shè)備。

2、在成品質(zhì)量方面：幾何尺寸、硬度、金相等均符合產(chǎn)品圖要求。在承載能力上，鋼管齒坯ST121內(nèi)齒圈在試驗中靜載荷已加載至ST輪邊減速機構(gòu)要求的1.6倍以上，且未見損壞和明顯的塑性變形，與鍛造齒坯無明顯差別。

3、在動載荷持續(xù)運轉(zhuǎn)方面：因我廠無相關(guān)試驗設(shè)備進行動載荷持續(xù)運轉(zhuǎn)壽命試驗而無法驗證。產(chǎn)品的使用壽命、使用性能只有通過發(fā)往維修市場，并跟蹤客戶的使用情況方能確定。

4、降成本方面：本次所用無縫鋼管的規(guī)格為φ273x28,毛坯單件重量16.5kg,齒坯外圓加工余量6.25mm(單邊余量).在批量生產(chǎn)中,應(yīng)定購專用管材,規(guī)格為φ265x23,保證齒坯外圓及內(nèi)孔加工余量在1.25mm~2mm(單邊余量),端面加工余量在1.5mm,則鋼管內(nèi)齒圈材料消耗為:13.5kg可降低材料消耗2.5kg,節(jié)省鍛造費用16元,雖管材較棒料每噸貴800元左右,但每件可降低成本15元以上。

技術(shù)工程部201*年7月23日

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目錄

第一章鋼管生產(chǎn)概論1.1鋼管的分類1.2鋼管的技術(shù)要求1.2.1鋼管生產(chǎn)的技術(shù)依據(jù)1.2.2對鋼管的尺寸偏差的要求1.2.3對鋼管的長度要求1.2.4外形1.2.5重量

1.2.6不同用途的鋼管應(yīng)各有什么樣的技術(shù)條件

1.2.7我公司的主要產(chǎn)品管線管、油管和套管的主要技術(shù)要求1.2.8鋼管技術(shù)要求中常用術(shù)語1.3鋼管的主要生產(chǎn)方法第二章熱軋鋼管生產(chǎn)工藝流程2.1一般工藝流程2.1.1穿孔2.1.2軋管

2.1.3定減徑（包括張減）2.2各熱軋機組生產(chǎn)工藝過程特點2..2.1連續(xù)軋管機的幾種形式2.2.2三輥（斜）軋管機軋管2.2.3各機組的異同2.3軋鋼的幾種形式2.3.1縱軋2.3.2橫軋2.3.3斜軋

第三章管坯及管坯加熱3.1管坯準備3.1.1管坯庫3.1.2管坯上料3.1.3管坯鋸切3.2管坯加熱3.2.1環(huán)形爐簡述3.2.2爐子結(jié)構(gòu)及輔助設(shè)備

3.2.3環(huán)形爐自動化系統(tǒng)（資料不全待定）第四章穿孔

4.1二輥斜軋穿孔機及穿孔過程4.2斜軋穿孔運動學(xué)4.2.1兩輥穿孔機運動學(xué)

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4.3穿孔的咬入條件4.3.1一次咬入條件4.3.2二次咬入條件4.4孔腔形成機理4.5斜軋穿孔時的金屬變形4.5.1管坯受力情況4.5.2金屬變形4.6穿孔工具及設(shè)計4.6.1軋輥4.6.2導(dǎo)盤4.6.3導(dǎo)板4.6.4頂頭

4.7穿孔機調(diào)整參數(shù)確定4.8其他穿孔方法4.8.1壓力穿孔4.8.2推軋穿孔4.8.3斜軋穿孔4.9力能參數(shù)的計算4.9.1軋制力

4.9.2頂頭軸向力的確定4.9.3斜軋力矩計算4.10穿孔機的設(shè)備組成

4.10.1斜軋穿孔機的設(shè)備由哪幾部分組成?4.10.2主傳動的方式及特點?4.10.3管坯定心機的組成結(jié)構(gòu)?

4.10.4穿孔機機座（牌坊）有哪幾部分組成?4.10.5導(dǎo)盤調(diào)整方式有哪幾種?4.10.6三輥定心的作用和結(jié)構(gòu)?4.10.7頂桿的冷卻形式有哪些?4.10.8頂頭的使用方式有幾種？4.11常見工藝問題4.11.1內(nèi)折4.11.2前卡4.11.3中卡4.11.4后卡(鐮刀)4.11.5鏈帶4.11.6壁厚不均第五章毛管軋制

5.1限動芯棒連軋管機（MPM）5.1.1工藝描述

5.1.2MPM連軋管機的設(shè)備結(jié)構(gòu)、平面布置及相關(guān)技術(shù)參數(shù)5.1.3MPM連軋管機組的工作原理和工藝控制5.1.4主要設(shè)備及參數(shù)

目錄3

5.1.5MPM連軋管機軋制工具5.1.6MPM連軋機的孔型設(shè)計5.1.7連軋機組在線檢測系統(tǒng)5.1.8常見生產(chǎn)事故

5.2PQF連軋機組（PREMIUMQUALITYFINISHING）5.2.1概述5.2.2連軋工藝5.2.3PQF主機說明5.2.4脫管機說明5.2.5芯棒循環(huán)系統(tǒng)5.2.6工具準備與更換5.2.7常見質(zhì)量缺陷5.2.8連軋基本理論5.3新型ASSEL軋管機5.3.1主要工藝設(shè)備5.3.2主要調(diào)整參數(shù)5.4其他熱加工鋼管的延伸方法5.4.1自動軋管機軋管5.4.2Accu-Roll軋管機軋管5.4.3頂管機頂管5.4.4擠壓鋼管

5.4.5周期軋管機（皮爾格軋管機）軋管5.4.6熱擴鋼管

第六章鋼管的再加熱、定徑與減徑6.1鋼管空心軋制理論6.1.1張減速度制度原理6.1.2CARTAT系統(tǒng)介紹6.2定徑工藝6.2.1工藝描述

6.2.2定徑機的設(shè)備結(jié)構(gòu)、平面布置及相關(guān)技術(shù)參數(shù)6.2.3定徑機組的工作原理和工藝控制6.2.4操作及調(diào)整6.2.5常見事故處理方法6.2.6質(zhì)量缺陷及控制要點6.3張力減徑工藝6.3.1工藝概述

6.3.2設(shè)備參數(shù)及工藝數(shù)據(jù)介紹6.3.3質(zhì)量檢查6.3.4關(guān)于可調(diào)機架6.3.5軋制之前的現(xiàn)場檢查6.3.6工具的準備和更換過程6.3.7工藝控制參考第七章軋制表的編制

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7.1編制原則和程序7.1.1編制原則7.1.2編制軋制表的要求7.1.3編制軋制表的步驟7.1.4軋制表編制方法7.2編制方法7.3編制實例

第八章鋼管的冷卻和精整8.2軋管廠精整管排鋸8.2.1精整鋸切機組設(shè)備概述

8.2.2管排鋸的切割過程及工藝控制要點8.2.3常見切割缺陷的處理方法8.3軋管廠精整矯直機8.3.1精整矯直機組設(shè)備概述8.3.2矯直機相關(guān)參8.3.3矯直原理

8.3.4矯直機的矯直過程及工藝控制要點8.3.5常見矯直缺陷的處理方法8.3.6工具管理8.4熱處理8.4.1前言

8.4.2熱處理的定義和意義8.4.3熱處理基本原理8.5無損檢測8.5.1無損探傷概論8.5.2漏磁探傷8.5.3渦流（ET）檢測8.5.4磁粉檢測8.5.5電磁超聲8.6人工檢查8.6.1檢查程序

8.6.2熱軋無縫鋼管缺陷8.7鋼管的質(zhì)量保

8.7.1質(zhì)量保證的控制要點簡述8.7.2質(zhì)量控制點

8.7.3工藝文件的編制與執(zhí)行8.7.4其它第九章鋼管的試驗檢測9.1鋼管的力學(xué)性能9.1.1前言

9.1.2金屬材料的力學(xué)性能9.1.3管材工藝性能試驗

目錄5

9.2鋼中的各種組織和夾雜物9.2.1鋼中的各種組織簡介

9.2.2鋼中非金屬夾雜物含量的測定標(biāo)準評級圖顯微檢驗法9.2.3金屬平均晶粒度測定方法9.3.1直讀光譜儀9.3.2碳硫分析儀

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八章鋼管的冷卻和精整

8.1鋼管冷卻

鋼管經(jīng)定徑過后，將通過輥道運送到預(yù)精整區(qū)，精整線的首道工序就是冷卻，冷卻在冷床上進行。冷床的形式有鏈式冷床、齒條式冷床、螺旋式冷床、步進式冷床。我廠采用的是步進式冷床，這種冷床的特點：（1）冷卻均勻；

（2）鋼管表面的損傷少；

（3）管子可在同一齒內(nèi)旋轉(zhuǎn)，以獲得最大的直線度。

步進冷床的長度為58米，寬度34米，床面傾斜向下，傾角為2．78°。冷床沿寬度方向分四部分，每一部分各有一套提升和平移裝置。冷床的末端設(shè)有水冷裝置，以冷卻厚壁管，冷卻后管子的溫度低于80℃。

8.1.1冷床結(jié)構(gòu)組成：

1回轉(zhuǎn)臂移送機：

從定徑機出來的管子通過輥道運送到冷床前端，再通過回轉(zhuǎn)臂移鋼機將管子送到冷床上冷卻。2床身

冷床床身包括一個焊接鋼結(jié)構(gòu)的運動框架、一個焊接鋼結(jié)構(gòu)的固定框架、活動梁的提升、

移送裝置。運動框架、固定框架分別固定有齒條。步進梁的提升和平移過程如圖8-1所示，

圖8-1冷床結(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)升降驅(qū)動電機驅(qū)動偏心軸轉(zhuǎn)動時，通過連桿和拉桿使步進框架上、下運動，從而帶動步進

梁運動。因為偏心軸帶動的擺桿和活動框架是滾動接觸，這樣就可以保證活動梁在提升驅(qū)動

190天津鋼管集團無縫鋼管生產(chǎn)培訓(xùn)教材

過程中只有升降運動，而無平移運動。同樣當(dāng)橫移驅(qū)動電機驅(qū)動偏心軸轉(zhuǎn)動時，通過連桿使擺動機構(gòu)使運動框架水平移動。

鋼管在步進梁的齒條和固定梁的齒條上通過對電氣設(shè)備的控制將有兩種動作方式，如圖8-2。

圖8-2鋼管提升移送圖

為了說明鋼管的運動情況，現(xiàn)將兩種情況分解如下：

鋼管分步前送時，如圖8-3。在一個周期內(nèi)管子前移距離為四個步驟位移之和，為130+150+70+0＝350mm，等于一個齒形長。

圖8-3鋼管步進動作圖

鋼管在同一個齒形內(nèi)動作，如圖8-4。在一個周期內(nèi)管子前移距離為四個步驟位移之和，等于130+（一150）十20+0=0。

從上面的圖上可以知道，不論采用哪一種工藝方法，管子在冷床上將不斷地旋轉(zhuǎn)。以獲

第八章鋼管的冷卻和精整191

得良好的矯直度。

圖8-4鋼管原地動作圖

3臂式撥入機

鋼管經(jīng)過冷卻后，在冷床的末端斜蓖條上將通過兩臺臂式撥人機送到水冷槽的旋轉(zhuǎn)送料

器上。臂式撥入機用液壓缸操作。4水冷槽

如圖8-5所示，當(dāng)鋼管在冷床上已經(jīng)冷卻到低于80℃時，就無需進行水冷，這時鋼管經(jīng)旋轉(zhuǎn)送料器（如圖8-6）直接越過水冷槽。對于經(jīng)過冷床后未降到所需溫度的鋼管，將進入水槽冷卻。這時只需使送料器反方向旋轉(zhuǎn)即可。

192天津鋼管集團無縫鋼管生產(chǎn)培訓(xùn)教材

圖8-5冷床后鋼管水冷和下落機構(gòu)

圖8-6旋轉(zhuǎn)送料器

第八章鋼管的冷卻和精整193

此送料器可以兩個方向旋轉(zhuǎn)。送料器撥叉的頭上安裝有輥子，輥子和水槽底接觸以減

少摩擦。5鋼管下落機構(gòu)

為了使管子經(jīng)水冷后下降到去預(yù)精整鋸切的管排收集臺架上，在水冷槽的后面安裝有一套鋼管下落機構(gòu)，該機構(gòu)為易降式液壓杠桿系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖8-7所示：

圖8-7鋼管下落機構(gòu)

鋼管離開水槽將自行濃動到第一級下降機構(gòu)的固定梁上，然后被第一級下降機構(gòu)的活動梁接收，第一級下降機構(gòu)在液壓缸操作下使連桿帶動全部活動梁運動，將鋼管送到第二級下降機構(gòu)的固定梁上，然后通過同樣的動作方式將鋼管送至管排收集臺架上。鋼管被第一級下降機構(gòu)送到第二級下降機構(gòu)的固定梁的過程中，由于鋼管在長度方向上下降的高度不同，因而使鋼管傾斜，使管中殘留的水排出。但通過第二級下降機構(gòu)送至收集臺架時，由結(jié)構(gòu)決定使鋼管下降高度在長度方向恢復(fù)了平衡。這樣鋼管就可以很穩(wěn)定地進入精整鋸切區(qū)域。

8.1.2冷床的技術(shù)性能：

冷床型式：步進梁式長度：58米寬度：34米齒數(shù)：164個齒距：350毫米

步進梁間距：分三段。第一段（長5米）：500mm；

第二段（長21米）：1000mm；第三段（長32米）：201*mm。

起始2米齒條梁：用鑄鐵板步進梁傳動：電氣機械傳動管子出料：用易降式杠桿系統(tǒng)步進周期：約15sec

提升電機：4臺100KW1100rpm直流平移電機：4臺22KW1600rpm直流

194天津鋼管集團無縫鋼管生產(chǎn)培訓(xùn)教材

8.2軋管廠精整管排鋸

8.2.1精整鋸切機組設(shè)備概述

精整鋸切機組主要由四臺管排鋸及其輔助設(shè)備組成。目的是將定徑后經(jīng)過冷床冷卻的鋼管進行切頭尾、分段，使切后鋼管的定尺長度、管端質(zhì)量符合相關(guān)要求。精整管排鋸可切割鋼管規(guī)格為：外徑從Φ114.3～340mm；壁厚從4.5～40mm。

四臺管排鋸中有三臺為德國制造，型號為WAGNER1600R的圓盤冷鋸機，另一臺為奧地利制造，型號為KSA1600L的圓盤冷鋸機。輔助設(shè)備包括管排輥道、切頭尾擋板、定尺擋板、回轉(zhuǎn)臂、緩沖鏈等。8.2.1.1鋸切機組的基本構(gòu)成

鋸切機組主要由冷床及下料裝置、主機和輔助設(shè)備構(gòu)成

1冷床：為步進式，有冷卻均勻、鋼管表面損傷小，同時起到鋼管矯直的目的。

冷床末端設(shè)有水冷槽，當(dāng)鋼管溫度高時，可進入水冷槽中進行冷卻。

2下料裝置：為了使冷床末端的鋼管下降到管排收集臺架上，在冷床末端安裝有下料接料

叉，其向兩個方向傾斜。一是可以將鋼管順利地從接料臺架上滾到接料叉上，二是將鋼

管傾斜，把水冷后鋼管內(nèi)的水傾倒干凈。通過兩級接料叉將鋼管放到管排收集臺架上。

3主要設(shè)備參數(shù)1)冷床

冷床長：58m冷床寬：36m齒數(shù)：164個齒距：350mm冷床傾角：2.77°步進周期：20秒/支

生產(chǎn)能力：120支/小時Max130支/小時2)下料裝置

撥叉間距：3m撥叉數(shù)：11個下落高度：2m3)冷床動梁電機：

提升電機：4臺直流電機100KW1100rpm平移電機：4臺直流電機22KW1600rpm

4主機包括：鋸牌坊、鋸座、主傳動裝置、進給裝置、夾具、鋸片減震裝置、鋸片冷卻裝

置、鋸片清屑裝置等。

1)鋸牌坊：為支承鋸座的重要部分、框架結(jié)構(gòu)。底部與基礎(chǔ)固定，中間由銅板作為鋸座的

滑道。鋸座在鋸牌坊中間進行上下滑動。

2)鋸座：裝有鋸片主軸，內(nèi)部為齒輪傳動的減速機構(gòu)，其主要作用為將主電機的動力傳遞

到鋸片主軸上，驅(qū)動鋸片旋轉(zhuǎn)。

3)主傳動裝置：由主電機及鋸座內(nèi)的齒輪構(gòu)成，通過主電機、減速機使鋸片主軸達到一定

的轉(zhuǎn)速和扭距。

4)進給裝置：由進給電機帶動進給絲桿，使鋸座在牌坊的滑道中上下移動，完成鋸機進給

及返回動作，并由平衡液壓缸保持其進給的平衡穩(wěn)定性。

第八章鋼管的冷卻和精整195

5)夾具：由水平夾具、垂直夾具構(gòu)成。水平夾具和垂直夾具每臺鋸上共有三對（入口一對，出口兩對），分別由液壓缸帶動，可使管排保持在輥道正中，并對管排進行夾緊，使管

排在切割過程中不會移動、打轉(zhuǎn)。同時具有工位擴張功能，使鋸片在返回時鋸齒不會與鋼管端面接觸以保護鋸齒及鋼管端面的質(zhì)量。

6)鋸片減震裝置：在鋸座左右兩側(cè)各安裝一套減震裝置。主要由銅導(dǎo)板，位置調(diào)整裝置及

液壓缸組成。銅導(dǎo)板內(nèi)側(cè)有許多小孔，通有高壓風(fēng)，液壓裝置使銅導(dǎo)板在鋸機進給過程中靠近鋸片（約0.05mm）使內(nèi)外銅導(dǎo)板與鋸片之間形成一個氣墊，以達到鋸片減震的目的。鋸機返回時，液壓裝置使銅導(dǎo)板與鋸片分離。

7)鋸片冷卻裝置：由一個叉型的風(fēng)管組成，叉內(nèi)側(cè)開有很多小孔，高壓風(fēng)從中吹出，對鋸

片進行冷卻，冷卻空氣溫度可達－10℃。

8)鋸片清屑裝置：由電機帶動金屬傳送帶，將切割后的鋸屑運出。

5輔助裝置包括：管排輥道、氣動對中裝置、切頭尾小車及擋板、定尺裝置、回轉(zhuǎn)臂、緩

沖臺架等。1)管排輥道：由上百個輥道組成，輥道較寬（920mm），分別由電機帶動，以實現(xiàn)管排的

運輸。

2)氣動對中裝置：鋸機前后設(shè)有管排對中裝置，由氣動缸帶動一對夾子，將管排固定在輥

道的正中間，便于切割且可提高鋸口端面質(zhì)量。

3)切頭小車及擋板：在管排鋸出口處設(shè)有切頭小車，由電機帶動，齒輪傳動使切頭小車在

齒條上行走，小車下裝有升降擋板，使擋板可以在線、離線。小車行走約1000mm，即可使切頭長度在200~1200mm內(nèi)調(diào)整，由U31編碼器向上位機傳遞小車位置。

4)切尾小車及擋板：在管排鋸入口處設(shè)有切尾小車，由電機帶動，齒輪傳動使切頭小車在

齒條上行走，小車下裝有升降擋板，使擋板可以在線、離線。小車行走約1000mm，即可使切尾長度在200~1200mm內(nèi)調(diào)整。為了達到管頭下料目的，在切尾擋板上裝有推料液壓缸。由U31編碼器向上位機傳遞小車位置。

5)定尺裝置：在管排鋸后都裝有定尺裝置，其由液壓缸帶動升降擋板在線、離線。由另一

個液壓缸對定尺擋板位置進行鎖定。由電機帶動鋼絲繩拖動定尺擋板進行位置調(diào)整，擋板位置由U31編碼器向上位機上傳遞。定尺擋板的調(diào)整范圍為9米，即可把定尺長度控制在6~15米的長度范圍。定尺精度調(diào)整分精調(diào)和粗調(diào)兩種。鋼管主動切尾時實現(xiàn)粗調(diào)，精度為100mm，鋼管被動切尾時實現(xiàn)精調(diào)，精度為1mm。

6)回轉(zhuǎn)臂：由托盤及配重組成臂體，一根軸可連接多個臂體，達到橫移管排的目的。精整

鋸切區(qū)域共有8個回轉(zhuǎn)臂。

7)緩沖臺架：有鋼軌及鏈子組成，鏈子由鏈輪傳動，達到橫移鋼管及緩沖的目的。8)WVC1600R圓盤鋸機主要參數(shù)

鋸片直徑：1600mm盤體厚：9mm（硬質(zhì)合金鋸片）水平夾具開口度：100～1100mm垂直夾具開口度：70～380mm鋸機進給行程：580mm最大管排寬度：1050mm

鋸片速度：11～150m/min鋸片進給速度：50～1000mm/min水平夾具壓力：0.5～7Mpa水平夾具夾緊力：6300～85000N垂直夾具壓力：1～7Mpa

垂直夾具夾緊力：3500～27500N

196天津鋼管集團無縫鋼管生產(chǎn)培訓(xùn)教材

鋸片驅(qū)動電機：130KW1500rpm鋸片進給電機：12KW1468rpm液壓泵電機：18.5KW1500rpm冷卻空氣壓力：0.6MPa9)KSA1600L的圓盤鋸機

鋸片直徑：1600mm厚：8.1mm

水平夾具開口寬：110～1050mm垂直夾具開口高：110～420mm鋸片速度：max250m/min鋸片送進速度：10～1500mm/min快速返回速度：7000mm/min夾具壓力：max100bar最大管排寬度：1000mm

所有設(shè)備的動作，都可由操作臺上控制面板上的操作按鈕實現(xiàn)。操作面板可實現(xiàn)鋼管鋸

切全過程自動控制（自動），部分設(shè)備的自動控制（半自動），單體設(shè)備的動作控制（手動）。

8.2.2管排鋸的切割過程及工藝控制要點

8.2.2.1管排鋸的切割過程

1管排在擋板處撞齊后（切頭、切尾、定尺），擋板離線。

2氣動對中裝置動作，將管排固定在管排輥道正中。3鋸屑板下降，鋸主機前后升降輥道下降到低位。4垂直夾緊預(yù)夾緊。

5水平夾具夾緊，達到設(shè)定壓力要求。6垂直夾緊二次夾緊，達到設(shè)定壓力要求。

7鋸片快速進給至轉(zhuǎn)換點后，轉(zhuǎn)換成設(shè)定的工作進給速度。

8鋸片對管排進行切割，到達鋸片行程設(shè)定點后，管排被完全切斷。9出口夾具工位擴張打開，鋸片主軸向外伸出3，鋸片減震器打開。10鋸片快速返回到位。11鋸片主軸3返回

12水平夾具打開后垂直夾具打開。13夾具工位擴張返回。

14鋸屑板及鋸主機前后升降輥道返回到高位。8.2.2.2管排鋸工藝控制要點

1鋼管切割溫度

定徑后，鋼管經(jīng)過冷床冷卻，一些壁厚較厚及生產(chǎn)節(jié)奏較快的鋼管，在到達冷床末端時，管體溫度仍在80攝氏度以上（尤其是夏季），這時，鋼管就必須進行水冷，以便于進行鋸切。2鋼管的成排收集

因管排輥道的寬度及鋸機水平夾具寬度（最大1100mm）原因，收集后的管排寬度不應(yīng)超過1050mm（KSA1600L的圓盤鋸機管排最大寬度不能超過1000mm）

每排管最大支數(shù)見表8-1。

第八章鋼管的冷卻和精整197

表8-1

外徑（mm）≤120支數(shù)7≤1406≤1955≤2504≤3003≤344.12否則，鋼管最大寬度超過標(biāo)準，一是管排運行時會撞壞鋸機夾具，二是管排在輥道

上不能正常運行。

3鋸切參數(shù)的設(shè)定

根據(jù)被切鋼管的規(guī)格、材質(zhì)設(shè)定相應(yīng)的鋸切參數(shù)。鋸切參數(shù)主要包括：鋸片速度（鋸片線速度）、鋸片單齒切屑量、鋸片齒數(shù)還包括鋸機夾具壓力。具體參數(shù)的設(shè)定，參照表8-2。

表8-2

鋼管壁厚S（mm）S<1010≤S≤1616

鋸切速度：V1=m/min

1000

式中：D：鋸片直徑

n：鋸片轉(zhuǎn)速

1000S/ZV1

進給速度：V1==（S/Z）.Z.N

T

式中：S/Z：單齒切屑量

Z：齒數(shù)T：齒節(jié)數(shù)

4夾具壓力的調(diào)整

為防止鋼管切割后，由于鋸機夾具壓力過大，造成管端橢圓度超標(biāo)，可根據(jù)被切鋼管的徑壁比和材質(zhì)，選擇夾具壓力。夾具壓力分P1、P2、P3（夾具夾緊時的壓力）和保壓（二次夾緊后切割時的壓力）。一般壓力調(diào)整為：P1約為30~35bar、P2約為45~50bar、P3約為65~70bar。保壓調(diào)整為25~30bar。徑壁比大于30的選擇P1壓力，22~30的選擇P2壓力，22以上的選擇P3壓力。5切頭尾長度調(diào)整

根據(jù)鋼管壁厚的情況，選擇鋼管的切頭尾長度，以保證切后管端壁厚在標(biāo)準范圍內(nèi)，并保證鋼管頭尾切割長度最短。此項工作可在操作臺的上位機上實現(xiàn)。切頭尾長度設(shè)定范圍必須在200mm~1200mm之間。6定尺長度的調(diào)整

根據(jù)生產(chǎn)合同計劃，調(diào)整鋼管切割定尺長度。使切后定尺長度滿足合同要求。并使鋼管定尺長度在規(guī)定范圍內(nèi)得以優(yōu)化切割。定尺長度要求范圍在500mm以外的，鋸機可采用主動切尾方式，即最后一倍尺長度差與來料長度差相同（都在定尺長度規(guī)定范圍內(nèi)），定尺長度要求在500mm以內(nèi)的，可采用被動切尾方式，即所有倍尺長度均相同。鋼管定尺長度的調(diào)整及倍尺數(shù)，可由位于操作臺上的上位機來實現(xiàn)。

198天津鋼管集團無縫鋼管生產(chǎn)培訓(xùn)教材

7管端質(zhì)量的控制

切后鋼管斷面平面度、切斜度及幾何尺寸要在控制標(biāo)準范圍內(nèi)。

8.2.3常見切割缺陷的處理方法

8.2.3.1定尺長度超標(biāo)。1原因分析：

1)定尺長度實際數(shù)值與OIS顯示數(shù)值不符。

2)定尺鎖緊裝置失靈，鋼管在撞齊時，定尺擋板后移。3)來料鋼管長度差超標(biāo)。2處理方法：

1)調(diào)整U31編碼器，使定尺長度實際數(shù)值與OIS顯示數(shù)值相符。2)檢查鎖緊裝置，調(diào)整傳感元件位置，使定尺裝置正常鎖緊。3)調(diào)整定尺長度在標(biāo)準范圍內(nèi)，采取被動切尾方式。8.2.3.2鋸口斷面出現(xiàn)凸棱。

1原因分析：

1)鋸片有打齒現(xiàn)象或端跳變大。2)鋸片齒寬差超標(biāo)。

3)鋸片穩(wěn)定器調(diào)整不適當(dāng)與鋸片間隙過大或過小。4)鋸切參數(shù)設(shè)定不合理。2處理方法：1)更換鋸片。

2)調(diào)整穩(wěn)定器與鋸片間隙在0.1mm左右。3)適當(dāng)更改鋸切參數(shù)。8.2.3.3鋸口斷面切斜。

1原因分析：

1)鋸片端跳過大。

2)鋸片切割面積過大，鋸齒變鈍。2處理方法：1)更換鋸片。

2)調(diào)整穩(wěn)定器與鋸片間隙在0.1mm左右。3)更改鋸機切割參數(shù)。8.2.3.4鋸口橢圓度超標(biāo)。

1原因分析：鋸機夾具壓力過大。

2處理方法：根據(jù)被切鋼管材質(zhì)和徑壁比，采取相應(yīng)的壓力值。8.2.3.5鋸口斷面粘有長條鋸屑。1原因分析：

1)鋸片進給行程不夠。2)鋸片鋸齒變鈍。2處理方法：

第八章鋼管的冷卻和精整199

1)調(diào)整鋸切行程。2)更換鋸片。

8.3軋管廠精整矯直機

8.3.1精整矯直機組設(shè)備概述

軋管廠精整作業(yè)區(qū)生產(chǎn)線上安裝有兩臺矯直機，主要作用是對來料鋼管進行矯直，消除

鋼管在軋制、運輸、熱處理和冷卻過程中產(chǎn)生的彎曲，使鋼管直度符合相關(guān)要求，同時起到對鋼管歸圓的作用，保證管端及鋼管外表面質(zhì)量。

矯直機是由意大利1NCE公司制造的，斜輥立式2-2-2型矯直機，由計算機實現(xiàn)自動控制。

矯直機的結(jié)構(gòu)分主機和輔助設(shè)備組成8.3.1.1主機設(shè)備

主機設(shè)備包括：機架、主傳動裝置、輥間距調(diào)整裝置、角度調(diào)整裝置、快開裝置、矯直輥、液壓站和控制系統(tǒng)等。

1機架：由上下兩部分組成，由六根立柱支撐。均由鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)成。上部裝有三套間距調(diào)整

裝置、三套角度調(diào)整裝置，出口輥裝有一套快開裝置；下部安裝有三套角度調(diào)整裝置，入口、中間輥分別各安裝有一套快開裝置，中間上輥的間距調(diào)整裝置與下部的離合器由一根傳動軸連接完成矯直機的撓度調(diào)整。矯直輥安裝在六根立柱中間。

2主傳動裝置：每臺矯直機都有兩套傳動裝置。分別用于傳動三個上輥和三個下輥，傳動

裝置與軋制軸線呈30度角布置。每一套傳動裝置包括一臺電機、一臺三路減速機（減速比約1：8）、三個萬向接軸組成。3間距調(diào)整裝置：由調(diào)整電機帶動蝸輪蝸桿，使調(diào)整絲杠旋轉(zhuǎn)，從而帶動矯直機上轉(zhuǎn)鼓上

下移動，達到調(diào)整輥間距的目的。調(diào)整中間輥撓度時，離合器閉合，傳動軸帶動上下輥同時上下移動，使撓度增加或減少。間距調(diào)整完畢后，由消除間隙液壓缸鎖緊，減少在矯直過程中上輥對絲杠的沖擊。4角度調(diào)整裝置：矯直機的六個輥都可進行角度調(diào)整。分別由液壓馬達帶動絲杠，使絲杠

帶動轉(zhuǎn)鼓平臺在一個角度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動。角度調(diào)整完畢后，由每個平臺上的兩個液壓鎖緊缸將平臺角度位置固定。

5快開裝置：在入口、中間下輥和出口上輥都裝有快開液壓缸，液壓缸與轉(zhuǎn)鼓平臺相連，

可使裝在平臺上的矯直輥快速閉合、打開�？扉_裝置有利于鋼管在矯直時順利咬入，同時可避免鋼管在矯直過程中，矯直輥對鋼管端部的碰傷。

6矯直輥：是鋼管矯直的重要工具，由高鉻鋼為材料加工制成，根據(jù)產(chǎn)品大綱，用雙曲線

的方法設(shè)計輥面曲線。

7液壓站：每臺矯直機由一臺液壓站提供動力，主要用于矯直輥快開裝置、角度調(diào)整裝置

和消除間隙液壓缸。8.3.1.2輔助設(shè)備

輔助設(shè)備包括入口升降輥道、出口升降輥道、接料勾等。

1入口升降輥道：由七個運輸輥和U型半封閉護板組成，前四個、后三個運輸輥分別由一

個液壓缸帶動連桿使其升降。輥道設(shè)置為升降形式，主要是杜絕鋼管在矯直過程中輥道對鋼管表面的劃傷。

200天津鋼管集團無縫鋼管生產(chǎn)培訓(xùn)教材

2出口升降輥道：由一個封閉的巷道和八個運輸輥組成，由一個液壓缸通過連桿帶動運輸

輥道一起升降。封閉巷道的側(cè)面是一個由液壓缸開啟的門，用于矯直后鋼管從側(cè)門放出。3接料鉤：由一組L型的勾子和一個液壓缸構(gòu)成，目的是接住從出口側(cè)門放出的鋼管并把

鋼管放到探傷吹灰臺架上。

8.3.2矯直機相關(guān)參數(shù)

8.3.2.1矯直輥支點距離：2100mm

矯直輥調(diào)整角度：30°±5°矯直速度：9～90m/min矯直輥輥身長度:550mm矯直輥直徑:400mm8.3.2.2矯直范圍

長度：6至15m直徑:Φ114～300mm壁厚:4.58～40mm

8.3.2.3主傳動電機:2臺200KW直流最大1200rpm

8.3.3矯直原理

矯直作用主要是通過一對向上調(diào)節(jié)的中間輥來得到的，由此產(chǎn)生管子的縱向反復(fù)彎曲，與此同時，每對矯直輥還對鋼管施加一定的壓力，使鋼管橫截面發(fā)生橢圓變形；這種橢圓變形、彎曲變形疊加，促使鋼管在變形過程中有一個拉得比較開的塑性變形范圍。矯直過程中，管子的每個橫截面在這一塑性范圍內(nèi)連續(xù)多次地橫向來回彎曲，同時彎曲變形逐漸減小，達到鋼管被矯直的效果。

8.3.3.1冷變形是軟化過程小，硬化過程很強的變形過程。

冷變形的溫度范圍是其熔點絕對溫度0.25倍以下，基本是在室溫下完成的。由于溫度低于0.25T熔時發(fā)生恢復(fù)很小，硬化在整個塑性變形過程中主導(dǎo)作用，因而冷變形時金屬抗力指標(biāo)隨著所承受的變形程度的增加而持續(xù)上升。塑性指標(biāo)則隨著變形程度增加而逐漸下降，表現(xiàn)出明顯的硬化現(xiàn)象，當(dāng)積累的冷變形量過大時，在金屬達到所要求的形狀和尺寸以前，將因塑性變形能力的“耗盡”而產(chǎn)生破斷。因此，材料的冷變形工作一般要進行多次，每次只能根據(jù)材料本身的性質(zhì)及具體的工藝條件完成一定數(shù)值的總變形量，而且各次冷變形中間，需要將硬化了的、不能繼續(xù)變形的坯料進行退火以恢復(fù)塑性。

冷變形的優(yōu)點是所得到的制品表面光潔、尺寸精確、形狀規(guī)整。恰當(dāng)選擇冷變形退火循環(huán)時，可以得出具有任意硬度的產(chǎn)品。這是熱變形很難實現(xiàn)的。8.3.3.2關(guān)于包辛格效應(yīng)：

多晶體金屬在受到反復(fù)交變的載荷作用時，出現(xiàn)塑性變形抗力降低的現(xiàn)象，稱包辛格效應(yīng)。

第八章鋼管的冷卻和精整201+ζεζε

圖8-8包辛格效應(yīng)如圖8-8，顯示包辛格效應(yīng)時，所得到的應(yīng)力變形曲線的例子，拉伸時材料的原始屈服應(yīng)力在A點，若對此材料進行壓縮時，其屈服應(yīng)力也與它相近（在點線的B點），以同樣的試樣使其受載荷超過A點而至C點，卸載后將沿CD線返回至D，若在此時對它施以壓縮負荷，則開始塑性變形將在E點，E點的應(yīng)力明顯地比原來受壓縮材料在B點屈服應(yīng)力低，這個效應(yīng)是可逆的，若原試樣經(jīng)塑性壓縮再拉伸時，同樣發(fā)生屈服應(yīng)力降低的現(xiàn)象。實際上，當(dāng)連續(xù)變形是以異號應(yīng)力來交替進行時，可降低金屬的變形抗力，用同一符號的應(yīng)力而有間隙地連續(xù)變形時，則變形抗力連續(xù)地增加。

(包辛格效應(yīng)僅在塑性變形不太大時才出現(xiàn)。如黃銅是在給予4%以下的塑性變形時才出現(xiàn)明顯的包辛格效應(yīng)，對于硬鋁則小于0.7%。)

8.3.3.3在鋼管矯直的過程中，它的變形有軸向變形和徑向變形，但是它的變形是復(fù)雜的。1縱向彎曲分析：

縱向彎曲矯直是使鋼管產(chǎn)生與彎曲相反方向的塑性變形來達到矯直彎曲的目的，而不彎曲的管子斷面只產(chǎn)生彈性變形，塑性變形區(qū)占支撐距的40%長度。2橫向壓扁效應(yīng)：

橫向壓扁及通過疊加橢圓壓扁變形來達到矯直的目的。在矯直截面中產(chǎn)生如圖8-9中BCDE的塑性區(qū)。這對矯直效果是非常重要的，因為彎曲矯直不能使截面全部為塑性區(qū)，利用壓扁變形來補償。另外，對局部彎曲、管端彎曲、縱向彎曲矯直效果很差，必須是縱向彎曲和壓扁的共同作用才能達到滿意的矯直效果。（注：提高鋼管壁厚精度可提高鋼管的抗壓

圖8-9變形原理圖

202天津鋼管集團無縫鋼管生產(chǎn)培訓(xùn)教材

潰性能，矯直時，鋼管壓扁會在鋼管中產(chǎn)生交變的切向應(yīng)力，由于包辛格效應(yīng)和殘余應(yīng)力的作用而使鋼管強度降低。因此鋼管的矯直要嚴格控制鋼管的壓扁量。）

3螺旋接觸帶：

矯直時鋼管螺旋前進，鋼管與矯直輥的螺旋接觸帶必須沿鋼管全長覆蓋。如圖8-10，必須建立螺旋接觸帶與矯直輥傾角、矯直輥數(shù)量和矯直輥間距等的關(guān)系，使鋼管每一斷面均受到壓扁產(chǎn)生橢圓效應(yīng)，得到矯直效果。彈性范圍塑性范圍圖8-10矯直原理圖對于對向布置的六輥矯直機它除利用彎曲矯直（通過提高中間下輥高度）外，在上下兩個矯直輥之間還給予一個徑向壓力。如果設(shè)兩端矯直輥的距離為L，則在L的范圍內(nèi)，包括彈性變形區(qū)和塑性變形區(qū)兩部分。一般情況下，塑性變形區(qū)為L的40%，即鋼管沿COD曲線彎曲。如圖所示。但是CA和BD部分的鋼管處于彈性變形區(qū)，所以鋼管沒有得到任何矯直，只有在AOB范圍內(nèi)，鋼管由于發(fā)生塑性變形而得到矯直，而在O點的變形量最大，應(yīng)該在此點（即中間輥）給鋼管一個與它的原始曲率相同或稍大一點的彎曲曲率，使鋼管得以矯直。

根據(jù)下式計算壓下量和撓度值壓下量計算公式：

D-SC=×100%D

式中：C壓扁度,一般取C=0.5～1%；D鋼管直徑；S矯直時輥縫。撓度計算公式：

ζsL2f=EDK

式中：F撓度（中間輥偏移量）；ζs鋼管屈服強度；L矯直輥輥距；

204天津鋼管集團無縫鋼管生產(chǎn)培訓(xùn)教材

表8-4

屈服強撓度（δ）度壁厚SS<16S≥16<4.5<4<5<4.5<7<6<9<8<13<11<16<14δ第八章鋼管的冷卻和精整205

1)調(diào)整矯直輥閉合延時。2)減少矯直輥壓下量。8.3.5.4管尾碰傷1原因分析

1)撓度值過大。

2)入口上輥角度過小。

3)調(diào)整中間輥打開延時。2處理方法：

1)降低撓度值。如來料彎曲較大，適當(dāng)增加出口輥和中間輥壓下量。2)適當(dāng)增加入口上輥角度。8.3.5.5管體矯痕

1原因分析：

1)矯直輥角度過小或過大。2)矯直輥沒有壓下量。2處理方法：

1)適當(dāng)調(diào)整矯直輥角度（找出產(chǎn)生矯痕的矯直輥）。2)適當(dāng)調(diào)整矯直輥壓下量。8.3.5.6管體劃傷。

1原因分析：

1)入口、出口巷道因殘存鋸屑

2)管端毛刺對巷道內(nèi)襯板造成損傷，引起管體被劃傷。2處理方法：

1)對巷道內(nèi)殘存鋸屑進行清理，對劃傷的襯板進行修磨。2)及時更換鋸片，減少管端毛刺。

8.3.5.7出口巷道襯板接口造成對管頭的碰傷。

1原因分析：襯板接口錯位，鋼管在出口巷道內(nèi)晃動，造成對管頭的碰傷。2處理方法：

1)對出口巷道內(nèi)襯板進行修磨整理。

2)調(diào)整矯直參數(shù)（如增加撓度值、增加出口壓下量等），減少鋼管的晃動。8.3.5.8管體表面被壓傷。

1原因分析：出口通道側(cè)門打開后，由于L型接料勾，傳感元件問題，導(dǎo)致兩支鋼管在其

上，通道側(cè)門閉合后，壓在第二支鋼管上，造成管體被壓傷。2處理方法：調(diào)整由于L型接料勾傳感元件的位置和靈敏性。

8.3.6工具管理

矯直機的矯直工具為矯直輥，當(dāng)矯直輥磨損較為嚴重，不能滿足與鋼管保持線接觸或表面裂紋、粘鋼影響鋼管的矯直質(zhì)量時，應(yīng)對矯直輥予以更換。更換下來的矯直輥送到工具車間，對其輥套進行更換，以備再次使用。

206天津鋼管集團無縫鋼管生產(chǎn)培訓(xùn)教材

8.4熱處理

8.4.1前言

傳統(tǒng)上人們認為軋管廠沒有熱處理工序，但是實際上控軋控冷、在線常化和芯棒光亮退火都可以認為屬于熱處理范疇。另外，一般公司都把熱處理線設(shè)置在軋管廠。

控軋控冷是上世紀80年代以來的新工藝，大量應(yīng)用于板材生產(chǎn)，主要是通過控制軋制溫度（多數(shù)情況需要結(jié)合V、Nb、Ti等細化晶粒元素）和軋制后的冷卻速度來使得強度韌性指標(biāo)的提高。

在線�；�即在軋制線進行�；�（正火）熱處理，就是將荒管加熱到奧氏體化后經(jīng)過定徑機在大冷床上進行空冷來達到提高強度的目的。軋管廠最為常見的鋼級是N80Ⅰ類、K55接箍料等以下鋼級。目前我公司還在開發(fā)在線準淬火的準貝氏體的P110綱級套管。

8.4.2熱處理的定義和意義

鋼（管）的熱處理是通過鋼在固態(tài)下加熱、保溫和冷卻的操作來改變鋼（管）的內(nèi)部組織，從而獲得所需性能的一種工藝方法。通常根據(jù)目的要求，可以把鋼的熱處理工藝分為：退火、淬火+回火、調(diào)質(zhì)處理、和表面處理。

通過熱處理可以充分發(fā)揮鋼材（管）的潛力，提高工件（鋼管）的使用性能，減輕工件（鋼管）重量，節(jié)約材料降低成本，延長使用壽命。另一方面，熱處理工序還可以改善加工工藝性能，提高加工質(zhì)量減少刀具磨損。同時，一些理化指標(biāo)必須經(jīng)過熱處理才能獲得。諸如：高抗H2S應(yīng)力腐蝕性能、不銹鋼鋼管的強化等。

對于我公司來說，無論是軋管廠還是管加工廠，熱處理工序都提高了鋼管的強韌性等理化指標(biāo)，從而滿足用戶要求，提高經(jīng)濟效益。在軋管廠，通過在線�；�工藝顯著簡化了工藝流程降低了生產(chǎn)成本；在管加工廠，主要通過調(diào)質(zhì)處理來生產(chǎn)高附加值的鋼管，特別是TP系列抗腐蝕、抗擠毀、既抗腐蝕又抗擠毀和超高強度的非API石油專用管。

8.4.3熱處理基本原理

8.4.3.1金屬熱處理工藝的發(fā)展過程

通過加熱、保溫、冷卻的方法使金屬和合金內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，以獲得工件使用性能所要求的組織結(jié)構(gòu)，這種技術(shù)謂之熱處理工藝。同一種材料經(jīng)過不同的熱處理后，可以獲得不同的性能，性能的變化是因為組織發(fā)生了變化，因此，了解熱處理過程中鋼的組織變化，是正確進行熱處理的基礎(chǔ)。

金屬熱處理工藝學(xué)和其它自然科學(xué)相同，是隨著生產(chǎn)力的發(fā)展而發(fā)展的，同時和其它科學(xué)技術(shù)的發(fā)展緊密相關(guān)。熱處理是古代冶金技術(shù)發(fā)展的結(jié)果，是作為冶金技術(shù)的一部分，逐漸發(fā)展而形成一門學(xué)科的。

在我國歷史上，熱處理工藝出現(xiàn)于鐵器時代，是伴隨著鑄鐵的出現(xiàn)產(chǎn)生的。古代的煉鋼是采用鑄鐵脫碳退火及反復(fù)鍛打方法進行的，即所謂“百煉成鋼”。隨著煉鋼技術(shù)的發(fā)展，熱處理技術(shù)也得到發(fā)展。從漢代開始，我國的熱處理技術(shù)已有文字記載，內(nèi)容包括一般淬火技術(shù)、淬火介質(zhì)及滲碳工藝等，幾乎涉及熱處理技術(shù)的各個方面。例如《史記、天宮書》中載有：“火與水合為淬”，《蒲元別傳》所載，蒲元在今陜西眉縣一帶的斜谷為諸葛亮制劍三千把，他說：“漢中的水鈍弱，不任淬；蜀水爽烈”，于是派人到成都取水，淬之果然鋒利。從出土文物的考證及一些文字的記載可以清楚的看出，我國的熱處理工藝歷史悠久，技藝高超是當(dāng)時其他國家所不及的。

第八章鋼管的冷卻和精整207

8.4.3.2熱處理的基礎(chǔ)理論知識1鋼的組織結(jié)構(gòu)

金屬的晶體結(jié)構(gòu)

物質(zhì)是由原子組成的，按原子排列方式的不同可把物質(zhì)分為二類，即晶體和非晶體。晶體中的原子排列是有規(guī)律的，即“有序排列”，這種規(guī)律的排列方式稱為晶體的結(jié)構(gòu)；而非晶體中的原子排列是無規(guī)律的，即“無序排列”。通常把原子的排列方式稱為晶格結(jié)構(gòu)，所有金屬的原子排列方式都是有規(guī)律的，因此，金屬是屬于晶體。

鐵的最基本的晶格結(jié)構(gòu)有兩種：即體心立方晶格（α-Fe）和面心立方晶格（γ-Fe）。兩種晶格結(jié)構(gòu)見圖8-11和圖8-12。

圖8-11體心立方晶格圖8-12面心立方晶格

2鋼的金相組織

“相”的概念：金屬合金組織中的化學(xué)成分、晶體結(jié)構(gòu)、物理性能相同的組分。在金屬學(xué)的范疇稱為金相，其中包括固溶體、金屬化合物和純元素。

“組織”的概念：泛指使用金相方法看到的，由形態(tài)、尺寸不同、分布方式不同的一種或多種相構(gòu)成的總體，以及各種材料缺陷和損傷。

通常我們把鐵（Fe）和一定的碳（C）組成的合金稱之為鋼，但碳在鋼中是以鐵與碳的化合物（Fe3C）形式存在。由于碳在鋼中的存在，將對鐵的晶格結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，并形成了不同的組織，一般將鋼中的各種組織統(tǒng)稱為金相組織。鋼的金相組織不同，其性能具有很大的差別。而對鋼進行不同的熱處理，就可以獲得不同的組織，最終獲得我們所需要的性能，鋼的基本組織有以下幾種：

(1)奧氏體：鐵和其它元素形成的面心立方結(jié)構(gòu)的固溶體，一般指碳和其它元素在γ鐵中

的間隙固溶體。

(2)鐵素體：鐵和其它元素形成的體心立方結(jié)構(gòu)的固溶體，一般是指碳和其它元素在α鐵

中的間隙固溶體。

(3)馬氏體：奧氏體通過無擴散型相變而轉(zhuǎn)變成的亞穩(wěn)定相。實際上，是碳在鐵中過飽和

的間隙式固溶體。晶體具有體心正方結(jié)構(gòu)。

(4)珠光體：鐵素體片和滲碳體片交替排列的層狀顯微組織，是過冷奧氏體進行共析反應(yīng)

的直接產(chǎn)物，也可理解為鐵素體和滲碳體的機械混合物。

(5)貝氏體：過冷奧氏體在低于珠光體轉(zhuǎn)變溫度和高于馬氏體轉(zhuǎn)變溫度之間范圍內(nèi)分解成

的鐵素體和滲碳體的聚合組織。在較高溫度分解成的叫上貝氏體，呈羽毛狀；

第八章鋼管的冷卻和精整209

珠光體到奧氏體的轉(zhuǎn)變，大致可分為四個階段，即奧氏體晶核的形成、晶體的長大、殘

余碳化物的溶解及奧氏體的均勻化（圖8-14）。

圖8-14共析碳鋼中奧氏體的形成過程

①奧氏體晶核的形成

奧氏體晶核通常優(yōu)先產(chǎn)生于珠光體中鐵素體與滲碳體的相界面上，因為在相界面上原子排列較不規(guī)整，容易獲得形成奧氏體時所需要的能量和濃度的條件。在等溫條件下，隨著時間的增長，奧氏體晶核從無到有，從少到多，在鐵素體和滲碳體相界面上長大。②奧氏體的長大

奧氏體晶核形成以后，碳在奧氏體中的分布是不均勻的，隨著碳擴散的進行，奧氏體與鐵素體及滲碳體接觸處的碳濃度在不斷發(fā)生變化，即發(fā)生著碳濃度失去平衡和恢復(fù)平衡的反復(fù)循環(huán)過程，使奧氏體一方面向滲碳體長大，另一方面向鐵素體長大，直至鐵素體消失而全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。

③殘余碳化物（滲碳體）的溶解

珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體剛結(jié)束時，鋼中還殘留著一些未溶解的碳化物（滲碳體）。共析鋼加熱到A1以上溫度時，開始形成奧氏體，但還殘余著碳化物，隨著時間的增長，碳化物不斷溶解，直至全部消失。④奧氏體均勻化

當(dāng)殘余碳化物全部溶解時，奧氏體中的碳濃度仍是不均勻的，在原來碳化物的區(qū)域，含碳量較高，在原來鐵素體的中心區(qū)域，含碳量較低。如果繼續(xù)延長時間，通過碳的擴散，可使奧氏體的含碳量逐漸趨于均勻。亞共析鋼和過共析鋼的奧氏體形成過程，與共析鋼基本相同，但是還具有過剩相溶解的特點。

亞共析鋼的退火組織為珠光體和過剩鐵素體。當(dāng)緩慢加熱到Ac1點時，珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，此時，成為奧氏體和自由鐵素體的混合組織；如果進一步提高溫度和保溫時間，則自由鐵素體將逐步轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。在溫度超過Ac3時，自由鐵素體完全消失，全部組織為較細的奧氏體晶粒。若進一步提高加熱溫度和保溫時間，奧氏體晶粒將長大。

過共析鋼的退火組織為珠光體和過剩滲碳體，其中過剩滲碳體往往呈網(wǎng)狀分布。當(dāng)緩慢加熱到AC1點時，珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，此時，成為奧氏體和過剩滲碳體的混合組織；如果進一步提高溫度和延長保溫時間，則過剩滲碳體將逐漸溶解于奧氏體。在溫度超過Acm時，過剩滲碳體完全溶解，全部組織為奧氏體，此時奧氏體晶粒已經(jīng)粗化。對于過共析碳鋼制造的工具或模具，在加熱時不可使?jié)B碳體完全溶入奧氏體，否則因奧氏體晶粒粗大，導(dǎo)致鋼淬火后脆性增大，甚至產(chǎn)生淬火裂紋。因此正常的淬火加熱溫度控制在AC1~Acm的范圍內(nèi)。

(3)奧氏體的形成速度

為了能夠控制鋼的奧氏體化狀態(tài)，必須了解奧氏體的形成首都。奧氏體的形成速度可在

210天津鋼管集團無縫鋼管生產(chǎn)培訓(xùn)教材

奧氏體等溫形成圖中反映出來。圖8-15為共析鋼奧氏體等溫形成圖。從圖的左面起，第一條線表示有0.5%奧氏體形成，可作為奧氏體形成開始線；第二條線表示有99.9%奧氏體形成，可作為奧氏體形成終了線；第三條線表示殘余碳化物溶解完了；地四條線表示奧氏體碳濃度基本達到均勻。

圖8-15共析鋼的奧氏體等溫形成圖

從圖8-15可見：奧氏體化所需要的時間與等溫轉(zhuǎn)變溫度有密切關(guān)系。在稍高于A1溫度時，奧氏體化所需時間較長；隨著溫度的提高，奧氏體化過程加快。

奧氏體形成的時間較短，殘余碳化物溶解的時間較長，而奧氏體均勻化的時間更長。以780℃等溫為例，形成奧氏體的時間不到10秒，要完全溶解碳化物卻需要幾百秒，要實現(xiàn)奧氏體均勻化就要10000秒（約3小時左右）。

圖8-16亞共析鋼奧氏體等溫形成圖

在亞共析鋼和過共析鋼中，奧氏體等溫形成圖基本上與共析鋼相同。但亞共析鋼有其特點，如圖8-16所示，即在含碳量較高的亞共析鋼中，鐵素體轉(zhuǎn)變終了線與殘余碳化物溶解線有交叉的特征，當(dāng)溫度較高時，自由鐵素體溶解之后，仍有殘余碳化物；而當(dāng)溫度較低時，

第八章鋼管的冷卻和精整211

殘余碳化物先溶解，而后自由鐵素體再溶解，在A3溫度以下，當(dāng)殘余碳化物溶解之后仍

有鐵素體存在，而且不能全部溶解。(4)各種因素對奧氏體形成的影響

奧氏體形成是一個擴散過程。凡是影響擴散的一些因素如溫度、成分等等都將影響奧氏體形成。

1)溫度的影響

珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變遵循形核并長大的規(guī)律。實驗表明，奧氏體形核率（N）和長大率（G）與等溫形成溫度之間有密切關(guān)系。見表8-6所示。

表8-6等溫溫度對奧氏體轉(zhuǎn)變參數(shù)的影響

轉(zhuǎn)變溫度（℃）740760780800奧氏體形核率N（核數(shù)/毫米3.秒）22801100051500616000奧氏體長大率G（毫米/秒）0.00050.010.0260.041轉(zhuǎn)變?yōu)?0%奧氏體所需時間（秒）100931表中指出，隨著溫度的升高，奧氏體的形核率和長大率都急劇增加，當(dāng)溫度從740℃提高到800℃時，奧氏體的形核率（N）約增加270倍，長大率（G）約增加80倍，從而使奧氏體轉(zhuǎn)變速度大大加快。2)成分的影響A碳的影響

隨著鋼中含碳量的增加，滲碳體的數(shù)量相應(yīng)地增加，而鐵素體的數(shù)量卻相對地減少，因鐵素體和滲碳體的相界面總量增多，從而加速了珠光體向奧氏體的轉(zhuǎn)變。B合金元素的影響

鋼中加入合金元素不改變加熱時奧氏體的形成過程，但影響奧氏體的形成速度。

由于合金元素改變A1、A3或Acm點的位置，有的元素降低A1點，如Nl、Mn等；有的元素提高A1點，如Cr、Mo、W、Si，在制定熱處理的工藝時，應(yīng)根據(jù)合金元素對臨界點的影響，適當(dāng)提高或降低奧氏體化溫度。

合金元素影響碳原子在奧氏體中的擴散系數(shù)和殘余碳化物的溶解。鎳（Ni）既降低A1點，增加過熱度，同時又增加碳在奧氏體中的擴散系數(shù)，從而加快了奧氏體的形成速度。硅（Si）和鋁（Al）對碳原子在奧氏體中的擴散系數(shù)影響不大，但由于它們是升高A1，降低過熱度的元素，因此，它們對奧氏體的形成速度還是減慢的。

鉻（Cr）、鉬（Mo）、鎢（W）、釩（V）、鈦（Ti）等是能夠形成穩(wěn)定碳化物的元素，它們既升高A1點，降低過熱度，又顯著降低碳在奧氏體中的擴散系數(shù)，從而也就顯著地減慢奧氏體的形成速度。上述元素是按其所形成碳化物的穩(wěn)定性逐漸增強的次序排列的，其中以鈦（Ti）所形成的碳化物最穩(wěn)定。所形成的碳化物越穩(wěn)定，就越難溶解，就越減慢奧氏體的形成速度。在實際生產(chǎn)中，為了加速穩(wěn)定碳化物的溶解，經(jīng)常采取大幅度提高加熱溫度的措施。

C原始組織的影響

珠光體中碳化物的形態(tài)和分散度，對鐵素體和滲碳體相界面多少及彼此間的距離都有影響，在相同的溫度下，相界面越多，形核率越大；層間距離越小，奧氏體中碳濃度梯度越大，擴散速度便越快，另外，擴散距離縮短，使奧氏體晶體長大速度加快。所以，原始組織越細，奧氏體形成速度越快。

212天津鋼管集團無縫鋼管生產(chǎn)培訓(xùn)教材

4連續(xù)加熱時奧氏體的形成

實際生產(chǎn)中鋼件的熱處理大都是采用連續(xù)加熱的方法，在連續(xù)加熱的情況下，通過實驗表明連續(xù)加熱時奧氏體的形成與等溫形成的規(guī)律基本相同，但是也有其特點，主要表現(xiàn)在以下幾方面：

(1)連續(xù)加熱時的加熱速度改變了Ac1、Ac3和Acm點的位置，通常是隨著加熱速度的增大而提高，特別是Ac3點提高得更明顯。

(2)連續(xù)加熱時奧氏體是在一個溫度范圍內(nèi)形成的，而且隨著加熱速度的增大，形成溫度增高，形成溫度范圍加大。

(3)鋼中的原始組織對連續(xù)加熱時的奧氏體形成有很大影響，原始組織中分散度越小，特別是有大塊自由鐵素體或滲碳體存在時，奧氏體的均勻化將移向高溫。5奧氏體晶粒長大及其控制

奧氏體的晶粒大小影響其轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織和性能，晶粒細化可以提高鋼的強度和韌性，所以研究奧氏體晶粒長大問題，具有重要的實際意義。(1)奧氏體晶粒度的概念

根據(jù)奧氏體形成過程和晶粒長大情況，奧氏體晶粒度可分為：起始晶粒度、實際晶粒度和本質(zhì)晶粒度三種。

起始晶粒度是指珠光體剛剛?cè)�部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體時的奧氏體晶粒度，一般情況是，奧氏體起始晶粒度比較細小，在繼續(xù)加熱或保溫時將要長大。

實際晶粒度是指鋼在具體的熱處理或熱加工條件下實際獲得的奧氏體晶粒度。它的大小直接影響鋼件的性能。實際晶粒一般總比起始晶粒大，因為熱處理生產(chǎn)中，通常都有一個升溫和保溫階段，在這段時間內(nèi)晶粒有了不同程度的長大。

在不同牌號的鋼中，奧氏體晶粒長大的傾向不同，有些鋼的奧氏體晶粒隨著加熱溫度的升高會迅速長大，而有些鋼的奧氏體晶粒則不容易長大。我們可以將鋼的奧氏體晶粒長大傾向分為二類，即本質(zhì)細晶粒鋼和本質(zhì)粗晶粒鋼。這二類鋼的區(qū)別是：在一定的溫度范圍內(nèi)，本質(zhì)粗晶粒鋼的奧氏體晶粒隨著溫度的升高而不斷長大，也就是說晶粒長大的傾向性大；而本質(zhì)細晶粒鋼隨著溫度的升高奧氏體晶粒長大的傾向性小。“本質(zhì)晶粒度”不是晶粒大小的實際度量，而是表示在規(guī)定的條件下奧氏體晶粒長大傾向性的高低。

在工業(yè)生產(chǎn)中，一般用鋁脫氧的鋼大都是本質(zhì)細晶粒鋼，只用硅猛脫氧的鋼為本質(zhì)粗晶粒鋼。沸騰鋼一般都為本質(zhì)粗晶粒鋼，鎮(zhèn)靜鋼一般都為本質(zhì)細晶粒鋼，需要熱處理的工件一般都采用本質(zhì)細晶粒鋼。

(2)奧氏體晶粒長大及其影響因素

在高溫下奧氏體晶粒長大是一個自發(fā)過程，實際上奧氏體晶粒長大基本上是一個晶界遷移過程，所以，一切影響奧氏體晶界遷移的因素，都能影響奧氏體晶粒的長大。

奧氏體化溫度越高，晶粒長大越明顯，當(dāng)晶粒長大到一定程度后，即使繼續(xù)延長保溫時間，奧氏體晶粒不會再有明顯的長大，如圖8-17所示。奧氏體晶粒大小與以后的冷卻速度無關(guān)。

隨著鋼中含碳量的增加，奧氏體晶粒長大傾向也增大，但是當(dāng)碳含量超過某一限度時，

圖8-17恒溫奧氏體晶粒長大示意圖第八章鋼管的冷卻和精整213

奧氏體晶粒反而細小，這是因為碳含量超過超過某一限度時，出現(xiàn)未溶滲碳體，滲碳體可以

阻止晶界的遷移，所以晶粒反而長得慢，奧氏體實際晶粒較細小。

鋼中加入合金元素也影響奧氏體晶粒長大。凡是產(chǎn)生穩(wěn)定碳化物的元素（如鈦、釩、鈮、鎢、鉬、鉻等），產(chǎn)生不溶于奧氏體的氧化物及氮化物的元素（如鋁），都會阻礙奧氏體晶粒長大。而錳、磷則有加速奧氏體晶粒長大的傾向。在目前工業(yè)生產(chǎn)中，鋁是廣泛用來控制奧氏體晶粒度的元素，用鋁脫氧的鋼中存在著高熔點的AIN質(zhì)點，阻礙奧氏體晶界的移動，從而細化了晶粒。一般鋼中殘余鋁含量約0.02~0.04%可以獲得本質(zhì)細晶粒鋼。

總之，合金元素對奧氏體晶粒長大作用的影響如下：強烈阻止晶粒長大的元素有AI、Ti、Zr、V；能夠阻止晶粒長大的元素有W、Mo、Cr；阻止晶粒長大作用較弱的元素有Si、Ni、Cu；

促進晶粒長大的元素有Mn（指高碳情況），P、C（指溶入奧氏體中的情況）。(3)控制奧氏體晶粒長大和細化晶粒的措施

1）合理選擇加熱溫度和加熱時間加熱

加熱溫度高一些，奧氏體形成速度就快一些。溫度越高，奧氏體長大傾向性越大，實際晶粒就越粗。保溫時，隨著保溫時間的延長也出現(xiàn)奧氏體晶粒長大，但是，加熱溫度對晶粒長大的影響要比保溫時間的影響顯著得多，故加熱溫度的合理選擇十分重要。

合金鋼的奧氏體形成和均勻化所需的時間比碳鋼長，所以合金鋼一般需要較長的加熱時間。

2）合理選擇鋼的原始組織

鋼的原始組織對奧氏體晶粒長大有影響，一般情況下，片狀珠光體比粒狀珠光體容易過熱，因為片狀碳化物溶解快，轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的速度快，奧氏體形成后，就較早地開始長大，所以，在生產(chǎn)中對于軸承鋼、工具鋼等要求其原始組織為粒狀珠光體，原因之一就是這種組織不易過熱。

3）加入一定量的合金元素

晶粒長大是通過晶界原子的移動來實現(xiàn)的，因此，可以通過加入某些合金元素來限制和推遲晶粒的長大。

其一是加入的合金元素在鋼中形成彌散的化合物，如碳化物、氮化物、氧化物等等，這些彌散的化合物對晶界的遷移起到機械阻礙作用，阻礙了晶粒的長大。不過，這些化合物一旦被溶解后，阻礙作用就消失，晶粒將迅速長大，這時晶粒長大的速度甚至比本質(zhì)粗晶粒鋼還大，工件經(jīng)熱加工（軋制、鍛造、鑄造、焊接等）以后晶粒容易粗大，使其機械性能降低，同時對最終熱處理億將帶來不利影響，為此，可通過重結(jié)晶來細化晶粒，例如對于有粗大晶粒的亞共析鋼工件，可以用完全退火（或正火）來細化晶粒。6鋼的加熱缺陷（含有軋制加熱）及其防止措施(1)欠熱、過熱及過燒

鋼在加熱過程中出現(xiàn)的欠熱、過熱及過燒等缺陷主要是由于爐溫儀表不準或失靈，以及裝爐方法不當(dāng)，爐溫不均勻等原因造成的。

所謂欠熱，即亞共析鋼的淬火組織中出現(xiàn)鐵素體，從而造成淬火鋼的應(yīng)答不足；對于過共析鋼淬火組織中有較多的未溶碳化物。所謂過熱，即鋼在加熱時奧氏體晶粒的粗化，淬火后得到粗大的馬氏體，使工件變脆。而過燒則是不僅發(fā)生了奧氏體晶粒的劇烈粗化，而且還有晶界的氧化，甚至晶界融化，造成工件報廢。

為了防止這些缺陷的產(chǎn)生，應(yīng)該經(jīng)常檢驗測溫儀表，并采用正確的加熱規(guī)范和裝爐方法。

如果鋼件在加熱時一旦產(chǎn)生欠熱或過熱時，可將鋼件進行一次退火或正火，然后再重新淬火。

214天津鋼管集團無縫鋼管生產(chǎn)培訓(xùn)教材

(2)氧化、脫碳

氧化，是指鋼的表面與加熱介質(zhì)中的氧、氧化性氣體、氧化性雜質(zhì)相互作用形成氧化鐵的過程。由于氧化鐵皮的形成，將使工件的尺寸減小，表面光潔度降低，還會嚴重影響淬火時的冷卻速度，造成軟點或硬度不足。鋼的氧化雖然是化學(xué)反應(yīng)，但在鋼的表面形成氧化膜后，氧化速度便主要取決于氧和鐵原子通過氧化膜的擴散速度。隨著溫度的升高，原子擴散速度增大，鋼的氧化速度便急劇地增大，特別是在600℃以上時，所形成的氧化膜是以FeO為主，它是不致密的，氧和鐵原子容易通過這一氧化膜而透入內(nèi)部，是氧化膜越來越厚；而在600℃以下時，氧化膜則由比較致密的Fe3O4所構(gòu)成，所以氧化的速度比較緩慢。脫碳，是指鋼的表層中的碳被氧化，是表層含碳量降低。加熱溫度越高，鋼的含碳量越高（特別是含有較多的硅、鉬及鋁等元素時），鋼就更容易脫碳，由于碳的擴散速度較快，所以鋼的脫碳速度總是大于其氧化速度，在鋼的氧化層下面，通常總是存在著一定厚度的脫碳層。由于脫碳是鋼的表層含碳量下降，導(dǎo)致工件淬火后表層硬度不足，疲勞強度下降，而且還容易在鋼件的表面形成表面裂紋。

為了防止氧化、脫碳，可根據(jù)工件的要求和實際情況，采用保護氣氛加熱、真空加熱、以及用表面涂料包裝加熱等方法；在鹽浴中加熱時，應(yīng)建立規(guī)范的脫氧制度，定期加入脫氧劑。

(3)魏氏組織

在軋制過程中，如果軋制溫度過高，隨后的冷卻過程中在特定的冷卻速度下會形成網(wǎng)狀魏氏組織。這會明顯降低韌性指標(biāo)。解決辦法是通過正火來消除。8.4.3.3熱處理在軋管廠的應(yīng)用

控軋控冷是上世紀80年代以來的新工藝。主要是通過控制軋制溫度（多數(shù)情況需要結(jié)合V、Nb、Ti等細化晶粒元素）和軋制后的冷卻速度來使得強度韌性指標(biāo)的提高。在我公司比較典型的品種是X52～X60鋼級管線管。在生產(chǎn)中，即以加入V、Nb、Ti等元素或它們與其它元素的組合來達到強化的目的。

在線�；�即在軋制線進行�；�（正火）熱處理，就是將荒管加熱到奧氏體化后經(jīng)過定徑機在大冷床上進行空冷來達到提高強度的目的。軋管廠最為常見的鋼級是N80Ⅰ類、K55接箍料等以下鋼級。目前我公司還在開發(fā)在線準淬火的準貝氏體的P110綱級套管。

正如在線�；�、熱裝和直接軋制工藝的發(fā)展一樣，目前在軋制后進行直接淬火＋回火等熱處理工藝會逐步得到應(yīng)用，從而大大降低能源消耗。

8.5無損檢測

前言

鋼鐵產(chǎn)品是每一個工業(yè)化國家最重要的材料，為了保證鋼鐵產(chǎn)品的質(zhì)量是相當(dāng)重要的，隨著鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展與各式各樣無損探傷方法的發(fā)展相輔相成。

8.5.1無損探傷概論

8.5.1.1無損檢測的定義

顧名思義，所謂無損檢測就是在材料、設(shè)備、結(jié)構(gòu)等不被破壞的前提下，利用材料的物理性能隨缺陷而改變的特性來檢測缺陷是否存在及缺陷的形狀、大小、位置以及發(fā)展趨勢的檢測方法（或過程）被稱為無損檢測。

第八章鋼管的冷卻和精整217

磁極探頭NS圖8-19縱向工作原理示意圖

如果鋼管管體有縱向缺陷會對磁力線的傳播造成阻礙，由于磁力線的連續(xù)性，磁力線將

繞過形成障礙的缺陷在鋼管表面形成磁橋。設(shè)備的兩個探頭跟隨設(shè)備一同繞鋼管旋轉(zhuǎn)，每個探頭中的線圈平行于鋼管表面，一旦有缺陷存在線圈切割磁橋，在線圈中便產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。這個感應(yīng)電動勢的大小取決于線圈切割磁橋處的磁通量，即由缺陷的大小決定。外表面缺陷會產(chǎn)生比較尖銳的磁橋而產(chǎn)生較高的感應(yīng)電動勢頻率，內(nèi)表面形成的磁橋還要經(jīng)過管壁所以在表面處生成的磁橋比較平緩感生出的感應(yīng)電動勢頻率較低（見圖8-20）。圖中1：磁場；2：探頭；3：缺陷。探頭檢測出的電信號經(jīng)過放大和信號處理，根據(jù)感應(yīng)電動勢頻率的高低可以分辨并確認缺陷是內(nèi)傷或是外傷然后在顯示器上顯示出來并可配合聲光報警，同時可以轉(zhuǎn)化為模擬數(shù)字量打印出來便于操作人員核查。123123（a）（b）圖8-20缺陷及磁橋示意圖3設(shè)備的工藝性能參數(shù)

管徑范圍Φ219.0---460.0mm管子壁厚5.56------57.43mm鋼管長度6000------15000mm鋼管直度1.5/1000mm鋼管溫度-15-----80℃探傷速度0.8------2.0m/S剩余磁場≤25GAUSS噴標(biāo)標(biāo)記精度±50mm管端盲區(qū)≤230mm探傷方法測量漏磁量材料鐵磁性8.5.2.2工藝說明

漏磁探傷技術(shù)是根據(jù)鐵磁性材料外表面或內(nèi)表面存在缺陷處產(chǎn)生漏磁的原理來檢測工

第八章鋼管的冷卻和精整223

2）打開窗口操作設(shè)備時，原則上不允許同時打開兩個或兩個以上窗口，退出一個窗口，

再進另一個操作窗口進行操作。3）系統(tǒng)死機：

現(xiàn)象：夾送輥動作不正常，自動不噴標(biāo)，報警窗口不正常（探頭起落不正常這種情

況很少見）。

建議處理方法：重新導(dǎo)入系統(tǒng)配置文件，然后重新輸入該輸入的參數(shù)。7SON探頭不動作

可能原因：1）無壓縮空氣2）氣動件損壞

3）主機處電氣信號與氣動件連接處的航空插頭脫落故障處理：1）恢復(fù)壓縮空氣供給2）更換損壞的氣動件3）將航空插頭插上并擰緊8探傷誤報

可能原因：1）死機2）探頭損壞

3）航空插頭臟或松動、滑環(huán)臟4）相關(guān)濾波板損壞

故障處理：1）關(guān)斷所有電源，冷啟計算機系統(tǒng)

2）更換損壞探頭

3）清理航空插頭并擰緊、清理滑環(huán)4）更換相關(guān)損壞的濾波板

8.5.3渦流（ET）檢測

8.5.3.1渦流檢測原理

在渦流檢測中，試件在檢測線圈交變磁場作用下，感生出渦流。試件參數(shù)及試件和線圈相對位置等發(fā)生變化時就引起渦流幅度和相位變化，而渦流的變化又會引起檢測線圈阻抗

（感應(yīng)電壓）的變化。渦流檢測試驗正是根據(jù)線圈阻抗的變化間接地判斷試件的質(zhì)量情況。如果金屬導(dǎo)體量于變化的磁場中，金屬導(dǎo)體內(nèi)也要產(chǎn)生感應(yīng)電流，當(dāng)線圈中有交變電流

時，金屬導(dǎo)體內(nèi)的磁通量發(fā)生變化，金屬導(dǎo)體可看成是由很多圓筒狀薄殼組成。由于穿過薄殼回路的磁通量在改變著，因而沿這回路就有感應(yīng)電流產(chǎn)生，這種電流的流線在金屬導(dǎo)體內(nèi)自行閉合呈旋渦狀，所以稱之為渦電流，簡稱渦流。

在電磁感應(yīng)現(xiàn)象中，閉合回路中出現(xiàn)感應(yīng)電流，說明回路中的電荷受到電力的作用，可見，磁場的變化在回路中激發(fā)了電場，通常稱為感生電場（或渦流電場）所以說，電磁感應(yīng)就是變化的磁場產(chǎn)生電場的現(xiàn)象。8.5.3.2渦流的趨膚效應(yīng)

處于變化磁場中的導(dǎo)體在磁場作用下，導(dǎo)體中會形成渦流而渦流產(chǎn)生的焦耳又使電磁場的能量不斷損耗，因此在導(dǎo)體內(nèi)部的磁場是逐漸衰減的，表面磁場強度大于深層的磁場強度。又渦流是由磁場感應(yīng)產(chǎn)生的，所以在導(dǎo)體內(nèi)磁場的這種遞減性自然導(dǎo)向渦流遞減性。我們把這種電流隨著深度的增加而衰減，明顯地集中于導(dǎo)體表面的現(xiàn)象稱為趨膚效應(yīng)。

我們知道，渦流是由磁場感應(yīng)產(chǎn)生的，既然導(dǎo)體的磁場呈衰減分布，可以料想，渦流分布也不會均勻。

224天津鋼管集團無縫鋼管生產(chǎn)培訓(xùn)教材

導(dǎo)體內(nèi)的磁場強度和渦流密度呈指數(shù)衰減，衰減的快慢取決于導(dǎo)體的μ、ζ及交變磁場的f。

為了說明趨膚效應(yīng)的程度，我們規(guī)定磁場強度和渦流密度的幅度降至表面值的1/e（約為37%）處的深度，稱作滲透深度，用字母δ表示：

δ=1/f。

5.033工程上經(jīng)常采用的滲透深度公式是：

δ=rf（1）式中：μr相對磁導(dǎo)率，無量綱

ζ電導(dǎo)率單位：1/微歐姆厘米（1/Ωcm）f頻率單位：赫茲（Hz）

δ滲透深度單位：厘米（cm）結(jié)論：導(dǎo)體內(nèi)的磁場和渦流衰減很快，在滲透深度處磁場強度和渦流密度只有導(dǎo)體表面的1/e（約37%），幅值較大的磁場和渦流都集中在導(dǎo)體的滲透深度范圍以內(nèi)。導(dǎo)體滲透深度以下分布的磁場強度和渦流密度均較小，但并非沒有磁場和渦流存在。滲透深度是一個很重要的參數(shù)。

在渦流檢測中，缺陷的檢出靈敏度與缺陷處的渦流密度有關(guān)。導(dǎo)體表面渦流密度最大，具有較高的檢出靈敏度；深度超過滲透深度，渦流密度衰減至很小，檢出靈敏度就較低。根據(jù)公式可知，只要降低頻率，就能獲得較大的滲透深度。

相位滯后是描述導(dǎo)體內(nèi)磁場和渦流的另一個重要物理量。θ=fx（2）

式中：θ的單位是弧度（rad）又：δ=1/f

x所以（2）式還可寫成：

θ=-（3）

當(dāng)x等于滲透深度δ時，相位滯后量為1個弧度或57.3，也就是說，在滲透深度處的磁場和渦流的相位，比表面處的磁場和渦流的相位落57.3。需要注意的是，這里的相位滯后不應(yīng)與交流電路中電壓和電流的相位差概念混淆。事實上，導(dǎo)體中的感應(yīng)電壓和感受應(yīng)電流隨著深度的變化都存在相位滯后現(xiàn)象。

相位滯后在渦流檢測信號分析中起著重要作用。在渦流探傷中，由于不同深度位置的缺陷處的渦流存在著相位滯后，故而這些渦流在檢測線圈中感應(yīng)的缺陷信號就會產(chǎn)生相位上的差。根據(jù)信號相位與缺陷位置之間的對應(yīng)關(guān)系，我們可對缺陷的位置進行判定。8.5.3.3線圈阻抗的變化1影響線圈阻抗的因素1）與線圈自身有關(guān)的因素

線圈的形狀、尺寸、匝數(shù)、層數(shù)、有無鐵磁芯以及線圈的繞法等。一般用線圈的半徑R、長度L、匝數(shù)N和自感L0等來表示線圈阻抗的大小。2）與試件有關(guān)的因素

試件的電導(dǎo)率ζ、磁導(dǎo)率μr；試件的形狀和尺寸，如圓棒的直徑、管子的內(nèi)外徑和壁厚等。

3）與線圈和試件間相對位置有關(guān)的因素

線圈和試件間的距離（提離）、填充系數(shù)、偏心度、振動、端部以及線圈相對試件的運動速度等。以上諸因素引起的阻抗的變化分別稱為提離效應(yīng)、振動噪聲、端頭效應(yīng)和速度效應(yīng)等。

第八章鋼管的冷卻和精整225

4）缺陷

主要指不連續(xù)性缺陷，包括缺陷的尺寸（如缺陷的深度、寬度、長度）、形狀、位置和取向（如傾角）等。5）與檢測條件有關(guān)的因素

主要是檢測頻率。

鐵磁性材料和非鐵磁性材料對線圈的阻抗變化不同。即便同是非鐵磁材料的電導(dǎo)率ζ發(fā)生變化，若改變工作頻率，阻抗變化的幅度和相位情況是不同的。頻率能使各影響因素的阻抗變化特性發(fā)生改變的這種性質(zhì)，對識別檢測因素、抑制噪聲最十分重要的。

2各種因素引起的線圈阻抗變化1）電導(dǎo)率的變化2）試件尺寸變化

3）磁導(dǎo)率變化、偏心程度4）提離變化、填充系數(shù)的變化8.5.3.4線圈阻抗的模型試驗

試驗結(jié)果：對于兩個不同的試驗物體，假若各自對應(yīng)的填充系數(shù)η和頻率比f/fg相同，

d1d2則所引起的線圈阻抗相同。這一結(jié)論稱為線圈阻抗的相似定律。22D1=D2和f11ζ11=f22ζ22（4）

式中的腳標(biāo)分別代表與被檢物體1和2相對應(yīng)的條件和物理性質(zhì)。

dd作用：為模型試驗的合理性提供了理論依據(jù)。例如：在檢測線材和小直徑管材時，裂紋對線圈阻抗變化的影響，便可以用截面放大了的帶有人工缺陷的模型實驗來獲得。8.5.3.5渦流探傷裝置及作用

檢測線圈在試件中感生渦流并測量出帶有試件質(zhì)量信息的渦流信號。渦流探傷儀從測量到的帶有眾多信息的信號中識別出傷的存在。

輔助裝置完成包括對工件進行飽和磁化，記錄檢測結(jié)果，傳送被檢測工件。1檢測線圈

檢測線圈有兩個功能：

一是激勵功能，建立一個能在試件中感生出渦流的交變磁場。一是測量功能，測量出帶有試件質(zhì)量信息的渦流磁場的變化。

1)檢測線圈的分類

①按適用方式分：穿過線圈、內(nèi)插式線圈、探頭式線圈（點探頭）、馬鞍式線圈②按用途分：

絕對式線圈測量繞組只采用一個繞組進行工作。

自比較式線圈測量繞組采用兩個相距很近的相同繞組進行工作。標(biāo)準比較式線圈（他比式）測量繞組采用兩個相同的繞組進行工作，一個放在被測試件上，一個放在標(biāo)準試件樣上。③按檢出方式分：

自感式線圈激勵繞組和測量繞組共用同一個繞組�；ジ惺骄�圈激勵繞組和測量繞組是兩個分立的繞組。2)檢測線圈的一般特點

226天津鋼管集團無縫鋼管生產(chǎn)培訓(xùn)教材

影響檢測線圈檢測效果的有以下幾個方面：①檢測線圈磁場的分布；②檢測線圈的電感和感抗；

③檢測線圈的提離效應(yīng)和填充系數(shù)；

④檢測線圈對各種缺陷和各種材料性能變化的響應(yīng)。2渦流探傷儀

1）工作原理：

信號發(fā)生電路產(chǎn)生交變電流供給檢測線圈，線圈的交變磁場在工件中感生渦流，渦流受到試件材質(zhì)或缺陷的影響反過來使線圈阻抗發(fā)生變化，通過信號處理電路，消除阻抗變化中的干擾因素而鑒別出缺陷效應(yīng)，最后顯示出探傷結(jié)果。

儀器應(yīng)該具備三個基本功能：①產(chǎn)生交變信號；②識別缺陷因素；

③指示探傷結(jié)果。不論渦流探傷儀的組成方式如何，均應(yīng)具備以上功能。2）渦流探傷儀原理框圖：

信號發(fā)生電路→檢測線圈→放大電路→信號處理電路→指示電路3）渦流探傷儀的信號處理方法：包括相位分析法、調(diào)制分析法、幅度分析法等。①相位分析法是在交流載波狀態(tài)下，利用傷的信號和噪聲信號相位的不同來抑制干擾

和檢出缺陷的方法。

②調(diào)制分析法是利用傷信號與噪聲信號調(diào)制頻率的不同來抑制干擾和檢出缺陷的方法。

③幅度分析方法是利用傷信號與噪聲信號幅度上的差異來抑制干擾和檢出缺陷的方

法。8.5.3.6探傷中各參數(shù)的設(shè)定和調(diào)整

在完成探傷的技術(shù)準備工作之后和開始正式的渦流探傷之前，需要調(diào)節(jié)儀器和設(shè)備，選定如下技術(shù)參數(shù)：

檢測頻率；激勵電流；靈敏度；相位；

濾波方式和濾波器檔位；報警方式和報警電平；探傷速度；

磁飽和電流強度；標(biāo)記的延遲時間。1檢測頻率的選擇

一般依據(jù)下列因素進行選擇：（1）渦流滲透深度和檢測靈敏度

由于趨膚效應(yīng)，導(dǎo)體中的渦流趨于導(dǎo)體表面流動。渦流在導(dǎo)體中的滲透深度由公式δ=1/f決定。滲透深度是隨頻率的提高而減小的。在選擇檢測頻率時，應(yīng)兼顧考慮渦流滲透深度和檢測靈敏度兩個因素，即在綜合考慮渦流分布及所需檢出缺陷的大小和位置之后

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