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中频感应加热技术在钢管热处理工艺中的应用

2012年04月01日

摘要: 文章介绍了利用中频电流的感应加热原理进行钢管热处理的工艺与设备,指出该工 艺技术由于设备投资不大、没有环境污染,符合环保要求,且便于进行工艺控制,易于组织生产,比较起燃气加热反腐蚀的钢管热处理,具有一定的技术优势,应当 属于政府鼓励发展、企业可以优先采用的新技术、新工艺。
 
前言
利用中频电流的电磁感应加热原理来进行油井管的的淬火、回火以及正火,在美国等发达国家已经属于一种成熟的工艺技术,并且在石油专用管的制造领域得 到了广泛的应用。美国LONGSTAR公司、无限制管公司、日本JFE公司、俄罗斯塔干罗格冶金厂、伏尔加钢厂等制管企业都拥有自己的中频感应钢管热处理 生产线。感应加热以电作为能源,完全不同于使用天然气、发生煤气或液化石油气等燃气那样,在钢管的加热过程中会产生烟尘,形成空气的污染。因为电能属于绿 色能源,不会对环境造成破坏,符合人类社会对环保的要求,所以也是国内外政府鼓励发展的环保型工艺技术开发项目。同时,采用感应加热技术对钢管进行淬火、 回火或正火,升温速度快,效率高,生产组织灵活方便,避免并节省了燃气加热钢管时炉子的升温和降温所需要的时间及能耗。
感应加热技术在我国最早应用于军工、汽车、机械等行业,后来逐步扩展到冶金行业,20世纪80年代初期首钢特殊钢公司在国内首先开始使用中频加热技 术,对45MoMnB、35CrMo、40Cr、40Mn2Mo和45#钢管进行调质处理;对GCr15钢管进行冷加工中间的软化热处理;对 5Cr21Mn9Ni4N进行钢管固溶热处理;对T10A、20Mn2、20#钢棒材进行退火热处理,均取得良好的效果。
 
无锡西姆莱斯石油专用管制造有限公司为生产高品质油井管并开发油井管的新产品,与苏州振吴电炉公司合作,在消化吸收国外钢管感应加热技术的基础上, 双方经过不断摸索、不断改进,研制开发出完全国产化的油井管中频感应热处理生产线。目前已经有两条线先后投入正常生产。其中第一条生产线经过一年多的试生 产和生产,先后加工了Ф60.3mm、Ф73.0mm、Ф88.9mm等规格的加厚和不加厚油管,调质出了N80、L80、C95和P110等钢级的油井管产 品,并通过了中国石油天然气集团公司管材研究所的实物评价试验,被认定为符合美国石油学会5CT标准的油井管产品。在此同时,生产线进行了Ф88.9× 9.19㎜钻杆的热处理工艺试验。随后建设的第二条生产线也于2007年10月进入试生产阶段,目前已经批量加工出Ф60.3mm、Ф73.0mm、 Ф88.9mm、Ф114.3mm、Ф139.7mm规格,N80、L80、P110的油管和套管。油井管感应热处理的钢种包括碳锰钢系列与合金钢系列。
 
实践证明,采用中频感应加热技术进行钢管的热处理,不仅环境污染小、生产效率高,而且成本可以达到与燃气加热相当的水平;如果在用电的低峰期使用, 则成本更低。同时,如果工艺参数选择合理、工艺控制得很好时,甚至可以省去矫直工序。以下主要介绍西姆莱斯石油专用管制造有限公司建设的第一条油井管中频 热处理生产线。
1、钢管感应热处理生产线的产品大纲及技术要求:
1.1、生产能力:热处理6万吨(12吨/h)油管、套管或钻杆;
1.2、产品规格:
 
其中:
 
平式或加厚油管
Ф60.3×4.83mm                5000吨
Ф73.0×5.51mm                10000吨
Ф88.9×6.45mm                10000吨
 
套管                 
Ф114.3×6.35~8.56mm    5000吨
Ф139.7×6.20~10.54mm  20000吨
 
钻杆                
Ф73.0×9.19mm                2000吨
Ф88.9×9.35mm                3000吨
Ф127.0×9.19mm              5000吨
 
1.3、被处理钢管几何尺寸:
 
管体外径: Ф60.3×Ф139.7mm
油管和钻杆加厚端外径: Ф65.89×Ф149.23mm(加厚端最大壁厚20.30mm)
管体壁厚: 4.83×10.54mm
长度: 8~12.5mm
单根钢管最大重量:350kg
 
1.4、热处理后钢管钢级:N80、L80、C90、P95、P110、Q125等;
 
1.5、原料钢管钢种: 37Mn5、34Mn6、38M 6、42MnMo7、30Mn2、27MnCr52、30CrMo、33CrMo、35CrMo、26CrMo4、29CrMo44、32CrMo4
 
1.6、淬火炉加热温度: 850℃~1000℃
 
1.7、回火炉加热温度: 600℃~750℃
 
1.8、淬火方式: 外淋,要求在管子横截面上喷水均匀且有一定角度、压力,同时具有管内吹水功能,保证管子进回火炉时管内无水;
 
1.9、其它要求:钢管回火后应当进行高压水除鳞。
 
2、工艺概述
 
钢管感应热处理的工艺流程与一般传统的燃气加热步进式炉一样,但是工作原理和加工工程却截然不同。在燃气式步进炉中,钢管是整体加热;而在感应炉 中,钢管是分段逐次前进连续加热;淬火过程与回火过程也是如此进行。所以钢管在加热、淬火、回火时,基本是做纵向移动、螺旋前进的动作,其余才是做横向移 动。其具体加工工艺过程如下:
 
根据API 5 CT标准对油井管的调质要求,油井管管坯由天车吊到上料台架上,人工外观检查后使其整齐排列分布。待生产线各工作岗位进入正常工作状态时,感应器通电待 料,变频送料机开始旋转,手动操作步进上料机工作,把第一根油井管从上料台架出口端平稳地抬起滚送到对齐装置的辊道上,变频送料机以设定的速度向前送料, 变频送料机为单辊传动,速度、高度可调,辊型为专门设计倾斜15°布置的辊式送料机,具有水平送料纠偏对中和工件自旋转功能,其中感应加热线圈之间送料辊 和进出口的送料辊材质为耐热钢,并装有旋转密封内水冷却装置,冷却送料辊并使送料辊外表面干燥,便于油管连续加热,其余送料辊材质为耐磨钢。油管经辊道进 入中频淬火加热区,加热区由一套3000kW中频电源和一套1200kW中频电源配多组加热感应线圈组成淬火感应加热区,保证工件温度的均匀,加热温度 850℃~1000℃。在加热线圈的出口处安装进口的双色比色红外测温仪,进行油管加热温度的监测,并把信号反馈到中频电源的控制系统,自动调节中频电源 的输出功率,组成闭环控制系统,从而调整钢管加热温度使之控制在允许的误差范围内。
 
加热好的钢管进入喷淋淬火区,由于工件材质为含碳量0.3%左右的碳锰钢或中低合金化的铬钼钢及铬锰钼钢,适合采用纯水作为淬火介质。我们采用环状 冷却装置连续将高压水流喷射到加热的钢管表面,强喷淋5~15秒左右,以实现淬火马氏体的组织转变。为此,我们选用了二套大流量高压水泵(压力为扬程 125米每分钟的水循环量1000m3/h),总功率在500kW以上,从而达到完全淬透管壁所要求的快速均匀冷却的效果,保证使钢管表面产生的蒸汽膜破 坏,使钢管迅速达到马氏体转变温度,全部转变为淬火马氏体,不会产生淬火屈氏体,从而保证回火索氏体。由于喷淋中会有氧化皮和钢管表面的灰尘脱落后进入淬 火介质中,所以淬火介质必须经过沉淀池粗滤、磁性吸滤、网过滤等多级处理,使浊环水清洁干净,不能堵塞喷嘴,可以循环使用。
 
喷淋区设置隔离挡板,防止水飞溅,利于水的回收利用和减少浊环水的损耗,还设置防护罩,以防水蒸汽喷出,保证车间的干燥。
 
喷淋淬火后的钢管由辊道传送至管内除水段经气动翻料机把管子抬放在倾斜台上,经5分钟以上的沥水后再经气动翻料机抬放至回火线辊道上,在辊道的传动 下进入中频回火感应加热区,回火加热温度范围一般为600℃~750℃。中频感应加热电源为一套1900kW和一套900kW由多组感应线圈组成的回火感 应加热区。在最后一个感应线圈的出口处安装进口的双色比色红外测温仪进行监测油管的温度,负责把信号反馈到中频电源,自动调节中频电源的输出功率,以组成 闭环控制系统。经回火后的钢管在辊道上通过高压水除鳞装置,钢管在高压喷射水的冲刷下达到除鳞效果,经过除鳞得钢管,通过回火区的感应器后,由气压传动步 进翻料机把钢管平稳地抬起,放到冷床上缓慢旋转滚动,逐步冷却。然后钢管在冷床出口处被收集入筐,人工捆扎包装吊运至下一工段。
 
3、设备基本构成
 
3.1、上料部分:
由以下设备组成:上料台架---- 翻料机构 --- 纵向旋转送料辊道 ---- 斜辊道
 
3.2、淬火加热部分:分两个区,加热区和保温区;
其中:加热区有12个感应线圈,设计功率2500kW,设计频率300HZ,保温区有8个感应线圈,设计功率2500kW,设计频率1000HZ。
 
3.3、淬火装置:两个封闭喷淋淬火装置,装有数百只喷嘴,并形成各不相同的角度,向钢管喷出高压水流,且保证在钢管行进过程中的每一处截面上,淬火水量相等,冷却速度相同,受热变形均匀。对于感应加热淬火来说,与燃气加热淬火最大的不同之处,就在于淬火的方式不一样。
 
3.4、回火部分:分两个区,加热区和保温区;
其中:加热区有7个感应线圈,设计功率1500kW,设计频率200HZ,
保温区有7个感应线圈,设计功率1500kW,设计频率1000HZ。
淬火和回火感应线圈的长度:1254mm
 
3.5、其它设备构成:
斜辊轮间隔距离1500mm。
辊道速度可变频调节,频率调节范围0~65HZ。
淬火用水:水泵2台、 扬程125米、 流量520立方米/小时。
 
4、工艺试验情况:
 
4.1、初次工艺试验
第一、二次调试情况:试验选择了最容易加热变形、油井管中规格最小的油管进行了试验。
规格:φ60.3×4.83㎜;生产节奏:60秒/支;试验数量:30支;取样6支,机械性能如下:

 

淬火
回火
σs(MPa)
σb(MPa)
δ(%)
加热区温度(℃)
保温区温度(℃)
加热区温度(℃)
保温区温度(℃)
730
910
530
730
547
675
26
730
930
530
730
570
705
26
726
850
 
720
625
735
26
734
880
 
630
755
929
16
742
880
 
730
545
680
25
739
870
 
730
557
675
24

 

4.1、重复性试验
第三、四、五次调试情况:重复进行试验,以验证设备与工艺的稳定性。
规格:φ60.3×4.83㎜;生产节奏:60秒/支;试验数量:59支;取14支,机械性能如下:

 

淬火
回火
σs(MPa)
σb(MPa)
δ(%)
加热区温度(℃)
保温区温度(℃)
加热区温度(℃)
保温区温度(℃)
740
850
 
730
505
655
27
737
910
 
730
605
740
30
740
902
 
730
590
755
30
737
885
 
720
615
745
18
733
850
 
700
615
735
22
740
860
 
720
600
710
23
735
870
 
712
595
695
24
744
880
 
716
625
724
26
735
880
 
735
570
685
22
734
910
 
724
645
765
28
737
910
 
735
575
705
19
740
900
 
727
582
683
24
728
880
 
725
620
715
24
740
875
 
730
598
690
24

 

以上五次试验所用钢管规格均为Ф60.3×4.83mm,生产节奏均为60秒/支;同时还进行了Ф73×5.51mm(6支)的调质试验,平直度、表面氧化皮情况较Ф60.3的要好一些。
 
4.3、验证性试验
第6次试验情况:改换产品规格进行试验,以验证生产线最大规格油管的热处理效果。
规格:Ф88.9×6.45;生产节奏:60秒/支;总功率负载为4600kW、(3350(淬火)+1250(回火));试验数量:10支;取样4支,机械性能如下:

 

淬火
回火
σs(MPa)
σb(MPa)
δ(%)
加热区温度(℃)
保温区温度(℃)
加热区温度(℃)
保温区温度(℃)
720
850
 
710
595
720
29
724
840
 
720
540
670
25
720
850
 
645
750
830
20
730
856
 
630
785
875
19

 

4.4、钻杆感应热处理工艺性试验
第7次试验情况:为检验感应热处理的加热及淬火装置的效果,选择加厚的钻杆料进行了试验。
材料:30CrMo
规格:Ф88.9×9.19mm钻杆、调质为G105钢级
(1).机械性能

 

序号
热处理工艺
屈服强度σs (Mpa)
抗拉强度σb (Mpa)
伸长率δ(%)
AKV(J)
 
HRC
1
2
3
2430
950+650℃
935
1010
20
60
62
62
5L
32~33
2431
950+700℃
870
945
19
62
62
64
5L
29~30
2432
加厚端
硬度
 
 
 
 
 
 
 

 

(2).加厚端硬度变化
加厚端硬度测试位置示意图

 

离端面距 (mm)
6
12
21
30
40
50
60
70
80
90
100
110
HRC
35
35
30.5
31
34.5
33
33
31.5
33
29
31
35.5
离端面距 (mm)
117
124
130
145
152
160
169
178
187
196
204
214
HRC
35.5
32.5
33.5
32
31
32
33
29
30
32
29
32

 


由于加厚端壁厚与管体壁厚相差较大,加上感应加热端部效应,加厚端在淬火和回火过程中其温度与管体温度有很大差异,必须注意在钢管加热工程中,使管子进入感应器时首尾相接。此后,我们相继生产了几千吨类似的钻杆产品。
 
4.5、高钢级油管的试验及批量生产
在使用感应热处理生产线相继稳定的加工出N80、L80的平式和加厚油管以后,根据公司的新产品开发计划及生产安排,同时也在前阶段取得经验的基础上,我们 又相继进行了C95、P110等高钢级、耐腐蚀油管的热处理工艺试验,均获得成功。目前该生产线已经稳定运行了15个月,先后批量加工N80、L80、 C95、P110等钢级的平式和加厚油管。我们建设的第二条感应热处理线,从2007年11月以来,也相继通过进行各种工艺试验后,目前可以批量加工 Ф60.3~Ф139.mm的油管和套管,处理后的钢级与第一条线相同。
 
5、试验与生产中出现的问题及解决办法
5.1、由于在手工上料状态下,不能保证钢管连续进入感应器时能够首尾相连,容易造成钢管感应加热时功率分配不均,导致钢管温度变化较大(≥30℃);调整到自动控制后才能保证钢管首尾相连,加热均匀,因此应尽可能避免手工上料。
 
5.2、辊道、感应线圈安装时如果对中不好,容易造成钢管在淬火前加热时就有弯曲现象,辊道需要经常调整校准对中。
 
5.3、淬火用的浊环水一定要彻底进行沉淀、过滤,去除氧化铁皮和水中杂物,以免堵塞淬火喷淋环上的喷嘴。
 
5.4、喷淋环上喷嘴的设计,必须保证在任意截面上,喷嘴出水均匀,压力均匀。
 
5.5、钢管在进入淬火区和回火区的感应器时,必须首尾相接,避免出现“端部效应”,以免影响钢管热处理的性能指标。
 
6、结论
6.1、使用中频电感应加热方法对钢管进行热处理的工艺技术是完全可行的。虽然此工艺技术在美国等发达国家已属成熟技术,但是在国内,我公司与苏州振吴电炉有限公司合作研制的设备尚属第一套,此技术的整体开发和应用也属首次。
 
6.2、将属碳锰钢系列的30Mn2钢经中频感应热处理,调质成L80或P110钢级是完全可以实现的,调整其工艺参数就可以得到所需要的性能指标。
 
6.3、中频感应热处理过程中,如何使喷淋均匀并减少钢管弯曲变形及去除氧化皮,目前尚需要进一步摸索探讨。
 
6.4、 电磁感应加热的机理和回火“零保温”的机理尚需进一步研究。

 

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