感应加热技术在钢管热处理工艺中的应用

感应加热技术在钢管热处理工艺中的应用摘要：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Ф88.9×9.19mm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Φ60.3×4.83mm5000吨Φ73.0×5.51mm10000吨Φ88.9×6.45mm10000吨套管Φ114.3×6.35～8.56mm5000吨Φ139.7×6.20～10.54mm20000吨钻杆Φ73.0×9.19mm2000吨Φ88.9×9.35mm3000吨Φ127.0×9.19mm5000吨1.3被处理钢管几何尺寸：管体外径：Φ60.3～139.7mm油管和钻杆加厚端外径：Φ65.89～149.23mm（加厚端最大壁厚20.30mm）管体壁厚：4.83～10.54mm长度：8～12.5m单根钢管最大重量：350kg1.4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、38M6、42MnMo7、30Mn2、27MnCr52、30CrMo、33CrMo、35CrMo、26CrMo4、29CrMo44、32CrMo4等；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API5CT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125m，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：1254mm3.5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125m、流量520m3/h。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：Φ60.3×4.83mm；生产节奏：60秒/支；试验数量：30支；取样6支，机械性能如下：加热区温度（℃）保温区温度（℃）加热区温度（℃）保温区温度（℃）730910530730547675267309305307305707052672685072062573526734880630755929167428807305456802573987073055767524σsMPaσbMPaδ％淬火回火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：Φ60.3×4.83mm；生产节奏：60秒/支；试验数量：59支；取14支，机械性能如下：加热区温度（℃）保温区温度（℃）加热区温度（℃）保温区温度（℃）7408507305056552773791073060574030740902730590755307378857206157451873385070061573522740860720600710237358707125956952474488071662572426735880735570685227349107246457652873791073557570519740900727582683247288807256207152474087573059869024淬火回火σsMPaσbMPaδ%以上五次试验所用钢管规格均为Φ60.3×4.83mm，生产节奏均为60秒/支；同时还进行了Φ73×5.51mm（6支）的调质试验，平直度、表面氧化皮情况较Φ60.3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：Φ88.9×6.45；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：加热区温度（℃）保温区温度（℃）加热区温度（℃）保温区温度（℃）72085071059572029724840720540670257208506457508302073085663078587519δ%淬火回火σsMPaσbMPa4.4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：Φ88.9×9.19mm钻杆、调质为G105钢级（1）机械性能1232430950＋650℃9351010206062625L32～332431950＋700℃870945196262645L29～302432加厚端硬度序号热处理工艺屈服强度σsMPa抗拉强度σbMPa伸长率δ%AKV，JHRC（2）加厚端硬度变化加厚端硬度测试位置示意图离端面距离，mm6122130405060708090100110HRC353530.53134.5333331.533293135.5离端面距离，mm1171241301451521601