感應(yīng)加熱技術(shù)在鋼管熱處理工藝中的應(yīng)用

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摘要: 文章介紹了利用中頻電流的感應(yīng)加熱原理進(jìn)行鋼管熱處理的工藝與設(shè)備,指出該工 藝技術(shù)由于設(shè)備投資不大、沒有環(huán)境污染,符合環(huán)保要求,且便于進(jìn)行工藝控制,易于組織生產(chǎn),比較起燃?xì)饧訜岱锤g的鋼管熱處理,具有一定的技術(shù)優(yōu)勢(shì),應(yīng)當(dāng)屬于政府鼓勵(lì)發(fā)展、企業(yè)可以優(yōu)先采用的新技術(shù)、新工藝。
    前言
    利用中頻電流的電磁感應(yīng)加熱原理來進(jìn)行油井管的的淬火、回火以及正火,在美國等發(fā)達(dá)國家已經(jīng)屬于一種成熟的工藝技術(shù),并且在石油專用管的制造領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。美國LONGSTAR公司、無限制管公司、日本JFE公司、俄羅斯塔干羅格冶金廠、伏爾加鋼廠等制管企業(yè)都擁有自己的中頻感應(yīng)鋼管熱處理生產(chǎn)線。感應(yīng)加熱以電作為能源,完全不同于使用天然氣、發(fā)生煤氣或液化石油氣等燃?xì)饽菢?,在鋼管的加熱過程中會(huì)產(chǎn)生煙塵,形成空氣的污染。因?yàn)殡娔軐儆诰G色能源,不會(huì)對(duì)環(huán)境造成破壞,符合人類社會(huì)對(duì)環(huán)保的要求,所以也是國內(nèi)外政府鼓勵(lì)發(fā)展的環(huán)保型工藝技術(shù)開發(fā)項(xiàng)目。同時(shí),采用感應(yīng)加熱技術(shù)對(duì)鋼管進(jìn)行淬火、回火或正火,升溫速度快,效率高,生產(chǎn)組織靈活方便,避免并節(jié)省了燃?xì)饧訜徜摴軙r(shí)爐子的升溫和降溫所需要的時(shí)間及能耗。
    感應(yīng)加熱技術(shù)在我國最早應(yīng)用于軍工、汽車、機(jī)械等行業(yè),后來逐步擴(kuò)展到冶金行業(yè),20世紀(jì)80年代初期首鋼特殊鋼公司在國內(nèi)首先開始使用中頻加熱技術(shù),對(duì)45MoMnB、35CrMo、40Cr、40Mn2Mo和45#鋼管進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理;對(duì)GCr15鋼管進(jìn)行冷加工中間的軟化熱處理;對(duì)5Cr21Mn9Ni4N進(jìn)行鋼管固溶熱處理;對(duì)T10A、20Mn2、20#鋼棒材進(jìn)行退火熱處理,均取得良好的效果。
    無錫西姆萊斯石油專用管制造有限公司為生產(chǎn)高品質(zhì)油井管并開發(fā)油井管的新產(chǎn)品,與蘇州振吳電爐公司合作,在消化吸收國外鋼管感應(yīng)加熱技術(shù)的基礎(chǔ)上,雙方經(jīng)過不斷摸索、不斷改進(jìn),研制開發(fā)出完全國產(chǎn)化的油井管中頻感應(yīng)熱處理生產(chǎn)線。目前已經(jīng)有兩條線先后投入正常生產(chǎn)。其中第一條生產(chǎn)線經(jīng)過一年多的試生產(chǎn)和生產(chǎn),先后加工了Ф60.3㎜、Ф73.0㎜、Ф88.9㎜等規(guī)格的加厚和不加厚油管,調(diào)質(zhì)出了N80、L80、C95和P110等鋼級(jí)的油井管產(chǎn)品,并通過了中國石油天然氣集團(tuán)公司管材研究所的實(shí)物評(píng)價(jià)試驗(yàn),被認(rèn)定為符合美國石油學(xué)會(huì)5CT標(biāo)準(zhǔn)的油井管產(chǎn)品。在此同時(shí),生產(chǎn)線進(jìn)行了Ф88.9×9.19㎜鉆桿的熱處理工藝試驗(yàn)。隨后建設(shè)的第二條生產(chǎn)線也于2007年10月進(jìn)入試生產(chǎn)階段,目前已經(jīng)批量加工出Ф60.3㎜、Ф73.0㎜、Ф88.9㎜、Ф114.3㎜、Ф139.7㎜規(guī)格,N80、L80、P110的油管和套管。油井管感應(yīng)熱處理的鋼種包括碳錳鋼系列與合金鋼系列。
    實(shí)踐證明,采用中頻感應(yīng)加熱技術(shù)進(jìn)行鋼管的熱處理,不僅環(huán)境污染小、生產(chǎn)效率高,而且成本可以達(dá)到與燃?xì)饧訜嵯喈?dāng)?shù)乃?;如果在用電的低峰期使用,則成本更低。同時(shí),如果工藝參數(shù)選擇合理、工藝控制得很好時(shí),甚至可以省去矯直工序。以下主要介紹西姆萊斯石油專用管制造有限公司建設(shè)的第一條油井管中頻熱處理生產(chǎn)線。
    1、鋼管感應(yīng)熱處理生產(chǎn)線的產(chǎn)品大綱及技術(shù)要求:
    1.1、生產(chǎn)能力:熱處理6萬噸(12噸/h)油管、套管或鉆桿;
    1.2、產(chǎn)品規(guī)格:
    其中:平式或加厚油管 φ60.3×4.83mm 5000噸
    φ73.0×5.51mm 10000噸
    φ88.9×6.45mm 10000噸
    套管 φ114.3×6.35~8.56mm 5000噸
    φ139.7×6.20~10.54mm 20000噸
    鉆桿 φ73.0×9.19mm 2000噸
    φ88.9×9.35mm 3000噸
    φ127.0×9.19mm 5000噸
    1.3、被處理鋼管幾何尺寸:
    管體外徑: φ60.3×φ139.7mm
    油管和鉆桿加厚端外徑: φ65.89×φ149.23mm(加厚端壁厚20.30mm)
    管體壁厚: 4.83×10.54mm
    長(zhǎng)度: 8~12.5mm單根鋼管重量:350kg
    1.4、熱處理后鋼管鋼級(jí):N80、L80、C90、P95、P110、Q125等;
    1.5、原料鋼管鋼種: 37Mn5、34Mn6、38M 6、42MnMo7、30Mn2
    27MnCr52、30CrMo、33CrMo、35CrMo、
    26CrMo4、29CrMo44、32CrMo4等;
    1.6、淬火爐加熱溫度: 850℃~1000℃
    1.7、回火爐加熱溫度: 600℃~750℃
    1.8、淬火方式: 外淋,要求在管子橫截面上噴水均勻且有一定角度、壓力,同時(shí)具有管內(nèi)吹水功能,保證管子進(jìn)回火爐時(shí)管內(nèi)無水;
    1.9、其它要求:鋼管回火后應(yīng)當(dāng)進(jìn)行高壓水除鱗。
    2、工藝概述
    鋼管感應(yīng)熱處理的工藝流程與一般傳統(tǒng)的燃?xì)饧訜岵竭M(jìn)式爐一樣,但是工作原理和加工工程卻截然不同。在燃?xì)馐讲竭M(jìn)爐中,鋼管是整體加熱;而在感應(yīng)爐中,鋼管是分段逐次前進(jìn)連續(xù)加熱;淬火過程與回火過程也是如此進(jìn)行。所以鋼管在加熱、淬火、回火時(shí),基本是做縱向移動(dòng)、螺旋前進(jìn)的動(dòng)作,其余才是做橫向移動(dòng)。其具體加工工藝過程如下:
    根據(jù)API 5 CT標(biāo)準(zhǔn)對(duì)油井管的調(diào)質(zhì)要求,油井管管坯由天車吊到上料臺(tái)架上,人工外觀檢查后使其整齊排列分布。待生產(chǎn)線各工作崗位進(jìn)入正常工作狀態(tài)時(shí),感應(yīng)器通電待料,變頻送料機(jī)開始旋轉(zhuǎn),手動(dòng)操作步進(jìn)上料機(jī)工作,把第一根油井管從上料臺(tái)架出口端平穩(wěn)地抬起滾送到對(duì)齊裝置的輥道上,變頻送料機(jī)以設(shè)定的速度向前送料,變頻送料機(jī)為單輥傳動(dòng),速度、高度可調(diào),輥型為專門設(shè)計(jì)傾斜15°布置的輥式送料機(jī),具有水平送料糾偏對(duì)中和工件自旋轉(zhuǎn)功能,其中感應(yīng)加熱線圈之間送料輥和進(jìn)出口的送料輥材質(zhì)為耐熱鋼,并裝有旋轉(zhuǎn)密封內(nèi)水冷卻裝置,冷卻送料輥并使送料輥外表面干燥,便于油管連續(xù)加熱,其余送料輥材質(zhì)為耐磨鋼。油管經(jīng)輥道進(jìn)入中頻淬火加熱區(qū),加熱區(qū)由一套3000kW中頻電源和一套1200kW中頻電源配多組加熱感應(yīng)線圈組成淬火感應(yīng)加熱區(qū),保證工件溫度的均勻,加熱溫度850℃~1000℃。在加熱線圈的出口處安裝進(jìn)口的雙色比色紅外測(cè)溫儀,進(jìn)行油管加熱溫度的監(jiān)測(cè),并把信號(hào)反饋到中頻電源的控制系統(tǒng),自動(dòng)調(diào)節(jié)中頻電源的輸出功率,組成閉環(huán)控制系統(tǒng),從而調(diào)整鋼管加熱溫度使之控制在允許的誤差范圍內(nèi)。
    加熱好的鋼管進(jìn)入噴淋淬火區(qū),由于工件材質(zhì)為含碳量0.3%左右的碳錳鋼或中低合金化的鉻鉬鋼及鉻錳鉬鋼,適合采用純水作為淬火介質(zhì)。我們采用環(huán)狀冷卻裝置連續(xù)將高壓水流噴射到加熱的鋼管表面,強(qiáng)噴淋5~15秒左右,以實(shí)現(xiàn)淬火馬氏體的組織轉(zhuǎn)變。為此,我們選用了二套大流量高壓水泵(壓力為揚(yáng)程125米每分鐘的水循環(huán)量1000m3/h),總功率在500kW以上,從而達(dá)到完全淬透管壁所要求的快速均勻冷卻的效果,保證使鋼管表面產(chǎn)生的蒸汽膜破壞,使鋼管迅速達(dá)到馬氏體轉(zhuǎn)變溫度,全部轉(zhuǎn)變?yōu)榇慊瘃R氏體,不會(huì)產(chǎn)生淬火屈氏體,從而保證回火索氏體。由于噴淋中會(huì)有氧化皮和鋼管表面的灰塵脫落后進(jìn)入淬火介質(zhì)中,所以淬火介質(zhì)必須經(jīng)過沉淀池粗濾、磁性吸濾、網(wǎng)過濾等多級(jí)處理,使?jié)岘h(huán)水清潔干凈,不能堵塞噴嘴,可以循環(huán)使用。
    噴淋區(qū)設(shè)置隔離擋板,防止水飛濺,利于水的回收利用和減少濁環(huán)水的損耗,還設(shè)置防護(hù)罩,以防水蒸汽噴出,保證車間的干燥。
    噴淋淬火后的鋼管由輥道傳送至管內(nèi)除水段經(jīng)氣動(dòng)翻料機(jī)把管子抬放在傾斜臺(tái)上,經(jīng)5分鐘以上的瀝水后再經(jīng)氣動(dòng)翻料機(jī)抬放至回火線輥道上,在輥道的傳動(dòng)下進(jìn)入中頻回火感應(yīng)加熱區(qū),回火加熱溫度范圍一般為600℃~750℃。中頻感應(yīng)加熱電源為一套1900kW和一套900kW由多組感應(yīng)線圈組成的回火感應(yīng)加熱區(qū)。在最后一個(gè)感應(yīng)線圈的出口處安裝進(jìn)口的雙色比色紅外測(cè)溫儀進(jìn)行監(jiān)測(cè)油管的溫度,負(fù)責(zé)把信號(hào)反饋到中頻電源,自動(dòng)調(diào)節(jié)中頻電源的輸出功率,以組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。經(jīng)回火后的鋼管在輥道上通過高壓水除鱗裝置,鋼管在高壓噴射水的沖刷下達(dá)到除鱗效果,經(jīng)過除鱗得鋼管,通過回火區(qū)的感應(yīng)器后,由氣壓傳動(dòng)步進(jìn)翻料機(jī)把鋼管平穩(wěn)地抬起,放到冷床上緩慢旋轉(zhuǎn)滾動(dòng),逐步冷卻。然后鋼管在冷床出口處被收集入筐,人工捆扎包裝吊運(yùn)至下一工段。
    3、設(shè)備基本構(gòu)成
    3.1、上料部分:
    由以下設(shè)備組成:上料臺(tái)架---- 翻料機(jī)構(gòu) --- 縱向旋轉(zhuǎn)送料輥道 ---- 斜輥道
    3.2、淬火加熱部分:分兩個(gè)區(qū),加熱區(qū)和保溫區(qū);
    其中:加熱區(qū)有12個(gè)感應(yīng)線圈,設(shè)計(jì)功率2500kW,設(shè)計(jì)頻率300HZ,
    保溫區(qū)有8個(gè)感應(yīng)線圈,設(shè)計(jì)功率2500kW,設(shè)計(jì)頻率1000HZ。
    3.3、淬火裝置:兩個(gè)封閉噴淋淬火裝置,裝有數(shù)百只噴嘴,并形成各不相同的角度,向鋼管噴出高壓水流,且保證在鋼管行進(jìn)過程中的每一處截面上,淬火水量相等,冷卻速度相同,受熱變形均勻。對(duì)于感應(yīng)加熱淬火來說,與燃?xì)饧訜岽慊鸬牟煌?,就在于淬火的方式不一樣?BR>    3.4、回火部分:分兩個(gè)區(qū),加熱區(qū)和保溫區(qū);
    其中:加熱區(qū)有7個(gè)感應(yīng)線圈,設(shè)計(jì)功率1500kW,設(shè)計(jì)頻率200HZ,
    保溫區(qū)有7個(gè)感應(yīng)線圈,設(shè)計(jì)功率1500kW,設(shè)計(jì)頻率1000HZ。
    淬火和回火感應(yīng)線圈的長(zhǎng)度:1254mm
    3.5、其它設(shè)備構(gòu)成:
    斜輥輪間隔距離1500mm。
    輥道速度可變頻調(diào)節(jié),頻率調(diào)節(jié)范圍0~65HZ。
    淬火用水:水泵2臺(tái)、 揚(yáng)程125米、 流量520立方米/小時(shí)。