Φ89 mm以下不銹鋼無縫鋼管管坯的經(jīng)濟(jì)型生產(chǎn)工藝

鄢 勇，尹人潔，童宗圣，江 健，彭海龍，張 濤，鄒友富，張凱之

（攀鋼集團(tuán)成都鋼釩有限公司，四川成都610301）

Φ89 mm以下不銹鋼無縫鋼管管坯的經(jīng)濟(jì)型生產(chǎn)工藝

鄢 勇，尹人潔，童宗圣，江 健，彭海龍，張 濤，鄒友富，張凱之

（攀鋼集團(tuán)成都鋼釩有限公司，四川成都610301）

針對Φ89 mm以下300系列奧氏體不銹鋼無縫鋼管冷加工生產(chǎn)流程長、生產(chǎn)周期長、產(chǎn)量低、成材率低、成本高以及酸洗污染等問題，通過變形工藝研究，設(shè)計開發(fā)出“熱軋（穿孔+定徑）+在線水冷”工藝，以生產(chǎn)Φ89 mm以下不銹鋼無縫鋼管坯料。檢驗結(jié)果表明：采用“熱軋（穿孔+定徑）+在線水冷”工藝生產(chǎn)的Φ89 mm以下不銹鋼無縫鋼管坯料規(guī)格接近最終冷軋成品尺寸，可減少中間冷軋（拔）道次，簡化工藝流程，縮短生產(chǎn)周期，提高成材率，具有良好的經(jīng)濟(jì)性。

不銹鋼；無縫鋼管；管坯；經(jīng)濟(jì)型；生產(chǎn)工藝

隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，不銹鋼鋼管的消費(fèi)量不斷增加，不銹鋼無縫鋼管的需求量日趨擴(kuò)大，市場前景看好。不銹鋼具有優(yōu)異的耐蝕性、成型性以及在很寬溫度范圍內(nèi)的強(qiáng)韌性等系列特點(diǎn)，在重工業(yè)、輕工業(yè)、生活用品行業(yè)以及建筑裝飾等行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用［1-6］。Φ89 mm以下300系列奧氏體不銹鋼無縫鋼管因其具有良好的綜合性能，在鍋爐、石化行業(yè)中得到大量使用。特別是在鍋爐行業(yè)中作為熱交換器的重要母材來使用［7-8］。

自Φ89 mm以下300系列不銹鋼無縫鋼管國產(chǎn)化以來，涌現(xiàn)出大量的生產(chǎn)加工企業(yè)，主要包括江蘇武進(jìn)不銹鋼股份有限公司、浙江久立特材科技股份有限公司以及攀鋼集團(tuán)江油長城特殊鋼有限公司等；主要的生產(chǎn)工藝路線有：“穿孔+多道次冷軋（拔）”或“擠壓+多道次冷軋（拔）”。因每道次變形量有限，要制成成品常需多道次的冷軋或冷拔。由于不銹鋼的冷加工硬化和表面質(zhì)量等原因，在進(jìn)行每道次的冷軋或冷拔前，需進(jìn)行退火熱處理、酸洗、潤滑等一系列處理［9］。繁雜的工序帶來生產(chǎn)流程長、生產(chǎn)周期長、產(chǎn)量低、成材率低、成本高以及酸洗污染環(huán)境等問題。本文介紹了攀鋼集團(tuán)成都鋼釩有限公司（簡稱攀成鋼）為達(dá)到局部以熱代冷、簡化工序、降低成本、縮短生產(chǎn)周期的目的，通過生產(chǎn)工藝優(yōu)化、創(chuàng)新，開發(fā)出一種在熱軋機(jī)組進(jìn)行軋制和在線水冷的工藝，直接生產(chǎn)出接近最終冷軋成品尺寸的不銹鋼無縫鋼管坯料。

1 管坯的一般技術(shù)要求

Φ89 mm以下300系列奧氏體不銹鋼無縫鋼管的幾何尺寸應(yīng)符合外徑公差（-1%～+1%）D，壁厚公差（-10%～+10%）S，全長彎曲度應(yīng)不超過0.2%L；同一截面上實(shí)測的外徑最大值與最小值之差不應(yīng)超過外徑公差的75%；同一截面上實(shí)測的壁厚最大值與最小值之差應(yīng)不超過14%S。在線固溶后的力學(xué)性能應(yīng)滿足后續(xù)加工要求。

2 技術(shù)難點(diǎn)分析

奧氏體不銹鋼的主要特點(diǎn)有：①軋制變形抗力大，奧氏體不銹鋼在1 100～1 200℃，其變形抗力接近普通碳鋼、合金鋼的2倍；②變形溫度范圍窄，通過資料查閱和多次的試驗摸索，生產(chǎn)小直徑奧氏體不銹鋼鋼管的理想開軋溫度在1 100～1 150℃；③與普通碳鋼和合金鋼相比，奧氏體不銹鋼在軋制變形過程中的寬展更大；④比普通的碳素鋼和合金鋼更容易黏鋼，一方面因為采用的變形工具材質(zhì)為耐熱鋼，在鋼種、鋼級上同一般合金鋼相比與奧氏體不銹鋼更為接近，另一方面因為不銹鋼抗氧化能力強(qiáng)，坯料表面氧化皮較少，無法在坯料和變形工具間產(chǎn)生間隔；⑤熱膨脹系數(shù)大，高溫下奧氏體不銹鋼的線膨脹系數(shù)是普通碳鋼和合金鋼的1.5倍左右；⑥低溫段熱導(dǎo)率低，奧氏體不銹鋼在低溫狀態(tài)下的熱導(dǎo)率較低，僅為普通碳鋼的1/3［10］。

因此，在生產(chǎn)奧氏體不銹鋼無縫鋼管時存在以下技術(shù)難點(diǎn)：

（1）確定不銹鋼鋼管坯料加熱工藝制定有一定難度。不銹鋼加熱溫度范圍窄，其熱導(dǎo)率與碳鋼差別也較大。在加熱制度設(shè)計上，為保證加熱質(zhì)量，必須將加熱速度控制在合理的范圍之內(nèi)。而在高溫時，過長的高溫保溫時間和過高的保溫溫度易導(dǎo)致坯料晶粒組織產(chǎn)生δ鐵素體以及出現(xiàn)晶粒長大嚴(yán)重現(xiàn)象，從而造成鋼管內(nèi)表面缺陷。

（2）變形工藝參數(shù)設(shè)定需重新選擇，明顯不同于碳鋼鋼管。與碳鋼鋼管相比，不銹鋼鋼管具有變形抗力大、熱膨脹系數(shù)大、低溫段熱導(dǎo)率低、寬展大、易黏鋼的特點(diǎn)，在穿孔、定（減）徑工藝參數(shù)的設(shè)定上與碳鋼鋼管有明顯差異。

（3）不銹鋼鋼管在線水冷熱處理技術(shù)需要確立。在線水冷不同于離線固溶，在線水冷不需再次對鋼管進(jìn)行加熱，如何利用變形余熱進(jìn)行在線處理，保證鋼管的力學(xué)性能可滿足后續(xù)加工要求。

3 工藝試驗依據(jù)及結(jié)果

在Φ76 mm二輥軋管機(jī)組上生產(chǎn)Φ76 mm×10 mm不銹鋼無縫鋼管，試驗鋼種為TP347，執(zhí)行ASTM A 213/A 213M—2014《鍋爐、過熱器和換熱器用鐵素體和奧氏體合金鋼無縫鋼管技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)［11］。生產(chǎn)工藝流程為：坯料Φ97 mm×1.6 m→斜底式加熱爐加熱→穿孔Φ100 mm×10 mm×3.84 m→定徑Φ76 mm×10 mm×5.52 m→在線水冷。成品管的外徑公差在（-1%～+1%）D，壁厚公差在（-10%～+10%）S。

3.1 鋼坯加熱工藝研究

取樣在實(shí)驗室進(jìn)行熱導(dǎo)率與溫度的關(guān)系試驗，并以此為依據(jù)制定加熱、保溫速率。1 000～1 300℃的Fe-Cr-Ni三元合金相圖截面如圖1所示。從圖1可以看出：TP347H等奧氏體不銹鋼在1 100℃以上時就有可能會析出δ鐵素體，如果加熱溫度過高，再加上穿孔時鋼管內(nèi)孔溫度的升高，導(dǎo)致穿孔時析出δ鐵素體，兩相變形不一致，塑性急劇降低，容易產(chǎn)生鋼管內(nèi)折缺陷［12］。因此，將斜底式加熱爐均熱段加熱溫度設(shè)置在1 100～1 200℃進(jìn)行穿孔，在此溫度區(qū)間每間隔15℃進(jìn)行保溫設(shè)置，以確定合適的保溫溫度。

測定1Cr18Ni9Ti奧氏體不銹鋼在不同溫度區(qū)間的線膨脹系數(shù)，結(jié)果見表1。通過與普通碳鋼進(jìn)行對比，為確定穿孔及定徑工藝參數(shù)提供數(shù)據(jù)支撐。

結(jié)合圖1及多次的生產(chǎn)實(shí)踐，合適的斜底式爐均熱段加熱溫度應(yīng)為1 110～1 140℃。

過快的加熱易導(dǎo)致坯料產(chǎn)生裂紋，而過長時間處于高溫狀態(tài)時，又導(dǎo)致坯料晶粒度過分長大，影響產(chǎn)品組織性能；因此，采用溫度∧850℃時緩慢加熱，在高溫段快速加熱到所需溫度的加熱制度。筆者根據(jù)攀成鋼斜底式加熱爐的特點(diǎn)并結(jié)合生產(chǎn)經(jīng)驗，制定了TP347不銹鋼鋼坯的加熱制度，具體如圖2所示。

圖1 1 000～1 300℃的Fe-Cr-Ni三元合金相圖截面示意

表1 1Cr18Ni9Ti奧氏體不銹鋼在不同溫度區(qū)間的線膨脹系數(shù)

圖2 TP347H不銹鋼鋼坯的加熱制度示意

3.2 穿孔工藝研究

穿孔原理是利用管坯中心區(qū)金屬裂而未斷的疏松狀態(tài)，將頂頭置于疏松區(qū)進(jìn)行穿孔，從而獲得穿孔過程的力學(xué)、運(yùn)動學(xué)和毛管質(zhì)量的最佳綜合效果［13-14］。穿孔工藝參數(shù)的調(diào)整要從奧氏體不銹鋼的特點(diǎn)出發(fā)，達(dá)到兩個目的：一是創(chuàng)造良好的變形條件，保證穿孔過程的順利進(jìn)行；二是防止內(nèi)外表面缺陷。穿孔主要的影響參數(shù)包括軋輥轉(zhuǎn)速、頂前壓下率、橢圓度等［15］。

（1）軋輥轉(zhuǎn)速。控制穿孔機(jī)的軋輥速度對抑制毛管溫度是很重要的，穿孔速度越快，毛管的溫度（尤其是內(nèi)表面溫度）越高，在穿孔的過程中不銹鋼毛管析出δ鐵素體，造成鋼管內(nèi)表面缺陷。因此，對比穿孔速度為40，50，60，70，80 r/min時的軋制情況，確定最優(yōu)穿孔速度。

（2）頂前壓下率。習(xí)慣用頂前壓下率來表示管坯形成孔腔的危險程度，并用此參數(shù)作為確定穿孔機(jī)孔型設(shè)計及頂頭位置調(diào)整的重要依據(jù)之一。頂前壓下率過小，則無法實(shí)現(xiàn)穿孔的二次咬入；若頂頭壓下率過大，則易形成孔腔，造成內(nèi)折。鋼的強(qiáng)度極限和塑性不同，其臨界壓下率也不同；而影響頂頭壓下率的因素包括管坯低倍組織、高倍組織以及加熱質(zhì)量等。生產(chǎn)小直徑奧氏體不銹鋼鋼管時，坯料采用扒皮鍛坯，因管坯經(jīng)軋制后低倍組織等得到了改善，頂前壓下率可取得大一些；但是由于坯料較小，且高溫變形抗力大，管坯變形時中心搓動劇烈，頂前壓下率也不易設(shè)置過大［15］。分別進(jìn)行頂前壓下率為4%、5%、6%、7%情況下的對比試驗，確定適合參數(shù)。

（3）橢圓度。橢圓度是指導(dǎo)盤距離與軋輥距離的比值，而橢圓度又影響毛管質(zhì)量，咬入條件，軸向滑移、穿孔速度、擴(kuò)徑量，軋卡及毛管尺寸控制等。特別是對毛管質(zhì)量影響更為明顯：橢圓度越大，使金屬橫向變形增大，軸向變形減小，而金屬橫向變形增大會導(dǎo)致管坯中心區(qū)的拉應(yīng)力增大，促使管坯中心孔腔的形成；過小的橢圓度會導(dǎo)致軋輥形成的管坯旋轉(zhuǎn)和前進(jìn)的動力不足以抵消其摩擦力與頂頭阻力，會造成堵轉(zhuǎn)、軋卡。可見，橢圓度的設(shè)置應(yīng)考慮到坯料的質(zhì)量、抗力、機(jī)組能力以及生產(chǎn)規(guī)格等多種情況［15］。不銹鋼的寬展比碳鋼大，選擇的橢圓度比碳鋼稍大。分別進(jìn)行橢圓度為1.08、1.10、1.12、1.14等情況下的對比試驗，最終選擇合理的橢圓度。

（4）定（減）徑。由于奧氏體不銹鋼寬展較大，在定徑時更易產(chǎn)生“青線”、凸棱等表面缺陷，需根據(jù)不同毛管規(guī)格、變形量設(shè)計，確定變形參數(shù)。在12機(jī)架定（減）徑機(jī)中定（減）徑，設(shè)計中間機(jī)架的減徑率約為3.5%，第1機(jī)架減徑率為1.0%，成品機(jī)架減徑率為0的情況下，分別進(jìn)行最后4個機(jī)架、3個機(jī)架、2個機(jī)架的減徑率設(shè)為1.0%的對比試驗，最終確定合適工藝參數(shù)。

在Gleeble 2000A熱模擬高溫試驗機(jī)上測定TP347不銹鋼的抗拉強(qiáng)度，拉伸速度為0.33 mm/s，并繪制其熱模型曲線。TP347不銹鋼的熱模型曲線如圖3所示。從圖3可以看出：1 100℃時TP347不銹鋼無縫鋼管的抗拉強(qiáng)度在60 MPa左右，是軋制碳鋼鋼管的2.0～2.5倍。

圖3 TP347不銹鋼的熱模型曲線

通過理論數(shù)據(jù)與多次生產(chǎn)實(shí)踐相結(jié)合的方式，最終確定了生產(chǎn)小直徑奧氏體不銹鋼無縫鋼管質(zhì)量較好時的生產(chǎn)參數(shù)：通定心孔深度定為5～10 mm，穿孔機(jī)軋輥轉(zhuǎn)速控制在50～60 r/min，頂前壓下率為5%～6%，橢圓度控制在1.12～1.14，定徑機(jī)的第1機(jī)架和倒數(shù)第2～5機(jī)架的減徑率為1.0%，成品機(jī)架減徑率為0，中間機(jī)架減徑率約為3.5%。生產(chǎn)Φ76 mm×10 mm不銹鋼無縫鋼管時的穿孔參數(shù)見表2。

表2 生產(chǎn)Φ76 mm×10 mm不銹鋼無縫鋼管時的穿孔參數(shù)

3.3 在線固溶熱處理工藝技術(shù)研究

因為在斜底式加熱爐加熱時，管坯中的合金元素已充分溶解，高溫軋制過程中未能析出，所以定（減）徑后，在鋼管溫度略低于固溶溫度時直接入水，可達(dá)到離線固溶改善鋼管冷加工性能的目的。因此，通過控制生產(chǎn)節(jié)奏，將Φ76 mm×10 mm不銹鋼無縫鋼管的入水溫度控制在800～950℃，控制軋制節(jié)奏為60～100 s/支，軋制節(jié)奏每增加10 s進(jìn)行一組對比試驗，確定合適的軋制節(jié)奏和在線固溶入水溫度。

通過多次試驗摸索，最終確定軋制節(jié)奏控制在70 s/支，Φ76 mm×10 mm不銹鋼無縫鋼管的入水溫度為920～950℃。Φ76 mm×10 mm不銹鋼無縫鋼管經(jīng)在線固溶后的性能見表3。

表3 Φ76 mm×10 mm不銹鋼無縫鋼管經(jīng)在線固溶后的性能

4 管坯實(shí)物質(zhì)量水平

Φ76 mm×10 mm不銹鋼無縫鋼管的外徑和壁厚分布情況如圖4所示，屈服強(qiáng)度、抗張強(qiáng)度和伸長率分布情況如圖5所示。

圖4 Φ76 mm×10 mm不銹鋼無縫鋼管的外徑和壁厚分布情況

圖5 Φ76 mm×10 mm不銹鋼無縫鋼管的屈服強(qiáng)度、抗張強(qiáng)度和伸長率分布情況

5 結(jié)語

（1）設(shè)計開發(fā)出的“熱軋（穿孔+定徑）+在線水冷”生產(chǎn)Φ89 mm以下不銹鋼無縫鋼管坯料生產(chǎn)工藝，可減少中間冷軋（拔）道次，極大地簡化工藝流程，縮短生產(chǎn)周期，降低生產(chǎn)成本。

（2）采用在線水冷熱處理，將不銹鋼無縫鋼管坯料的入水溫度控制在920～950℃，可有效保證各方面性能滿足后續(xù)冷加工要求，能夠?qū)崿F(xiàn)代替離線固溶的目的。

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An Economic Manufacturing Process for Stainless Steel Blank Pipes Sized under Φ89 mm

YAN Yong，YIN Renjie，TONG Zongsheng，JIANG Jian，PENG Hailong，ZHANG Tao，Zou Youfu，ZHANG Kaizhi
（Pangang Group Chengdu Steel and Vanadium Co.，Ltd.，Chengdu 610301，China）

A number of shortcomings stay with the production of the cold-processed 300 Series austenitic stainless steel pipes as sized under Φ89 mm，namely，rather long manufacturing process flow and production cycle，low output，low yield，high operational costs and environment-contaminating pickling operation，etc.Addressing such problems，based on study on the deformation process，the process of hot rolling（piercing+sizing）plus in-line water cooling is designed and developed to produce seamless stainless steel blank pipes sized under Φ89 mm.Results from inspections of and tests to the pipes as made with the above mentioned process show that their dimensions are close to the finished cold-rolled pipes.It is concluded that the said manufacturing process is capable of reducing intermediate cold-rolling（drawing）passes，simplifying the process flow，shortening the production cycle，and increasing the yield，being remarkably economic.

stainless steel；seamless steel pipe；blank pipe；economic type；manufacturing process

TG335.75

B

1001-2311（2016）04-0046-05

2015-11-10；修定日期：2016-05-16）

鄢勇（1986-），男，工程師，從事無縫鋼管的新產(chǎn)品研發(fā)和軋管工藝研究工作。