鋼管環形淬火設備分析

吳量，高璐，杜學斌，馬輝，馬海寬，李永輝，王建國

（1.中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710018；2.西北工業大學，陜西 西安 710072；3.金屬擠壓鍛造裝備技術國家重點實驗室，陜西 西安 710018）

0 引言

無縫鋼管在國民經濟建設中具有重要作用，廣泛應用于石油開采、鉆探、油氣輸送等領域。21 世紀以來，我國經濟的快速增長帶動了能源需求的快速上漲，使得無縫鋼管需求量大增，極大地帶動了整個行業的發展。高壓燃氣、海洋石油等特殊用途鋼管的開發利用，對無縫鋼管的力學性能、質量、精度等提出更高層次的要求，即高強度、高硬度、高沖擊韌性等。基于此，無縫鋼管的熱處理工藝要求越來越高。

此外，隨著鋼鐵材料性能的提高和新鋼種開發的需要，高附加值特殊鋼產品的在線生產等需求，促使熱處理工藝技術的不斷發展進步。由于無縫鋼管的使用量不斷增加，對產品的性能要求不斷提升，無縫鋼管熱處理工藝還需要繼續探索發展及完善。

1 鋼管熱處理工藝

為了使鋼管能滿足使用性能要求，通常有兩種辦法來解決：一是調整鋼的化學成分，即創造新合金；二是熱處理及熱處理和塑性變形相結合的方法，提高其使用性能。

鋼管的生產執行的是美國石油協會的API 標準，該標準規定了鋼管化學成分要求、制造和熱處理工藝，還規定了各種性能指標。

熱處理是指把鋼加熱到預定的溫度，并在這一溫度保溫一定的時間，然后以預定的速度冷卻下來的一種綜合工藝。

鋼管熱處理工藝包括：正火、正火+回火、淬火+回火。鋼管正火是將鋼管加熱到奧氏體化以上溫度，并保溫一段時間后，在空氣中以緩慢的冷卻速度冷卻下來，從而得到穩定組織的工藝過程；淬火是將鋼管加熱到臨界溫度AC1或AC3以上，保溫一段時間后，使鋼管快速冷卻而得到馬氏體組織的熱處理工藝；回火是將淬火后或正火后的鋼管加熱到臨界溫度AC1 以下某一溫度，保溫一段時間，然后以一定的方式使鋼管冷卻到室溫的熱處理工藝。由于鋼管淬火后得到的馬氏體硬度高、強度高，但脆性大、殘余應力很高、組織不穩定，所以淬火后的鋼管必須及時回火，得到回火索氏體，提高塑性和韌性，才能獲得較好綜合力學性能[1]。

鋼管熱處理工藝的主要設備包括加熱爐和淬火裝置。

加熱爐有三種：“步進式”加熱爐，“輥底式”加熱爐，中頻感應加熱爐。

淬火裝置有四種：“內噴+外淋”式淬火裝置[2]、槽內淬火裝置[3]、半浸淬火裝置[4]和環形淬火裝置。其中，“內噴+外淋”式淬火裝置適用于壁厚小于32mm的鋼管，一般與步進式淬火爐配套；槽內淬火裝置適合厚壁鋼管，壁厚可達50mm，一般與步進式淬火爐配套；半浸淬火裝置適合管徑范圍較大，結合了以上兩種設備的優點。但以上三種設備占地面積與投資成本大，對于薄壁鋼管來說，更適合采用環形淬火裝置，設備簡單，投資成本較低。

2 環形淬火裝置

環形淬火裝置主要由水控制系統、淬火環、機架、升降裝置、機罩和輸送輥道組成，如圖1 所示。

圖1 環形淬火裝置

水控制系統由一級管道、二級管道、流量計、壓力傳感器、溫度傳感器和電動閘閥等組成，通過調節各冷卻區的一級管道與二級管道之間的閘閥，適應不同直徑的鋼管對冷卻水量的需求，盡可能使二級管道內形成均壓系統，使所有噴射管按設計流量噴出，滿足鋼管淬火工藝要求[5][6]。

淬火環安裝在機架上，上面由機罩罩住，機架下方留排水孔，在淬火過程中，淬火水全部由機架下方排水孔統一排到排水溝中，防止水飛濺到設備外，影響現場工作環境。

升降裝置安裝在機架下方，可調整淬火環的高度，保證淬火環與不同規格的鋼管的同心度。

輸送輥道由電機驅動，與鋼管運行方向呈一定角度，使鋼管實現邊旋轉邊向前輸送，保證鋼管淬火冷卻均勻性，防止鋼管彎曲變形，保證鋼管直度。輸送輥道為變頻控制，可根據不同規格鋼管，調整輸送速度，滿足淬火工藝要求。

淬火環結構形式較多，主要有以下幾種：內壁開孔式，斜縫式及噴嘴式。下面分別介紹以上三種淬火環結構。

2.1 內壁開孔式淬火環

淬火環為圓筒形結構，在圓筒內壁上加工若干小孔，淬火水從孔隙流出噴射到鋼管上。對鋼管進行淬火。噴水孔徑、孔中心線傾斜角度、孔的數量及形狀等參數均可根據工藝進行計算設計。

內壁開孔式淬火環結構簡單，便于制作，成本較低，應用比較廣泛。但對冷卻水參數的控制精度不高，無法精準調節，并且由于孔徑尺寸較小，一旦被雜質堵住，則無法清理阻塞物，使噴射到鋼管外壁的淬火水不均勻，導致鋼管冷卻不均勻，影響淬火鋼管直線度。

2.2 斜縫式淬火環

斜縫式淬火環主要通過兩塊噴淋板以一定距離和角度固定形成斜縫，淬火水從斜縫中流出噴射到鋼管外表面。具體結構形式多樣，以下選擇兩個典型結構探討。

簡單的斜縫式淬火環如圖2 所示，外環件和內環件通過螺紋緊固件固定在一起，中間形成冷卻水填充室，端部形成噴淋水斜縫通道，可將斜縫通道設計成不同的開口尺寸和形狀，來控制噴淋水噴射角度、流速、壓力等參數，也可通過調整外環件和內環件的相對位置關系，改變斜縫通道的尺寸，對噴射角度、流速、壓力等參數進行調節。

圖2 簡易斜縫式淬火環

另一種較為復雜的斜縫式淬火環如圖3 所示。噴嘴斜縫單元由外向內依次由導水板、穩流層壁板和噴嘴調節套板組成，導水板的圓周上均勻分布有若干空心導水柱，每個導水柱的中心線與導水柱中心和圓環形導水板中心的連線成一定角度，角度大小相等，且每個導水柱的傾斜方向相同，保證了所有導水柱噴水方向的延長線相交成一個內切圓，并且該內切圓的直徑小于或等于冷卻鋼管的直徑。穩流層壁板形成的內腔為外寬內窄的漏斗形，可以延長水流在該內腔的停留時間，并且輔助高速旋轉的紊流向穩流狀態過渡。噴嘴調節套板為圓環形，噴嘴調節套板的中間間隙為斜縫噴嘴即出水口，其為周向的斜縫形狀，入口具有傾斜縫隙，其由外向內寬度逐漸變小，傾斜縫隙的延長線與斜縫噴嘴單元的圓形內腔的軸線成一定角度，使噴射的水流具有與冷卻鋼管運行方向相同的向前或向后的趨勢[7][8]。

圖3 復雜斜縫式淬火環

以上所述斜縫式淬火環，可以使噴射出的淬火水更加均勻致密，但對斜縫通道的設計較為復雜，并且不易實現對不同規格鋼管淬火時淬火水角度的調節功能。

2.3 噴嘴式淬火環

噴嘴式淬火環是在淬火環內壁連接若干噴嘴，外淋水通過噴嘴均勻噴射到鋼管外表面上，對鋼管進行淬火。噴嘴式淬火環又分為固定噴嘴式淬火環及噴嘴整體可調式淬火環。

固定噴嘴式淬火環采用噴嘴噴射淬火水，噴水壓力和流量均勻，噴嘴可拆卸，如有堵塞可以及時方便拆卸進行更換或清洗，保證淬火水均勻的噴射到鋼管外表面上。噴嘴也可設計為可調角度的球形噴嘴，可以調整噴嘴的噴射角度，但由于噴嘴數量較多，很難保證所有噴嘴角度一致，導致噴射的冷卻水不均勻，影響淬火質量。

噴嘴整體可調式淬火環結構如圖4 所示，供水管為環形鋼管，兩側均布安裝數個分支管，分支管連接擺臂，擺臂一端由動力裝置驅動，另一端連接噴嘴總管，噴嘴總管另一端接數個噴嘴，動力裝置帶動擺臂繞分支管中心線旋轉一定角度，實現噴嘴整體旋轉一定角度。保證噴嘴噴出的水以切線方向噴射到鋼管外表面上，打散鋼管淬火時表面產生的蒸汽膜，改善鋼管表面換熱條件，提高鋼管冷卻速度，確保獲得淬火馬氏體組織。并且在更換鋼管規格時，對于不同管徑的鋼管，只需調整動力裝置即可實現全部噴嘴角度的調整，減少噴嘴裝置規格，省去更換噴嘴規格的時間，減少調整噴嘴角度的時間，節約成本及勞動力，提高生產效率。

圖4 噴嘴整體可調式淬火環

噴嘴方向與鋼管運行方向呈α 角，90°≤α≤180°，出料端頭噴嘴方向與鋼管運行方向呈β角，0°≤β≤90°。端頭噴嘴與其他噴嘴相對噴射，形成水封，加上外側有保護罩擋水，防止淬火水噴射到環淬裝置以外，保護現場環境。

噴嘴整體可調式環形淬火裝置對鋼管淬火質量更有保證，并且可以適應鋼管的規格范圍廣，減少勞動力，提高生產效率[9]。

3 結論

通過以上對環淬裝置的介紹以及不同形式淬火環結構和優缺點的分析，用戶可以根據工藝、占地、資金等方面因素進行選擇。