某新建步進(jìn)式熱處理爐及精整線的工藝特點(diǎn)

楊為國(guó)，王旭午，吳 松，夏克東，徐元甲，徐福昌

（煙臺(tái)寶鋼鋼管有限責(zé)任公司，山東 煙臺(tái) 264002）

為滿足高抗硫石油套管、抗硫管線管等品種鋼管熱處理工藝要求［1-4］，煙臺(tái)寶鋼鋼管有限責(zé)任公司（簡(jiǎn)稱煙臺(tái)寶鋼）于2009年建設(shè)了一條連續(xù)式熱處理線，包括淬火爐、回火爐各1座，并引進(jìn)了矯直機(jī)、漏磁探傷機(jī)、超聲波探傷機(jī)等世界先進(jìn)設(shè)備，組成了一條完整的生產(chǎn)線。淬火爐和回火爐的設(shè)計(jì)汲取了寶山鋼鐵股份有限公司（簡(jiǎn)稱寶鋼股份）等企業(yè)已有步進(jìn)式熱處理爐的生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)［5-8］，進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。本文主要介紹煙臺(tái)寶鋼熱處理及精整生產(chǎn)線的工藝裝備及其特點(diǎn)，以期對(duì)國(guó)內(nèi)其他企業(yè)新建或改造生產(chǎn)線起到一定借鑒作用。

1 產(chǎn)品規(guī)模及工藝流程

該條生產(chǎn)線主要產(chǎn)品有石油套管、管線管等，鋼管規(guī)格為：外徑177.80～431.80 mm，壁厚5.87～30.00 mm，長(zhǎng)度7.35～14.45 m，設(shè)計(jì)能力為15.3萬(wàn)t/a，其中高抗硫套管6.5萬(wàn)t/a。如果年生產(chǎn)高抗硫套管僅為1萬(wàn)t，則熱處理能力可達(dá)25萬(wàn)t。煙臺(tái)寶鋼熱處理及精整線生產(chǎn)工藝流程如圖1所示。

圖1 煙臺(tái)寶鋼熱處理及精整線生產(chǎn)工藝流程示意

2 主要設(shè)備參數(shù)及特點(diǎn)

2.1 熱處理線

2.1.1 設(shè)備參數(shù)

（1） 淬火爐。

鋼管加熱溫度 880～1 050℃

控制精度 ±10℃

裝出料輥道中心距 20 720 mm

爐膛內(nèi)寬度 16 000 mm

小時(shí)產(chǎn)量 最大70 t

生產(chǎn)節(jié)奏 最快30 s/支

（2）水淬裝置。

水淬方式 外淋+內(nèi)噴

鋼管旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng) 旋轉(zhuǎn)托輥

生產(chǎn)節(jié)奏 最快30 s/支

（3） 回火爐。

鋼管加熱溫度 550～750℃

裝出料輥道中心距 31 080 mm

爐膛內(nèi)寬度 16 000 mm

生產(chǎn)節(jié)奏 最快30 s/支

2.1.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)

煙臺(tái)寶鋼熱處理步進(jìn)爐是目前國(guó)內(nèi)產(chǎn)能最大的步進(jìn)梁式熱處理爐，滿足正火、正火+回火、淬火+回火3種工藝生產(chǎn)。其特點(diǎn)如下：

（1）根據(jù)熱處理溫度制度，淬火爐在長(zhǎng)度方向上設(shè)計(jì)了預(yù)熱段、加熱段和均熱段，寬度方向上設(shè)計(jì)了左、中、右共3段，控制爐溫的操作方便可靠，保證了熱處理溫度的均勻，從而提高鋼管質(zhì)量。針對(duì)淬火爐加熱段溫度高的情況，在淬火爐入口端增加了長(zhǎng)1 500 mm的預(yù)熱段，并在加熱段和預(yù)熱段之間增加了一道懸空隔墻，減少了加熱段的熱量直接進(jìn)入入口側(cè)的排煙管道，降低了排出的煙氣溫度，同時(shí)利用煙氣預(yù)熱剛?cè)霠t的鋼管［9-10］。增加預(yù)熱段后，改善了淬火加熱后鋼管的直度。在步進(jìn)爐內(nèi)增加預(yù)熱段是煙臺(tái)寶鋼步進(jìn)爐設(shè)計(jì)方面的一個(gè)創(chuàng)新，可更好地滿足高合金鋼管的熱處理要求。

（2）采用完善的熱工自動(dòng)化控制及計(jì)算機(jī)技術(shù)，可保證燃料完全燃燒，并能嚴(yán)格控制爐內(nèi)溫度及爐內(nèi)氣氛，以減少鋼管的氧化。淬火爐的爐膛溫度控制精度為±10℃。

（3）回火爐采用爐內(nèi)煙氣強(qiáng)制循環(huán)，保證回火處理溫度穩(wěn)定，提高鋼管質(zhì)量?；鼗馉t的爐膛溫度控制精度為±5℃，通過(guò)先進(jìn)的熱工自動(dòng)化控制、計(jì)算機(jī)技術(shù)調(diào)節(jié)循環(huán)風(fēng)機(jī)煙氣的循環(huán)量來(lái)實(shí)現(xiàn)。

（4）淬火爐和回火爐的合金梁采用新型齒形，可保證爐內(nèi)鋼管表面不產(chǎn)生劃傷和粘鋼，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

（5）參照寶鋼股份HFW熱處理線水淬裝置存在的問(wèn)題進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，改變了原控制內(nèi)噴的液壓切換閥懸掛在空中管道上的設(shè)計(jì)方案，將液壓切換閥安裝在基礎(chǔ)上，增加了防震措施，并將閥體與噴口的距離設(shè)計(jì)為最短且減少?gòu)濐^。通過(guò)改進(jìn)，水淬大直徑鋼管時(shí)，常發(fā)生的水錘現(xiàn)象基本消失［11］。

（6）改進(jìn)正火雙向鏈冷床設(shè)計(jì)。淬火爐出來(lái)的高溫鋼管，通過(guò)斯惠頓撥料裝置送入雙向鏈?zhǔn)嚼浯病ＴO(shè)計(jì)中雙向鏈?zhǔn)嚼浯膊粠倍?，改進(jìn)后增加了1°的斜度，可以讓高溫鋼管貼著反向鏈的凸輪在正向鏈上滾動(dòng)，確保了冷卻的均勻性，改善了鋼管的直度［12-13］。

2.2 精整線

（1） 矯直機(jī)。

鋼管最大屈服強(qiáng)度 1 300 MPa

鋼管溫度 ≤600℃

矯直速度 0.2～1.0 m/s

矯直輥數(shù)量 6個(gè)（上、下輥各3個(gè)）

矯直輥布置型式 “2-2-2”立式布置

矯直輥傳動(dòng)數(shù)量 6個(gè)

矯直輥傳動(dòng)方式 集中傳動(dòng)

矯直機(jī)機(jī)架型式 8根鋼柱的鋼結(jié)構(gòu)

工作時(shí)快開(kāi)的矯直輥 第1機(jī)架下輥，第2機(jī)架上輥，第3機(jī)架下輥

矯直輥尺寸 喉徑Φ450 mm，長(zhǎng)度720 mm

矯直輥角度調(diào)整范圍 30°±5°

矯直輥間距 1 370 mm

主傳動(dòng)電機(jī) 2×200 kW

（2）漏磁探傷設(shè)備。

漏磁探傷設(shè)備由美國(guó)Tuboscope公司生產(chǎn)，探傷型式為鋼管縱向前進(jìn)，帶氣動(dòng)夾緊輥的漏磁橫向和漏磁縱向組合式探傷，可檢測(cè)鋼管內(nèi)外表面縱向、橫向缺陷及孔洞等。其中漏磁縱向探傷裝置為旋轉(zhuǎn)式，包含2只探鞋，每只探鞋含16個(gè)檢測(cè)線圈，單個(gè)線圈長(zhǎng)度13.98 mm，探鞋長(zhǎng)度196.85 mm。漏磁橫向探傷裝置為固定式，包含8只探鞋，檢測(cè)線圈最多達(dá)80個(gè)。檢測(cè)鋼管的通孔孔徑為Φ1.6 mm，管端盲區(qū)長(zhǎng)度≤250 mm，最大探傷速度2.0 m/s，信噪比≥8 dB，周向靈敏度差≤4 dB，剩磁≤3 mT，缺陷的定位誤差為±50 mm，測(cè)量鋼管長(zhǎng)度精度≤5‰。

（3）超聲波探傷設(shè)備。

超聲波探傷設(shè)備由德國(guó)GE公司進(jìn)口，探傷型式為鋼管縱向前進(jìn)、探頭旋轉(zhuǎn)?？蓹z測(cè)鋼管的內(nèi)表面橫向、縱向，外表面橫向、縱向及分層等缺陷，還可對(duì)鋼管壁厚進(jìn)行測(cè)量，測(cè)厚精度為±0.05 mm。其探頭數(shù)量為縱向8個(gè)，橫向8個(gè)，測(cè)厚和分層4個(gè)，基準(zhǔn)1個(gè)。檢測(cè)鋼管的管端盲區(qū)長(zhǎng)度≤200 mm，探傷速度≤25 m/min，信噪比≥10 dB，周向靈敏度差≤4 dB，缺陷的定位誤差為±50 mm，測(cè)量鋼管長(zhǎng)度精度≤2‰。

（4）管端磁粉探傷裝置。

管端磁粉探傷裝置可同時(shí)磁化2根鋼管，磁化方式為磁化線圈移動(dòng)，自動(dòng)周向、縱向磁化；通過(guò)紫外線或暗室白光照射，肉眼查看鋼管內(nèi)外表面的縱向缺陷、橫向缺陷和斜向缺陷；探傷長(zhǎng)度為400 mm；退磁方式為退磁線圈移動(dòng)，自動(dòng)退磁，退磁后剩磁 ∧2 mT。

3 應(yīng)用效果

該生產(chǎn)線于2009年11月底投產(chǎn)，至今已熱處理鋼管約50萬(wàn)t，其中以高鋼級(jí)抗硫化物應(yīng)力腐蝕鋼管的熱處理控制要求最高?，F(xiàn)以Φ244.48 mm×11.99 mm規(guī)格的C110鋼級(jí)套管為例，介紹該熱處理線的生產(chǎn)實(shí)踐情況。

3.1 熱處理工藝

淬火溫度：加熱段940℃±10℃，均熱段920℃±10℃。水淬：外淋水量≥4 000 m3/h，內(nèi)噴水量≥2 000 m3/h，水淬時(shí)間35 s?；鼗饻囟龋杭訜岫?03℃±5℃，均熱段703℃±5℃。

3.2 爐溫均勻性

每半小時(shí)記錄1次煙臺(tái)寶鋼淬火爐實(shí)時(shí)溫度，數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。加熱段設(shè)定溫度為940℃，實(shí)際最高溫度為946.3℃，上偏差為6.3℃；最低溫度為936.4℃，下偏差為-3.6℃。均熱段設(shè)定溫度為920℃，實(shí)際最高溫度為923.2℃，上偏差為3.2℃；最低溫度為918.3℃，下偏差為-1.7℃。淬火爐爐溫控制較好，優(yōu)于設(shè)計(jì)指標(biāo)（±10℃），尤其是均熱段可以控制在±5℃內(nèi)，這有利于提高鋼管性能的穩(wěn)定性。

每半小時(shí)記錄1次回火爐實(shí)時(shí)爐溫，數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。加熱段設(shè)定溫度為704℃，實(shí)際最高溫度為706.5℃，上偏差2.5℃；最低溫度為701.5℃，下偏差為-2.5℃。均熱段設(shè)定溫度為704℃，實(shí)際最高溫度為707.3℃，上偏差3.3℃；最低溫度為702.1℃，下偏差為-1.9℃。煙臺(tái)寶鋼回火爐爐溫控制較好，溫度偏差基本可以控制在±3℃的水平，優(yōu)于設(shè)計(jì)值（±5℃）。

3.3 水淬過(guò)程的穩(wěn)定性

煙臺(tái)寶鋼在生產(chǎn)Φ244.48 mm×11.99 mm規(guī)格C110鋼級(jí)套管時(shí)，水淬方式為外淋+內(nèi)噴，外淋水量基本維持在2 100 m3/h，內(nèi)噴水量維持在2 080 m3/h，水量穩(wěn)定，滿足工藝的穩(wěn)定性要求。

3.4 熱處理后性能檢測(cè)

3.4.1 淬透性

水淬后，隨機(jī)選取1支鋼管，分別在其頭部（進(jìn)水端）和尾部（出水端）各取1個(gè)試樣進(jìn)行鋼管的淬透性檢測(cè)試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表3。

表1 煙臺(tái)寶鋼處理Φ244.48 mm×11.99 mm C110鋼級(jí)套管的淬火爐實(shí)時(shí)爐溫 ℃

表2 煙臺(tái)寶鋼處理Φ244.48 mm×11.99 mm C110鋼級(jí)套管的回火爐實(shí)時(shí)爐溫 ℃

表3 鋼管的淬透性檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果HRC

從表3看出：①在鋼管內(nèi)壁、中間和外壁的淬透性最大差距為2.5 HRC，壁厚方向上水淬的均勻性較好；②在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ象限的淬透性最大差距為2.4 HRC，在圓周方向上水淬的均勻性較好；③鋼管頭部淬透性試樣的平均硬度為52.9 HRC，尾部淬透性試樣的平均硬度為52.4 HRC，相差僅0.5 HRC，鋼管在長(zhǎng)度方向的水淬均勻性較好。

3.4.2 力學(xué)性能

熱處理后隨機(jī)選取1支鋼管，在其頭、尾部各取1段試樣，進(jìn)行常溫拉伸試驗(yàn)、0℃縱向全尺寸沖擊試驗(yàn)和硬度試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表4。

由表4可以看出：①鋼管頭部和尾部在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ象限的強(qiáng)度最大極差分別為10 MPa和15 MPa，鋼管在圓周方向上的性能均勻性較好；②頭部和尾部之間強(qiáng)度的最大極差為25 MPa，鋼管在長(zhǎng)度方向上性能均勻性也較好。

3.5 矯直機(jī)生產(chǎn)實(shí)踐

矯直機(jī)運(yùn)行比較穩(wěn)定，除了極少量鋼管因矯直盲區(qū)造成的頭尾矯直效果較差外，管體矯直質(zhì)量均較好。

3.6 探傷設(shè)備生產(chǎn)實(shí)踐

（1）漏磁探傷?？蓪?duì)長(zhǎng)度25.4 mm的人工缺陷進(jìn)行L2級(jí)別檢測(cè)，滿足API等標(biāo)準(zhǔn)對(duì)鋼管漏磁檢測(cè)的最嚴(yán)要求；能夠檢測(cè)鋼管橫向、縱向以及斜向的折疊、軋疤、碰凹等缺陷，同時(shí)對(duì)孔洞缺陷也能夠很好地檢出；能以2.0 m/s的速度進(jìn)行最高級(jí)別的鋼管檢測(cè)，檢測(cè)效率高，故障率低。

（2）超聲波探傷?？蓪?duì)長(zhǎng)度25.4 mm的人工缺陷進(jìn)行L2級(jí)別檢測(cè)，滿足API等標(biāo)準(zhǔn)對(duì)鋼管超聲波檢測(cè)的最嚴(yán)要求；能夠檢測(cè)鋼管橫向、縱向以及斜向的折疊、軋疤、碰凹等缺陷，對(duì)分層缺陷也能夠很好地檢出，同時(shí)能夠?qū)︿摴鼙诤襁M(jìn)行100%檢測(cè)；能以25 m/min的速度對(duì)鋼管進(jìn)行最高級(jí)別的橫向、縱向檢測(cè)，同時(shí)，還能夠以同樣速度進(jìn)行分層以及100%壁厚檢測(cè)。

（3）磁粉探傷。能夠發(fā)現(xiàn)管端裂紋、發(fā)紋、鋼管端面分層等缺陷，有效地解決漏磁探傷和超聲波探傷存在的鋼管管端盲區(qū)漏檢問(wèn)題。

表4 熱處理后鋼管力學(xué)性能數(shù)據(jù)

4 結(jié) 語(yǔ)

煙臺(tái)寶鋼熱處理及精整線主要技術(shù)特點(diǎn)：①淬火爐采用預(yù)熱段、加熱段、均熱段共3段設(shè)計(jì)，爐膛溫度可控制在±10℃以內(nèi)，均熱段可控制在±5℃以內(nèi)，增加的預(yù)熱段是步進(jìn)爐設(shè)計(jì)上的一個(gè)創(chuàng)新；②水淬裝置采用外淋+內(nèi)噴技術(shù)，并消除了大直徑鋼管水淬時(shí)常見(jiàn)的水錘現(xiàn)象，使鋼管淬火均勻；③回火爐爐膛溫度可控制在±3℃以內(nèi)；④熱處理后鋼管的力學(xué)性能均勻穩(wěn)定；⑤聯(lián)合使用世界先進(jìn)的漏磁探傷機(jī)、超聲波探傷機(jī)和磁粉探傷機(jī)3種探傷設(shè)備，保證了產(chǎn)品質(zhì)量的可靠性。

煙臺(tái)寶鋼熱處理線于2009年11月底投產(chǎn)至今，設(shè)備運(yùn)行正常，質(zhì)量指標(biāo)穩(wěn)定，并大量生產(chǎn)了對(duì)熱處理工藝要求嚴(yán)格的BG系列抗硫套管及管線管等，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定可靠。

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