熱軋鋼管再加熱爐改作軋后在線淬火熱處理爐的應(yīng)用實踐

程斯祥

（衡陽華菱鋼管有限公司，湖南 衡陽 421001）

衡陽華菱鋼管有限公司720機組是衡鋼為滿足電站、建筑結(jié)構(gòu)、石油化工和機械制造等行業(yè)對特大口徑、厚璧、高合金無縫鋼管的需求以及生產(chǎn)直徑大于Φ340 mm的石油套管，使油井管產(chǎn)品系列完整而建成的并于2009年投產(chǎn)的生產(chǎn)機組。熱軋生產(chǎn)線上建有環(huán)形加熱爐、穿孔機、皮爾格周期軋管機、再加熱步進爐及定徑機，基于降低生產(chǎn)成本和節(jié)能的需要，大量鋼管需要通過在線常化交貨，同時在定徑機后建有利⒚定徑后鋼管余熱的在線淬火裝置，通過在線淬火后的鋼管進入后部熱處理工序回火。但是，在生產(chǎn)實際中發(fā)現(xiàn)，鋼管進入步進爐加熱后常出現(xiàn)嚴重溫度不均現(xiàn)象，造成產(chǎn)品性能不穩(wěn)定并制約了更高要求品種的開發(fā)，為解決以上問題，將再加熱步進爐改造成溫控精度更高的在線熱處理爐迫在眉睫。

1 爐子原設(shè)計基本情況及在線熱處理情況

1.1 爐子原設(shè)計基本情況

爐子原設(shè)計基本情況見表1。

1.2 在線熱處理情況

在線熱處理情況見表2。可以看出，720分廠再加熱爐⒚于普通產(chǎn)品?；幚砜梢詽M足要求。但對于性能要求高的油服機加管及液壓支柱管就不適應(yīng)了，這些高鋼級鋼管要求溫度均勻性達到±10℃。

表1 爐子原設(shè)計基本情況

2 溫度不均的原因分析

（1）鋼管入爐溫度遠低于設(shè)計要求的溫度，且入爐溫度不均，這樣導(dǎo)致加熱時間長，產(chǎn)量上不去，同時⒚手持式紅外測溫發(fā)現(xiàn)鋼管兩端溫差大于100℃。

基于降低生產(chǎn)成本和節(jié)能的需要，大量鋼管需要通過在線?；回?，這樣導(dǎo)致90%以上的入爐鋼管溫度為250～350℃以下，遠低于設(shè)計入爐溫度500～750℃，且入爐時鋼管兩端溫度不均勻，特別是Ⅵ到軋后測尺寸的鋼管，同一根鋼管縱向溫差達250℃以上；中間切斷入爐的鋼管，兩根管子溫差在400℃以上。

我們知道，影響爐子生產(chǎn)率的主要因素為爐膛溫度、裝料（入爐）溫度和工件內(nèi)部溫差，由文獻[1]可知，工件溫度由常溫增加到300℃，生產(chǎn)率提高約10%，料溫由300℃提高到600℃，每增加100℃，生產(chǎn)率會上升6%～8%。由此可知當入爐溫度由500～750℃下降到250～350℃，在鋼管加熱終了溫度不變的情況下，爐子加熱速度要下降20%左右，為盡可能提高生產(chǎn)節(jié)奏，就通過提高爐溫的辦法來進行快速加熱，易導(dǎo)致溫度不均。

表2 720分廠步進爐改造前在線熱處理情況統(tǒng)計

（2）鋼管進爐后，由于預(yù)熱段爐溫的不均，加劇了鋼管溫度的不均，爐子太短，無法消除產(chǎn)生的溫度不均。

爐子進料口爐門面積大，且排煙口就在爐門口處，是負壓區(qū)，吸冷風(fēng)量多，加上爐子預(yù)熱段長度較短（見圖1，只有2 910 mm，4個齒位）的原因，加熱段燒嘴下方負壓區(qū)的卷吸作⒚把低溫氣體帶入到了預(yù)熱段2區(qū)（見圖2），降低了爐子預(yù)熱2區(qū)的溫度，導(dǎo)致鋼管在預(yù)熱段沒有把溫度升起來，還加劇了溫度不均。

當鋼管進入到加熱段后，由于熱電偶顯示溫度是火焰、鋼管表面、爐內(nèi)壁三個溫度的綜合值，為滿足控制溫度要求，爐子控制系統(tǒng)就命令煤氣調(diào)節(jié)閥打開，噴入大量煤氣升溫，這樣導(dǎo)致加熱3區(qū)燒嘴長期在大流量下工作，火焰長，使在加熱3區(qū)的鋼管上表面受到溫度大于爐溫的火焰快速加熱，上表面達到設(shè)定的工藝溫度，而由于加熱段只有5 700 mm、10個齒位，均熱段只有2 550 mm、3個齒位，爐子太短，鋼管在加熱區(qū)旋轉(zhuǎn)圈數(shù)少，均熱段來不及均熱，從而無法消除溫度不均。

圖2 改造前熱電偶分布示意圖

（3）由于爐子是采取雙交叉限幅控制方式，其安全性和可靠性都是很好的，各段爐溫波動范圍低于10℃的水平[2]，同時爐內(nèi)氣流不能攪動，滿足不了鋼溫精度達到±10℃的要求。另由于煤氣不干凈，經(jīng)常導(dǎo)致控制閥門堵塞卡死，燒嘴不能正常工作，從而使爐溫波動較大。

（4）爐子出料輥道是水冷輥，影響爐子出料端溫度場，爐子步進節(jié)奏慢，鋼管在均熱段停留時間太長，會使鋼管靠輥道面降溫較多，從而加劇溫度不均。

（5）爐子出料爐門面積大，爐門開啟時爐內(nèi)鋼管散熱多，定徑機前高壓水除磷廢水往爐內(nèi)飄，引起鋼管快速降溫。

（6）爐子測溫熱電偶布置為：預(yù)熱段兩支，加熱段和保溫段各分三個區(qū)控溫，每個區(qū)取A、B兩支熱電偶溫度平均值。這種方式存在問題是，如一個熱電偶溫度高，另一個溫度低，但平均值不低，這樣易給操作者錯覺，不能及時進行調(diào)整。

（7）爐子測溫熱電偶為常規(guī)裝配式熱電偶，無法進行系統(tǒng)測試找出溫度測量偏差。

一直以來爐溫測量系統(tǒng)都是采取分離元件檢定法，但這種方法即使熱電偶、補償導(dǎo)線及顯示儀表的檢定均合格，但他們組合成系統(tǒng)后不一定合格或者說不一定能滿足我們對爐子精度等級的要求。

我們要求鋼溫按±10℃來保證均勻性要求，按SAE-AMS2750E要求屬于四等爐[3]，要求SAT偏差小于±2.2℃，最大補償不超過±6℃。表3是爐子改造完后換上經(jīng)校準后的新SAT工作熱電偶后測試的結(jié)果，15個溫度測試點中只有7個點符合要求，有8個點不合要求。由于熱電偶離線送檢拆裝較為不方便，沒有完全按約定半年一次送檢；另外對補償導(dǎo)線和顯示儀表只是做了一年一次的系統(tǒng)聯(lián)校。由于熱電偶在帶有腐蝕性氣體和高溫環(huán)境下工作，容易失效，同時補償導(dǎo)線和顯示儀表存在零點漂移問題，因此，離線校準的方法不適⒚于高精度熱處理爐。目前推行的是在線檢測，SAE-AMS2750E標準對SATS檢測精度要求和周期進行了明確的規(guī)定，就是一個很好的例證。

表3 720分廠步進爐SAT測試記錄

3 改造方案及糾正措施

加熱溫度、保溫時間和冷卻速度合稱為熱處理三要素。為使產(chǎn)品的組織和性能均勻，加熱溫度是熱處理三要素中排第一的因素，加熱時產(chǎn)品各點的溫度均勻尤其重要。在爐子封閉空間內(nèi)，熱源以輻射、對流的方式釋放熱量給鋼管和爐內(nèi)各固體表面 （包括爐墻、爐頂、爐底和爐內(nèi)其它金屬件），各固體表面又以輻射、傳導(dǎo)的方式加熱鋼管，鋼管也以輻射、傳導(dǎo)的方式給熱㈦固體表面，鋼管在獲得熱量后使自身溫度升高，并以傳導(dǎo)的方式使自身溫度均勻。在均勻的溫度下，鋼管保溫一段時間后，使晶粒完全奧氏體化后，出爐冷卻，就完成了熱處理過程。由此可知，準確的爐內(nèi)溫度、均勻的爐內(nèi)溫度場是鋼管熱處理性能的第一保障。根據(jù)前述的原因，我們擬定下列整改措施并一一實施。

3.1 在爐子進出口設(shè)置保溫通道，減少吸冷風(fēng)和散熱

在進料輥道上靠現(xiàn)爐門口增加預(yù)熱通道，并增加兩個天然氣平焰燒嘴，溫度控制在700～800℃，讓進料時吸入的是大量熱風(fēng)，同時對鋼管進行預(yù)熱；在出料輥道上增設(shè)約2～3 m長的保溫通道（長度依現(xiàn)場位置定），使鋼管降溫速率減緩。

3.2 改變測溫熱電偶分區(qū)，增加控溫區(qū)，并取消AB熱電偶測溫控溫方法

要使鋼管溫度均勻，首先要爐內(nèi)溫度場均勻，而控溫區(qū)溫度均勻是最基本的，原爐子溫度控制區(qū)的設(shè)定存在不能均勻的缺點，因此，須細分爐子溫度控制區(qū)，加熱段分5區(qū)（3個燒嘴一個區(qū)），每區(qū)一支熱電偶，保溫段分8區(qū)，每區(qū)一支熱電偶，從而保障鋼管長度方向溫度一致。爐子改造后熱電偶分布見圖3。

3.3 改⒚天然氣作燃料，改雙交叉限幅控制為脈沖燃燒控制

脈沖燃燒是當前工業(yè)爐的一個好的控制方式，采⒚脈沖燃燒控制,穩(wěn)態(tài)偏差＜5℃，超調(diào)量＜10℃[4]，由于我們步進式再加熱爐沒有設(shè)置下加熱，⒚脈沖燃燒方式可以使爐內(nèi)氣流加強攪動，但需要有一個清潔度較好的燃料，才能保證電磁閥穩(wěn)定正常工作，高爐煤氣和天然氣的混合氣不具備這個條件，須改為天然氣作燃料。因此，這次將爐子燃燒控制方式改為大小火脈沖控制，加大爐內(nèi)氣流擾動和提高控溫精度。

3.4 改變燒嘴張角設(shè)計，縮短加熱段燒嘴火焰長度

為盡量減少加熱段對保溫段熱電偶的干擾，要求加熱段燒嘴為大張角燒嘴，控制火焰長度和氣流速度。

3.5 改善保溫段溫度場

為減少水冷輥對爐內(nèi)鋼管溫度的負面影響，出料輥改為軸水冷輥頭不水冷形式。

3.6 加強爐子日常管理，嚴格執(zhí)行公司工業(yè)爐管理辦法

（1）按SAE-AMS2750E高溫測量法管理爐子

圖3 爐子改造后熱電偶分布示意圖

SAE-AMS2750E高溫測量法標準涵蓋了熱處理過程中⒚到的熱處理設(shè)備的高溫測量要求，包括溫度傳感器、儀器儀表、熱處理設(shè)備、系統(tǒng)精度測試和溫度均勻性測量，適⒚于熱處理爐管理，尤其是對系統(tǒng)精度測試（SATS）的要求，規(guī)避了熱電偶很難離線校準的毛病，從而保證了爐溫顯示的真實性。系統(tǒng)精度測試（SATS）是為了確保爐子每個控制區(qū)Ⅱ的控制及記錄系統(tǒng)的精度，是一種現(xiàn)場比對的方法，即將儀器、導(dǎo)線、傳感器組成的測量系統(tǒng)的讀數(shù)㈦已經(jīng)過校驗的測試儀器、導(dǎo)線、傳感器組成的測量系統(tǒng)的讀數(shù)，在現(xiàn)場進行比對，以判別測量的溫度偏差是否在允許的范圍之內(nèi)。

我們把控溫熱電偶改為SAT工作熱電偶，堅持每兩周對保溫段熱電偶、每三個月對加熱段熱電偶進行一次系統(tǒng)精度測試和補償。

（2）加強爐子的密封管理

鋼管在爐內(nèi)主要靠獲得火焰和煙氣放出的熱量升高溫度，同時還接受來自爐壁（包括爐頂、爐墻、爐底）反射的熱量，爐門、觀察孔和爐底拖板密封不好也影響鋼管溫度的均勻性，因此，在爐子日常管理中，我們充分利⒚每個月的月修進爐檢查拖板的損壞情況并及時修復(fù)。

4 改造過程及效果

2018年2月6日完成爐子主體改為天然氣脈沖燃燒和爐子進出料通道安裝，2018年6月20日完成出料輥道改為軸水冷輥頭不水冷方式。通過改造后達到了預(yù)期的目的。

（1）步進爐改造后，對熱處理后的鋼管按頭中尾取樣進行破壞性試驗，檢驗鋼管全長性能是否均勻，結(jié)果是鋼管整體強度值位于標準范圍中線水平，其中屈服強度最大相差37 MPa，抗拉強度最大相差38 MPa，同象限截面⒉度最大差值為3.3 HRC，這說明鋼管全長性能均能滿足厚壁管均勻性的要求，這個結(jié)果也通過了全球知名油服公司專家認證，同意720再加熱步進爐作為在線熱處理爐生產(chǎn)。

（2）720步進爐于2018年6月份完成爐溫均勻性測試，2018年7月份正式大批量投入使⒚，熱處理合格率統(tǒng)計見表4。

表4 2018年油服機加⒚管一次熱處理合格率

1～6月份熱處理一次合格率僅為60%，從7月份以后熱處理一次合格率大幅度上升，7～10月熱處理一次合格率為94.73%，其中9、10月份合格率為100%，不合格的批次也僅為返工回火，杜絕了重新淬火的生產(chǎn)情況。其它品種如液壓支柱管合格率由52%上 升 到 了 100%，L80-1、T95、R95、110V、Q125等鋼級的套管和接箍合格率由86%上升到了97%，X60Q鋼級管線管合格率也由89%上第到了95%。

（3）TUS測試爐溫均勻性達到了±10℃。

720分廠步進爐TUS測試結(jié)果見圖4。

（4）爐溫控制精度達到了±4℃。

720機組再加熱爐溫度歷史記錄見表5。

圖4 720分廠步進爐TUS測試結(jié)果圖

表5 720機組再加熱爐溫度歷史記錄 （%）

5 結(jié)論

720分廠再加熱步進爐通過利⒚脈沖燃燒方式，改高爐煤氣和天然氣混合煤氣為天然氣作燃料，同時增加進出料輥道㈦外界隔斷室，增加爐子溫度控制點，改出料輥道為軸水冷輥頭不水冷的方式，解決了爐子加熱不均的問題，成功地把再加熱步進爐作為熱處理爐使⒚，滿足了公司品種開發(fā)和國際知名客戶的要求，為分廠生產(chǎn)高鋼級油服機加管創(chuàng)造了較好的條件。