厚壁鋼管半浸式淬火工藝試驗(yàn)研究

王建國(guó),李俊輝,趙海濤,李俊恒,余 濤,劉海光

(1.中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司,陜西 西安 710018; 2.寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司,陜西 寶雞 721008;3.衡陽(yáng)華菱鋼管有限公司,湖南 衡陽(yáng) 421001)

目前工業(yè)生產(chǎn)中常見(jiàn)的鋼管淬火工藝有兩種:外淋內(nèi)噴式淬火工藝和槽內(nèi)浸入式鋼管淬火工藝,其中外淋內(nèi)噴式淬火工藝應(yīng)用最為廣泛[1-3]。

外淋內(nèi)噴式淬火工藝是對(duì)加熱后高速旋轉(zhuǎn)的鋼管外壁進(jìn)行噴淋淬火的同時(shí),在管端用高速水流向內(nèi)壁進(jìn)行噴水,使得鋼管內(nèi)外壁同時(shí)快速冷卻,如圖1所示[4-6]。這種工藝淬火時(shí)高溫鋼管下半部分無(wú)法與水接觸進(jìn)行熱交換,因此冷卻效果有限,主要適用于壁厚較小的鋼管,難于實(shí)現(xiàn)厚壁管的淬火;另外,采用該工藝淬火時(shí)由于壓在鋼管上方的壓緊裝置對(duì)外淋水的阻擋,使得鋼管在壓緊輪處冷卻速度較慢,淬火效果較差,甚至?xí)a(chǎn)生應(yīng)力集中或裂紋。

圖1 外淋內(nèi)噴式淬火原理圖

槽內(nèi)浸入式鋼管淬火工藝是一種適用于特厚壁鋼管的淬火工藝,將加熱后高速旋轉(zhuǎn)的鋼管直接完全浸入水中,同時(shí)在管端用高速水流向內(nèi)壁進(jìn)行噴水,從而達(dá)到內(nèi)外壁同時(shí)淬火的目的,如圖2所示[7-10]。這種工藝方式雖然可以對(duì)壁厚較大的鋼管進(jìn)行淬火,但存在的最大問(wèn)題是鋼管浸入水中容易使全長(zhǎng)方向冷卻不均勻,經(jīng)常發(fā)生淬火彎曲現(xiàn)象;另外,水槽中的水雖然一直在循環(huán)攪拌,但相對(duì)來(lái)說(shuō)在淬火周期內(nèi)攪拌效果有限,會(huì)影響鋼管冷卻效率和設(shè)備生產(chǎn)率。這些問(wèn)題導(dǎo)致槽內(nèi)浸入式淬火的生產(chǎn)應(yīng)用受限。

圖2 槽內(nèi)浸入式淬火原理圖

1 鋼管半浸式淬火工藝試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 工藝原理

工業(yè)生產(chǎn)中為了解決鋼管淬火問(wèn)題,近年來(lái),中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司提出了半浸式鋼管淬火工藝。半浸式鋼管淬火工藝是高速旋轉(zhuǎn)的高溫鋼管外表面層流噴水,內(nèi)表面軸流噴水的同時(shí),鋼管下半部分浸入水中,實(shí)現(xiàn)“外淋+內(nèi)噴+半浸+旋轉(zhuǎn)”的淬火工藝,如圖3所示。這種工藝方式可以實(shí)現(xiàn)高溫鋼管淬火時(shí)內(nèi)外壁幾乎全部與水接觸進(jìn)行高效率熱交換,集傳統(tǒng)的外淋內(nèi)噴式淬火和槽內(nèi)浸入式淬火工藝的優(yōu)點(diǎn)于一身,是目前比較先進(jìn)的淬火工藝[11-13]。

圖3 半浸式淬火原理圖

1.2 鋼管半浸式淬火設(shè)備設(shè)計(jì)和工藝過(guò)程

根據(jù)鋼管半浸式淬火工藝的原理,本文設(shè)計(jì)了可以實(shí)現(xiàn)半浸式淬火的試驗(yàn)設(shè)備,設(shè)備包括半浸水槽、旋轉(zhuǎn)裝置、壓緊裝置、外淋內(nèi)噴系統(tǒng)和撥料鉤,如圖4所示。半浸水槽的上料側(cè)安裝有上料斜臺(tái)和水位調(diào)節(jié)裝置,旋轉(zhuǎn)裝置安裝在半浸水槽的中部,半浸水槽的出料側(cè)安裝有撥料鉤,半浸水槽中安裝有液位檢測(cè)裝置[14-15]。

圖4 鋼管半浸式淬火設(shè)備簡(jiǎn)圖

半浸式淬火工藝過(guò)程如下:

1) 加熱后的鋼管從上一工位輸送到上料斜臺(tái)后,沿上料斜臺(tái)滾動(dòng)到旋轉(zhuǎn)裝置的旋轉(zhuǎn)支撐輪上并開(kāi)始慢速旋轉(zhuǎn)(此前旋轉(zhuǎn)裝置的旋轉(zhuǎn)支撐輪一直在慢速動(dòng)作),在此之前,根據(jù)鋼管直徑不同,將水位調(diào)節(jié)板的高度上升到與鋼管中心平齊的位置,可以保證半浸時(shí)鋼管在徑向有一半左右浸沒(méi)在水中;

2) 壓緊裝置壓到旋轉(zhuǎn)的鋼管上,鋼管開(kāi)始高速旋轉(zhuǎn),外淋內(nèi)噴系統(tǒng)向鋼管外壁和內(nèi)壁均勻噴水對(duì)鋼管進(jìn)行淬火,由于內(nèi)噴水及外淋水不斷的進(jìn)入水槽中,槽中的水位上升到步驟1)中設(shè)定的高度,達(dá)到對(duì)鋼管半浸淬火的目的;

3) 鋼管淬火后外淋內(nèi)噴系統(tǒng)停止供水,壓緊裝置松開(kāi)鋼管,撥料鉤旋轉(zhuǎn)將鋼管撥出淬火工位,完成當(dāng)前鋼管的半浸淬火工藝。

1.3 鋼管半浸式淬火工藝試驗(yàn)

為了驗(yàn)證半浸式鋼管淬火工藝的可行性和應(yīng)用效果,中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司與國(guó)內(nèi)某鋼管生產(chǎn)企業(yè)合作,根據(jù)本文設(shè)計(jì)的設(shè)備結(jié)構(gòu)對(duì)該企業(yè)一套外淋內(nèi)噴淬火設(shè)備進(jìn)行了改造并進(jìn)行了相關(guān)工藝試驗(yàn)。改造后的設(shè)備可實(shí)現(xiàn)外徑139.7～368 mm、壁厚6.35～60 mm鋼管的半浸式淬火和外淋內(nèi)噴式淬火兩種生產(chǎn)工藝,圖5和圖6分別為淬火工藝試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)和半浸式淬火后的產(chǎn)品。

圖5 鋼管半浸式淬火工藝試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

圖6 半浸式淬火產(chǎn)品

2 試驗(yàn)研究

由于槽內(nèi)浸入式淬火工藝是一種應(yīng)用較少且主要適用于特厚壁管淬火的工藝,因此本文僅對(duì)半浸式淬火和外淋內(nèi)噴式淬火工藝進(jìn)行試驗(yàn)研究對(duì)比分析,以驗(yàn)證半浸式淬火工藝的技術(shù)應(yīng)用效果。

對(duì)φ153.7 mm×14 mm規(guī)格的27CrMo鋼管進(jìn)行淬火處理,并對(duì)兩種工藝淬火后的產(chǎn)品進(jìn)行了試驗(yàn)分析。

2.1 外淋內(nèi)噴淬火工藝試驗(yàn)結(jié)果

27CrMo鋼管外淋內(nèi)噴淬火后的硬度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1,回火后力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2,分別在頭部3象限和尾部3象限位置取樣,進(jìn)行金相組織觀察,如圖7所示。由表1可知,在外淋內(nèi)噴淬火工藝條件下,厚壁鋼管內(nèi)部、中間、外表面的淬火硬度分布不均勻,中間壁厚處的硬度低,淬硬性沒(méi)有達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。由表2可知,回火后鋼管的力學(xué)性能不穩(wěn)定,頭尾兩端性能不均勻。由圖7可知,鋼管中部出現(xiàn)了大量的貝氏體組織,導(dǎo)致中間壁厚處硬度偏低。

表1 淬火后鋼管斷面的硬度測(cè)試結(jié)果(HRC)

表2 回火后鋼管的力學(xué)性能

(a)頭部?jī)?nèi)部;(b)尾部?jī)?nèi)部;(c)頭部中間;(d)尾部中間;(e)頭部外表面;(f)尾部外表面

2.2 半浸式淬火工藝試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)27CrMo鋼管進(jìn)行“外淋+內(nèi)噴+槽浴+旋轉(zhuǎn)”淬火工藝試驗(yàn),取樣進(jìn)行全截面金相組織觀察和全壁厚淬火硬度分析,結(jié)果如圖8和表3所示。由圖8可知,鋼管內(nèi)部、中間和外表面的馬氏體組織都大于95%。由表3可知,鋼管全壁厚淬火硬度滿足HRCmin=59%*(%C)+29(≥44.9 HRC合格)要求,硬度合格。

表3 27CrMo鋼管淬火后硬度測(cè)試結(jié)果(HRC)

(a)內(nèi)部;(b)外表面;(c)中間

圖9和圖10分別為鋼管頭尾兩端屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。圖11為鋼管頭尾兩端的強(qiáng)度極差比例。由圖11可知,鋼管半浸式淬火后頭尾兩端的強(qiáng)度極差分布主要集中在0～20 MPa內(nèi),占全部比例的59.5%;強(qiáng)度極差在0～40 MPa內(nèi)占全部比例的89.4%。鋼管頭尾兩端性能存在差異,但總體趨勢(shì)一致,隨著批量生產(chǎn),鋼管頭尾兩端的性能差距在縮小,說(shuō)明半浸式淬火后鋼管頭尾兩端性能較穩(wěn)定。

圖9 鋼管頭尾兩端的屈服強(qiáng)度

圖10 鋼管頭尾兩端的抗拉強(qiáng)度

圖11 鋼管頭尾兩端強(qiáng)度極差比例

圖12、圖13和圖14 為鋼管全長(zhǎng)取樣的均勻性測(cè)試結(jié)果。全長(zhǎng)范圍內(nèi),屈服強(qiáng)度極差21 MPa,抗拉強(qiáng)度極差30 MPa,生產(chǎn)控制極為穩(wěn)定。

圖12 全長(zhǎng)取樣試驗(yàn)結(jié)果

圖13 屈服強(qiáng)度過(guò)程能力

圖14 抗拉強(qiáng)度過(guò)程能力

3 結(jié)論

與傳統(tǒng)的外淋內(nèi)噴式淬火工藝相比,半浸式淬火后鋼管的全壁厚淬火硬度值及其均勻性、頭尾兩端性能穩(wěn)定性及全長(zhǎng)的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度極差穩(wěn)定性均有改善,試驗(yàn)取得了良好的效果,試驗(yàn)研究成果將推進(jìn)鋼管淬火生產(chǎn)的工藝改進(jìn)。