李 靜，梁建山，劉金鵬

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

1 前言

煙臺(tái)魯寶鋼管有限責(zé)任公司的ARE軋管機(jī)組是在原有Accu-Roll軋管機(jī)的基礎(chǔ)上增加精軋工序并改進(jìn)軋管機(jī)而建成的一套全新的軋管機(jī)組，該機(jī)組軋制的鋼管管端及內(nèi)表面質(zhì)量較原Accu-Roll機(jī)組有明顯的改進(jìn)［1］，為API標(biāo)準(zhǔn)套管產(chǎn)品的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。ARE機(jī)組采用斜軋軋管機(jī)，最高軋速1.2m/s，軋管的純軋時(shí)間長(zhǎng)、溫降大［2］，尤其對(duì)于控軋代替正火生產(chǎn)的鋼管，其過(guò)程控制水平將直接影響最終產(chǎn)品性能及其均勻性。目前，利用Accu-Roll類似機(jī)組控軋代替正火熱處理生產(chǎn)N80-1產(chǎn)品的過(guò)程控制及對(duì)的產(chǎn)品均勻性分析未見報(bào)道。通過(guò)ARE機(jī)組熱軋代替正火生產(chǎn)出符合API5CT標(biāo)準(zhǔn)要求的N80-1套管產(chǎn)品，并利用統(tǒng)計(jì)分析技術(shù)對(duì)最終產(chǎn)品性能均勻性進(jìn)行了分析。

2 N80-1套管的生產(chǎn)組織

API標(biāo)準(zhǔn)對(duì)N80-1成分要求為：最大P含量0.03%；最大S含量0.03%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。要求屈服強(qiáng)度552～758MPa，抗拉強(qiáng)度≮689MPa，伸長(zhǎng)率（管厚10.36mm）≮16%。為降低成本，魯寶公司采用控制軋制代替正火的生產(chǎn)工藝：管坯加熱—穿孔—軋機(jī)—平整—定徑成型。其中，管坯加熱和定徑成型是過(guò)程控制的關(guān)鍵。

2.1 原材料選用

產(chǎn)品為Φ177.8mm×10.36mm規(guī)格平端套管，選用寶鋼開發(fā)的Φ178mm規(guī)格N80-1鋼級(jí)管坯。該材質(zhì)在滿足API 5CT成分要求的前提下進(jìn)行設(shè)計(jì)，其主要設(shè)計(jì)化學(xué)成分見表1。

表1 N80-1鋼級(jí)設(shè)計(jì)化學(xué)成分 %

2.2 管坯加熱過(guò)程控制

管坯加熱是影響最終產(chǎn)品內(nèi)外表面質(zhì)量及性能的關(guān)鍵過(guò)程。公司的管坯加熱爐為環(huán)形爐，對(duì)管坯實(shí)施連續(xù)加熱。根據(jù)加熱鋼坯時(shí)間公式［3］

式中：t為管坯加熱時(shí)間，h；B為鋼料邊長(zhǎng)度或厚度，cm；c為考慮鋼種成分和其他因素影響的系數(shù)，對(duì)于碳素鋼，取值0.1～0.15。碳素鋼的理論加熱時(shí)間為106～160min。為了使管坯均勻受熱、減少加熱過(guò)程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力且加熱充分，選取環(huán)形爐加熱工藝如下：預(yù)熱段700～750℃，加熱段1100～1200℃，均熱段1240～1280℃；加熱時(shí)間110～130min。

2.3 軋制控溫要求

為保證鋼管的終軋溫度高于N80-1上臨界溫度（Ar3），實(shí)現(xiàn)該產(chǎn)品控軋代替正火的工藝要求，需對(duì)軋制過(guò)程中鋼管溫度進(jìn)行嚴(yán)格控制。根據(jù)Fe-Fe3C狀態(tài)圖和合金成分、奧氏體變形量和冷卻速度對(duì)Ar3溫度的影響［4］，控制鋼管的終軋溫度在860℃以上即可滿足控軋代替正火的熱處理要求，在本次鋼管軋制過(guò)程中控制終軋溫度不得低于860℃。

3 產(chǎn)品性能分析

3.1 金相組織及硬度

圖1為熱軋后鋼管橫截面的金相組織，N80-1級(jí)鋼管經(jīng)過(guò)熱軋后，其組織為細(xì)小的鐵素體和珠光體。鋼管內(nèi)壁和中壁晶粒均勻細(xì)小，其晶粒度可達(dá)8.5級(jí)，有輕微的帶狀組織；鋼管外壁較內(nèi)壁組織略微粗大，晶粒度8級(jí)。這種細(xì)小的鐵素體+珠光體的均勻組織，有利于保持鋼管壁厚方向性能的均勻一致，提高產(chǎn)品的強(qiáng)度及韌性。

圖1 熱軋后N80-1鋼管橫截面金相組織

利用維氏硬度計(jì)對(duì)橫截面上外壁、中壁和內(nèi)壁進(jìn)行測(cè)量，測(cè)得的硬度值分別為：外壁，255.0、242.6、244.8HV；中壁，250.2、256.3、266.1HV；內(nèi)壁，241.6、251.6、243.5 HV。硬度的最低點(diǎn)出現(xiàn)在內(nèi)壁，最高點(diǎn)出現(xiàn)在中壁，鋼管硬度在240～260HV內(nèi)波動(dòng)，橫截面硬度分布均勻。結(jié)合橫截面的金相組織分析，本次生產(chǎn)鋼管壁厚方向性能均勻可靠。

3.2 力學(xué)性能

在鋼管軋制過(guò)程中，通常其頭、尾兩端以及周向力學(xué)性能會(huì)有所偏差，影響測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確性。本次生產(chǎn)中對(duì)鋼管力學(xué)性能的驗(yàn)證中，隨機(jī)選取3支鋼管，在每支鋼管的頭、尾兩端截取力學(xué)性能試塊，每個(gè)試塊在0°和180°圓周方向?qū)ΨQ截取兩個(gè)拉伸試樣，并對(duì)所取試樣順序編號(hào)，其力學(xué)性能結(jié)果如圖2所示。

圖2 鋼管的力學(xué)性能

結(jié)果顯示，不同鋼管的頭部、尾部以及徑向?qū)ΨQ面的力學(xué)性能均無(wú)明顯差別，性能均勻穩(wěn)定；抗拉強(qiáng)度781～819MPa，屈服強(qiáng)度615～660MPa，伸長(zhǎng)率26%～29%；所有的性能指標(biāo)均滿足要求，且較標(biāo)準(zhǔn)有較大的余量。

3.3 通長(zhǎng)均勻性

為驗(yàn)證產(chǎn)品的整體均勻性，選取1支鋼管進(jìn)行外表面全長(zhǎng)硬度測(cè)試。管體取點(diǎn)方式為周向?qū)ΨQ的4個(gè)點(diǎn)A、B、C、D（AB連線與CD連線基本垂直），各點(diǎn)所在母線取點(diǎn)方式相同，即0～12m每隔1m取1個(gè)點(diǎn)，最后測(cè)量點(diǎn)為12.5m。每個(gè)點(diǎn)量測(cè)3個(gè)硬度值（HB）。鋼管外表各點(diǎn)硬度均值分布曲線見圖3。從圖中可以看出，周向各點(diǎn)的硬度分布比較均勻，同一截面硬度極差為18HB；而沿鋼管軋制方向，其硬度值只在小幅度范圍內(nèi)波動(dòng)，A、B、C、D 4個(gè)方向的軸向硬度極差分別為14、16、23和15HB。

圖3 鋼管外表各點(diǎn)硬度分布曲線

由鋼管外表面周向和軸向硬度分布可推斷，本次軋制鋼管的通長(zhǎng)性能較均勻。其原因可歸結(jié)為軋機(jī)和平整過(guò)程中的兩輥斜軋，使鋼管在旋轉(zhuǎn)前進(jìn)過(guò)程中產(chǎn)生均勻變形，從而提高了鋼管的均勻性。

圖4為所取鋼管外表面硬度分布統(tǒng)計(jì)。從硬度分布可看出，鋼管周向和軸向的硬度分布集中，均值為238.05，測(cè)得的硬度單值在均值（-17.05，13.95）內(nèi)波動(dòng)，最小值比下限仍高17.4HB。對(duì)所測(cè)得的硬度單值進(jìn)行過(guò)程統(tǒng)計(jì)分析得到硬度分布的標(biāo)準(zhǔn)差為7.011。根據(jù)過(guò)程能力指數(shù)（Cp）的計(jì)算公式：

得到鋼管生產(chǎn)過(guò)程能力指數(shù)為1.638。判定該過(guò)程能力良好，狀態(tài)穩(wěn)定。

圖4 鋼管外表面硬度分布統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)語(yǔ)

在ARE軋管機(jī)組上通過(guò)熱軋代正火生產(chǎn)的N80-1套管產(chǎn)品的力學(xué)性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，且有較大提升空間。軋制后的鋼管沿壁厚方向、周向和軸向性能均勻，且不同鋼管間性能波動(dòng)不大。ARE軋管機(jī)組生產(chǎn)N80-1套管產(chǎn)品的過(guò)程能力充足、穩(wěn)定。

［1］ 王旭午，楊為國(guó)，李學(xué)進(jìn).ARE高精度軋擴(kuò)管機(jī)組的改進(jìn)研究［J］.寶鋼技術(shù)，2008（5）：30.

［2］ 高秀華.鋼管生產(chǎn)知識(shí)問(wèn)答［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2007.

［3］ 王廷溥.軋鋼工藝學(xué)［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1981.