CN102224265A - 生产具有特定性质的钢管的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及生产钢管的方法和装置。按照本发明，在高于700℃但低于1050℃的温度经过最后一次变形之后，在最多20秒的时间段内将一定量的冷却介质以升高的压力在大于管壁厚度400倍的长度范围内施加到管的外表面上，所述冷却介质施加量能够在管长范围内以大于1℃/sec的相同冷却速度将管壁快速冷却到500℃～250℃范围的某一温度，然后在空气中将管继续冷却到室温。

Description

生产具有特定性质的钢管的方法和装置
本发明涉及用来生产具有提高的材料强度和改善的材料韧性的钢管的方法。
本发明还涉及用来生产具有特定性能组合的管的装置(Vorrichtung)，其由用来对管表面施加冷却介质的器件(Einrichtung)组成。
在生产无缝管的过程中，管壁的材料特性可能在基于位置和批次而具有显著差异。这些特性差异多数源于不相同的组织结构以及不利的钢组成或者伴生和杂质元素的含量增高。
出于上述原因，对于高负荷的管而言，组织结构应符合相关的要求，在管长范围内以及在管壁的同轴方向应具有在窄的限值内的均匀性，并且应该具有不含有害元素的材料组成。
长度大于等于7m、外径小于200mm并且壁厚小于25mm的管仅能以高的费用对其进行热处理，以便在全部管体积范围内获得具有所需结构的均匀致密的组织，将垂直于纵向的弯曲度减小到最低程度。
已知这样的方法，其中让管围绕其轴线旋转，并对外表面和/或者内表面进行冷却。但这类热处理方法的前提条件是管长范围内的材料具有大致同样高的温度，才能在管壁中实现均匀的组织结构。
本发明的目的在于提供一种在管生产过程中通过热成形尤其是张力减径、接着对其进行处理从而提高强度并且改善管材料韧性的方法。
本发明的任务还在于提供一种用来生产管的装置，可将其用来在热成形之后实现在全部管长范围内具有所需性能组合的管。
采用以下所述的方法即可实现这个目的：在热成形尤其是利用张力减径法变形之后立即进行快速冷却，其中在每一情形下在连续过程中在高于700℃但低于1050℃的温度最后一次变形之后，在连续过程中(im Durchlauf)在最多20秒的时间段内将一定量的冷却介质以升高的压力大约在大于管壁厚度400倍的长度周向地施加到该管的外表面上，所述冷却介质的施加量在所述快速冷却过程中在所述管长范围内以大于1℃/sec的相同冷却速度将管壁快速冷却到500℃～250℃范围的某一温度，然后在空气中将管继续冷却到室温。
按照本发明所述的方法，如果在低于950℃的温度开始快速冷却管外表面，能实现特别高而且均匀的机械材料参数值尤其是韧性值。
就整合的回火处理(Anlassbehandlung)而言，可能进一步有利的是，在快速冷却之后在空气中继续冷却管时有针对性地重新加热管壁表面区域，
为了优化管质量或者改善管材料的质量，本发明所述方法的一种改进实施方式中可能必要的是，使用含有以下各合金元素和伴生杂质元素浓度的钢来生产管，单位为重量％，
如果将本方法用来生产长度大于7m，特别是至多200m、外径大于20mm但小于200mm、壁厚大于2.0mm但小于25mm的无缝管，则可以借助显著益处，也即管质量的提高，来减小库存量，并且将伴随着显著维修费用的破裂引起的损失情况减小到最低程度。
如果碳含量有限，在均匀的高管质量方面，钢有利地包括以下重量百分比的至少一种下列元素：
Figure BPA00001374730400022
Figure BPA00001374730400031
本发明的另一个任务在于提供一种在变形之后通过快速冷却方式生产具有提高的强度并且改善了材料韧性的钢管的装置，所述装置(Vorrichtung)由用来将冷却介质施加到管表面的器件(Einrichtung)组成，解决这一任务的方式为：沿轧制方向在最后一个变形机架后面形成能控制(schaltbar)的直通冷却段，所述冷却段包括许多个围绕轧材同心布置的、能够沿纵向定位在不同位置的冷却介质分配环，所述分配环各有至少3个分别基本上指向轴线的喷嘴，其中能够随生产量调节供应给每个或每组分配环的冷却介质。
本发明所述器件的优点在于，能够利用轧制热对具有不同纵向延伸长度并且具有不同直径和壁厚的管进行有针对性地热处理，其中可以在管长范围内均匀获得所需的组织结构。
如果喷嘴各自形成沿喷淋方向拓宽的棱锥形冷却剂流，则不仅在圆周方向、而且在管壁纵向得到特别有利的调质组织的均匀性。
在每一情况下，冷却剂流可以是冷却剂(多数为水)的喷淋射流，和/或是冷却剂与空气构成的喷雾射流，和/或是气流。
如果冷却剂流具有矩形横截面形状，并且矩形的长轴相对于管轴线倾斜，也能实现均匀的高管质量。
本发明必要的是，在直通冷却段中冷却剂流的可控制性和生产量可调节性。
如果可以根据管端的位置控制供应给直通冷却段的冷却介质，则有利于避免冷却介质侵入到管腔之中，从而基本上避免在横截面中出现单侧内部冷却、阻止弯曲以及阻止形成不同的组织结构。
有利的是，将根据本发明的具有位置和温度传感器的用于管冷却的调节装置来控制冷却剂流。
以下将根据描述仅以一个实施途径阐述的实施例，对本发明进行详细解释。
实施例1：按照表1所示的重量％化学组成，使用相同原始熔体的管原料
Figure BPA00001374730400032
利用张力减径法制备具有下列尺寸的管：
Figure BPA00001374730400041
在最后一次切割或者在张力减径机出口机架中最后一次变形之后，经过12秒之后将温度为880℃的管送入直通冷却段之中。
基于确定的钢的转变行为，在研究管生产过程中的各个批次范围内，仅仅对管外表面有针对性地施加冷却剂，其中通过调整冷却剂流，测得冷却速度约为6℃/sec，并调节到下列最终温度：
达到这些规定的冷却最终温度之后，切断冷却剂供应，然后通过基本上静止的空气使得管继续以低的强烈程度
Figure BPA00001374730400043
冷却到室温。
从经过不同热处理的管中分别取出标记为名称P1至P4的试样，并对所述试样进行材料研究。
组织结构测定表明：在每一情况下存在有利的相等组织，基本上没有纹路，但是具有随冷却最终温度变化的晶粒尺寸和组织分布。
附图1所示为试样P1的组织，晶粒尺寸为20μm-30μm，铁素体含量高。其它组织成分基本上是珠光体。
从附图2可以看出，试样P2的平均晶粒尺寸小得多，约为5μm～8μm，其与低得多的冷却温度T2＝480℃有关。此外铁素体中形成更细并且略微升高的珠光体成分。
从附图3可以看出，试样P3的材料在冷却最终温度T3＝380℃时在组织转变和再结晶情况下，通过高的晶核数而具有细微的晶粒，并且具有提高强度、显著均匀分布的铁素体区域。珠光体和上中间体组织或上贝氏体组织是调质组织的其它成分。
附图4所示为管壁P4在变形之后快速冷却到冷却最终温度T4＝300℃时形成的组织。晶粒特别细微，具有紧密相邻的球状铁素体相，细片状珠光体和在下贝氏体区域中的中间体成分，因此能赋予高的强度值，而且改善了材料的伸长率。
如果直接在铁基材料热成形之后以大于1℃/sec的速度冷却管壁，就能使得如此形成的奥氏体结构与所发现的那样相对于平衡显著过冷，结果将根据过冷程度和晶核状态发生组织转变。有利地，利用本发明所述的方法可以在管的全长范围内、令人惊奇的是也可以在横截面范围内形成所需的均匀组织结构，这不仅决定了组织结构，而且也决定了材料特性。换句话说：如果要求管所基于的材料特性，则给出了合金的选择。可以采用本发明所述的方法，在本发明所述的装置中实现预定的、有益而且有利的材料性能组合。
附图5以柱状图表示试样P1～P4的测量值：屈服强度(Rp)(0.2)[MPa]、抗拉强度(Rm)[MPa]、断面收缩率(Ac)[％]和韧度(KV450)[J]，即依调质技术的不同冷却参数达到的机械材料特性。
如果钢组成相同，那么在张力减径之后利用本发明所述的方法可以将管壁材料的屈服强度从424[MPa]提高到819[MPa]，同时可以将伸长率的下降从26[％]减小到10[％]，其中材料韧度从170[J]降低到160[J]。
如果冷却最终温度高，例如就像试样材料P1那样，则再结晶和粗晶形成程度高，这样尽管能赋予材料高的韧度和断面收缩率，但是强度值比较小。
冷却到更低的转变温度提高了管壁的强度值，当然也会略微减小断面收缩率和材料的韧度，正如根据试样P2、P3和P4所示的那样。
采用本发明所述的方法也可以有针对性地调整材料中的组织结构，从而产生管壁的性能组合。例如在试样管P4情况下，低的转变温度能够实现大幅度转变为下贝氏体组织结构，从而可以提高材料的韧度。
附图6所示为试验管P1和P4的管长范围内测定的硬度值。随着加大冷却剂施加的强烈程度提高材料的硬度[HRB]和强度值，正如所发现的那样，管长范围内的材料硬度方差(Streuung)S也会减小。
附图7所示为试验管P2的管壁厚度范围内各象限中的材料硬度变化。
四个象限Q1～Q4的测量结果是在管壁外侧、中间和内侧区域中每个象限分别相隔一定距离进行各四次测量得到的平均值。
比较管壁横截面范围内在各象限中相应的硬度值即可看出，只有极小的材料强度差异，这是采用本发明所述方法和装置可以达到的产品质量。

Claims (10)

1.生产具有提高的材料强度和改善的材料韧性的钢管的方法，通过如下方式进行：在热成形之后，尤其是利用张力减径法变形之后，立即快速冷却，其中在每一情况下在高于700℃但低于1050℃的温度最后一次变形之后，在连续过程中在最多20秒的时间段内将一定量的具有升高压力的冷却介质在大于管壁厚度400倍的长度周向地施加到该管的外表面上，所述冷却介质的施加量在所述快速冷却过程中在所述管长范围内产生大于1℃/sec的相同的管壁冷却速度，直到500℃～250℃范围的某一温度，然后在空气中将该管进一步冷却到室温。
2.根据权利要求1所述的方法，其中在低于950℃的温度开始管外表面的快速冷却。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中在所述快速冷却之后在空气中进一步冷却管时有针对性地重新加热所述管壁。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的方法，其中使用含有以下重量％的各种合金元素和伴生或杂质元素浓度的钢来生产管
Figure FPA00001374730300011
Figure FPA00001374730300021
5.根据权利要求1～4中任一项所述的方法，用于生产长度大于7m但最高200m、外径大于20mm但小于200mm，并且壁厚大于2.0mm但小于25mm的油田管道。
6.根据权利要求4所述的方法，其中用于生产管的钢具有至少一种以下重量百分比含量的元素：
Figure FPA00001374730300022
7.装置，用于在变形之后、尤其在利用张力减径法将管成形之后，通过快速冷却生产具有升高的材料强度和改善的材料韧性的钢管，所述装置由用来将冷却剂施加到管表面的器件组成，其特征在于，沿轧制方向在最后的变形机架后形成能控制的直通冷却段，所述直通冷却段包括许多个围绕轧材同心布置的、能够沿纵向定位在不同位置的冷却介质分配环，所述分配环各具有至少3个分别基本上指向轴线的喷嘴，其中能够随生产量调节供应给每个或每组分配环的冷却介质。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述喷嘴各自形成沿喷淋方向拓宽的棱锥形冷却剂流。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述冷却剂流具有矩形横截面形状，并且矩形的长轴向管轴线倾斜。
10.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，能够根据管端在该直通冷却段中的位置不同来控制供应给直通冷却段的冷却介质。
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