多模式下不銹鋼管固溶熱處理工藝研究與實(shí)踐*

高 虹， 劉 濤， 陳澤民， 高江君， 翟麗麗， 沈衛(wèi)強(qiáng)， 姜云山

(江蘇武進(jìn)不銹股份有限公司，江蘇 常州 213111)

引 言

不銹鋼管固溶熱處理的作用是在于提高和控制材料的性能，充分發(fā)揮不銹鋼管的耐高溫、耐腐蝕等特性在特定應(yīng)用環(huán)境中的潛力。冷軋管前的軟化或消除冷軋/拔加工應(yīng)力，可提高產(chǎn)品的塑性、韌性及抗蝕性能，從而提高國(guó)家重大裝備制造基礎(chǔ)不銹鋼管材的性能、可靠性和使用壽命。因此，固溶熱處理技術(shù)的先進(jìn)程度是保證石油采取、儲(chǔ)運(yùn)、煉化，超超臨界火電，核電，海工(含LNG)和高技術(shù)船舶，煤制油，軍工等裝備制造技術(shù)先進(jìn)與否和保證產(chǎn)品質(zhì)量的最關(guān)鍵因素[1]。固溶熱處理過(guò)程就是通過(guò)加熱(爐窯各溫段的升溫速度)、保溫(溫度和時(shí)間)及冷卻(快速冷卻過(guò)敏化區(qū)至室溫)三個(gè)基本要素的匹配與結(jié)合[2]，基于不銹鋼管的合金元素種類多、合金元素含量高，相對(duì)的固溶熱處理溫度相應(yīng)提高，將不銹鋼管加熱至高溫單相區(qū)恒溫保持，使中間相充分溶解到固溶體中后快速冷卻，以得到飽和固溶體，從而改變其組織和性能。目前，不銹鋼管固溶熱處理工藝需要處理的鋼種有：奧氏體不銹鋼、超級(jí)奧氏體不銹鋼、奧氏體鐵素體雙相不銹鋼、超級(jí)奧氏體鐵素體雙相不銹鋼、鎳鉻鐵合金、鎳基合金、鎳銅合金等無(wú)縫管、焊接鋼管；規(guī)格組距外徑為Φ6-1524 mm，壁厚為0.5-88 mm；固溶熱處理加熱溫度從常規(guī)1000 ℃左右，提升到1250 ℃，甚至更高。為滿足各類不銹鋼管材在不同規(guī)格組距、加熱溫度變化跨度大的條件下滿足固溶熱處理工藝要求，采用單一固溶熱處理工藝技術(shù)已不能適應(yīng)多規(guī)格、多牌號(hào)不銹鋼管熱處理要求。為此，本文通過(guò)不同類別爐型及工藝，切合滿足固溶熱處理工藝要求進(jìn)行研究，建立滿足固溶熱處理工藝要求的爐型選擇及工藝改進(jìn)，形成全系列的不銹鋼管固溶熱處理的工藝制度。

1 工藝方案

1.1 工藝設(shè)計(jì)思想

固溶熱處理工藝是將不銹鋼管材加熱至高溫單相區(qū)950-1180℃左右，保溫一段時(shí)間，使碳化物和各種合金元素充分均勻地溶解于奧氏體中，然后快速冷卻到室溫，以得到飽和固溶體的工藝。目前普遍采用的是輥底式連續(xù)固溶熱處理工藝、臺(tái)車(chē)式箱式爐加熱工藝和連續(xù)式保護(hù)氣氛光亮退火工藝，來(lái)適應(yīng)不同規(guī)格組距、鋼牌號(hào)以及相對(duì)應(yīng)的加熱溫度、保溫和快速冷卻固溶熱處理的工藝要求。由于不銹鋼管的加熱溫度較常規(guī)碳鋼管高，一般加熱方式采用燃?xì)夂碗娂訜?，還有節(jié)能減排、環(huán)保要求持續(xù)提高，普遍采用天然氣作為加熱的燃料[3]。以上三種固溶熱處理工藝由于其使用范圍的局限性，難以滿足多規(guī)格組距、鋼牌號(hào)以及加熱溫度的基本工藝要求。

三種固溶熱處理工藝的對(duì)比：1)輥底式連續(xù)固溶熱處理工藝，爐輥在高溫中不斷旋轉(zhuǎn)送進(jìn)和承載，高溫段加熱最高爐溫≤1200 ℃，超(超)臨界火電用耐熱不銹鋼管需要高溫軟化溫度提升到≥1250 ℃左右[4-5]，Cr28Ni48W5耐熱鋼爐輥已超出其承載的最高溫度。同樣大口徑厚壁管每米單位重量大，使?fàn)t輥(Cr28Ni48W5)在高溫均熱段使用時(shí)超出承載載荷[6]，時(shí)常發(fā)生高溫段爐輥斷裂現(xiàn)象。因此，輥底式連續(xù)固溶熱處理工藝一般在溫度≤1150 ℃條件下、一般載荷條件下使用。2)臺(tái)車(chē)式天然氣箱式爐是在密閉爐膛內(nèi)通過(guò)對(duì)流和輻射方式加熱，也接受爐氣傳給爐襯后再由爐襯反射回來(lái)的部分熱量，使管子逐漸加熱到需要溫度，最高加熱爐溫1350 ℃?？梢詽M足所有的不銹鋼管的固溶熱處理要求[7-9]，主要針對(duì)升溫到≥1150 ℃以上的管子的高溫軟化和大口徑厚壁管的固溶熱處理，由于箱式爐滿足了高溫狀態(tài)下的長(zhǎng)時(shí)保溫，顯著地提高厚壁管在加熱中的溫度均勻性，切合了不銹鋼管中間品或成品厚壁管固溶熱處理工藝。但高溫加熱管子要從臺(tái)車(chē)擱架上快速下到水池內(nèi)冷卻，無(wú)專用快速下水裝置，要靠人工在高溫中吊運(yùn)，起不到使高溫管子快速冷卻通過(guò)敏化區(qū)間又避免晶間腐蝕傾向的基本工藝要求。3)連續(xù)式保護(hù)氣氛光亮固溶熱處理工藝與輥底式連續(xù)固溶熱處理的工作方式類同，進(jìn)、出爐口增加密封室，使空氣在純氫中燃燒，隔絕空氣進(jìn)入爐膛，從而使管子在充滿氮?dú)獗Ｗo(hù)的爐腔中進(jìn)行高溫?zé)崽幚恚蛊浔砻娌划a(chǎn)生氧化，一般通過(guò)氣冷或氣液冷轉(zhuǎn)換冷卻，其冷卻效果比水冷差，與水冷相比管子的綜合性能差[10-11]，只適合于小口徑不銹鋼管材的固溶熱處理。另外，大口徑薄壁管在輥底式爐窯固溶熱處理時(shí)受熱不均及冷卻不合理易造成管體變形，是大口徑薄壁管固溶熱處理工藝的主要難點(diǎn)。

針對(duì)不同爐型的固溶熱處理工藝要求，構(gòu)建了輥底式連續(xù)固溶熱處理爐、臺(tái)車(chē)式箱式爐+快速下水機(jī)構(gòu)、鋼管夾持旋轉(zhuǎn)裝置+輥底式固溶爐、連續(xù)式保護(hù)氣氛光亮退火爐的四種固溶熱處理爐型組成的生產(chǎn)線，滿足各類規(guī)格組距、鋼牌號(hào)、工藝溫度的不銹鋼管材的固溶熱處理要求。使管子滿足加熱、保溫、快冷的固溶熱處理工藝基本工藝特性，得到性能合格的奧氏體、奧氏體/鐵素體(α/γ接近50%∶50%的最佳相比例)組織?；谶@樣的思路，形成全系列不銹鋼管固溶熱處理的工藝技術(shù)，從而滿足多規(guī)格、多品種的不銹鋼管材的基本組織性能要求。

1.2 工藝特點(diǎn)

在通過(guò)對(duì)四種爐型進(jìn)行工藝分析的基礎(chǔ)上，主要解決傳統(tǒng)固溶處理過(guò)程容易出現(xiàn)的受熱不均、冷卻不合理等問(wèn)題導(dǎo)致管子內(nèi)部析出相及組織難以調(diào)控的現(xiàn)象，繼而存在無(wú)法提升管材品質(zhì)、不便于后續(xù)加工的問(wèn)題。根據(jù)外徑、壁厚的不同狀態(tài)采取相應(yīng)熱處理方式的制備技術(shù)；針對(duì)不同口徑管材研究出不同形式的固溶處理工藝。

1.2.1 輥底式連續(xù)固溶熱處理工藝

對(duì)≤Φ150 mm的小口徑管以及≤Φ600 mm、壁厚≤20 mm管子，最高加熱溫度≤1150 ℃，采用輥底式連續(xù)固溶熱處理工藝，上位采用工控電腦+下位采用PLC對(duì)溫度、壓力、氣氛檢測(cè)、變頻等過(guò)程模擬量操控和監(jiān)控，空燃比精確匹配的自反饋燃燒控制技術(shù)優(yōu)化，高性能纖維墻體保溫材料的應(yīng)用，以及上下料、輥道變頻調(diào)控和高效換熱控制技術(shù)，使?fàn)t內(nèi)氣氛流動(dòng)性好，溫度場(chǎng)均勻；冷卻段采用五段式上下冷卻水噴簾系統(tǒng)，滿足快速冷卻的基礎(chǔ)冷卻工藝要求[12-15]，如圖1所示。

圖1 輥底式連續(xù)固溶熱處理爐窯示意圖

1.2.2 保護(hù)氣氛不銹鋼管光亮固溶熱處理工藝

對(duì)≤Φ60 mm的小口徑管，最高加熱溫度≤1150 ℃，采用保護(hù)氣氛(氨分解或純氫、純氮)光亮不銹鋼管固溶熱處理工藝，進(jìn)出口加有密封室，通過(guò)氫與空氣燃燒隔絕空氣進(jìn)入爐膛，加熱系統(tǒng)：燃?xì)饧訜崾讲捎锰沾奢椛涔苋紵到y(tǒng)，脈沖式空燃比自反饋燃燒控制；電熱式是直接采用高溫電阻絲。采用氮?dú)獗Ｗo(hù)環(huán)境進(jìn)行熱處理，避免了在大氣環(huán)境下的固溶熱處理工藝導(dǎo)致不銹鋼管表面氧化及其它元素污染，熱處理關(guān)鍵工藝參數(shù)由計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制，確保熱處理工藝制度的重復(fù)性和再現(xiàn)性[16-17]。冷卻采用氣流式冷卻裝置使管子快速降溫，再經(jīng)過(guò)緩冷裝置使管子冷卻至≤60 ℃出爐，管子的表面呈無(wú)氧化光亮狀態(tài)。

1.2.3 臺(tái)車(chē)式箱式爐+快速下水機(jī)構(gòu)的固溶熱處理工藝

對(duì)≤Φ110 mm，加熱爐溫1080-1280 ℃管的小口徑管；外徑≥Φ200 mm以上，外徑與壁厚之比5-13.3的厚壁管，單位自重大，采用臺(tái)車(chē)式箱式爐[18-19]及快速下水機(jī)構(gòu)進(jìn)行固溶熱處理工藝集成，管材快速下水裝置由PLC電腦對(duì)伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)精確控制，與箱式爐電控聯(lián)鎖，形成柔性生產(chǎn)線。利用爐窯PLC接口與爐窯臺(tái)車(chē)進(jìn)出料電控聯(lián)鎖，實(shí)現(xiàn)高溫管的自動(dòng)裝填料、快速下水冷卻的閉環(huán)控制。通過(guò)縮短從臺(tái)車(chē)到水池的移動(dòng)時(shí)間，滿足固溶快速下水工藝要求，使高溫管子下水速度控制在30-50 s，還把循環(huán)冷卻水量提高到250 t/h、水溫≤60 ℃，使管子冷卻快速通過(guò)敏化區(qū)間，避免晶間腐蝕傾向，如圖2所示。

圖2 臺(tái)車(chē)式箱式爐+快速下水機(jī)構(gòu)

1.2.4 鋼管夾持旋轉(zhuǎn)裝置+天然氣固溶爐的熱處理工藝

因常規(guī)天然氣固溶爐的快速燃燒燒嘴不能完全環(huán)繞圓周的設(shè)置，使?fàn)t膛內(nèi)溫度場(chǎng)不均勻，導(dǎo)致管體整體受熱時(shí)受熱不均勻問(wèn)題，易造成管子嚴(yán)重變形，影響后續(xù)冷拔加工，甚至產(chǎn)生管子報(bào)廢。對(duì)外徑≥Φ300 mm以上，壁厚≤16 mm，采用天然氣旋轉(zhuǎn)輥道式固溶爐與鋼管夾持旋轉(zhuǎn)裝置，具有進(jìn)、出料端的夾持管子旋轉(zhuǎn)裝置、輥底式加熱爐、快速冷卻段組及溫控系統(tǒng)組成的薄壁大口徑管固溶熱處理生產(chǎn)線，如圖3所示。滿足管材高速夾持旋轉(zhuǎn)輸送加熱、保溫、過(guò)水動(dòng)作快速固溶熱處理的工藝要求，結(jié)合快速冷卻定型處理要求，實(shí)現(xiàn)管材開(kāi)展快速下水及冷卻時(shí)間的精準(zhǔn)控制，使管子快速冷卻通過(guò)敏化區(qū)，獲得目標(biāo)需求最優(yōu)的組織結(jié)構(gòu)狀態(tài)，避免晶間腐蝕傾向，獲得大口徑薄壁不銹鋼管所需的最優(yōu)組織及性能。

圖3 鋼管夾持旋轉(zhuǎn)裝置+天然氣固溶爐示意圖

以上針對(duì)不同規(guī)格、品種的不銹鋼管材的不同工藝裝備及工藝控制應(yīng)對(duì)措施，保證了不同規(guī)格不銹鋼管材均勻的加熱[20-21]、保溫及快速冷卻，保證了無(wú)析出相和均勻細(xì)小的組織控制，在實(shí)現(xiàn)不銹鋼及高鎳合金熱處理裝備及工藝全覆蓋的同時(shí)，保證了全系列不銹鋼及高鎳合金綜合性能。

2 工藝實(shí)踐

2.1 工藝實(shí)踐效果

分別對(duì)四種爐型在不同規(guī)格組距、不同品種條件下的固溶熱處理工藝試驗(yàn)和分析總結(jié)，確定了各類規(guī)格組距、品種的批量化生產(chǎn)的基礎(chǔ)工藝參數(shù)，建立了基本的固溶熱處理制度及數(shù)據(jù)庫(kù)，并按此工藝范圍生產(chǎn)的不銹鋼及高鎳合金管材，管材的理化性能、加工性能等均達(dá)到或超過(guò)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，熱處理一次合格率達(dá)到100%，工藝控制穩(wěn)定；與單一熱處理制度工藝相比，其質(zhì)量穩(wěn)定性、一貫性等方面顯著提高，節(jié)能降耗明顯。經(jīng)四種爐型進(jìn)行固溶熱處理所有批次的力學(xué)性能均合格，如圖4所示；晶間腐蝕性能按照GB/T4334-2008《金屬和合金的腐蝕 不銹鋼的晶間腐蝕試驗(yàn)方法》中的E方法，試樣表面未發(fā)現(xiàn)因晶間腐蝕而產(chǎn)生裂紋。鋼管的晶間腐蝕試驗(yàn)均合格。

圖4 不同固溶熱處理工藝處理后的部分批次的力學(xué)性能

2.2 推廣應(yīng)用

針對(duì)各類規(guī)格組距、鋼牌號(hào)、工藝溫度不銹鋼管固溶熱處理的工藝要求，采取多模式熱處理工藝技術(shù)、路線與控制措施，達(dá)到固溶熱處理加熱、保溫和快冷的基本固溶熱處理制度的要求，以保證獲得奧氏體或奧氏體/鐵素體(α/γ接近50%∶50%的最佳相比例)組織。該組合工藝技術(shù)應(yīng)用以來(lái)，批量處理管材性能穩(wěn)定，完全滿足美標(biāo)、歐標(biāo)、日標(biāo)、國(guó)標(biāo)等對(duì)不銹鋼管標(biāo)準(zhǔn)要求，固溶后的不銹鋼管組織均為奧氏體或奧氏體/鐵素體，如圖5所示。

圖5 固溶后的不銹鋼管金相組織

2.3 數(shù)字化控制技術(shù)

不銹鋼管固溶熱處理工藝是決定裝備制造業(yè)產(chǎn)品使用壽命和可靠性的關(guān)鍵工序，為了提高不銹鋼管固溶熱處理的質(zhì)量和提高控制水平，開(kāi)發(fā)了固溶熱處理過(guò)程中溫度場(chǎng)—冷卻速率計(jì)算機(jī)控制技術(shù)—組織性能[22-24]，以上位工業(yè)控制計(jì)算機(jī)+下位PLC程序控制器為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)爐窯智能化控制，保證了不銹鋼管固溶熱處理的性能、穩(wěn)定性、一致性和重現(xiàn)性；已成為國(guó)內(nèi)不銹鋼管企業(yè)打造智能工廠的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。

3 結(jié)束語(yǔ)

(1)由輥底式連續(xù)固溶熱處理爐、臺(tái)車(chē)式箱式爐+快速下水機(jī)構(gòu)、鋼管夾持旋轉(zhuǎn)裝置+輥底式固溶爐、連續(xù)式保護(hù)氣氛光亮退火爐組成的不銹鋼管固熱熱處理工藝組成生產(chǎn)線，滿足基本的控制加熱、保溫和冷卻速率的固溶熱處理制度，實(shí)現(xiàn)不銹鋼規(guī)格系列固溶熱處理全覆蓋。

(2)生產(chǎn)實(shí)踐表明，針對(duì)不同規(guī)格組距、品種的全系列不銹鋼管熱處理工藝，滿足了管材的綜合性能要求，節(jié)能降耗明顯，具有推廣應(yīng)用價(jià)值。