| 中頻感應加熱技術在鋼管熱處理工藝中應用介紹 |
| 摘要： 文章介紹了利用中頻電流的感應加熱原理進行鋼管熱處理的工藝與設備，指出該工藝技術由于設備投資不大、沒有環境污染，符合環保要求，且便于進行工藝控制，易于組織生產，比較起燃氣加熱反腐蝕的鋼管熱處理，具有一定的技術優勢，應當屬于政府鼓勵發展、企業可以優先采用的新技術、新工藝。 前言 利用中頻電流的電磁感應加熱原理來進行油井管的的淬火、回火以及正火，在美國等發達國家已經屬于一種成熟的工藝技術，并且在石油專用管的制造領域得 到了廣泛的應用。美國LONGSTAR公司、無限制管公司、日本JFE公司、俄羅斯塔干羅格冶金廠、伏爾加鋼廠等制管企業都擁有自己的中頻感應熱處理生產線。感應加熱以電作為能源，完全不同于使用天然氣、發生煤氣或液化石油氣等燃氣那樣，在鋼管的加熱過程中會產生煙塵，形成空氣的污染。因為電能屬于綠 色能源，不會對環境造成破壞，符合人類社會對環保的要求，所以也是國內外政府鼓勵發展的環保型工藝技術開發項目。同時，采用感應加熱技術對鋼管進行淬火、 回火或正火，升溫速度快，效率高，生產組織靈活方便，避免并節省了燃氣加熱鋼管時爐子的升溫和降溫所需要的時間及能耗。 感應加熱技術在我國最早應用于軍工、汽車、機械等行業，后來逐步擴展到冶金行業，20世紀80年代初期首鋼特殊鋼公司在國內首先開始使用中頻加熱技 術，對45MoMnB、35CrMo、40Cr、40Mn2Mo和45#鋼管進行調質處理；對GCr15鋼管進行冷加工中間的軟化熱處理；對 5Cr21Mn9Ni4N進行鋼管固溶熱處理；對T10A、20Mn2、20#鋼棒材進行退火熱處理，均取得良好的效果。 西姆萊斯石油專用管制造有限公司為生產高品質油井管并開發油井管的新產品，與寧波市神光電爐有限公司電爐公司合作，在消化吸收國外鋼管感應加熱技術的基礎上， 雙方經過不斷摸索、不斷改進，研制開發出完全國產化的油井管中頻感應熱處理生產線。目前已經有兩條線先后投入正常生產。其中第一條生產線經過一年多的試生 產和生產，先后加工了Ф60.3mm、Ф73.0mm、Ф88.9mm等規格的加厚和不加厚油管，調質出了N80、L80、C95和P110等鋼級的油井管產 品，并通過了中國石油天然氣集團公司管材研究所的實物評價試驗，被認定為符合美國石油學會5CT標準的油井管產品。在此同時，生產線進行了Ф88.9× 9.19㎜鉆桿的熱處理工藝試驗。隨后建設的第二條生產線也于2007年10月進入試生產階段，目前已經批量加工出Ф60.3mm、Ф73.0mm、 Ф88.9mm、Ф114.3mm、Ф139.7mm規格，N80、L80、P110的油管和套管。油井管感應熱處理的鋼種包括碳錳鋼系列與合金鋼系列。 實踐證明，采用中頻感應加熱技術進行鋼管的熱處理，不僅環境污染小、生產效率高，而且成本可以達到與燃氣加熱相當的水平；如果在用電的低峰期使用， 則成本更低。同時，如果工藝參數選擇合理、工藝控制得很好時，甚至可以省去矯直工序。以下主要介紹西姆萊斯石油專用管制造有限公司建設的第一條油井管中頻 熱處理生產線。 1、鋼管感應熱處理生產線的產品大綱及技術要求： 1.1、生產能力：熱處理6萬噸（12噸/h）油管、套管或鉆桿； 1.2、產品規格： 其中：平式或加厚油管 Ф60.3×4.83mm 5000噸 Ф73.0×5.51mm 10000噸 Ф88.9×6.45mm 10000噸 套管 Ф114.3×6.35～8.56mm 5000噸 Ф139.7×6.20～10.54mm 20000噸 鉆桿 Ф73.0×9.19mm 2000噸 Ф88.9×9.35mm 3000噸 Ф127.0×9.19mm 5000噸 1.3、被處理鋼管幾何尺寸:管體外徑： Ф60.3×Ф139.7mm 油管和鉆桿加厚端外徑： Ф65.89×Ф149.23mm（加厚端最大壁厚20.30mm） 管體壁厚： 4.83×10.54mm 長度： 8～12.5mm 單根鋼管最大重量：350kg 1.4、熱處理后鋼管鋼級：N80、L80、C90、P95、P110、Q125等； 1.5、原料鋼管鋼種： 37Mn5、34Mn6、38M 6、42MnMo7、30Mn2、27MnCr52、30CrMo、33CrMo、35CrMo、26CrMo4、29CrMo44、32CrMo4 1.6、淬火爐加熱溫度： 850℃～1000℃ 1.7、回火爐加熱溫度： 600℃～750℃ 1.8、淬火方式： 外淋，要求在管子橫截面上噴水均勻且有一定角度、壓力，同時具有管內吹水功能，保證管子進回火爐時管內無水； 1.9、其它要求：鋼管回火后應當進行高壓水除鱗。 2、工藝概述 鋼管感應熱處理的工藝流程與一般傳統的燃氣加熱步進式爐一樣，但是工作原理和加工工程卻截然不同。在燃氣式步進爐中，鋼管是整體加熱；而在感應爐中，鋼管是分段逐次前進連續加熱；淬火過程與回火過程也是如此進行。所以鋼管在加熱、淬火、回火時，基本是做縱向移動、螺旋前進的動作，其余才是做橫向移 動。其具體加工工藝過程如下：根據API 5 CT標準對油井管的調質要求，油井管管坯由天車吊到上料臺架上，人工外觀檢查后使其整齊排列分布。待生產線各工作崗位進入正常工作狀態時，感應器通電待 料，變頻送料機開始旋轉，手動操作步進上料機工作，把第一根油井管從上料臺架出口端平穩地抬起滾送到對齊裝置的輥道上，變頻送料機以設定的速度向前送料， 變頻送料機為單輥傳動，速度、高度可調，輥型為專門設計傾斜15°布置的輥式送料機，具有水平送料糾偏對中和工件自旋轉功能，其中感應加熱線圈之間送料輥 和進出口的送料輥材質為耐熱鋼，并裝有旋轉密封內水冷卻裝置，冷卻送料輥并使送料輥外表面干燥，便于油管連續加熱，其余送料輥材質為耐磨鋼。油管經輥道進 入中頻淬火加熱區，加熱區由一套3000kW中頻電源和一套1200kW中頻電源配多組加熱感應線圈組成淬火感應加熱區，保證工件溫度的均勻,加熱溫度 850℃～1000℃。在加熱線圈的出口處安裝進口的雙色比色紅外測溫儀,進行油管加熱溫度的監測，并把信號反饋到中頻電源的控制系統，自動調節中頻電源 的輸出功率，組成閉環控制系統，從而調整鋼管加熱溫度使之控制在允許的誤差范圍內。 加熱好的鋼管進入噴淋淬火區，由于工件材質為含碳量0.3%左右的碳錳鋼或中低合金化的鉻鉬鋼及鉻錳鉬鋼，適合采用純水作為淬火介質。我們采用環狀 冷卻裝置連續將高壓水流噴射到加熱的鋼管表面，強噴淋5～15秒左右，以實現淬火馬氏體的組織轉變。為此，我們選用了二套大流量高壓水泵（壓力為揚程 125米每分鐘的水循環量1000m3/h），總功率在500kW以上，從而達到完全淬透管壁所要求的快速均勻冷卻的效果，保證使鋼管表面產生的蒸汽膜破 壞，使鋼管迅速達到馬氏體轉變溫度，全部轉變為淬火馬氏體，不會產生淬火屈氏體，從而保證回火索氏體。由于噴淋中會有氧化皮和鋼管表面的灰塵脫落后進入淬 火介質中，所以淬火介質必須經過沉淀池粗濾、磁性吸濾、網過濾等多級處理，使濁環水清潔干凈，不能堵塞噴嘴，可以循環使用。 噴淋區設置隔離擋板，防止水飛濺，利于水的回收利用和減少濁環水的損耗，還設置防護罩，以防水蒸汽噴出，保證車間的干燥。 噴淋淬火后的鋼管由輥道傳送至管內除水段經氣動翻料機把管子抬放在傾斜臺上，經5分鐘以上的瀝水后再經氣動翻料機抬放至回火線輥道上，在輥道的傳動 下進入中頻回火感應加熱區，回火加熱溫度范圍一般為600℃～750℃。中頻感應加熱電源為一套1900kW和一套900kW由多組感應線圈組成的回火感 應加熱區。在最后一個感應線圈的出口處安裝進口的雙色比色紅外測溫儀進行監測油管的溫度，負責把信號反饋到中頻電源，自動調節中頻電源的輸出功率，以組成 閉環控制系統。經回火后的鋼管在輥道上通過高壓水除鱗裝置，鋼管在高壓噴射水的沖刷下達到除鱗效果，經過除鱗得鋼管，通過回火區的感應器后，由氣壓傳動步 進翻料機把鋼管平穩地抬起，放到冷床上緩慢旋轉滾動，逐步冷卻。然后鋼管在冷床出口處被收集入筐，人工捆扎包裝吊運至下一工段。 3、設備基本構成 3.1、上料部分：由以下設備組成：上料臺架---- 翻料機構 --- 縱向旋轉送料輥道 ---- 斜輥道 3.2、淬火加熱部分：分兩個區，加熱區和保溫區；其中：加熱區有12個感應線圈，設計功率2500kW，設計頻率300HZ，保溫區有8個感應線圈，設計功率2500kW，設計頻率1000HZ。 3.3、淬火裝置：兩個封閉噴淋淬火裝置，裝有數百只噴嘴，并形成各不相同的角度，向鋼管噴出高壓水流，且保證在鋼管行進過程中的每一處截面上，淬火水量相等，冷卻速度相同，受熱變形均勻。對于感應加熱淬火來說，與燃氣加熱淬火最大的不同之處，就在于淬火的方式不一樣。 |
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