轉(zhuǎn)載自《中國(guó)網(wǎng)結(jié)構(gòu)網(wǎng)架網(wǎng)》2008年4月15日
摘要： 文章介紹了利用中頻電流的感應(yīng)加熱原理進(jìn)行鋼管熱處理的工藝與設(shè)備，指出該工 藝技術(shù)由于設(shè)備投資不大、沒有環(huán)境污染，符合環(huán)保要求，且便于進(jìn)行工藝控制，易于組織生產(chǎn)，比較起燃?xì)饧訜岱锤g的鋼管熱處理，具有一定的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，應(yīng)當(dāng) 屬于政府鼓勵(lì)發(fā)展、企業(yè)可以優(yōu)先采用的新技術(shù)、新工藝。
前言
利用中頻電流的電磁感應(yīng)加熱原理來進(jìn)行油井管的的淬火、回火以及正火，在美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)屬于一種成熟的工藝技術(shù)，并且在石油專用管的制造領(lǐng)域得 到了廣泛的應(yīng)用。美國(guó)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(yè)都擁有自己的中頻感應(yīng)鋼管熱處理 生產(chǎn)線。感應(yīng)加熱以電作為能源，完全不同于使用天然氣、發(fā)生煤氣或液化石油氣等燃?xì)饽菢樱阡摴艿募訜徇^程中會(huì)產(chǎn)生煙塵，形成空氣的污染。因?yàn)殡娔軐儆诰G 色能源，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成破壞，符合人類社會(huì)對(duì)環(huán)保的要求，所以也是國(guó)內(nèi)外政府鼓勵(lì)發(fā)展的環(huán)保型工藝技術(shù)開發(fā)項(xiàng)目。同時(shí)，采用感應(yīng)加熱技術(shù)對(duì)鋼管進(jìn)行淬火、 回火或正火，升溫速度快，效率高，生產(chǎn)組織靈活方便，避免并節(jié)省了燃?xì)饧訜徜摴軙r(shí)爐子的升溫和降溫所需要的時(shí)間及能耗。
感應(yīng)加熱技術(shù)在我國(guó)最早應(yīng)用于軍工、汽車、機(jī)械等行業(yè)，后來逐步擴(kuò)展到冶金行業(yè)，20世紀(jì)80年代初期首鋼特殊鋼公司在國(guó)內(nèi)首先開始使用中頻加熱技 術(shù)，對(duì)45MoMnB、35CrMo、40Cr、40Mn2Mo和45#鋼管進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理；對(duì)GCr15鋼管進(jìn)行冷加工中間的軟化熱處理；對(duì) 5Cr21Mn9Ni4N進(jìn)行鋼管固溶熱處理；對(duì)T10A、20Mn2、20#鋼棒材進(jìn)行退火熱處理，均取得良好的效果。
無錫西姆萊斯石油專用管制造有限公司為生產(chǎn)高品質(zhì)油井管并開發(fā)油井管的新產(chǎn)品，與蘇州振吳電爐公司合作，在消化吸收國(guó)外鋼管感應(yīng)加熱技術(shù)的基礎(chǔ)上， 雙方經(jīng)過不斷摸索、不斷改進(jìn)，研制開發(fā)出完全國(guó)產(chǎn)化的油井管中頻感應(yīng)熱處理生產(chǎn)線。目前已經(jīng)有兩條線先后投入正常生產(chǎn)。其中條生產(chǎn)線經(jīng)過一年多的試生 產(chǎn)和生產(chǎn)，先后加工了Ф60.3mm、Ф73.0mm、Ф88.9mm等規(guī)格的加厚和不加厚油管，調(diào)質(zhì)出了N80、L80、C95和P110等鋼級(jí)的油井管產(chǎn) 品，并通過了中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司管材研究所的實(shí)物評(píng)價(jià)試驗(yàn)，被認(rèn)定為符合美國(guó)石油學(xué)會(huì)5CT標(biāo)準(zhǔn)的油井管產(chǎn)品。在此同時(shí)，生產(chǎn)線進(jìn)行了Ф88.9× 9.19㎜鉆桿的熱處理工藝試驗(yàn)。隨后建設(shè)的第二條生產(chǎn)線也于2007年10月進(jìn)入試生產(chǎn)階段，目前已經(jīng)批量加工出Ф60.3mm、Ф73.0mm、 Ф88.9mm、Ф114.3mm、Ф139.7mm規(guī)格，N80、L80、P110的油管和套管。油井管感應(yīng)熱處理的鋼種包括碳錳鋼系列與合金鋼系列。
實(shí)踐證明，采用中頻感應(yīng)加熱技術(shù)進(jìn)行鋼管的熱處理，不僅環(huán)境污染小、生產(chǎn)效率高，而且成本可以達(dá)到與燃?xì)饧訜嵯喈?dāng)?shù)乃剑蝗绻谟秒姷牡头迤谑褂茫?則成本更低。同時(shí)，如果工藝參數(shù)選擇合理、工藝控制得很好時(shí)，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(shè)的條油井管中頻 熱處理生產(chǎn)線。
1、鋼管感應(yīng)熱處理生產(chǎn)線的產(chǎn)品大綱及技術(shù)要求：
1.1、生產(chǎn)能力：熱處理6萬噸（12噸/h）油管、套管或鉆桿；
1.2、產(chǎn)品規(guī)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（加厚端壁厚20.30mm）
管體壁厚： 4.83×10.54mm
長(zhǎng)度： 8～12.5mm
單根鋼管重量：350kg
1.4、熱處理后鋼管鋼級(jí)：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(shí)具有管內(nèi)吹水功能，保證管子進(jìn)回火爐時(shí)管內(nèi)無水；
1.9、其它要求：鋼管回火后應(yīng)當(dāng)進(jìn)行高壓水除鱗。
2、工藝概述
鋼管感應(yīng)熱處理的工藝流程與一般傳統(tǒng)的燃?xì)饧訜岵竭M(jìn)式爐一樣，但是工作原理和加工工程卻截然不同。在燃?xì)馐讲竭M(jìn)爐中，鋼管是整體加熱；而在感應(yīng)爐 中，鋼管是分段逐次前進(jìn)連續(xù)加熱；淬火過程與回火過程也是如此進(jìn)行。所以鋼管在加熱、淬火、回火時(shí)，基本是做縱向移動(dòng)、螺旋前進(jìn)的動(dòng)作，其余才是做橫向移 動(dòng)。其具體加工工藝過程如下：
根據(jù)API 5 CT標(biāo)準(zhǔn)對(duì)油井管的調(diào)質(zhì)要求，油井管管坯由天車吊到上料臺(tái)架上，人工外觀檢查后使其整齊排列分布。待生產(chǎn)線各工作崗位進(jìn)入正常工作狀態(tài)時(shí)，感應(yīng)器通電待 料，變頻送料機(jī)開始旋轉(zhuǎn)，手動(dòng)操作步進(jìn)上料機(jī)工作，把根油井管從上料臺(tái)架出口端平穩(wěn)地抬起滾送到對(duì)齊裝置的輥道上，變頻送料機(jī)以設(shè)定的速度向前送料， 變頻送料機(jī)為單輥傳動(dòng)，速度、高度可調(diào)，輥型為專門設(shè)計(jì)傾斜15°布置的輥式送料機(jī)，具有水平送料糾偏對(duì)中和工件自旋轉(zhuǎn)功能，其中感應(yīng)加熱線圈之間送料輥 和進(jìn)出口的送料輥材質(zhì)為耐熱鋼，并裝有旋轉(zhuǎn)密封內(nèi)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(xù)加熱，其余送料輥材質(zhì)為耐磨鋼。油管經(jīng)輥道進(jìn) 入中頻淬火加熱區(qū)，加熱區(qū)由一套3000kW中頻電源和一套1200kW中頻電源配多組加熱感應(yīng)線圈組成淬火感應(yīng)加熱區(qū)，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(jìn)口的雙色比色紅外測(cè)溫儀,進(jìn)行油管加熱溫度的監(jiān)測(cè)，并把信號(hào)反饋到中頻電源的控制系統(tǒng)，自動(dòng)調(diào)節(jié)中頻電源 的輸出功率，組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，從而調(diào)整鋼管加熱溫度使之控制在允許的誤差范圍內(nèi)。
加熱好的鋼管進(jìn)入噴淋淬火區(qū)，由于工件材質(zhì)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(zhì)。我們采用環(huán)狀 冷卻裝置連續(xù)將高壓水流噴射到加熱的鋼管表面，強(qiáng)噴淋5～15秒左右，以實(shí)現(xiàn)淬火馬氏體的組織轉(zhuǎn)變。為此，我們選用了二套大流量高壓水泵（壓力為揚(yáng)程 125米每分鐘的水循環(huán)量1000m3/h），總功率在500kW以上，從而達(dá)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(chǎn)生的蒸汽膜破 壞，使鋼管迅速達(dá)到馬氏體轉(zhuǎn)變溫度，全部轉(zhuǎn)變?yōu)榇慊瘃R氏體，不會(huì)產(chǎn)生淬火屈氏體，從而保證回火索氏體。由于噴淋中會(huì)有氧化皮和鋼管表面的灰塵脫落后進(jìn)入淬 火介質(zhì)中，所以淬火介質(zhì)必須經(jīng)過沉淀池粗濾、磁性吸濾、網(wǎng)過濾等多級(jí)處理，使?jié)岘h(huán)水清潔干凈，不能堵塞噴嘴，可以循環(huán)使用。
噴淋區(qū)設(shè)置隔離擋板，防止水飛濺，利于水的回收利用和減少濁環(huán)水的損耗，還設(shè)置防護(hù)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(nèi)除水段經(jīng)氣動(dòng)翻料機(jī)把管子抬放在傾斜臺(tái)上，經(jīng)5分鐘以上的瀝水后再經(jīng)氣動(dòng)翻料機(jī)抬放至回火線輥道上，在輥道的傳動(dòng) 下進(jìn)入中頻回火感應(yīng)加熱區(qū)，回火加熱溫度范圍一般為600℃～750℃。中頻感應(yīng)加熱電源為一套1900kW和一套900kW由多組感應(yīng)線圈組成的回火感 應(yīng)加熱區(qū)。在最后一個(gè)感應(yīng)線圈的出口處安裝進(jìn)口的雙色比色紅外測(cè)溫儀進(jìn)行監(jiān)測(cè)油管的溫度，負(fù)責(zé)把信號(hào)反饋到中頻電源，自動(dòng)調(diào)節(jié)中頻電源的輸出功率，以組成 閉環(huán)控制系統(tǒng)。經(jīng)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(dá)到除鱗效果，經(jīng)過除鱗得鋼管，通過回火區(qū)的感應(yīng)器后，由氣壓傳動(dòng)步 進(jìn)翻料機(jī)把鋼管平穩(wěn)地抬起，放到冷床上緩慢旋轉(zhuǎn)滾動(dòng)，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(yùn)至下一工段。
3、設(shè)備基本構(gòu)成
3.1、上料部分：
由以下設(shè)備組成：上料臺(tái)架---- 翻料機(jī)構(gòu) --- 縱向旋轉(zhuǎn)送料輥道 ---- 斜輥道
3.2、淬火加熱部分：分兩個(gè)區(qū)，加熱區(qū)和保溫區(qū)；
其中：加熱區(qū)有12個(gè)感應(yīng)線圈，設(shè)計(jì)功率2500kW，設(shè)計(jì)頻率300HZ，保溫區(qū)有8個(gè)感應(yīng)線圈，設(shè)計(jì)功率2500kW，設(shè)計(jì)頻率1000HZ。
3.3、淬火裝置：兩個(gè)封閉噴淋淬火裝置，裝有數(shù)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(jìn)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(duì)于感應(yīng)加熱淬火來說，與燃?xì)饧訜岽慊鸬牟煌?，就在于淬火的方式不一樣?br /> 3.4、回火部分：分兩個(gè)區(qū)，加熱區(qū)和保溫區(qū)；
其中：加熱區(qū)有7個(gè)感應(yīng)線圈，設(shè)計(jì)功率1500kW，設(shè)計(jì)頻率200HZ，
保溫區(qū)有7個(gè)感應(yīng)線圈，設(shè)計(jì)功率1500kW，設(shè)計(jì)頻率1000HZ。
淬火和回火感應(yīng)線圈的長(zhǎng)度：1254mm
3.5、其它設(shè)備構(gòu)成：
斜輥輪間隔距離1500mm。
輥道速度可變頻調(diào)節(jié)，頻率調(diào)節(jié)范圍0～65HZ。
淬火用水：水泵2臺(tái)、 揚(yáng)程125米、 流量520立方米/小時(shí)。
4、工藝試驗(yàn)情況：
4.1、初次工藝試驗(yàn)
、二次調(diào)試情況：試驗(yàn)選擇了最容易加熱變形、油井管中規(guī)格的油管進(jìn)行了試驗(yàn)。
規(guī)格：φ60.3×4.83㎜；生產(chǎn)節(jié)奏：60秒/支；試驗(yàn)數(shù)量：30支；取樣6支，機(jī)械性能如下：

淬火		回火		σs（MPa）	σb（MPa）	δ（％）
加熱區(qū)溫度（℃）	保溫區(qū)溫度（℃）	加熱區(qū)溫度（℃）	加熱區(qū)溫度（℃）
730	910	530	730	547	675	26
730	930	530	730	570	705	26
726	850		720	625	735	26
734	880		630	755	929	16
742	880		730	545	680	25
739	870		730	557	675	24

4.1、重復(fù)性試驗(yàn)
第三、四、五次調(diào)試情況：重復(fù)進(jìn)行試驗(yàn)，以驗(yàn)證設(shè)備與工藝的穩(wěn)定性。
規(guī)格：φ60.3×4.83㎜；生產(chǎn)節(jié)奏：60秒/支；試驗(yàn)數(shù)量：59支；取14支，機(jī)械性能如下：