一种高合金耐热不锈钢毛管的热穿孔方法及步骤

　　本发明涉及不锈钢加工技术领域，具体地，本发明涉及一种高合金耐热不锈钢管的热穿孔方法。

　　背景技术：

　　目前国内外都在大力发展效率更高、排放更低的高参数超超临界火力电站，随着蒸汽温度和压力参数的提高，电站锅炉过热器和再热器等关键部件需要大量使用一种高合金耐热不锈钢无缝管。该合金的主要成分为0.03％-0.08％c、小于0.5％si、小于0.5％mn、18％～25％cr、21.5％～31％ni、2～4％cu、0.10～0.35％n、0.30～0.65％nb、1.0～5.0％w、0.1～0.4％mo、1.0～4.0％co、0.003～0.009％b。其具有较高的韧性、持久强度、抗氧化性和高温组织稳定性。

　　不锈钢无缝管全部先由管坯热加工成毛管，然后通过多道次的冷轧或冷拔制成成品管。毛管的质量直接关系到不锈钢无缝管后续加工中的质量和成品率，因此热加工是钢管加工中最关键的工序之一。目前不锈钢毛管热加工生产方式主要包括热挤压和热穿孔两种。高合金耐热钢变形抗力大、热塑性差，普遍采用三向压应力变形条件更好的热挤压工艺生产。然而采用热挤压工艺生产毛管存在成材率低、工艺成本高等缺点，但采用热穿孔工艺又会出现裂纹、分层等缺陷。

　　众所周知，由于高合金耐热不锈钢的合金化程度高，合金的初熔温度主要随合金组元的加入而降低，特别是有害杂质含量有重要的影响；而合金强化相及碳化物的溶解温度又随nb、w等元索含最的增加而提高，由此造成合金的热加工温度范围变窄。合金化程度越高，热加工温度范围越窄。合金的热加工塑性以及由合金的加热温度、出炉后的温降以及穿孔变形时的温升所造成的综合结果是否落在这个窄小的热加工温度范围内，是热穿孔是否能成功的关键。

　　一般来说，在穿孔过程中因坯料剧烈的变形及与工具的摩擦会产生40～60℃的温升，而多元合金化不锈钢的温升可达100℃甚至更高，当坯料加热温度过高，再与变形的温升形成叠加，就会造成坯料局部过热，从而容易在毛管的内外表面形成螺旋状的摺皮，在摺皮严重处常常伴有较深的裂纹。若坯料的加热温度更高则会形成过烧，在热穿孔过程中毛管可能出现局部的晶界熔化，内部会出现分层，严重时其表面会出现波纹状的突起、开裂。

　　技术实现要素：

　　本发明的发明目的是针对现有高合金耐热不锈钢毛管热加工方法存在的上述不足，通过控制关键工艺参数，避免产生裂纹、分层等质量缺陷，从而提供了一种高合金耐热不锈钢管的热穿孔生产方法。

　　本发明通过以下技术方案实现以上目的。

　　一种高合金耐热不锈钢毛管的热穿孔方法，包括：

　　(1)根据管坯外径d选择合适的定心孔直径d和深度h，在管坯打定心孔；

　　(2)将经过步骤(1)处理的管坯加热至950℃～1200℃的加热温度；

　　(3)根据管坯外径d选择合适的穿孔机轧辊转速，并按照预设的顶头前压下率和椭圆度，对经过步骤(2)处理的管坯进行穿孔。

　　进一步地，在步骤(1)中，管坯外径d与定心孔直径d和深度h满足：

　　当管坯外径是65≤d≤85mm时，定心孔直径d＝10～15mm，深度h＝1/2l；

　　当管坯外径是85＜d≤110mm时，定心孔直径d＝15～20mm，深度h＝1/2l；

　　当管坯外径是110＜d≤150mm时，定心孔直径d＝20～25mm，深度h＝1/3l；

　　其中，l是管坯长度。

　　进一步地，在步骤(2)之前，先对经过步骤(1)处理的管坯进行局部修磨，以使局部缺陷修磨深度∶宽度∶长度等于(0.8～1.2)∶(5.8～6.2)∶(7.5～8.2)。

　　进一步地，在步骤(2)之前，先对经过步骤(1)处理的管坯进行局部修磨，以使局部缺陷修磨深度∶宽度∶长度等于1∶6∶8。

　　进一步地，在步骤(2)中，根据管坯外径，当加热温度≤1000℃时，加热时间是3～4min/mm，当加热温度＞1000℃时，加热时间是1～2min/mm。

　　进一步地，在步骤(3)中，管坯外径d与穿孔机轧辊转速满足：

　　当管坯外径是65≤d≤85mm时，穿孔机轧辊转速为60～70r/min；

　　当管坯外径是85＜d≤110mm时，穿孔机轧辊转速为50～60r/min；

　　当管坯外径是110＜d≤150mm时，穿孔机轧辊转速为40～50r/min。

　　进一步地，在步骤(3)中，顶头前压下率是3％～4％。

　　进一步地，在步骤(3)中，椭圆度是1.11～1.13。

　　进一步地，按照质量百分比计，所述管坯的化学组成为c0.03～0.08％，si≤0.5％，mn≤0.5％，p＜0.02％，s＜0.02％，cr18～25％，ni21.5～31％，cu2～4％，co1～4％，w1～5％，mo≤0.4％，nb0.3～0.65％，n0.1～0.35％，b0.003～0.009％，al≤0.4％和余量fe。

　　相比于现有技术，本发明的技术方案具有如下有益效果：

　　采用本发明的热穿孔方法制备的毛管的表面质量和组织良好，能够完全满足无缝管的加工要求，可以用于无缝管的冷加工生产。

　　具体实施方式

　　为了充分了解本发明的目的、特征及功效，通过下述具体实施方式，对本发明作详细说明。本发明的工艺方法除下述内容外，其余均采用本领域的常规方法或装置。下述名词术语除非另有说明，否则均具有本领域技术人员通常理解的含义。

　　化学组成(质量)为c0.03～0.08％，si≤0.5％，mn≤0.5％，p＜0.02％，s＜0.02％，cr18～25％，ni21.5～31％，cu2～4％，co1～4％，w1～5％，mo≤0.4％，nb0.3～0.65％，n0.1～0.35％，b0.003～0.009％，al≤0.4％和余量fe的高合金耐热不锈钢具有如下特性：①热变形抗力大，在1100～1200℃，其变形抗力是碳钢、合金钢的3倍，也是传统奥氏体不锈钢的2倍；②变形温度范围窄，最佳加工温度窗口集中200℃以内；③比普通的碳素钢和合金钢更容易粘钢，一方面因为采用的变形工具材质为耐热钢，在钢种、钢级上同一般合金钢相比与高合金耐热不锈钢更为接近，另一方面耐热不锈钢抗氧化能力强，坯料表面氧化皮较少，无法在坯料和变形工具间产生间隔；④热膨胀系数大，热导率低。

　　因此，采用热穿孔方法生产该高合金耐热不锈钢毛管存在的技术难点如下：

　　(1)确定坯料加热工艺制定有一定难度。由于加热温度范围窄，其热导率与碳钢和传统不锈钢差别也较大。在加热制度设计上，为保证加热质量，必须将加热速度控制在合理的范围之内。而在高温时，过长的高温保温时间和过高的保温温度易导致坯料晶粒组织产生δ铁素体以及出现晶粒长大严重现象，从而造成钢管内表面缺陷。

　　(2)变形工艺参数设定需重新选择，明显不同于普通不锈钢管。由于其变形抗力大、热导率低、宽展大、易粘钢的特点，在穿孔工艺参数的设定上与普通不锈钢管有明显差异。

　　影响高合金耐热不锈钢热穿孔质量的主要因素有：坯料的加热制度、穿孔前坯料的温度、穿孔机轧辊转速及穿孔速度、毛管的规格尺寸等，特别是当坯料加热温度和穿孔机轧辊转速选择不合理时，除容易形成钢管的内外表面摺皮外，往往会使毛管形成分层或内裂。毛管形成的分层往往与热穿孔温度过高或是穿孔机轧辊转速过快有关，毛管分层在扩孔时会开裂，且在将不锈钢管机械加工成弯头时发现内部裂缝。同时，由于该材料的合金含量较高，变形抗力大，穿孔过程很容易出现“轧卡”现象，顶头卡在坯料内部无法变形。

　　本发明的发明人通过研究，创造性的对定心孔、加热温度、加热时间、轧辊转速、顶头前压下率、椭圆度等关键工艺进行优化控制，从而提出了一种能够制备出表面质量良好且组织均匀的毛管的热穿孔方法。

　　本发明的高合金耐热不锈钢毛管的热穿孔方法总工艺路线为：管坯机械加工→斜底炉加热→翻钢→出钢→穿孔→淬水→矫直→酸洗→检验。具体地，包括：

　　(1)根据管坯外径d选择合适的定心孔直径d和深度h，在管坯打定心孔。

　　传统的碳钢或普通不锈钢管坯机械加工时，仅在端部打深度20mm以内的定心孔。然而由于高合金耐热不锈钢热加工塑性较差，在热穿孔顶头拉应力的作用下，心部很容易出现撕裂，需要增加定心孔直径和深度，但直径和深度过大后会极大地损失成材率。因此，综合考虑以上因素，本发明的发明人创造性的提出对管坯定心孔的要求为：

　　管坯外径65≤d≤85mm时，定心孔直径d＝10～15mm，深度h＝1/2l(l为管坯长度)；

　　管坯外径85＜d≤110mm时，定心孔直径d＝15～20mm，深度h＝1/2l；

　　管坯外径110＜d≤150mm时，定心孔直径d＝20～25mm，深度h＝1/3l。

　　剥皮后管坯其表面不得有肉眼可见的气孔、裂纹、结疤、重接、黑皮、台阶、皱纹等缺陷，如果存在缺陷需要对局部进行修磨，保证局部缺陷修磨深度：宽度：长度是(0.8～1.2)∶(5.8～6.2)∶(7.5～8.2)，且优选是1∶6∶8。

　　(2)将已经打有定心孔的管坯加热至950℃～1200℃的加热温度。

　　发明人通过对上述高合金耐热不锈钢进行相图计算，发现该材料在1270℃以上时会出现局部熔化现象，同时根据热拉伸实验得出该材料的热塑性曲线，发现在850～1050℃时，上述高合金耐热不锈钢材料的断面收缩率随着温度的提高而上升，热塑性显著提高，在950℃及以上时断面收缩率升高到80％左右；继续提高温度至1200℃，材料断面收缩率几乎保持不变，材料保持了良好的热塑性；当变形温度超过1250℃时，材料断面收缩率急剧下降，到1300℃时断面收缩率下降到10％以下，材料热塑性急剧恶化。

　　因此，发明人基于上述研究得出该材料最佳热塑性区间为950～1200℃，热加工时应尽量保持在该温度区间，尽量避免在950℃以下热加工，禁止在1250℃以上热加工。经过进一步生产实践研究，加热目标温度控制在1120～1150℃。

　　过快的加热易导致坯料产生裂纹，而过长时间处于高温状态时，又导致坯料晶粒度过分长大，影响产品组织性能；因此，采用低温缓慢加热，在高温段快速加热到所需温度的加热制度。经过发明人的实践研究，不同温度段加热时间为(按坯料直径计算)：1000℃以下时，加热时间是(3～4)min/mm(即，当坯料直径是1mm时，对坯料加热3～4min，并依次类推，当坯料直径是mmm时，对坯料加热(3～4)×mmin)，1000℃以上时，加热时间是(1～2)min/mm。

　　(3)根据管坯外径d选择合适的穿孔机轧辊转速，并按照预设的顶头前压下率和椭圆度，对经过加热处理的管坯进行穿孔。

　　本发明的发明人根据高合金耐热不锈钢的变形特点，设计穿孔工艺以便既能够创造良好的变形条件以保证穿孔过程的顺利进行，又防止了出现内外表面缺陷。

　　穿孔机轧辊转速：转速越快，穿孔速度越快，毛管的变形温升效应越明显，在穿孔时容易析出δ铁素体而造成缺陷。其中毛管内表面温度升高尤为明显，很容易超过热加工塑性区间，造成局部过烧，从而出现内壁裂纹缺陷。然而转速过慢时，除了影响生产效率，还会造成温降，使变形抗力增大，造成穿孔无法顺利完成。发明人经过多次理论计算、实验和生产实践，根据管坯外径d的不同，选择的轧辊转速如下：

　　65≤d≤85mm时，转速为60～70r/min；

　　85＜d≤110mm时，转速为50～60r/min；

　　110＜d≤150mm时，转速为40～50r/min。

　　顶头前压下率(管坯与顶头相接触处的管坯外径压下率)：顶头前压下率过小时，无法实现穿孔的二次咬入；顶头前压下率过大，则易形成孔腔，造成内折缺陷。由于本发明高合金耐热不锈钢的高温变形抗力较大(1100℃时变形抗力超过300mpa)，管坯变形时中心搓动剧烈，因此发明人采用较小的顶头前压下率。经过多次理论计算、实验和生产实践，最终将顶头前压下率控制在3％～4％。

　　椭圆度(导盘距离/轧辊距离)：上述奥氏体不锈钢的合金含量高，展宽较大。椭圆度越大，金属横向变形增大，轴向变形减小，导致管坯中心区的拉应力增大，促使管坯中心孔腔的形成；过小的椭圆度会导致轧辊形成的管坯旋转和前进的动力不足以抵消其摩擦力与顶头阻力，会造成堵转、轧卡。发明人经过多次理论计算、实验和生产实践，最终将椭圆度控制在1.11～1.13。

　　经过步骤(3)穿孔处理后即得到毛管，然后根据需要可进行矫直、酸洗、检验等常规操作。

　　实施例

　　下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，按照常规方法和条件，或按照商品说明书选择。

　　实施例1：

　　本实施例采用的管坯的化学组成是：c0.05％，si0.5％，mn0.5％，p0.01％，s0.01％，cr20％，ni25％，cu3％，co3％，w2.5％，mo0.3％，nb0.45％，n0.25％，b0.004％，al0.3％和余量fe及不可避免的杂质。

　　本实施例采用的管坯规格为φ130mm，长度1200mm，目标毛管规格为φ136×15mm。

　　本实施例包括如下步骤：

　　(1)按照定心孔直径d＝23mm，深度h＝400mm在管坯端部打定心孔。

　　(2)将打有定心孔的管坯输入至斜底炉，设定目标温度是1140℃，1000℃以下加热时间500min，1000～1140℃时加热时间190min。加热完毕之后，进行翻钢，随后输出管坯。

　　(3)采用穿孔机轧辊转速45r/min，顶头前压下率3.2％，椭圆度(导盘距离/轧辊距离)1.11对输出的管坯进行穿孔，得到毛管。随后进行淬水、矫直和酸洗处理，并检验毛管质量。

　　通过检验，毛管尺寸达到目标规格，且内外壁表面无肉眼可见表面缺陷。

　　实施例2：

　　本实施例采用的管坯的化学组成是：c0.03％，si0.4％，mn0.45％，p0.0009％，s0.01％，cr25％，ni21.5％，cu4％，co1％，w1％，mo0.26％，nb0.65％，n0.1％，b0.009％，al0.4％和余量fe及不可避免的杂质。

　　本实施例采用的管坯规格为φ100mm，长度1100mm，目标毛管规格为φ105×12mm。

　　本实施例包括如下步骤：

　　(1)按照定心孔直径d＝18mm，深度h＝550mm在管坯端部打定心孔。

　　(2)将打有定心孔的管坯输入至斜底炉，设定目标温度是1120℃，1000℃以下加热时间360min，1000～1140℃时加热时间120min。加热完毕之后，进行翻钢，随后输出管坯。

　　(3)采用穿孔机轧辊转速58r/min，顶头前压下率3.5％，椭圆度(导盘距离/轧辊距离)1.12对输出的管坯进行穿孔，得到毛管。随后进行淬水、矫直和酸洗处理，并检验毛管质量。

　　通过检验，毛管尺寸达到目标规格，且内外壁表面无肉眼可见表面缺陷。

　　实施例3：

　　本实施例采用的管坯的化学组成是：c0.08％，si0.36％，mn0.5％，p0.016％，s0.01％，cr18％，ni31％，cu2％，co4％，w5％，mo0.4％，nb0.3％，n0.35％，b0.003％，al0.38％和余量fe及不可避免的杂质。

　　本实施例采用的管坯规格为φ65mm，长度1000mm，目标毛管规格为φ67×7mm。

　　本实施例包括如下步骤：

　　(1)按照定心孔直径d＝14mm，深度h＝500mm在管坯端部打定心孔。对管坯局部进行修磨，保证局部缺陷修磨深度∶宽度∶长度等于1∶6∶8。

　　(2)将打有定心孔的管坯输入至斜底炉，设定目标温度是1120℃，1000℃以下加热时间220min，1000～1140℃时加热时间80min。加热完毕之后，进行翻钢，随后输出管坯。

　　(3)采用穿孔机轧辊转速63r/min，顶头前压下率3.5％，椭圆度(导盘距离/轧辊距离)1.12对输出的管坯进行穿孔，得到毛管。随后进行淬水、矫直和酸洗处理，并检验毛管质量。

　　通过检验，毛管尺寸达到目标规格，且内外壁表面无肉眼可见表面缺陷。

　　本发明在上文中已以优选实施例公开，但是本领域的技术人员应理解的是，这些实施例仅用于描绘本发明，而不应理解为限制本发明的范围。应注意的是，凡是与这些实施例等效的变化与置换，均应设为涵盖于本发明的权利要求范围内。因此，本发明的保护范围应当以权利要求书中所界定的范围为准。

　　技术特征：

　　技术总结

　　本发明提供了一种高合金耐热不锈钢毛管的热穿孔方法，包括：(1)根据管坯外径D选择合适的定心孔直径d和深度H，在管坯打定心孔；(2)将经过步骤(1)处理的管坯加热至950℃～1200℃的加热温度；(3)根据管坯外径D选择合适的穿孔机轧辊转速，并按照预设的顶头前压下率和椭圆度，对经过步骤(2)处理的管坯进行穿孔。采用本发明的热穿孔方法制备的毛管表面质量良好、组织均匀。

　　技术研发人员：方旭东;李阳;徐芳泓;夏焱;张威;赵建伟

　　受保护的技术使用者：山西太钢不锈钢股份有限公司

　　技术研发日：2019.05.22

　　技术公布日：2019.08.27