ARE軋管機組軋制N80-1鋼管的控軋工藝開發

李 靜，梁建山，劉金鵬

（煙臺魯寶鋼管有限責任公司，山東 煙臺 264002）

1 前言

煙臺魯寶鋼管有限責任公司的ARE軋管機組是在原有Accu-Roll軋管機的基礎上增加精軋工序并改進軋管機而建成的一套全新的軋管機組，該機組軋制的鋼管管端及內表面質量較原Accu-Roll機組有明顯的改進［1］，為API標準套管產品的開發奠定了基礎。ARE機組采用斜軋軋管機，最高軋速1.2m/s，軋管的純軋時間長、溫降大［2］，尤其對于控軋代替正火生產的鋼管，其過程控制水平將直接影響最終產品性能及其均勻性。目前，利用Accu-Roll類似機組控軋代替正火熱處理生產N80-1產品的過程控制及對的產品均勻性分析未見報道。通過ARE機組熱軋代替正火生產出符合API5CT標準要求的N80-1套管產品，并利用統計分析技術對最終產品性能均勻性進行了分析。

2 N80-1套管的生產組織

API標準對N80-1成分要求為：最大P含量0.03%；最大S含量0.03%（質量分數）。要求屈服強度552～758MPa，抗拉強度≮689MPa，伸長率（管厚10.36mm）≮16%。為降低成本，魯寶公司采用控制軋制代替正火的生產工藝：管坯加熱—穿孔—軋機—平整—定徑成型。其中，管坯加熱和定徑成型是過程控制的關鍵。

2.1 原材料選用

產品為Φ177.8mm×10.36mm規格平端套管，選用寶鋼開發的Φ178mm規格N80-1鋼級管坯。該材質在滿足API 5CT成分要求的前提下進行設計，其主要設計化學成分見表1。

表1 N80-1鋼級設計化學成分 %

2.2 管坯加熱過程控制

管坯加熱是影響最終產品內外表面質量及性能的關鍵過程。公司的管坯加熱爐為環形爐，對管坯實施連續加熱。根據加熱鋼坯時間公式［3］

式中：t為管坯加熱時間，h；B為鋼料邊長度或厚度，cm；c為考慮鋼種成分和其他因素影響的系數，對于碳素鋼，取值0.1～0.15。碳素鋼的理論加熱時間為106～160min。為了使管坯均勻受熱、減少加熱過程中產生的內應力且加熱充分，選取環形爐加熱工藝如下：預熱段700～750℃，加熱段1100～1200℃，均熱段1240～1280℃；加熱時間110～130min。

2.3 軋制控溫要求

為保證鋼管的終軋溫度高于N80-1上臨界溫度（Ar3），實現該產品控軋代替正火的工藝要求，需對軋制過程中鋼管溫度進行嚴格控制。根據Fe-Fe3C狀態圖和合金成分、奧氏體變形量和冷卻速度對Ar3溫度的影響［4］，控制鋼管的終軋溫度在860℃以上即可滿足控軋代替正火的熱處理要求，在本次鋼管軋制過程中控制終軋溫度不得低于860℃。

3 產品性能分析

3.1 金相組織及硬度

圖1為熱軋后鋼管橫截面的金相組織，N80-1級鋼管經過熱軋后，其組織為細小的鐵素體和珠光體。鋼管內壁和中壁晶粒均勻細小，其晶粒度可達8.5級，有輕微的帶狀組織；鋼管外壁較內壁組織略微粗大，晶粒度8級。這種細小的鐵素體+珠光體的均勻組織，有利于保持鋼管壁厚方向性能的均勻一致，提高產品的強度及韌性。

圖1 熱軋后N80-1鋼管橫截面金相組織

利用維氏硬度計對橫截面上外壁、中壁和內壁進行測量，測得的硬度值分別為：外壁，255.0、242.6、244.8HV；中壁，250.2、256.3、266.1HV；內壁，241.6、251.6、243.5 HV。硬度的最低點出現在內壁，最高點出現在中壁，鋼管硬度在240～260HV內波動，橫截面硬度分布均勻。結合橫截面的金相組織分析，本次生產鋼管壁厚方向性能均勻可靠。

3.2 力學性能

在鋼管軋制過程中，通常其頭、尾兩端以及周向力學性能會有所偏差，影響測量結果準確性。本次生產中對鋼管力學性能的驗證中，隨機選取3支鋼管，在每支鋼管的頭、尾兩端截取力學性能試塊，每個試塊在0°和180°圓周方向對稱截取兩個拉伸試樣，并對所取試樣順序編號，其力學性能結果如圖2所示。

圖2 鋼管的力學性能

結果顯示，不同鋼管的頭部、尾部以及徑向對稱面的力學性能均無明顯差別，性能均勻穩定；抗拉強度781～819MPa，屈服強度615～660MPa，伸長率26%～29%；所有的性能指標均滿足要求，且較標準有較大的余量。

3.3 通長均勻性

為驗證產品的整體均勻性，選取1支鋼管進行外表面全長硬度測試。管體取點方式為周向對稱的4個點A、B、C、D（AB連線與CD連線基本垂直），各點所在母線取點方式相同，即0～12m每隔1m取1個點，最后測量點為12.5m。每個點量測3個硬度值（HB）。鋼管外表各點硬度均值分布曲線見圖3。從圖中可以看出，周向各點的硬度分布比較均勻，同一截面硬度極差為18HB；而沿鋼管軋制方向，其硬度值只在小幅度范圍內波動，A、B、C、D 4個方向的軸向硬度極差分別為14、16、23和15HB。

圖3 鋼管外表各點硬度分布曲線

由鋼管外表面周向和軸向硬度分布可推斷，本次軋制鋼管的通長性能較均勻。其原因可歸結為軋機和平整過程中的兩輥斜軋，使鋼管在旋轉前進過程中產生均勻變形，從而提高了鋼管的均勻性。

圖4為所取鋼管外表面硬度分布統計。從硬度分布可看出，鋼管周向和軸向的硬度分布集中，均值為238.05，測得的硬度單值在均值（-17.05，13.95）內波動，最小值比下限仍高17.4HB。對所測得的硬度單值進行過程統計分析得到硬度分布的標準差為7.011。根據過程能力指數（Cp）的計算公式：

得到鋼管生產過程能力指數為1.638。判定該過程能力良好，狀態穩定。

圖4 鋼管外表面硬度分布統計

4 結語

在ARE軋管機組上通過熱軋代正火生產的N80-1套管產品的力學性能滿足標準要求，且有較大提升空間。軋制后的鋼管沿壁厚方向、周向和軸向性能均勻，且不同鋼管間性能波動不大。ARE軋管機組生產N80-1套管產品的過程能力充足、穩定。

［1］ 王旭午，楊為國，李學進.ARE高精度軋擴管機組的改進研究［J］.寶鋼技術，2008（5）：30.

［2］ 高秀華.鋼管生產知識問答［M］.北京：冶金工業出版社，2007.

［3］ 王廷溥.軋鋼工藝學［M］.北京：冶金工業出版社，1981.