無(wú)縫管在線控冷技術(shù)開(kāi)發(fā)與減量化生產(chǎn)實(shí)踐
控制冷卻技術(shù)是軋鋼生產(chǎn)中十分重要的一項(xiàng)工藝技術(shù)，它通過(guò)控制軋后鋼材的冷卻溫度和速度來(lái)改善鋼材的組織和性能，最終獲得良好的綜合力學(xué)性能。隨著控制冷卻技術(shù)的發(fā)展，它已經(jīng)較成熟的應(yīng)用于板材、帶材、線材等領(lǐng)域。
為了將軋后控制冷卻技術(shù)更好的推廣并應(yīng)用于無(wú)縫管生產(chǎn)中，天津鋼管集團(tuán)股份有限公司與東北大學(xué)合作開(kāi)展了一系列無(wú)縫鋼管軋后控制冷卻模擬試驗(yàn)研究。初期研究結(jié)果表明:對(duì)低C低Mn的無(wú)縫鋼管軋后進(jìn)行快速冷卻得到表層高強(qiáng)度、高韌性的針狀鐵素體組織和回火索氏體組織，晶粒顯著細(xì)化，鋼材整體綜合力學(xué)性能大幅度提高;對(duì)于碳素結(jié)構(gòu)鋼管和合金結(jié)構(gòu)鋼管，軋后采用適當(dāng)?shù)目焖倮鋮s工藝，可在快速冷卻和鋼材自身余熱回火的雙重作用下，得到表層具有高強(qiáng)度、高韌性的回火索氏體、針狀鐵素體、下貝氏體等組織，同時(shí)，內(nèi)部鐵素體網(wǎng)狀程度減輕，晶粒細(xì)化，鋼材整體強(qiáng)度和韌性等力學(xué)性能同時(shí)提高，且在延伸率不降低的情況下沖擊韌性大幅度提高，有效改善了軋態(tài)沖擊韌性偏低的狀態(tài)。軋后快速冷卻工藝將使厚壁無(wú)縫鋼管厚度方向組織復(fù)合化，有利于整體綜合性能提高。為了將初期研究結(jié)果應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐，共同開(kāi)發(fā)研制了熱軋無(wú)縫管軋后控制冷卻系統(tǒng)，以提高改善產(chǎn)品的綜合性能。
熱軋后的鋼管主要通過(guò)輻射、傳導(dǎo)和對(duì)流三種方式散熱。其中，鋼管表面與冷卻介質(zhì)之間的對(duì)流換熱是散熱的主要方式。采用水與空氣的混合物作為冷卻介質(zhì)，稱“氣霧冷卻”�？绽鋾r(shí)，鋼管表面散熱速度比鋼材自身熱傳導(dǎo)速度慢得多，鋼管厚度方向溫度較均勻;氣霧冷卻時(shí)，鋼管表面散熱速度大幅度提高，在鋼管厚度方向的表層附近存在一定的溫度梯度。熱軋無(wú)縫管由950℃左右的終軋溫度降至室溫的過(guò)程中，根據(jù)冷卻條件的不同，奧氏體將分解為不同組織類(lèi)型的產(chǎn)物。因此氣霧冷卻時(shí)鋼管厚度方向表層附近的溫度差異，必然造成鋼管厚度方向組織的多樣化;由于鋼管內(nèi)部依靠熱傳導(dǎo)方式傳遞熱量，故各處溫度是連續(xù)變化的，因此，即使形成不同的組織，組織之間也是存在過(guò)渡區(qū)的，即:不同的微觀組織之間存在一個(gè)共存混合區(qū)，鋼管就好像由不同類(lèi)型的組織層層復(fù)合而成。組織多樣性使鋼管的綜合力學(xué)性能發(fā)生改變，表現(xiàn)出新的強(qiáng)度和韌性等力學(xué)性能組合;組織連續(xù)性使鋼管不同類(lèi)型組織之間通過(guò)“過(guò)渡區(qū)”緊密結(jié)合，不發(fā)生“分層”現(xiàn)象;組織復(fù)合性使鋼管在不同厚度處，表現(xiàn)出不同的力學(xué)性能，發(fā)揮復(fù)合型材料的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)。
眾所周知，復(fù)合型鋼鐵材料具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，例如:表層晶粒細(xì)化可以使鋼材整體抗疲勞性能提高，在建筑領(lǐng)域中，表層細(xì)晶粒的鋼筋與全斷面均勻細(xì)化的鋼筋相比，具有幾乎相同的抑制疲勞裂紋擴(kuò)展能力;表層高強(qiáng)度圓形或球形結(jié)構(gòu)，具有更高的抗外部壓力能力，就是通常所說(shuō)的“蛋殼原理”。無(wú)縫鋼管表層高強(qiáng)度、高韌性必將對(duì)其使用性能帶來(lái)更多益處。
對(duì)于優(yōu)質(zhì)碳素鋼20ф、45ф結(jié)構(gòu)管，試驗(yàn)中采用軋后空冷工藝，產(chǎn)生較均勻的等軸鐵素體+珠光體組織;當(dāng)采用軋后氣霧冷卻工藝時(shí)，雖然在隨后的空冷中鋼管溫度略有回升，由于鋼管表層受氣霧冷卻和隨后空冷的交替作用，表層溫度是先降后升，而中間和內(nèi)壁溫度變化則相對(duì)緩漫。這樣必然會(huì)出現(xiàn)鋼管壁厚方向組織的多樣化。以20#鋼結(jié)構(gòu)管，ф140mm×13mm規(guī)格的軋后氣霧冷卻顯微組織為例。在鋼管表層生成了0.9mm厚度的貝氏體組織，以及0.9mm至35mm厚度的過(guò)渡帶復(fù)合組織。由于通常針狀鐵素體內(nèi)位錯(cuò)密度高于等軸鐵素體內(nèi)位錯(cuò)密度，因此，從位錯(cuò)強(qiáng)化的角度分析，針狀鐵素體對(duì)應(yīng)的屈服強(qiáng)度大于等軸鐵素體對(duì)應(yīng)的屈服強(qiáng)度。另外，經(jīng)軋后氣霧冷卻的20ф結(jié)構(gòu)管來(lái)看，其等軸鐵素體晶粒尺寸明顯小于經(jīng)空冷得到的等軸鐵素體晶粒，從細(xì)晶強(qiáng)化的角度分析，力學(xué)性能明顯得到提高。(來(lái)源：世界金屬導(dǎo)報(bào))
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