無縫管在線控冷技術開發(fā)與減量化生產(chǎn)實踐
控制冷卻技術是軋鋼生產(chǎn)中十分重要的一項工藝技術，它通過控制軋后鋼材的冷卻溫度和速度來改善鋼材的組織和性能，最終獲得良好的綜合力學性能。隨著控制冷卻技術的發(fā)展，它已經(jīng)較成熟的應用于板材、帶材、線材等領域。
為了將軋后控制冷卻技術更好的推廣并應用于無縫管生產(chǎn)中，天津鋼管集團股份有限公司與東北大學合作開展了一系列無縫鋼管軋后控制冷卻模擬試驗研究。初期研究結(jié)果表明:對低C低Mn的無縫鋼管軋后進行快速冷卻得到表層高強度、高韌性的針狀鐵素體組織和回火索氏體組織，晶粒顯著細化，鋼材整體綜合力學性能大幅度提高;對于碳素結(jié)構鋼管和合金結(jié)構鋼管，軋后采用適當?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，得到表層具有高強度、高韌性的回火索氏體、針狀鐵素體、下貝氏體等組織，同時，內(nèi)部鐵素體網(wǎng)狀程度減輕，晶粒細化，鋼材整體強度和韌性等力學性能同時提高，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縫鋼管厚度方向組織復合化，有利于整體綜合性能提高。為了將初期研究結(jié)果應用于生產(chǎn)實踐，共同開發(fā)研制了熱軋無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輻射、傳導和對流三種方式散熱。其中，鋼管表面與冷卻介質(zhì)之間的對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”。空冷時，鋼管表面散熱速度比鋼材自身熱傳導速度慢得多，鋼管厚度方向溫度較均勻;氣霧冷卻時，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。熱軋無縫管由950℃左右的終軋溫度降至室溫的過程中，根據(jù)冷卻條件的不同，奧氏體將分解為不同組織類型的產(chǎn)物。因此氣霧冷卻時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渡區(qū)的，即:不同的微觀組織之間存在一個共存混合區(qū)，鋼管就好像由不同類型的組織層層復合而成。組織多樣性使鋼管的綜合力學性能發(fā)生改變，表現(xiàn)出新的強度和韌性等力學性能組合;組織連續(xù)性使鋼管不同類型組織之間通過“過渡區(qū)”緊密結(jié)合，不發(fā)生“分層”現(xiàn)象;組織復合性使鋼管在不同厚度處，表現(xiàn)出不同的力學性能，發(fā)揮復合型材料的特點和優(yōu)點。
眾所周知，復合型鋼鐵材料具有許多獨特的優(yōu)點，例如:表層晶粒細化可以使鋼材整體抗疲勞性能提高，在建筑領域中，表層細晶粒的鋼筋與全斷面均勻細化的鋼筋相比，具有幾乎相同的抑制疲勞裂紋擴展能力;表層高強度圓形或球形結(jié)構，具有更高的抗外部壓力能力，就是通常所說的“蛋殼原理”。無縫鋼管表層高強度、高韌性必將對其使用性能帶來更多益處。
對于優(yōu)質(zhì)碳素鋼20ф、45ф結(jié)構管，試驗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;當采用軋后氣霧冷卻工藝時，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)壁溫度變化則相對緩漫。這樣必然會出現(xiàn)鋼管壁厚方向組織的多樣化。以20#鋼結(jié)構管，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厚度的過渡帶復合組織。由于通常針狀鐵素體內(nèi)位錯密度高于等軸鐵素體內(nèi)位錯密度，因此，從位錯強化的角度分析，針狀鐵素體對應的屈服強度大于等軸鐵素體對應的屈服強度。另外，經(jīng)軋后氣霧冷卻的20ф結(jié)構管來看，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，從細晶強化的角度分析，力學性能明顯得到提高。(來源：世界金屬導報)
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