某新建步进式热处理炉及精整线的工艺特点

杨为国，王旭午，吴 松，夏克东，徐元甲，徐福昌

（烟台宝钢钢管有限责任公司，山东 烟台 264002）

为满足高抗硫石油套管、抗硫管线管等品种钢管热处理工艺要求［1-4］，烟台宝钢钢管有限责任公司（简称烟台宝钢）于2009年建设了一条连续式热处理线，包括淬火炉、回火炉各1座，并引进了矫直机、漏磁探伤机、超声波探伤机等世界先进设备，组成了一条完整的生产线。淬火炉和回火炉的设计汲取了宝山钢铁股份有限公司（简称宝钢股份）等企业已有步进式热处理炉的生产实践经验［5-8］，进行了优化设计。本文主要介绍烟台宝钢热处理及精整生产线的工艺装备及其特点，以期对国内其他企业新建或改造生产线起到一定借鉴作用。

1 产品规模及工艺流程

该条生产线主要产品有石油套管、管线管等，钢管规格为：外径177.80～431.80 mm，壁厚5.87～30.00 mm，长度7.35～14.45 m，设计能力为15.3万t/a，其中高抗硫套管6.5万t/a。如果年生产高抗硫套管仅为1万t，则热处理能力可达25万t。烟台宝钢热处理及精整线生产工艺流程如图1所示。

图1 烟台宝钢热处理及精整线生产工艺流程示意

2 主要设备参数及特点

2.1 热处理线

2.1.1 设备参数

（1） 淬火炉。

钢管加热温度 880～1 050℃

控制精度 ±10℃

装出料辊道中心距 20 720 mm

炉膛内宽度 16 000 mm

小时产量 最大70 t

生产节奏 最快30 s/支

（2）水淬装置。

水淬方式 外淋+内喷

钢管旋转驱动 旋转托辊

生产节奏 最快30 s/支

（3） 回火炉。

钢管加热温度 550～750℃

装出料辊道中心距 31 080 mm

炉膛内宽度 16 000 mm

生产节奏 最快30 s/支

2.1.2 优化设计

烟台宝钢热处理步进炉是目前国内产能最大的步进梁式热处理炉，满足正火、正火+回火、淬火+回火3种工艺生产。其特点如下：

（1）根据热处理温度制度，淬火炉在长度方向上设计了预热段、加热段和均热段，宽度方向上设计了左、中、右共3段，控制炉温的操作方便可靠，保证了热处理温度的均匀，从而提高钢管质量。针对淬火炉加热段温度高的情况，在淬火炉入口端增加了长1 500 mm的预热段，并在加热段和预热段之间增加了一道悬空隔墙，减少了加热段的热量直接进入入口侧的排烟管道，降低了排出的烟气温度，同时利用烟气预热刚入炉的钢管［9-10］。增加预热段后，改善了淬火加热后钢管的直度。在步进炉内增加预热段是烟台宝钢步进炉设计方面的一个创新，可更好地满足高合金钢管的热处理要求。

（2）采用完善的热工自动化控制及计算机技术，可保证燃料完全燃烧，并能严格控制炉内温度及炉内气氛，以减少钢管的氧化。淬火炉的炉膛温度控制精度为±10℃。

（3）回火炉采用炉内烟气强制循环，保证回火处理温度稳定，提高钢管质量。回火炉的炉膛温度控制精度为±5℃，通过先进的热工自动化控制、计算机技术调节循环风机烟气的循环量来实现。

（4）淬火炉和回火炉的合金梁采用新型齿形，可保证炉内钢管表面不产生划伤和粘钢，提高产品质量。

（5）参照宝钢股份HFW热处理线水淬装置存在的问题进行了优化设计，改变了原控制内喷的液压切换阀悬挂在空中管道上的设计方案，将液压切换阀安装在基础上，增加了防震措施，并将阀体与喷口的距离设计为最短且减少弯头。通过改进，水淬大直径钢管时，常发生的水锤现象基本消失［11］。

（6）改进正火双向链冷床设计。淬火炉出来的高温钢管，通过斯惠顿拨料装置送入双向链式冷床。原设计中双向链式冷床不带斜度，改进后增加了1°的斜度，可以让高温钢管贴着反向链的凸轮在正向链上滚动，确保了冷却的均匀性，改善了钢管的直度［12-13］。

2.2 精整线

（1） 矫直机。

钢管最大屈服强度 1 300 MPa

钢管温度 ≤600℃

矫直速度 0.2～1.0 m/s

矫直辊数量 6个（上、下辊各3个）

矫直辊布置型式 “2-2-2”立式布置

矫直辊传动数量 6个

矫直辊传动方式 集中传动

矫直机机架型式 8根钢柱的钢结构

工作时快开的矫直辊 第1机架下辊，第2机架上辊，第3机架下辊

矫直辊尺寸 喉径Φ450 mm，长度720 mm

矫直辊角度调整范围 30°±5°

矫直辊间距 1 370 mm

主传动电机 2×200 kW

（2）漏磁探伤设备。

漏磁探伤设备由美国Tuboscope公司生产，探伤型式为钢管纵向前进，带气动夹紧辊的漏磁横向和漏磁纵向组合式探伤，可检测钢管内外表面纵向、横向缺陷及孔洞等。其中漏磁纵向探伤装置为旋转式，包含2只探鞋，每只探鞋含16个检测线圈，单个线圈长度13.98 mm，探鞋长度196.85 mm。漏磁横向探伤装置为固定式，包含8只探鞋，检测线圈最多达80个。检测钢管的通孔孔径为Φ1.6 mm，管端盲区长度≤250 mm，最大探伤速度2.0 m/s，信噪比≥8 dB，周向灵敏度差≤4 dB，剩磁≤3 mT，缺陷的定位误差为±50 mm，测量钢管长度精度≤5‰。

（3）超声波探伤设备。

超声波探伤设备由德国GE公司进口，探伤型式为钢管纵向前进、探头旋转。可检测钢管的内表面横向、纵向，外表面横向、纵向及分层等缺陷，还可对钢管壁厚进行测量，测厚精度为±0.05 mm。其探头数量为纵向8个，横向8个，测厚和分层4个，基准1个。检测钢管的管端盲区长度≤200 mm，探伤速度≤25 m/min，信噪比≥10 dB，周向灵敏度差≤4 dB，缺陷的定位误差为±50 mm，测量钢管长度精度≤2‰。

（4）管端磁粉探伤装置。

管端磁粉探伤装置可同时磁化2根钢管，磁化方式为磁化线圈移动，自动周向、纵向磁化；通过紫外线或暗室白光照射，肉眼查看钢管内外表面的纵向缺陷、横向缺陷和斜向缺陷；探伤长度为400 mm；退磁方式为退磁线圈移动，自动退磁，退磁后剩磁 ∧2 mT。

3 应用效果

该生产线于2009年11月底投产，至今已热处理钢管约50万t，其中以高钢级抗硫化物应力腐蚀钢管的热处理控制要求最高。现以Φ244.48 mm×11.99 mm规格的C110钢级套管为例，介绍该热处理线的生产实践情况。

3.1 热处理工艺

淬火温度：加热段940℃±10℃，均热段920℃±10℃。水淬：外淋水量≥4 000 m3/h，内喷水量≥2 000 m3/h，水淬时间35 s。回火温度：加热段703℃±5℃，均热段703℃±5℃。

3.2 炉温均匀性

每半小时记录1次烟台宝钢淬火炉实时温度，数据见表1。加热段设定温度为940℃，实际最高温度为946.3℃，上偏差为6.3℃；最低温度为936.4℃，下偏差为-3.6℃。均热段设定温度为920℃，实际最高温度为923.2℃，上偏差为3.2℃；最低温度为918.3℃，下偏差为-1.7℃。淬火炉炉温控制较好，优于设计指标（±10℃），尤其是均热段可以控制在±5℃内，这有利于提高钢管性能的稳定性。

每半小时记录1次回火炉实时炉温，数据见表2。加热段设定温度为704℃，实际最高温度为706.5℃，上偏差2.5℃；最低温度为701.5℃，下偏差为-2.5℃。均热段设定温度为704℃，实际最高温度为707.3℃，上偏差3.3℃；最低温度为702.1℃，下偏差为-1.9℃。烟台宝钢回火炉炉温控制较好，温度偏差基本可以控制在±3℃的水平，优于设计值（±5℃）。

3.3 水淬过程的稳定性

烟台宝钢在生产Φ244.48 mm×11.99 mm规格C110钢级套管时，水淬方式为外淋+内喷，外淋水量基本维持在2 100 m3/h，内喷水量维持在2 080 m3/h，水量稳定，满足工艺的稳定性要求。

3.4 热处理后性能检测

3.4.1 淬透性

水淬后，随机选取1支钢管，分别在其头部（进水端）和尾部（出水端）各取1个试样进行钢管的淬透性检测试验，结果见表3。

表1 烟台宝钢处理Φ244.48 mm×11.99 mm C110钢级套管的淬火炉实时炉温 ℃

表2 烟台宝钢处理Φ244.48 mm×11.99 mm C110钢级套管的回火炉实时炉温 ℃

表3 钢管的淬透性检测试验结果HRC

从表3看出：①在钢管内壁、中间和外壁的淬透性最大差距为2.5 HRC，壁厚方向上水淬的均匀性较好；②在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ象限的淬透性最大差距为2.4 HRC，在圆周方向上水淬的均匀性较好；③钢管头部淬透性试样的平均硬度为52.9 HRC，尾部淬透性试样的平均硬度为52.4 HRC，相差仅0.5 HRC，钢管在长度方向的水淬均匀性较好。

3.4.2 力学性能

热处理后随机选取1支钢管，在其头、尾部各取1段试样，进行常温拉伸试验、0℃纵向全尺寸冲击试验和硬度试验，结果见表4。

由表4可以看出：①钢管头部和尾部在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ象限的强度最大极差分别为10 MPa和15 MPa，钢管在圆周方向上的性能均匀性较好；②头部和尾部之间强度的最大极差为25 MPa，钢管在长度方向上性能均匀性也较好。

3.5 矫直机生产实践

矫直机运行比较稳定，除了极少量钢管因矫直盲区造成的头尾矫直效果较差外，管体矫直质量均较好。

3.6 探伤设备生产实践

（1）漏磁探伤。可对长度25.4 mm的人工缺陷进行L2级别检测，满足API等标准对钢管漏磁检测的最严要求；能够检测钢管横向、纵向以及斜向的折叠、轧疤、碰凹等缺陷，同时对孔洞缺陷也能够很好地检出；能以2.0 m/s的速度进行最高级别的钢管检测，检测效率高，故障率低。

（2）超声波探伤。可对长度25.4 mm的人工缺陷进行L2级别检测，满足API等标准对钢管超声波检测的最严要求；能够检测钢管横向、纵向以及斜向的折叠、轧疤、碰凹等缺陷，对分层缺陷也能够很好地检出，同时能够对钢管壁厚进行100%检测；能以25 m/min的速度对钢管进行最高级别的横向、纵向检测，同时，还能够以同样速度进行分层以及100%壁厚检测。

（3）磁粉探伤。能够发现管端裂纹、发纹、钢管端面分层等缺陷，有效地解决漏磁探伤和超声波探伤存在的钢管管端盲区漏检问题。

表4 热处理后钢管力学性能数据

4 结 语

烟台宝钢热处理及精整线主要技术特点：①淬火炉采用预热段、加热段、均热段共3段设计，炉膛温度可控制在±10℃以内，均热段可控制在±5℃以内，增加的预热段是步进炉设计上的一个创新；②水淬装置采用外淋+内喷技术，并消除了大直径钢管水淬时常见的水锤现象，使钢管淬火均匀；③回火炉炉膛温度可控制在±3℃以内；④热处理后钢管的力学性能均匀稳定；⑤联合使用世界先进的漏磁探伤机、超声波探伤机和磁粉探伤机3种探伤设备，保证了产品质量的可靠性。

烟台宝钢热处理线于2009年11月底投产至今，设备运行正常，质量指标稳定，并大量生产了对热处理工艺要求严格的BG系列抗硫套管及管线管等，产品质量稳定可靠。

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