吳量，高璐，杜學(xué)斌，馬輝，馬海寬，李永輝，王建國

（1.中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710018；2.西北工業(yè)大學(xué)，陜西 西安 710072；3.金屬擠壓鍛造裝備技術(shù)國家重點實驗室，陜西 西安 710018）

0 引言

無縫鋼管在國民經(jīng)濟建設(shè)中具有重要作用，廣泛應(yīng)用于石油開采、鉆探、油氣輸送等領(lǐng)域。21 世紀(jì)以來，我國經(jīng)濟的快速增長帶動了能源需求的快速上漲，使得無縫鋼管需求量大增，極大地帶動了整個行業(yè)的發(fā)展。高壓燃?xì)?、海洋石油等特殊用途鋼管的開發(fā)利用，對無縫鋼管的力學(xué)性能、質(zhì)量、精度等提出更高層次的要求，即高強度、高硬度、高沖擊韌性等?；诖?，無縫鋼管的熱處理工藝要求越來越高。

此外，隨著鋼鐵材料性能的提高和新鋼種開發(fā)的需要，高附加值特殊鋼產(chǎn)品的在線生產(chǎn)等需求，促使熱處理工藝技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步。由于無縫鋼管的使用量不斷增加，對產(chǎn)品的性能要求不斷提升，無縫鋼管熱處理工藝還需要繼續(xù)探索發(fā)展及完善。

1 鋼管熱處理工藝

為了使鋼管能滿足使用性能要求，通常有兩種辦法來解決：一是調(diào)整鋼的化學(xué)成分，即創(chuàng)造新合金；二是熱處理及熱處理和塑性變形相結(jié)合的方法，提高其使用性能。

鋼管的生產(chǎn)執(zhí)行的是美國石油協(xié)會的API 標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了鋼管化學(xué)成分要求、制造和熱處理工藝，還規(guī)定了各種性能指標(biāo)。

熱處理是指把鋼加熱到預(yù)定的溫度，并在這一溫度保溫一定的時間，然后以預(yù)定的速度冷卻下來的一種綜合工藝。

鋼管熱處理工藝包括：正火、正火+回火、淬火+回火。鋼管正火是將鋼管加熱到奧氏體化以上溫度，并保溫一段時間后，在空氣中以緩慢的冷卻速度冷卻下來，從而得到穩(wěn)定組織的工藝過程；淬火是將鋼管加熱到臨界溫度AC1或AC3以上，保溫一段時間后，使鋼管快速冷卻而得到馬氏體組織的熱處理工藝；回火是將淬火后或正火后的鋼管加熱到臨界溫度AC1 以下某一溫度，保溫一段時間，然后以一定的方式使鋼管冷卻到室溫的熱處理工藝。由于鋼管淬火后得到的馬氏體硬度高、強度高，但脆性大、殘余應(yīng)力很高、組織不穩(wěn)定，所以淬火后的鋼管必須及時回火，得到回火索氏體，提高塑性和韌性，才能獲得較好綜合力學(xué)性能[1]。

鋼管熱處理工藝的主要設(shè)備包括加熱爐和淬火裝置。

加熱爐有三種：“步進(jìn)式”加熱爐，“輥底式”加熱爐，中頻感應(yīng)加熱爐。

淬火裝置有四種：“內(nèi)噴+外淋”式淬火裝置[2]、槽內(nèi)淬火裝置[3]、半浸淬火裝置[4]和環(huán)形淬火裝置。其中，“內(nèi)噴+外淋”式淬火裝置適用于壁厚小于32mm的鋼管，一般與步進(jìn)式淬火爐配套；槽內(nèi)淬火裝置適合厚壁鋼管，壁厚可達(dá)50mm，一般與步進(jìn)式淬火爐配套；半浸淬火裝置適合管徑范圍較大，結(jié)合了以上兩種設(shè)備的優(yōu)點。但以上三種設(shè)備占地面積與投資成本大，對于薄壁鋼管來說，更適合采用環(huán)形淬火裝置，設(shè)備簡單，投資成本較低。

2 環(huán)形淬火裝置

環(huán)形淬火裝置主要由水控制系統(tǒng)、淬火環(huán)、機架、升降裝置、機罩和輸送輥道組成，如圖1 所示。

圖1 環(huán)形淬火裝置

水控制系統(tǒng)由一級管道、二級管道、流量計、壓力傳感器、溫度傳感器和電動閘閥等組成，通過調(diào)節(jié)各冷卻區(qū)的一級管道與二級管道之間的閘閥，適應(yīng)不同直徑的鋼管對冷卻水量的需求，盡可能使二級管道內(nèi)形成均壓系統(tǒng)，使所有噴射管按設(shè)計流量噴出，滿足鋼管淬火工藝要求[5][6]。

淬火環(huán)安裝在機架上，上面由機罩罩住，機架下方留排水孔，在淬火過程中，淬火水全部由機架下方排水孔統(tǒng)一排到排水溝中，防止水飛濺到設(shè)備外，影響現(xiàn)場工作環(huán)境。

升降裝置安裝在機架下方，可調(diào)整淬火環(huán)的高度，保證淬火環(huán)與不同規(guī)格的鋼管的同心度。

輸送輥道由電機驅(qū)動，與鋼管運行方向呈一定角度，使鋼管實現(xiàn)邊旋轉(zhuǎn)邊向前輸送，保證鋼管淬火冷卻均勻性，防止鋼管彎曲變形，保證鋼管直度。輸送輥道為變頻控制，可根據(jù)不同規(guī)格鋼管，調(diào)整輸送速度，滿足淬火工藝要求。

淬火環(huán)結(jié)構(gòu)形式較多，主要有以下幾種：內(nèi)壁開孔式，斜縫式及噴嘴式。下面分別介紹以上三種淬火環(huán)結(jié)構(gòu)。

2.1 內(nèi)壁開孔式淬火環(huán)

淬火環(huán)為圓筒形結(jié)構(gòu)，在圓筒內(nèi)壁上加工若干小孔，淬火水從孔隙流出噴射到鋼管上。對鋼管進(jìn)行淬火。噴水孔徑、孔中心線傾斜角度、孔的數(shù)量及形狀等參數(shù)均可根據(jù)工藝進(jìn)行計算設(shè)計。

內(nèi)壁開孔式淬火環(huán)結(jié)構(gòu)簡單，便于制作，成本較低，應(yīng)用比較廣泛。但對冷卻水參數(shù)的控制精度不高，無法精準(zhǔn)調(diào)節(jié)，并且由于孔徑尺寸較小，一旦被雜質(zhì)堵住，則無法清理阻塞物，使噴射到鋼管外壁的淬火水不均勻，導(dǎo)致鋼管冷卻不均勻，影響淬火鋼管直線度。

2.2 斜縫式淬火環(huán)

斜縫式淬火環(huán)主要通過兩塊噴淋板以一定距離和角度固定形成斜縫，淬火水從斜縫中流出噴射到鋼管外表面。具體結(jié)構(gòu)形式多樣，以下選擇兩個典型結(jié)構(gòu)探討。

簡單的斜縫式淬火環(huán)如圖2 所示，外環(huán)件和內(nèi)環(huán)件通過螺紋緊固件固定在一起，中間形成冷卻水填充室，端部形成噴淋水斜縫通道，可將斜縫通道設(shè)計成不同的開口尺寸和形狀，來控制噴淋水噴射角度、流速、壓力等參數(shù)，也可通過調(diào)整外環(huán)件和內(nèi)環(huán)件的相對位置關(guān)系，改變斜縫通道的尺寸，對噴射角度、流速、壓力等參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖2 簡易斜縫式淬火環(huán)

另一種較為復(fù)雜的斜縫式淬火環(huán)如圖3 所示。噴嘴斜縫單元由外向內(nèi)依次由導(dǎo)水板、穩(wěn)流層壁板和噴嘴調(diào)節(jié)套板組成，導(dǎo)水板的圓周上均勻分布有若干空心導(dǎo)水柱，每個導(dǎo)水柱的中心線與導(dǎo)水柱中心和圓環(huán)形導(dǎo)水板中心的連線成一定角度，角度大小相等，且每個導(dǎo)水柱的傾斜方向相同，保證了所有導(dǎo)水柱噴水方向的延長線相交成一個內(nèi)切圓，并且該內(nèi)切圓的直徑小于或等于冷卻鋼管的直徑。穩(wěn)流層壁板形成的內(nèi)腔為外寬內(nèi)窄的漏斗形，可以延長水流在該內(nèi)腔的停留時間，并且輔助高速旋轉(zhuǎn)的紊流向穩(wěn)流狀態(tài)過渡。噴嘴調(diào)節(jié)套板為圓環(huán)形，噴嘴調(diào)節(jié)套板的中間間隙為斜縫噴嘴即出水口，其為周向的斜縫形狀，入口具有傾斜縫隙，其由外向內(nèi)寬度逐漸變小，傾斜縫隙的延長線與斜縫噴嘴單元的圓形內(nèi)腔的軸線成一定角度，使噴射的水流具有與冷卻鋼管運行方向相同的向前或向后的趨勢[7][8]。

圖3 復(fù)雜斜縫式淬火環(huán)

以上所述斜縫式淬火環(huán)，可以使噴射出的淬火水更加均勻致密，但對斜縫通道的設(shè)計較為復(fù)雜，并且不易實現(xiàn)對不同規(guī)格鋼管淬火時淬火水角度的調(diào)節(jié)功能。

2.3 噴嘴式淬火環(huán)

噴嘴式淬火環(huán)是在淬火環(huán)內(nèi)壁連接若干噴嘴，外淋水通過噴嘴均勻噴射到鋼管外表面上，對鋼管進(jìn)行淬火。噴嘴式淬火環(huán)又分為固定噴嘴式淬火環(huán)及噴嘴整體可調(diào)式淬火環(huán)。

固定噴嘴式淬火環(huán)采用噴嘴噴射淬火水，噴水壓力和流量均勻，噴嘴可拆卸，如有堵塞可以及時方便拆卸進(jìn)行更換或清洗，保證淬火水均勻的噴射到鋼管外表面上。噴嘴也可設(shè)計為可調(diào)角度的球形噴嘴，可以調(diào)整噴嘴的噴射角度，但由于噴嘴數(shù)量較多，很難保證所有噴嘴角度一致，導(dǎo)致噴射的冷卻水不均勻，影響淬火質(zhì)量。

噴嘴整體可調(diào)式淬火環(huán)結(jié)構(gòu)如圖4 所示，供水管為環(huán)形鋼管，兩側(cè)均布安裝數(shù)個分支管，分支管連接擺臂，擺臂一端由動力裝置驅(qū)動，另一端連接噴嘴總管，噴嘴總管另一端接數(shù)個噴嘴，動力裝置帶動擺臂繞分支管中心線旋轉(zhuǎn)一定角度，實現(xiàn)噴嘴整體旋轉(zhuǎn)一定角度。保證噴嘴噴出的水以切線方向噴射到鋼管外表面上，打散鋼管淬火時表面產(chǎn)生的蒸汽膜，改善鋼管表面換熱條件，提高鋼管冷卻速度，確保獲得淬火馬氏體組織。并且在更換鋼管規(guī)格時，對于不同管徑的鋼管，只需調(diào)整動力裝置即可實現(xiàn)全部噴嘴角度的調(diào)整，減少噴嘴裝置規(guī)格，省去更換噴嘴規(guī)格的時間，減少調(diào)整噴嘴角度的時間，節(jié)約成本及勞動力，提高生產(chǎn)效率。

圖4 噴嘴整體可調(diào)式淬火環(huán)

噴嘴方向與鋼管運行方向呈α 角，90°≤α≤180°，出料端頭噴嘴方向與鋼管運行方向呈β角，0°≤β≤90°。端頭噴嘴與其他噴嘴相對噴射，形成水封，加上外側(cè)有保護(hù)罩擋水，防止淬火水噴射到環(huán)淬裝置以外，保護(hù)現(xiàn)場環(huán)境。

噴嘴整體可調(diào)式環(huán)形淬火裝置對鋼管淬火質(zhì)量更有保證，并且可以適應(yīng)鋼管的規(guī)格范圍廣，減少勞動力，提高生產(chǎn)效率[9]。

3 結(jié)論

通過以上對環(huán)淬裝置的介紹以及不同形式淬火環(huán)結(jié)構(gòu)和優(yōu)缺點的分析，用戶可以根據(jù)工藝、占地、資金等方面因素進(jìn)行選擇。