挤压工艺生产高性能不锈钢管

DOL:10.13374.issn1001-053x.2012.s1.005 第34卷增刊1 北京科技大学学报 Vol.34 Suppl.1 2012年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jun.2012 挤压工艺生产高性能不锈钢管 苏 诚 周志江 浙江久立特材科技股份有限公司，湖州313012 通信作者，E-mail:sc0808@163.com 摘要采用热挤压和冷轧工艺生产HR3C无缝钢管，金属冷成型过程和成品性能均表明热挤压加冷轧工艺生产高合金难变 形材料具有明显优势.热挤压加工变形时金属承受三向压应力，可以提高金属的综合性能：通过冷轧加工改善管材表面质量 和尺寸精度，可以确保材料在特殊环境中使用安全性更高. 关键词挤压：冷轧：不锈钢：钢管 分类号TG376.9 Preparation of high-performance stainless pipes and tubes by hot extrusion SU Cheng,ZHOU Zhi-jiang Zhejiang Jiuli Hi-Tech Metals Co.Ltd.Huzhou 313012,China Corresponding author,E-mail:sc0808@163.com ABSTRACT HR3C seamless steel tubes were produced by hot-extrusion and cold rolling processes.The process of metal cold-form- ing and the performance of finished-products indicate that hot-extrusion and cold rolling processes have obvious advantage in manufac- turing finished-products of high alloy steel with hard deformation.Metal withstands three-dimensional compressive stress during deform- ation in the hot-extrusion process,which can improve the comprehensive performance of metal pipes.The improvement of surface quali- ty and dimension precision through cold rolling processing can ensure the higher safety of materials used in special environment. KEY WORDS extrusion:cold rolling;stainless steel;steel pipes 近年来，由于国内工业的快速发展和国民经济 式生产这些材料的管子难度大，成本高，并且质量难 的发展需要，各行业对能源的依赖度不断提高，电、 以保证，不具备稳定生产的条件，难以具有竞争力. 油、天然气的需求快速增长不可回避，超临界及超超 热挤压由于其加工变形时金属承受三向压应力作 临界电站锅炉、高含H2S油气田开采等项目也进入 用，特别适用于高合金含量的难变形金属的成型，也 快速发展通道，从而带动了对高性能不锈钢管的市 是不锈钢及高合金钢管生产领域的主要热加工方 场需求-).5年前，限于国内设备和技术能力，这 法.它有效地解决了高性能不锈钢和高合金钢管的 些产品长期被国外厂家高价垄断，因此，项目的投入 热加工瓶颈.本文详细介绍热挤压加冷轧生产超临 需要付出大量外汇.2006年，久立特材通过消化、吸 界及超超临界电站锅炉用HR3C无缝钢管的生产 收国内外技术，购进了3500t钢热挤压机生产线，并 实践. 进行了大量的工艺研究和实践，使得这些高性能钢 HR3C是在TP310基础上添加Nb、N改进的耐 管热成型工艺得到突破，从而打破了国外垄断局面， 热钢，合金比例较高，热加工难度大，但产品持久强 大大降低了使用厂家的采购成本.既节约了大量外 度高，组织稳定性好，具有较高的高温强度和持久强 汇，又推动了国内高性能产品的广泛应用. 度，以及较高的抗高温蒸汽腐蚀性能，管材专用于超 超临界及超超临界电站锅炉、高含H,S油气田 超临界燃煤锅炉的过热器和再热器受热面6-) 开采所使用的不锈钢及合金钢管，其合金含量高，热 加工性能较差.同时由于使用条件恶劣，对各项 1产品方案 技术性能要求高.采用现有普遍的热穿孔加冷轧方 (1)生产规格及偏差：外径63.4mm,允许偏 收稿日期：201204-22

第 34 卷 增刊 1 2012 年 6 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 34 Suppl． 1 Jun． 2012 挤压工艺生产高性能不锈钢管 苏 诚 周志江 浙江久立特材科技股份有限公司，湖州 313012 通信作者，E-mail: sc0808@ 163． com 摘 要 采用热挤压和冷轧工艺生产 HR3C 无缝钢管，金属冷成型过程和成品性能均表明热挤压加冷轧工艺生产高合金难变 形材料具有明显优势． 热挤压加工变形时金属承受三向压应力，可以提高金属的综合性能; 通过冷轧加工改善管材表面质量 和尺寸精度，可以确保材料在特殊环境中使用安全性更高． 关键词 挤压; 冷轧; 不锈钢; 钢管 分类号 TG376. 9 Preparation of high-performance stainless pipes and tubes by hot extrusion SU Cheng ，ZHOU Zhi-jiang Zhejiang Jiuli Hi-Tech Metals Co． Ltd． ，Huzhou 313012，China Corresponding author，E-mail: sc0808@ 163． com ABSTRACT HR3C seamless steel tubes were produced by hot-extrusion and cold rolling processes． The process of metal cold-form￾ing and the performance of finished-products indicate that hot-extrusion and cold rolling processes have obvious advantage in manufac￾turing finished-products of high alloy steel with hard deformation． Metal withstands three-dimensional compressive stress during deform￾ation in the hot-extrusion process，which can improve the comprehensive performance of metal pipes． The improvement of surface quali￾ty and dimension precision through cold rolling processing can ensure the higher safety of materials used in special environment． KEY WORDS extrusion; cold rolling; stainless steel; steel pipes 收稿日期: 2012--04--22 近年来，由于国内工业的快速发展和国民经济 的发展需要，各行业对能源的依赖度不断提高，电、 油、天然气的需求快速增长不可回避，超临界及超超 临界电站锅炉、高含 H2 S 油气田开采等项目也进入 快速发展通道，从而带动了对高性能不锈钢管的市 场需求［1--3］． 5 年前，限于国内设备和技术能力，这 些产品长期被国外厂家高价垄断，因此，项目的投入 需要付出大量外汇． 2006 年，久立特材通过消化、吸 收国内外技术，购进了 3 500 t 钢热挤压机生产线，并 进行了大量的工艺研究和实践，使得这些高性能钢 管热成型工艺得到突破，从而打破了国外垄断局面， 大大降低了使用厂家的采购成本． 既节约了大量外 汇，又推动了国内高性能产品的广泛应用． 超临界及超超临界电站锅炉、高含 H2 S 油气田 开采所使用的不锈钢及合金钢管，其合金含量高，热 加工性能较差［4--5］． 同时由于使用条件恶劣，对各项 技术性能要求高． 采用现有普遍的热穿孔加冷轧方 式生产这些材料的管子难度大，成本高，并且质量难 以保证，不具备稳定生产的条件，难以具有竞争力． 热挤压由于其加工变形时金属承受三向压应力作 用，特别适用于高合金含量的难变形金属的成型，也 是不锈钢及高合金钢管生产领域的主要热加工方 法． 它有效地解决了高性能不锈钢和高合金钢管的 热加工瓶颈． 本文详细介绍热挤压加冷轧生产超临 界及超超临界电站锅炉用 HR3C 无缝钢管的生产 实践． HR3C 是在 TP310 基础上添加 Nb、N 改进的耐 热钢，合金比例较高，热加工难度大，但产品持久强 度高，组织稳定性好，具有较高的高温强度和持久强 度，以及较高的抗高温蒸汽腐蚀性能，管材专用于超 超临界燃煤锅炉的过热器和再热器受热面［6--7］． 1 产品方案 ( 1) 生产规格及偏差: 外径 63. 4 mm，允许偏 DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2012.s1.005

·18 北京科技大学学报 第34卷 差±0.3mm;壁厚12.0mm,允许偏差0~15% (3)化学成分：HR3C的化学成分见表1. (2)执行标准：GB5310一2008. 表1HR3C化学成分（质量分数） Table 1 Chemical compositions of HR3C C Si Mn P Ni Cr Nb+Ta N Cu 0.04-0.10 ≤0.75 ≤2.00≤0.030 ≤0.03017.00-23.0024.00-26.000.20-0.600.15-0.35≤0.25 (4)室温力学性能：HR3C的室温力学性能见表2. 2.3热挤压 表2HR3C的室温力学性能 管坯经过清洗，确保加热前表面无油污和赃物： Table 2 Mechanical properties of HR3C at room temperature 管坯经过三步加热，先环形炉预热，再经过两次感应 屈服强度， 抗拉强度， 延伸率， 硬度， 炉加热.预热温度为850~900℃，一次感应加热温 R0.2/MPa R/MPa A5/% HRB 度为1170±15℃，二次感应加热温度为1210±10℃ ≥295 ≥655 ≥30 ≤100 挤压采用玻璃润滑剂润滑 挤压出口速度控制不超过5m/s. (5)金相组织：奥氏体组织，晶粒度4~7级 挤压时，金属承受三向压应力作用，产生径向和 (6)瞬时高温强度：见表3. 环向压缩和轴向延伸变形，延伸系数为10.1，变形 表3HR3C的瞬时高温强度 量达到90%. Table 3 Instant high-temperature stress of HR3C MPa 2.4冷轧 100℃200℃300℃350℃400℃450℃500℃550℃600℃ 挤压管经过一道次冷轧成品以提高表面质量和 ≥573≥490≥451≥440≥429≥421≥410≥397≥374 尺寸精度.冷轧采用环孔型、长行程两辊轧机轧制， 孔型曲线采用适合特殊材料大变形高精度轧制的双 (7)其他：晶间腐蚀、压扁、无损检测等应符合 曲线。 GB5310. 2.5热处理 (8)工艺流程：EF+VOD/AOD治炼→锻造管 成品固溶是在热加工基础上调整产品性能的关 坯→剥皮→分段→钻孔→端面加工→管坯清洗→加 键工序，固溶处理在连续辊底式炉中进行，用天然气 热→扩孔→二次加热→挤压→固溶→管坯处理→冷 作为燃烧介质，炉内设置还原性气氛，温度连续监控 轧→固溶→成品精整→成品检验→包装入库. 调节，出炉水冷.固溶温度为1220±10℃，保温时 间约30min 2 生产控制 3成品检验 2.1锻坯制造 材料采用电炉加炉外精炼工艺治炼，浇成钢锭， 3.1尺寸及表面 钢锭经过锻造成棒坯，棒坯应控制成分均匀，S、P等 成品钢管表面为酸洗钝化状态，表面质量较好， 杂质元素低，锻棒总的变形比大于3.5，没有明显粗 没有不允许存在的氧化皮、裂纹、折叠、轧折、结疤、 晶，组织均匀 离层、发纹和划伤等缺陷 2.2管坯加工 钢管的尺寸精度较高，外径偏差范围为±0.2 锻棒经表面剥皮、锯切、钻孔等机加工成尺寸为 mm,壁厚波动控制在7%以内. 中204/45mm×600mm的管坯，管坯表面粗糙度控 3.2化学成份 制小于1.6μm,表面需仔细检查，表面缺陷通过砂 成品钢管的化学成份见表4，主要元素和残余 轮修磨清理干净. 元素控制均较好. 表4成品钢管的化学成分（质量分数） Table 4 Chemical compositions of finished steel pipes C Si Mn P Cr i Nb+Ta N B Cu 0.054 0.58 0.95 0.021 0.001 25.0819.78 0.29 0.231 0.001 0.023 0.10

北 京 科 技 大 学 学 报 第 34 卷 差 ± 0. 3 mm; 壁厚 12. 0 mm，允许偏差 0 ～ 15% ． ( 2) 执行标准: GB 5310 !2008． ( 3) 化学成分: HR3C 的化学成分见表 1． 表 1 HR3C 化学成分( 质量分数) Table 1 Chemical compositions of HR3C % C Si Mn P S Ni Cr Nb + Ta N Cu 0. 04 ～ 0. 10 ≤0. 75 ≤2. 00 ≤0. 030 ≤0. 030 17. 00 ～ 23. 00 24. 00 ～ 26. 00 0. 20 ～ 0. 60 0. 15 ～ 0. 35 ≤0. 25 ( 4) 室温力学性能: HR3C 的室温力学性能见表2． 表 2 HR3C 的室温力学性能 Table 2 Mechanical properties of HR3C at room temperature 屈服强度， Rp0. 2 /MPa 抗拉强度， Rm /MPa 延伸率， A5 /% 硬度， HRB ≥295 ≥655 ≥30 ≤100 ( 5) 金相组织: 奥氏体组织，晶粒度 4 ～ 7 级． ( 6) 瞬时高温强度: 见表 3． 表 3 HR3C 的瞬时高温强度 Table 3 Instant high-temperature stress of HR3C MPa 100 ℃ 200 ℃ 300 ℃ 350 ℃ 400 ℃ 450 ℃ 500 ℃ 550 ℃ 600 ℃ ≥573 ≥490 ≥451 ≥440 ≥429 ≥421 ≥410 ≥397 ≥374 ( 7) 其他: 晶间腐蚀、压扁、无损检测等应符合 GB 5310． ( 8) 工艺流程: EF + VOD/AOD 冶炼→锻造管 坯→剥皮→分段→钻孔→端面加工→管坯清洗→加 热→扩孔→二次加热→挤压→固溶→管坯处理→冷 轧→固溶→成品精整→成品检验→包装入库． 2 生产控制 2. 1 锻坯制造 材料采用电炉加炉外精炼工艺冶炼，浇成钢锭， 钢锭经过锻造成棒坯，棒坯应控制成分均匀，S、P 等 杂质元素低，锻棒总的变形比大于 3. 5，没有明显粗 晶，组织均匀． 2. 2 管坯加工 锻棒经表面剥皮、锯切、钻孔等机加工成尺寸为 204 /45 mm × 600 mm 的管坯，管坯表面粗糙度控 制小于 1. 6 μm，表面需仔细检查，表面缺陷通过砂 轮修磨清理干净． 2. 3 热挤压 管坯经过清洗，确保加热前表面无油污和赃物; 管坯经过三步加热，先环形炉预热，再经过两次感应 炉加热． 预热温度为 850 ～ 900 ℃，一次感应加热温 度为1170 ±15 ℃，二次感应加热温度为1210 ±10 ℃ 挤压采用玻璃润滑剂润滑． 挤压出口速度控制不超过 5 m /s． 挤压时，金属承受三向压应力作用，产生径向和 环向压缩和轴向延伸变形，延伸系数为 10. 1，变形 量达到 90% ． 2. 4 冷轧 挤压管经过一道次冷轧成品以提高表面质量和 尺寸精度． 冷轧采用环孔型、长行程两辊轧机轧制， 孔型曲线采用适合特殊材料大变形高精度轧制的双 曲线． 2. 5 热处理 成品固溶是在热加工基础上调整产品性能的关 键工序，固溶处理在连续辊底式炉中进行，用天然气 作为燃烧介质，炉内设置还原性气氛，温度连续监控 调节，出炉水冷． 固溶温度为 1 220 ± 10 ℃，保温时 间约 30 min． 3 成品检验 3. 1 尺寸及表面 成品钢管表面为酸洗钝化状态，表面质量较好， 没有不允许存在的氧化皮、裂纹、折叠、轧折、结疤、 离层、发纹和划伤等缺陷． 钢管的尺寸精度较高，外径偏差范围为 ± 0. 2 mm，壁厚波动控制在 7% 以内． 3. 2 化学成份 成品钢管的化学成份见表 4，主要元素和残余 元素控制均较好． 表 4 成品钢管的化学成分( 质量分数) Table 4 Chemical compositions of finished steel pipes % C Si Mn P S Cr Ni Nb + Ta N B Al Cu 0. 054 0. 58 0. 95 0. 021 0. 001 25. 08 19. 78 0. 29 0. 231 0. 001 0. 023 0. 10 ·18·

增刊1 苏诚等：挤压工艺生产高性能不锈钢管 ·19· 3.3常温力学性能及压扁 力学性能试样分别取自钢管头尾部位，试样为 800 +GB5310 宽度12.5mm的全壁厚条样，标距为50mm.常温 一实测值 力学性能及压扁实验结果见表5和图1（表5中的 数值为两个试样的平均值) 400 表5常温力学性能及压扁 200 Table 5 Mechanical properties at room temperature and flattening test 常温力学性能 200300400500 600675 压扁 试样 屈服强度，抗拉强度，延伸率，硬度， 温度℃ 实验 R a2/MPa R/MPa As/%HRB 图2瞬时高温拉伸性能 中63.4mm× Fig.2 High-temperature instant tensile properteries 12 mm 347.5 685 49 86.8 合格 标准值 ≥295 ≥655 ≥30 ≤100合格 3.5金相分析 对钢管金相组织、晶粒度进行全壁厚检验，组织 为单项奥氏体，晶粒度比较均匀，级别为5.5~60 级，如图3所示 图1压扁试样 Fig.1 Flattening samples 3.4瞬时高温拉伸 瞬时高温拉伸性能见表6，瞬时高温拉伸强度 100 随温度的变化与GB5310标准比较如图2所示. 图3品粒度 Fig.3 Grain size 表6瞬时高温拉伸性能 Table 6 High-emperature instant tensile properteries 3.6其他 试验温度/ 屈服强度， 抗拉强度， 延伸率， 晶间腐蚀试验按照ASTM A262标准E法，经 R 0.2/MPa R/MPa A51% 675℃(1)敏化后，进行硫酸一疏酸铜法试验，经煮 100 390 740 49.0 沸24h后弯曲试验，没有发现晶间腐蚀裂纹，如图4 150 415 685 47.0 所示. 200 375 685 45.5 钢管逐支进行探伤检测，超声波探伤按照GB/ 250 360 665 48.5 300 285 635 41.5 % 270 590 45.5 400 275 600 47.5 450 235 595 48.0 500 220 540 47.0 550 215 555 42.5 600 220 545 45.5 650 200 495 47.5 675 185 470 46.0 图4品间腐蚀试样 700 180 455 45.0 Fig.4 Intergranular corrosion sample

增刊 1 苏 诚等: 挤压工艺生产高性能不锈钢管 3. 3 常温力学性能及压扁 力学性能试样分别取自钢管头尾部位，试样为 宽度 12. 5 mm 的全壁厚条样，标距为 50 mm． 常温 力学性能及压扁实验结果见表 5 和图 1( 表 5 中的 数值为两个试样的平均值) ． 表 5 常温力学性能及压扁 Table 5 Mechanical properties at room temperature and flattening test 试样 常温力学性能 屈服强度， Rp0. 2 /MPa 抗拉强度， Rm /MPa 延伸率， A5 /% 硬度， HRB 压扁 实验  63. 4 mm × 12 mm 347. 5 685 49 86. 8 合格 标准值 ≥295 ≥655 ≥30 ≤100 合格 图 1 压扁试样 Fig． 1 Flattening samples 3. 4 瞬时高温拉伸 瞬时高温拉伸性能见表 6，瞬时高温拉伸强度 随温度的变化与 GB5310 标准比较如图 2 所示． 表 6 瞬时高温拉伸性能 Table 6 High-temperature instant tensile properteries 试验温度/ ℃ 屈服强度， Rp0. 2 /MPa 抗拉强度， Rm /MPa 延伸率， A5 /% 100 390 740 49. 0 150 415 685 47. 0 200 375 685 45. 5 250 360 665 48. 5 300 285 635 41. 5 350 270 590 45. 5 400 275 600 47. 5 450 235 595 48. 0 500 220 540 47. 0 550 215 555 42. 5 600 220 545 45. 5 650 200 495 47. 5 675 185 470 46. 0 700 180 455 45. 0 图 2 瞬时高温拉伸性能 Fig． 2 High-temperature instant tensile properteries 3. 5 金相分析 对钢管金相组织、晶粒度进行全壁厚检验，组织 为单项奥氏体，晶粒度比较均匀，级别为 5. 5 ～ 6. 0 级，如图 3 所示． 图 3 晶粒度 Fig． 3 Grain size 3. 6 其他 晶间腐蚀试验按照 ASTM A262 标准 E 法，经 675 ℃ ( 1 h) 敏化后，进行硫酸--硫酸铜法试验，经煮 沸 24 h 后弯曲试验，没有发现晶间腐蚀裂纹，如图 4 所示． 图 4 晶间腐蚀试样 Fig． 4 Intergranular corrosion sample 钢管逐支进行探伤检测，超声波探伤按照 GB / ·19·

·20· 北京科技大学学报 第34卷 T5777L2级执行，涡流按照GB/T7735B级执行，探 (《国外特殊钢生产技术》编导组.国外特殊钢生产技术.上 伤结果完全符合要求. 海：上海科学技术文献出版社，1983) B3]Fang Y Y,Zhao J.Li X N.Precipitates in HR3C steel aged at 4结论 high temperature.Acta Metall Sin,2010,46(7):844 (方园园，赵杰，李晓娜.HR3C钢高温失效过程中的析出相 (1)采用热挤压加一道次冷轧工艺生产HR3C 金属学报，2010,46(7)：844) 无缝钢管，产品尺寸精度高，表面质量好，产品性能 [4]Stainless Steel Council of China Special Steel Enterprises Associa- 稳定，组织均匀，高温强度等性能指标远远高于标准 tion.Practical Handbook of Stainless Steel.Beijing:China Science 规定 and Technology Press,2003 (中国特钢企业协会不锈钢分会编.不锈钢实用手册.北京：中 (2)热挤压使金属承受三向压应力作用，材料 国科学技术出版社，2003) 成型性能良好，其工艺适用于高合金特殊难变形材 5] Huang Z D.Steel Metallographic Atlas.Beijing:China Science 料的成型，生产过程稳定. and Technology Press,2005 (黄振东.钢铁金相图谱.北京：中国科技文化出版社， 2005) 参考文献 [6]Kong F M,Fu J Y.Modern Stainless Steel Containing Nb.Bei- Wang JA.Metallography and Heat Treatment (Volume 1).Bei- jing:Metallurgical Industry Press,2004 jing:China Machine Press,1986 (孔繁茂，付俊岩.现代含Nb不锈钢.北京：治金工业出版 (王健安.金属学与热处理（上册）.北京：机械工业出版社， 社，2004) 1986) 7]Tian S M.Handbook of Steel Chemical Composition and Heat Group of (Foreign Special Steel Production Technology).Foreign Treatment Process Parameters.Beijing:Energy Press,1988 Special Steel Production Technology.Shanghai:Shanghai Scientific (田绍敏.钢的化学成份及热处理工艺参数手册.北京：能源 and Technology Literature Publishing House,1983 出版社，1988)

北 京 科 技 大 学 学 报 第 34 卷 T5777 L2 级执行，涡流按照 GB /T7735 B 级执行，探 伤结果完全符合要求． 4 结论 ( 1) 采用热挤压加一道次冷轧工艺生产 HR3C 无缝钢管，产品尺寸精度高，表面质量好，产品性能 稳定，组织均匀，高温强度等性能指标远远高于标准 规定． ( 2) 热挤压使金属承受三向压应力作用，材料 成型性能良好，其工艺适用于高合金特殊难变形材 料的成型，生产过程稳定． 参 考 文 献 ［1］ Wang J A． Metallography and Heat Treatment ( Volume 1) ． Bei￾jing: China Machine Press，1986 ( 王健安． 金属学与热处理( 上册) ． 北京: 机械工业出版社， 1986) ［2］ Group of《Foreign Special Steel Production Technology》． Foreign Special Steel Production Technology． Shanghai: Shanghai Scientific and Technology Literature Publishing House，1983 ( 《国外特殊钢生产技术》编导组． 国外特殊钢生产技术． 上 海: 上海科学技术文献出版社，1983) ［3］ Fang Y Y，Zhao J，Li X N． Precipitates in HR3C steel aged at high temperature． Acta Metall Sin，2010，46( 7) : 844 ( 方园园，赵杰，李晓娜． HR3C 钢高温失效过程中的析出相． 金属学报，2010，46( 7) : 844) ［4］ Stainless Steel Council of China Special Steel Enterprises Associa￾tion． Practical Handbook of Stainless Steel． Beijing: China Science and Technology Press，2003 ( 中国特钢企业协会不锈钢分会编． 不锈钢实用手册． 北京: 中 国科学技术出版社，2003) ［5］ Huang Z D． Steel Metallographic Atlas． Beijing: China Science and Technology Press，2005 ( 黄振东． 钢 铁 金 相 图 谱． 北 京: 中 国 科 技 文 化 出 版 社， 2005) ［6］ Kong F M，Fu J Y． Modern Stainless Steel Containing Nb． Bei￾jing: Metallurgical Industry Press，2004 ( 孔繁茂，付俊岩． 现代含 Nb 不锈钢． 北京: 冶金工业出版 社，2004) ［7］ Tian S M． Handbook of Steel Chemical Composition and Heat Treatment Process Parameters． Beijing: Energy Press，1988 ( 田绍敏． 钢的化学成份及热处理工艺参数手册． 北京: 能源 出版社，1988) ·20·