輸送砂漿用耐磨無縫鋼管的研發(fā)
摘要：院鞍鋼股份有限公司無縫鋼管廠采用野轉(zhuǎn)爐煉鋼+LF+VD冤精煉+熱軋管+在線探傷+內(nèi)壁熱處理冶工藝，成功研發(fā)了NM50、NM55、NM62輸送砂漿用耐磨無縫鋼管。檢驗(yàn)結(jié)果表明，研發(fā)的耐磨鋼管具有高強(qiáng)韌、高耐磨性，滿足砂漿輸送使用要求。
我國(guó)經(jīng)過近十年對(duì)耐磨管件的生產(chǎn)研制，目前應(yīng)用于建筑、礦山行業(yè)的混凝土、砂漿輸送用耐磨無縫鋼管品種主要有兩種，一種是單層淬硬耐磨管，另一種是雙金屬?gòu)?fù)合耐磨管即雙層淬硬管冤。雙金屬?gòu)?fù)合耐磨管廣泛應(yīng)用在泵送混凝土三、四十米或更好的超高層建筑施工泵車上及礦山礦漿運(yùn)輸管道上咱1暫，工作壓力15～30MPa，泵管服役于硬物料、大顆粒介質(zhì)的高壓、高速?zèng)_擊磨損工況中，其磨損程度大，更換頻繁。隨著我國(guó)野一帶一路冶基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的新發(fā)展，對(duì)高強(qiáng)韌、抗沖擊、高耐磨鋼管的市場(chǎng)需求迅速增加，鞍鋼為滿足輸送砂漿用耐磨鋼管市場(chǎng)的需求，滿足泵送管道的使用壽命要求，進(jìn)行了輸送砂漿用耐磨鋼管產(chǎn)品的研發(fā)，該產(chǎn)品既可用于單層淬硬耐磨管，又可用于雙金屬?gòu)?fù)合耐磨管內(nèi)層管。
1 技術(shù)要求
1.1 產(chǎn)品特點(diǎn)及核心技術(shù)為保證砂漿輸送管道的輸送任務(wù)、正確抵抗砂石骨料的強(qiáng)烈沖擊和磨損，滿足管道在高壓頻繁振動(dòng)工況下的運(yùn)行，高強(qiáng)韌耐壓防爆和耐磨性、抗沖擊性能是該產(chǎn)品的特點(diǎn)咱2暫。耐磨鋼管應(yīng)具有外壁基層的良好強(qiáng)韌性和內(nèi)壁適宜的淬硬層。防止爆管，滿足砂漿輸送性能要求。其技術(shù)核心在于院耐磨鋼管合理的鋼種成分和穩(wěn)定的力學(xué)性能曰鋼管內(nèi)壁熱處理工藝合理，淬硬層厚度及硬度值穩(wěn)定。
1.2牌號(hào)和化學(xué)成分設(shè)計(jì)
耐磨管件在不同泵送高度、管路位置所承受的壓力和磨損不同，不同的設(shè)計(jì)輸送方量，均對(duì)耐磨鋼管提出不同等級(jí)的選材要求，因此在鋼種的設(shè)計(jì)思路上，采用適當(dāng)?shù)奶煎i含量可以保證產(chǎn)品的耐磨性，同時(shí)考慮添加Cr、V、Ti合金元素，細(xì)化晶粒，在增加淬透性的同時(shí)提高了韌性。在耐磨鋼管等級(jí)牌號(hào)上，設(shè)計(jì)了NM50、NM55、NM62三個(gè)級(jí)別。NM要要代表耐磨，50、55、62代表產(chǎn)品洛氏硬度。各牌號(hào)設(shè)計(jì)化學(xué)成分見表1。
表1 耐磨鋼管設(shè)計(jì)化學(xué)成分淵質(zhì)量分?jǐn)?shù)
1.3 性能要求及組織狀態(tài)
1.3.1 熱軋狀態(tài)耐磨鋼管力學(xué)性能
熱軋狀態(tài)耐磨鋼管的力學(xué)性能應(yīng)保證耐磨鋼管的高強(qiáng)抗壓要求，各牌號(hào)耐磨鋼管熱軋力學(xué)性能要求見表2。
表2 耐磨鋼管熱軋力學(xué)性能
1.3.2 熱處理后顯微組織及硬度
淬硬是輸送耐磨管加工的關(guān)鍵工藝，也是核心技術(shù)。在鋼管內(nèi)壁淬火，獲得一定厚度的硬度層，要求其組織為回火馬氏體，硬度值應(yīng)達(dá)到表2的要求。
1.4 表面缺陷、無損檢測(cè)要求
連軋管機(jī)的直道深度對(duì)管體內(nèi)壁淬火工藝、產(chǎn)品質(zhì)量影響較大，要求熱軋鋼管內(nèi)表面直道深度不大于壁厚的5%,深度不超過0.5mm。同時(shí)鋼管應(yīng)進(jìn)行全長(zhǎng)無損檢測(cè)，采用GB/T 5777要2008 標(biāo)準(zhǔn)，驗(yàn)收等級(jí)L4。
2 工藝方案
2.1 工藝路線
采用野鐵水預(yù)處理→轉(zhuǎn)爐冶煉→爐外精煉（LF+VD）-管坯連鑄連軋-熱軋管-在線探傷-鋼管內(nèi)壁熱處理冶工藝生產(chǎn)耐磨鋼管。
2.2 煉鋼工藝
煉鋼應(yīng)做到目標(biāo)值控制，提高鋼質(zhì)純凈度，控制S、P等有害元素。操作要點(diǎn)如下：
（1）煉鋼過程加強(qiáng)脫氧脫硫操作，防止鐵水回硫，影響轉(zhuǎn)爐脫硫，LF爐做到白渣出鋼，合理出鋼合金化時(shí)間節(jié)點(diǎn)，使合金快速熔化曰，VD精煉對(duì)合金進(jìn)行微調(diào)，做到準(zhǔn)確目標(biāo)，鈦鐵必須在精煉結(jié)束前5-8min，添加，做好終點(diǎn)碳的控制，所有原輔材料必須清潔、干燥。
（2）機(jī)前做好保護(hù)澆注，恒拉速控制，采用結(jié)晶器電磁攪拌技術(shù)及二冷水弱冷工藝，保證鑄坯內(nèi)部及表面質(zhì)量。
2.3 軋管工藝
鋼管的壁厚均勻和內(nèi)表面質(zhì)量決定了鋼管后續(xù)內(nèi)壁熱處理的淬硬厚度均勻性和硬度的穩(wěn)定性，因此必須保證熱軋鋼管的壁厚均勻及內(nèi)表面質(zhì)量。
2.3.1 加熱爐操作要點(diǎn)
（1）加熱爐均熱段溫度控制（1255±20）℃。保證管坯在環(huán)形加熱爐內(nèi)加熱均勻，避免出現(xiàn)加熱不透、加熱陰陽面，保證管坯加熱均勻。
（2）遇事故停軋時(shí)，采取降溫措施院停車時(shí)間較短（30 min 以內(nèi)）時(shí)，將均熱段爐溫降15-20℃停車時(shí)間較長(zhǎng)（30 min以上）時(shí)，均熱段降80-120℃。停料時(shí)間超過3-5min時(shí)，爐底反轉(zhuǎn)，將待出爐的管坯退到隔墻后面，避免管坯高溫區(qū)域長(zhǎng)時(shí)間停留。
2.3.2 穿孔機(jī)組操作要點(diǎn)
（1）穿孔機(jī)調(diào)整軋制線、軋輥距離、導(dǎo)板、頂桿位置，保證穿后鋼管壁厚均勻，穿孔毛管外徑偏差為0～+1mm；長(zhǎng)度偏差0～+100mm。
（2）檢查軋輥、頂頭表面質(zhì)量，如有老化、磨損，及時(shí)更換，確保鋼管內(nèi)表面質(zhì)量。
（3）穿孔后抱瓦冷卻冷卻水不能濺入管內(nèi)，保證硼砂噴吹量200 g/mm2，根據(jù)毛管的外徑及長(zhǎng)度來設(shè)定氮?dú)獾膰娚鋲毫蜁r(shí)間，觀察鋼管尾部硼砂燃燒產(chǎn)生的火焰，使毛管尾部噴出的未燃燒硼砂殘余粉末保持較小，確保鋼管內(nèi)表面抗氧化效果。
2.3.3 連軋機(jī)組操作要點(diǎn)
（1）連軋機(jī)控制好脫管后的鋼管長(zhǎng)度，對(duì)鋼管進(jìn)行取樣測(cè)量壁厚，通過測(cè)量鋼管壁厚值，調(diào)整MPM輥縫及軋輥轉(zhuǎn)速曰通過計(jì)算機(jī)畫面觀察MPM電流、軋制力曲線，調(diào)整軋制參數(shù)達(dá)到無明顯堆拉鋼狀態(tài)。
（2）連軋開啟高壓水除鱗系統(tǒng)，檢查噴嘴，保證水壓18MPa以上。
（3）檢查芯棒表面狀態(tài)，控制好芯棒噴涂石墨的潤(rùn)滑效果。
2.4 鋼管內(nèi)壁熱處理工藝
鋼管內(nèi)壁淬硬，需在耐磨管件加工廠完成，其工藝為院鋼管定尺切斷→兩端焊接鋼制法蘭→數(shù)控感應(yīng)淬火→低溫回火處理→外表面噴砂、噴漆處理→檢查→成品包裝。應(yīng)調(diào)整好感應(yīng)加熱電壓、電流，準(zhǔn)確控制淬硬層深度，并調(diào)整適量冷卻水，使鋼管內(nèi)壁淬硬層深度控制在壁厚的30%～45%。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果確定較佳熱處理制度院淬火溫度（820±20）益，回火溫度（180±50）益，保溫時(shí)間40～60 min。
3 產(chǎn)品評(píng)價(jià)
3.1 熱軋管力學(xué)性能
鞍鋼經(jīng)過多次耐磨鋼管新品試制，在大量、系統(tǒng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，不斷優(yōu)化成分和工藝，先后開發(fā)了NM50、NM55、NM62 系列耐磨鋼管產(chǎn)品。對(duì)各牌號(hào)的熱軋鋼管進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè)，結(jié)果全部合格，具體見表3。
表3 熱軋鋼管力學(xué)性能
3.2 試樣熱處理后金相組織和硬度
鋼管試樣熱處理后得到理想的板條狀回火馬氏體組織，見圖1。該組織鋼具有高硬度和高耐磨性，而脆性較小，可抵抗砂石骨料的強(qiáng)烈沖擊和磨損，硬度值見表4，試樣熱處理后硬度全部滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。
圖1 各牌號(hào)耐磨鋼管金相組織
表4 鋼管熱處理后硬度值(HRC)
3.3 用戶評(píng)價(jià)
（1）鞍鋼提供的133*4.5mm、133*4.8mm、133*5.1mm、133*5.3mm、95*9mm 規(guī)格，牌號(hào)為NM50、NM55、NM62 鋼管給耐磨管件加工廠進(jìn)行試驗(yàn)和檢驗(yàn)，順利通過磨耗、硬度、沖擊、水壓、拉伸等多項(xiàng)試驗(yàn)，得到用戶認(rèn)可。
（2）用戶采用MLS-225 型濕砂式橡膠輪磨粒磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行NM50 和NM62 磨損對(duì)比試驗(yàn)，從磨損失重?cái)?shù)值結(jié)果顯示NM62 的耐磨性是NM50的1.31倍。
（3）在用戶使用過程中，在裝車實(shí)際運(yùn)營(yíng)中考察耐磨性能，結(jié)果表明NM50 鋼管可輸送砂漿水泥2.0～3.5 萬m3，NM55 可輸送砂漿水泥3.0～4.0萬m3,NM62 可輸送砂漿水泥6.0～8.0 萬m3，是普通鋼管輸送方量（一般為6 000 m3～8 000 m3）的
4～7倍。
4 結(jié)論
（1）鞍鋼無縫廠研發(fā)的輸送砂漿用耐磨無縫鋼管，采用野轉(zhuǎn)爐煉鋼+（LF+VD）精煉+熱軋管+在線探傷+內(nèi)壁熱處理冶工藝，煉鋼工藝合理、成分控制，制管工藝較好，鋼管內(nèi)外表面質(zhì)量好、幾何尺寸精度高，性能穩(wěn)定。
（2）鞍鋼研發(fā)的NM50、NM55、NM62 系列輸送砂漿耐磨泵管，具有高硬度和高耐磨性，能夠滿足混凝土泵送管路的設(shè)計(jì)、選材要求。
3 結(jié)論
（1）本文應(yīng)用有限元大型仿真軟件研究得到了方坯重壓下時(shí)的變形特征，結(jié)果認(rèn)為，施加不同壓下量，鑄坯的寬展變形會(huì)隨著壓下量的增加而增加,鑄坯寬展變形將產(chǎn)生鑄坯缺陷。
（2）合理控制壓下量對(duì)鑄坯質(zhì)量重要，壓下量過小對(duì)中心偏析和疏松改善不明顯曰壓下量過大會(huì)使鑄坯內(nèi)部產(chǎn)生裂紋，并使重壓下拉矯機(jī)等設(shè)備受力過大。壓下量的臨界值為12～14mm，超過該值后，鑄坯的應(yīng)變位置出現(xiàn)在鑄坯中心。