摘要： 文章介紹了利用中頻電流的感應(yīng)加熱原理進行鋼管熱處理的工藝與設(shè)備，指出該工 藝技術(shù)由于設(shè)備投資不大、沒有環(huán)境污染，符合環(huán)保要求，且便于進行工藝控制，易于組織生產(chǎn)，比較起燃氣加熱反腐蝕的鋼管熱處理，具有一定的技術(shù)優(yōu)勢，應(yīng)當屬于政府鼓勵發(fā)展、企業(yè)可以優(yōu)先采用的新技術(shù)、新工藝。

前言

　　利用中頻電流的電磁感應(yīng)加熱原理來進行油井管的的淬火、回火以及正火，在美國等發(fā)達國家已經(jīng)屬于一種成熟的工藝技術(shù)，并且在石油專用管的制造領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。美國LONGSTAR公司、無限制管公司、日本JFE公司、俄羅斯塔干羅格冶金廠、伏爾加鋼廠等制管企業(yè)都擁有自己的中頻感應(yīng)鋼管熱處理生產(chǎn)線。感應(yīng)加熱以電作為能源，完全不同于使用天然氣、發(fā)生煤氣或液化石油氣等燃氣那樣，在鋼管的加熱過程中會產(chǎn)生煙塵，形成空氣的污染。因為電能屬于綠色能源，不會對環(huán)境造成破壞，符合人類社會對環(huán)保的要求，所以也是國內(nèi)外政府鼓勵發(fā)展的環(huán)保型工藝技術(shù)開發(fā)項目。同時，采用感應(yīng)加熱技術(shù)對鋼管進行淬火、回火或正火，升溫速度快，效率高，生產(chǎn)組織靈活方便，避免并節(jié)省了燃氣加熱鋼管時爐子的升溫和降溫所需要的時間及能耗。

　　感應(yīng)加熱技術(shù)在我國最早應(yīng)用于軍工、汽車、機械等行業(yè)，后來逐步擴展到冶金行業(yè)，20世紀80年代初期首鋼特殊鋼公司在國內(nèi)首先開始使用中頻加熱技術(shù)，對45MoMnB、35CrMo、40Cr、40Mn2Mo和45#鋼管進行調(diào)質(zhì)處理；對GCr15鋼管進行冷加工中間的軟化熱處理；對5Cr21Mn9Ni4N進行鋼管固溶熱處理；對T10A、20Mn2、20#鋼棒材進行退火熱處理，均取得良好的效果。

　　無錫西姆萊斯石油專用管制造有限公司為生產(chǎn)高品質(zhì)油井管并開發(fā)油井管的新產(chǎn)品，與蘇州振吳電爐公司合作，在消化吸收國外鋼管感應(yīng)加熱技術(shù)的基礎(chǔ)上，雙方經(jīng)過不斷摸索、不斷改進，研制開發(fā)出完全國產(chǎn)化的油井管中頻感應(yīng)熱處理生產(chǎn)線。目前已經(jīng)有兩條線先后投入正常生產(chǎn)。其中第一條生產(chǎn)線經(jīng)過一年多的試生產(chǎn)和生產(chǎn)，先后加工了Ф60.3㎜、Ф73.0㎜、Ф88.9㎜等規(guī)格的加厚和不加厚油管，調(diào)質(zhì)出了N80、L80、C95和P110等鋼級的油井管產(chǎn)品，并通過了中國石油天然氣集團公司管材研究所的實物評價試驗，被認定為符合美國石油學(xué)會5CT標準的油井管產(chǎn)品。在此同時，生產(chǎn)線進行了Ф88.9×9.19㎜鉆桿的熱處理工藝試驗。隨后建設(shè)的第二條生產(chǎn)線也于2007年10月進入試生產(chǎn)階段，目前已經(jīng)批量加工出Ф60.3㎜、Ф73.0㎜、Ф88.9㎜、Ф114.3㎜、Ф139.7㎜規(guī)格，N80、L80、P110的油管和套管。油井管感應(yīng)熱處理的鋼種包括碳錳鋼系列與合金鋼系列。

　　實踐證明，采用中頻感應(yīng)加熱技術(shù)進行鋼管的熱處理，不僅環(huán)境污染小、生產(chǎn)效率高，而且成本可以達到與燃氣加熱相當?shù)乃�平；如果在用電的低峰期使用，則成本更低。同時，如果工藝參數(shù)選擇合理、工藝控制得很好時，甚至可以省去矯直工序。以下主要介紹西姆萊斯石油專用管制造有限公司建設(shè)的第一條油井管中頻熱處理生產(chǎn)線。

1、鋼管感應(yīng)熱處理生產(chǎn)線的產(chǎn)品大綱及技術(shù)要求：

1.1、生產(chǎn)能力：熱處理6萬噸（12噸/h）油管、套管或鉆桿；

1.2、產(chǎn)品規(guī)格：

其中：平式或加厚油管 φ60.3×4.83mm 5000噸

φ73.0×5.51mm 10000噸

φ88.9×6.45mm 10000噸

套管 φ114.3×6.35～8.56mm 5000噸

φ139.7×6.20～10.54mm 20000噸

鉆桿 φ73.0×9.19mm 2000噸

φ88.9×9.35mm 3000噸

φ127.0×9.19mm 5000噸

1.3、被處理鋼管幾何尺寸：

管體外徑： φ60.3×φ139.7mm

油管和鉆桿加厚端外徑： φ65.89×φ149.23mm（加厚端最大壁厚20.30mm）

管體壁厚： 4.83×10.54mm

長度： 8～12.5mm單根鋼管最大重量：350kg

1.4、熱處理后鋼管鋼級：N80、L80、C90、P95、P110、Q125等；

1.5、原料鋼管鋼種： 37Mn5、34Mn6、38M 6、42MnMo7、30Mn2

27MnCr52、30CrMo、33CrMo、35CrMo、

26CrMo4、29CrMo44、32CrMo4等；

1.6、淬火爐加熱溫度： 850℃～1000℃

1.7、回火爐加熱溫度： 600℃～750℃

1.8、淬火方式： 外淋，要求在管子橫截面上噴水均勻且有一定角度、壓力，同時具有管內(nèi)吹水功能，保證管子進回火爐時管內(nèi)無水；

1.9、其它要求：鋼管回火后應(yīng)當進行高壓水除鱗。

2、工藝概述

　　鋼管感應(yīng)熱處理的工藝流程與一般傳統(tǒng)的燃氣加熱步進式爐一樣，但是工作原理和加工工程卻截然不同。在燃氣式步進爐中，鋼管是整體加熱；而在感應(yīng)爐中，鋼管是分段逐次前進連續(xù)加熱；淬火過程與回火過程也是如此進行。所以鋼管在加熱、淬火、回火時，基本是做縱向移動、螺旋前進的動作，其余才是做橫向移動。其具體加工工藝過程如下：

　　根據(jù)API 5 CT標準對油井管的調(diào)質(zhì)要求，油井管管坯由天車吊到上料臺架上，人工外觀檢查后使其整齊排列分布。待生產(chǎn)線各工作崗位進入正常工作狀態(tài)時，感應(yīng)器通電待料，變頻送料機開始旋轉(zhuǎn)，手動操作步進上料機工作，把第一根油井管從上料臺架出口端平穩(wěn)地抬起滾送到對齊裝置的輥道上，變頻送料機以設(shè)定的速度向前送料，變頻送料機為單輥傳動，速度、高度可調(diào)，輥型為專門設(shè)計傾斜15°布置的輥式送料機，具有水平送料糾偏對中和工件自旋轉(zhuǎn)功能，其中感應(yīng)加熱線圈之間送料輥和進出口的送料輥材質(zhì)為耐熱鋼，并裝有旋轉(zhuǎn)密封內(nèi)水冷卻裝置，冷卻送料輥并使送料輥外表面干燥，便于油管連續(xù)加熱，其余送料輥材質(zhì)為耐磨鋼。油管經(jīng)輥道進入中頻淬火加熱區(qū)，加熱區(qū)由一套3000kW中頻電源和一套1200kW中頻電源配多組加熱感應(yīng)線圈組成淬火感應(yīng)加熱區(qū)，保證工件溫度的均勻,加熱溫度850℃～1000℃。在加熱線圈的出口處安裝進口的雙色比色紅外測溫儀,進行油管加熱溫度的監(jiān)測，并把信號反饋到中頻電源的控制系統(tǒng)，自動調(diào)節(jié)中頻電源的輸出功率，組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，從而調(diào)整鋼管加熱溫度使之控制在允許的誤差范圍內(nèi)。

　　加熱好的鋼管進入噴淋淬火區(qū)，由于工件材質(zhì)為含碳量0.3%左右的碳錳鋼或中低合金化的鉻鉬鋼及鉻錳鉬鋼，適合采用純水作為淬火介質(zhì)。我們采用環(huán)狀冷卻裝置連續(xù)將高壓水流噴射到加熱的鋼管表面，強噴淋5～15秒左右，以實現(xiàn)淬火馬氏體的組織轉(zhuǎn)變。為此，我們選用了二套大流量高壓水泵（壓力為揚程125米每分鐘的水循環(huán)量1000m3/h），總功率在500kW以上，從而達到完全淬透管壁所要求的快速均勻冷卻的效果，保證使鋼管表面產(chǎn)生的蒸汽膜破壞，使鋼管迅速達到馬氏體轉(zhuǎn)變溫度，全部轉(zhuǎn)變?yōu)榇慊瘃R氏體，不會產(chǎn)生淬火屈氏體，從而保證回火索氏體。由于噴淋中會有氧化皮和鋼管表面的灰塵脫落后進入淬火介質(zhì)中，所以淬火介質(zhì)必須經(jīng)過沉淀池粗濾、磁性吸濾、網(wǎng)過濾等多級處理，使?jié)岘h(huán)水清潔干凈，不能堵塞噴嘴，可以循環(huán)使用。

　　噴淋區(qū)設(shè)置隔離擋板，防止水飛濺，利于水的回收利用和減少濁環(huán)水的損耗，還設(shè)置防護罩，以防水蒸汽噴出，保證車間的干燥。

　　噴淋淬火后的鋼管由輥道傳送至管內(nèi)除水段經(jīng)氣動翻料機把管子抬放在傾斜臺上，經(jīng)5分鐘以上的瀝水后再經(jīng)氣動翻料機抬放至回火線輥道上，在輥道的傳動下進入中頻回火感應(yīng)加熱區(qū)，回火加熱溫度范圍一般為600℃～750℃。中頻感應(yīng)加熱電源為一套1900kW和一套900kW由多組感應(yīng)線圈組成的回火感應(yīng)加熱區(qū)。在最后一個感應(yīng)線圈的出口處安裝進口的雙色比色紅外測溫儀進行監(jiān)測油管的溫度，負責(zé)把信號反饋到中頻電源，自動調(diào)節(jié)中頻電源的輸出功率，以組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。經(jīng)回火后的鋼管在輥道上通過高壓水除鱗裝置，鋼管在高壓噴射水的沖刷下達到除鱗效果，經(jīng)過除鱗得鋼管，通過回火區(qū)的感應(yīng)器后，由氣壓傳動步進翻料機把鋼管平穩(wěn)地抬起，放到冷床上緩慢旋轉(zhuǎn)滾動，逐步冷卻。然后鋼管在冷床出口處被收集入筐，人工捆扎包裝吊運至下一工段。

3、設(shè)備基本構(gòu)成

3.1、上料部分：

由以下設(shè)備組成：上料臺架---- 翻料機構(gòu) --- 縱向旋轉(zhuǎn)送料輥道 ---- 斜輥道

3.2、淬火加熱部分：分兩個區(qū)，加熱區(qū)和保溫區(qū)；

其中：加熱區(qū)有12個感應(yīng)線圈，設(shè)計功率2500kW，設(shè)計頻率300HZ，

保溫區(qū)有8個感應(yīng)線圈，設(shè)計功率2500kW，設(shè)計頻率1000HZ。

3.3、淬火裝置：兩個封閉噴淋淬火裝置，裝有數(shù)百只噴嘴，并形成各不相同的角度，向鋼管噴出高壓水流，且保證在鋼管行進過程中的每一處截面上，淬火水量相等，冷卻速度相同，受熱變形均勻。對于感應(yīng)加熱淬火來說，與燃氣加熱淬火最大的不同之處，就在于淬火的方式不一樣。

3.4、回火部分：分兩個區(qū)，加熱區(qū)和保溫區(qū)；

其中：加熱區(qū)有7個感應(yīng)線圈，設(shè)計功率1500kW，設(shè)計頻率200HZ，

保溫區(qū)有7個感應(yīng)線圈，設(shè)計功率1500kW，設(shè)計頻率1000HZ。

淬火和回火感應(yīng)線圈的長度：1254mm

3.5、其它設(shè)備構(gòu)成：

斜輥輪間隔距離1500mm。

輥道速度可變頻調(diào)節(jié)，頻率調(diào)節(jié)范圍0～65HZ。

淬火用水：水泵2臺、 揚程125米、 流量520立方米/小時。

4、工藝試驗情況：

4.1、初次工藝試驗

第一、二次調(diào)試情況：試驗選擇了最容易加熱變形、油井管中規(guī)格最小的油管進行了試驗。

規(guī)格：φ60.3×4.83㎜；生產(chǎn)節(jié)奏：60秒/支；試驗數(shù)量：30支；取樣6支，機械性能如下：

4.1、重復(fù)性試驗
第三、四、五次調(diào)試情況：重復(fù)進行試驗，以驗證設(shè)備與工藝的穩(wěn)定性。
規(guī)格：φ60.3×4.83㎜；生產(chǎn)節(jié)奏：60秒/支；試驗數(shù)量：59支；取14支，機械性能如下：

以上五次試驗所用鋼管規(guī)格均為φ60.3×4.83㎜，生產(chǎn)節(jié)奏均為60秒/支；同時還進行了φ73×5.51㎜（6支）的調(diào)質(zhì)試驗，平直度、表面氧化皮情況較φ60.3的要好一些。

4.3、驗證性試驗
第6次試驗情況：改換產(chǎn)品規(guī)格進行試驗，以驗證生產(chǎn)線最大規(guī)格油管的熱處理效果。
規(guī)格：φ88.9×6.45；生產(chǎn)節(jié)奏：60秒/支；總功率負載為4600kW、（3350（淬火）＋1250（回火））；試驗數(shù)量：10支；取樣4支，機械性能如下：

4.4、鉆桿感應(yīng)熱處理工藝性試驗
第7次試驗情況：為檢驗感應(yīng)熱處理的加熱及淬火裝置的效果，選擇加厚的鉆桿料進行了試驗。
材料：30CrMo
規(guī)格：φ88.9×9.19mm鉆桿、調(diào)質(zhì)為G105鋼級
(1)．機械性能

(2)．加厚端硬度變化
 

加厚端硬度測試位置示意圖

由于加厚端壁厚與管體壁厚相差較大，加上感應(yīng)加熱端部效應(yīng)，加厚端在淬火和回火過程中其溫度與管體溫度有很大差異，必須注意在鋼管加熱工程中，使管子進入感應(yīng)器時首尾相接。此后，我們相繼生產(chǎn)了幾千噸類似的鉆桿產(chǎn)品。
4.5、高鋼級油管的試驗及批量生產(chǎn)
在使用感應(yīng)熱處理生產(chǎn)線相繼穩(wěn)定的加工出N80、L80的平式和加厚油管以后，根據(jù)公司的新產(chǎn)品開發(fā)計劃及生產(chǎn)安排，同時也在前階段取得經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，我們又相繼進行了C95、P110等高鋼級、耐腐蝕油管的熱處理工藝試驗，均獲得成功。目前該生產(chǎn)線已經(jīng)穩(wěn)定運行了15個月，先后批量加工N80、L80、C95、P110等鋼級的平式和加厚油管。我們建設(shè)的第二條感應(yīng)熱處理線，從2007年11月以來，也相繼通過進行各種工藝試驗后，目前可以批量加工φ60.3～φ139.7㎜的油管和套管，處理后的鋼級與第一條線相同。

5、試驗與生產(chǎn)中出現(xiàn)的問題及解決辦法
5．1、由于在手工上料狀態(tài)下，不能保證鋼管連續(xù)進入感應(yīng)器時能夠首尾相連，容易造成鋼管感應(yīng)加熱時功率分配不均，導(dǎo)致鋼管溫度變化較大（≥30℃）；調(diào)整到自動控制后才能保證鋼管首尾相連，加熱均勻，因此應(yīng)盡可能避免手工上料。
5.2、輥道、感應(yīng)線圈安裝時如果對中不好，容易造成鋼管在淬火前加熱時就有彎曲現(xiàn)象，輥道需要經(jīng)常調(diào)整校準對中。
5.3、淬火用的濁環(huán)水一定要徹底進行沉淀、過濾，去除氧化鐵皮和水中雜物，以免堵塞淬火噴淋環(huán)上的噴嘴。
5.4、噴淋環(huán)上噴嘴的設(shè)計，必須保證在任意截面上，噴嘴出水均勻，壓力均勻。
5.5、鋼管在進入淬火區(qū)和回火區(qū)的感應(yīng)器時，必須首尾相接，避免出現(xiàn)“端部效應(yīng)”，以免影響鋼管熱處理的性能指標。

6、結(jié)論

6.1、使用中頻電感應(yīng)加熱方法對鋼管進行熱處理的工藝技術(shù)是完全可行的。雖然此工藝技術(shù)在美國等發(fā)達國家已屬成熟技術(shù)，但是在國內(nèi)，我公司與蘇州振吳電爐有限公司合作研制的設(shè)備尚屬第一套，此技術(shù)的整體開發(fā)和應(yīng)用也屬首次。

6.2、將屬碳錳鋼系列的30Mn2鋼經(jīng)中頻感應(yīng)熱處理，調(diào)質(zhì)成L80或P110鋼級是完全可以實現(xiàn)的，調(diào)整其工藝參數(shù)就可以得到所需要的性能指標。

6.3、中頻感應(yīng)熱處理過程中，如何使噴淋均勻并減少鋼管彎曲變形及去除氧化皮，目前尚需要進一步摸索探討。

6.4、 電磁感應(yīng)加熱的機理和回火“零保溫”的機理尚需進一步研究。