00Cr22Ni5Mo3N高氮钢无缝钢管的制管工艺方法 【技术领域】
本发明涉及涉及冶金行业不锈钢无缝钢管的压力加工(制管工艺)生产方法，尤其是指含氮双相不锈钢无缝钢管的制管工艺方法。
背景技术
不锈钢无缝钢管是常见的冶金金属制品。制管工艺生产方法是：热加工(挤压、穿孔)或镗孔工序及后道的精整(平头、酸洗、润滑等)工序，将实心管坯加工成空心毛管(荒管)→多道次的半成品冷加工(冷拔或冷轧)工序及必要的“去油、退火、矫直、精整(平头、酸洗、润滑等)”工序，将管坯加工成半成品钢管→成品冷加工(冷拔或冷轧；按成品尺寸循环至成品)工序及必要的后道工序，将半成品钢管加工成规格、质量符合标准的成品钢管。
目前，国内不锈钢无缝钢管荒管生产的主要工序是热加工穿孔工序(无缝钢管荒管的生产工序有三种：热加工挤压、热加工穿孔、或镗孔。镗孔工序是：镗孔→毛管→包括平头、酸洗、润滑等精整措施；其优点是：品种适应性强，可加工一些热塑性差的高合金材料，缺点是：制造毛管的成材率都低于40％，且镗孔的加工费用又高、周期长，不适用大批量生产。热加工挤压工序是：原料准备→加热→挤压→毛管→包括平头、酸洗、润滑等精整措施；其特点是：挤压毛管需要在管坯上钻一个几乎穿透的孔，然后再通过特殊材料制成的内外模在几千吨的挤压压力下成型毛管；优点是：变形条件较好，品种适应性强，可生产热塑性较差的高合金材料，缺点是：挤压机地设备投资极大，工模具、挤压所需准备设备都相当庞大，国内还极少应用。)：原料准备→加热→穿孔→毛管→精整(平头、酸洗、润滑等)；其优点是：投资小，生产成本低，缺点是：由于穿孔变形条件的特殊性，品种适应性较窄，可生产一般的铁素体、奥氏体、铁素体+奥氏体不锈钢无缝毛管，不利于生产热塑性差的高合金材料。因此，热加工穿孔工序生产的不锈钢无缝钢管都是热塑性较好的材料，这些材料的冷加工性能也较好，而评判冷变形能力的一个重要指标，就是屈服强度(热塑性较好的材料，屈服强度也较低)，如奥氏体不锈钢的屈服强度是200～300Mpa。
双相不锈钢(屈服强度高于奥氏体不锈钢，热塑性较差)是比较特殊的不锈钢，具有高强度、优良的耐腐蚀性能和耐应力腐蚀性能、耐点蚀性能等特点，双相不锈钢无缝钢管也越来越受到石油化工、尿素和制碱等工业的青睐。以“热加工穿孔工序+冷加工(冷拔或冷轧)工序”生产双相不锈钢无缝钢管的国内制管技术(国外双相不锈钢制管技术中荒管的生产方法均采用挤压机生产，冷加工变形以冷轧方式为主)仅限于一般的普通双相不锈钢(屈服强度400Mpa左右)，主要牌号有：0Cr17Mn13Mo2N(A4)、00Cr18Ni5Mo3Si2(3RE60)，00Cr22Ni5Mo3N低N钢(S31803；N元素的含量0.08％～0.20％，一般按0.10％控制)。而国内与国外钢铁工业在整体质量和技术方面(尤其是对于高等级不锈钢)相比，仍有一定的差距。国产高等级双相不锈钢钢管在能源、化工重大工程领域的应用基本处于空白或跟进状态。
随着全国能源总量需求的不断增加，资源结构分布不合理的矛盾日趋突出，多项国家级能源(例如西气东输、西电东送等)重大工程建设需要使用大量高质量的不锈钢材料(如：中国石油天然气集团公司在新疆库尔勒举行“西气东输”地面建设项目非标设备用00Cr22Ni5Mo3N高N双相不锈钢无缝钢管)。使用条件苛刻(氯离子≥100677mg/L)的00Cr22Ni5Mo3N高N钢(水平相当于SAF2205；N元素的含量0.15％～0.30％，一般按0.20％控制)，由于N含量较高，在N元素的强化作用下，其屈服强度比一般双相不锈钢更高，屈服强度要超过500Mpa(随着冷加工过程中变形量的增加，其屈服强度将超过1000Mpa)，故加工性能较差(无论是热加工，还是冷加工)，这是现在国内以生产奥氏体不锈钢无缝钢管为主的冷变形钢管生产设备、工模具、工艺技术所不及的，国内无批量应用的成功先例(实际制管生产中，成材率极低，主要报废原因是：穿孔管有表面裂纹和粘钢、头尾开裂等缺陷；冷拔时的断头、拉毛和压坑；冷轧时的轧折、开裂。且实际制管生产中，冷轧管机的工模具损坏严重)。
【发明内容】
本发明开发一种00Cr22Ni5Mo3N高氮钢无缝钢管的制管工艺方法，通过热加工穿孔工序的加热制度、椭圆度控制，冷加工工序的成品钢管冷拔前道的特殊润滑控制，及冷轧工序冷轧管机的半圆孔型设计、成品轧制时芯棒变形区的控制，生产出规格、质量符合标准的成品00Cr22Ni5Mo3N高氮钢无缝钢管。
本发明提供的00Cr22Ni5Mo3N高氮钢无缝钢管的制管工艺方法，其特征在于：采用热加工穿孔工序+冷拔或冷轧的冷加工工序，将实心管坯加工成规格、质量符合标准的成品00Cr22Ni5Mo3N高氮钢无缝钢管。
第一，热加工穿孔工序，及后道的精整(平头、酸洗、润滑等)工序，将实心管坯加工成空心毛管(荒管)，技术要点是：
00Cr22Ni5Mo3N高氮钢实心管坯的加热温度为1100～1130℃，控制在1105～1125℃(00Cr22Ni5Mo3N高氮钢实心管坯加热温度低于1100℃，就会产生毛管头部裂纹，缩短顶头寿命，影响毛管的内表面质量。若高于1130℃，即会出现加长的毛管尾部裂纹和开裂，引起导板和轧辊的粘钢，影响毛管的外表面质量。奥氏体不锈钢管坯加热温度一般在1060～1130℃，一般双相不锈钢管坯加热温度一般在1080～1150℃。双相不锈钢的热塑性较差，是因为在热加工时奥氏体相和铁素体相的变形行为不同：铁素体钢变形时的主要软化过程是靠应变时动态恢复，即亚晶中位错移动；而奥氏体不锈钢变形时的主要软化过程是当应变高于临界值时的动态再结晶；由于两相的软化过程不同，热加工奥氏体-铁素体双相不锈钢中不均匀的应力和应变分布容易导致在相界的裂纹成核和扩展。)；
穿孔调整椭圆度控制在1.07～1.09(00Cr22Ni5Mo3N高氮钢管坯穿孔调整椭圆度小于1.07，对导板和轧辊的使用寿命极为不利；穿孔调整椭圆度大于1.09，由于材料的热塑性差，毛管将产生严重的外表面裂纹。奥氏体不锈钢管坯穿孔调整椭圆度1.1以上，一般双相不锈钢管坯穿孔调整椭圆度1.1左右。)；
其他按常规的奥氏体不锈钢管坯热加工穿孔工序执行；
经热加工穿孔工序生产出的空心毛管(荒管)，进后道处理；
后道的平头、酸洗、润滑等精整工序按常规的奥氏体不锈钢管生产工序执行。
第二，多道次的半成品冷拔或冷轧的冷加工工序，及必要的“去油、退火、矫直、精整(平头、酸洗、润滑等)”工序，将荒管加工成半成品钢管；一道次的成品冷拔或冷轧的冷加工工序，及必要的“去油、退火、矫直、精整(平头、酸洗、润滑等)”工序，将半成品钢管加工成成品钢管；技术要点是：
(1)冷加工冷拔工序，可分为无芯棒拔制和有芯棒拔制二种情况
(A)道次变形量20～30％，道次变形量就是一个冷加工道次管坯变形量的总和(对奥氏体不锈钢二言，冷拔工序的道次变形量30～40％。这是因为：奥氏体不锈钢的屈服强度是200～300Mpa，一般双相不锈钢的屈服强度是奥氏体不锈钢的二倍以上，达400Mpa左右；因N元素的强化作用，00Cr22Ni5Mo3N高N双相不锈钢比一般双相不锈钢更高，达500Mpa以上，随着冷加工过程中变形量的增加，其屈服强度将超过1000Mpa。另外，双相不锈钢冷变形硬化效应较大，尤其在变形初期不易屈服，而且在变形过程中回弹也大，相比奥氏体不锈钢应尽量采用较小的变形量。)；
(B)无芯棒拔制(可用于较大规格的钢管半成品冷加工和较小规格的钢管成品冷加工，尤其适合于较小规格的钢管成品冷加工。由于道次变形量较小，生产周期长，一般较少用于较大规格的钢管半成品冷加工。由于钢管成品冷加工的变形量较小，且可避免有芯棒冷拔的芯棒断裂现象，经常用于钢管成品冷加工)生产成品钢管时，可以是“擦二道牛油石灰”，也可以是“擦一道牛油石灰+套模+拔制时涂石蜡”，防止管坯拉毛和压坑。“擦二道牛油石灰”是指：钢管成品冷加工前道的润滑工序中，管坯表面上一道牛油石灰后擦去，再上一道牛油石灰，再擦去(钢管成品冷加工后道的退火工序是在保护气氛下进行，管坯表面的牛油石灰不能在退火工序中去除，必须擦去；它是保证成品质量的最好方法。缺点是工序周期较长，生产成本较高)。“擦一道牛油石灰+套模+拔制时涂石蜡”是指：钢管成品冷加工前道的润滑工序中，管坯表面上一道牛油石灰后，擦去；成品冷拔时，在管坯表面涂上石蜡(增加管坯的加工润滑性)，并在成品模前面安置1个套模(延长管坯变形区的工作长度，在道次变形量不变的情况下，减小管坯的瞬间变形量)，提高钢管成品的产品质量(最合理方法。可以保证成品的基本质量，且生产工序周期较短，生产成本较低，节省时间和人力)。
(C)有芯棒拔制(可用于较大规格的钢管半成品冷加工，不适合较小规格的钢管成品冷加工。这是因为：用于冷加工的芯棒，头部较细，尾部较粗；当成品钢管规格较小时，如φ19×3.0mm钢管，芯棒头部最细处直径仅13mm，易损坏)时：钢管减壁量控制在0.5-0.75mm(若减壁量大于1mm或钢管内外壁润滑质量不好，即出现内毛和外毛甚至断头现象。常规奥氏体不锈钢钢管减壁量控制在1mm以上。)；同时，采用石灰润滑钢管的内外壁，保证钢管内外壁的润滑质量(钢管内外壁润滑质量良好，能够连续拔制合格的00Cr22Ni5Mo3N双相不锈钢钢管)；
(2)冷加工冷轧工序
(A)道次变形量≤60％(对奥氏体不锈钢二言，冷轧工序的一次变形量≤80％)；
(B)半圆孔型的冷轧管机(按冷加工冷轧孔型的形状，可分为半圆孔型和环孔型二种情况：如用于开坯的LG80冷轧管机，属半圆孔型；如用于定壁的SKW75、出成品的KPW50高速冷轧管机，系进口冷轧管机，属环孔型)的孔型设计是：孔型开口宽度B＝2×R+3～3.2mm，R是孔型半径(以轧制奥氏体不锈钢为主的半圆孔型，开口宽度B＝2×R+1～1.2mm，不适宜轧制大批量的双相不锈钢。00Cr22Ni5Mo3N高N双相不锈钢的屈服强度是奥氏体不锈钢的二倍以上，在冷轧时材料不易屈服，回弹也大，所需要的孔型的开口度也增加；轧制数吨双相不锈钢后会因孔型的开口不适而产生轧毛和轧折，故在孔型加工时增加孔型的开口1mm，增加到1.2mm以上时钢管轧制是会自由窜动，轧制过程无法控制，造成工模具提前损坏。)；
(C)较小规格的钢管成品冷轧(冷轧工序是有芯棒冷加工，用于冷轧工序的有圆棒形芯棒尾部较粗、头部较细，如φ38×3.75mm→冷轧φ19×3.0mm时，芯棒尾部直径30mm，头部直径仅13mm，易损坏。)时，轧制变形区域变形量的分布是：沿芯棒尾部到头部，瞬间变形量(道次变形量是芯棒各处瞬间变形量的总和，常规情况下，瞬间变形量呈均匀分布。)逐步减小(尽管这增加了轧制开始时的负荷，但这时承受大轧制力的芯棒尺寸较粗，能承受的冲击、轧制的交变应力能力也相应较大。)，使芯棒直径相对较细的部位，瞬间变形量相对较小，避免芯棒断裂、损坏(钢管冷轧时，若发生芯棒断裂损坏现象，不仅影响被加工钢管的产品质量，还要停机调换芯棒，影响正常生产。)；同时，轧制变形区域的芯棒直径≥15mm，也就是轧制变形区后移，换句话说，就是管坯减径减壁的变形区域在芯棒较粗的尾部、中部，较细的芯棒头部起管坯减径作用，以避免钢管冷轧时的芯棒断裂损坏(00Cr22Ni5Mo3N高N双相不锈钢冷轧时，考虑到双相不锈钢较奥氏体不锈钢变形抗力大得多，尽可能减少了变形量，但由于它的变形抗力大，回弹大，在原变形区应该完成均壁部分还在定壁，增加了这段芯棒原来只负责均壁作用的负荷，而这段芯棒就较细，不能承受附加的轧制力，出现了断芯棒现象，致使芯棒的使用寿命缩短)；
(3)其他按常规的奥氏体不锈钢管冷加工工序执行；
(4)其他的冷加工后道工序，包括去油、退火、矫直及平头、酸洗、润滑等精整工序，按常规的奥氏体不锈钢管生产工序执行(如常规的钢管冷加工后道的润滑工序是：“上一道牛油石灰”，也就是管坯表面上一道牛油石灰，并视管坯表面质量，可以不擦去管坯表面的牛油石灰。因为钢管半成品冷加工后道的退火工序是在氧化性气氛下进行，可去除大部分的牛油石灰，即使管坯表面存在少部分的牛油石灰，不影响下一道次的半成品冷加工。节约工序时间。)。
与现有技术相比，本发明具有下列优点：
1.工艺计合理，可操作性强；
2.环孔型的冷轧管机，芯棒使用牢固，使用寿命长；
3.00Cr22Ni5Mo3N高N双相不锈钢无缝钢管，质量稳定；
4.制管成材率高，生产成本低。
具体实施方案：
某钢铁公司钢管厂实施本发明专利，采用热加工穿孔工序+冷拔或冷轧的冷加工工序，将22炉(350吨)实心管坯(φ80～100mm)加工成243吨规格(成品规格φ19～35mm)、质量符合标准的成品00Cr22Ni5Mo3N高氮钢无缝钢管，以φ80mm实心管坯加工成φ19×3.0mm的成品00Cr22Ni5Mo3N高氮钢无缝钢管为例：第一，热加工穿孔及后道的精整工序，先将φ80mm实心管坯剥皮成为φ78mm管坯，再将φ78mm实心管坯加工成φ80×6.5mm的空心毛管(荒管)；第二，多道次的冷拔或冷轧的冷加工及必要的“去油、退火、矫直、精整”工序，将荒管加工成规格、质量符合标准的φ19×3.0mm成品钢管：冷加工工艺一，毛管φ80×6.5mm→冷轧φ57×4mm→冷轧φ25×2.9mm→冷拔(无芯棒)φ19×3.0mm；冷加工工艺二，毛管φ80×6.5mm→冷拔(有芯棒)φ71×5.75mm→冷拔(有芯棒)φ63×5.0mm→冷拔(有芯棒)φ57×4.25mm→冷轧φ25×2.9mm→冷拔(无芯棒)φ19×3.0mm；冷加工工艺三，毛管φ80×6.5mm→冷轧φ57×4.75mm→冷轧φ38×3.75mm→冷轧φ19×3.0mm。技术要点是：
第一，热加工穿孔工序，及后道的精整(平头、酸洗、润滑等)工序，将φ78mm管坯加工成φ80×6.5mm空心毛管(荒管)：(1)00Cr22Ni5Mo3N高氮钢实心管坯的加热温度为1100～1130℃，控制在1105～1125℃；(2)穿孔调整椭圆度控制在1.07～1.09；(3)其他按常规的奥氏体不锈钢管坯热加工穿孔工序执行；(4)经热加工穿孔工序生产出的空心毛管(荒管)，进后道处理；(5)后道的平头、酸洗、润滑等精整工序按常规的奥氏体不锈钢管生产工序执行。
第二，多道次的冷拔或冷轧的冷加工工序，及必要的“去油、退火、矫直、精整(平头、酸洗、润滑等)”工序，将荒管加工成成品钢管：
(1)冷加工冷拔(φ25×2.9mm→冷拔φ19×3.0mm；φ80×6.5mm→冷拔φ71×5.75mm→冷拔φ63×5.0mm→冷拔φ57×4.25mm；)工序：(A)道次变形量20～30％；(B)无芯棒拔制(钢管成品冷加工φ25×2.9mm→冷拔φ19×3.0mm)时：可以是“擦二道牛油石灰”，也可以是“擦一道牛油石灰+套模+拔制时涂石蜡”；(C)有芯棒拔制(φ80×6.5mm→冷拔φ71×5.75mm→冷拔φ63×5.0mm→冷拔φ57×4.25mm)时：钢管减壁量控制在0.5～0.75mm，采用石灰润滑钢管的内外壁；后道的润滑工序是常规工艺：“上一道牛油石灰”，也就是管坯表面上一道牛油石灰，并视管坯表面质量，可以不擦去管坯表面的牛油石灰；
(2)冷加工冷轧工序(φ80×6.5mm→冷轧φ57×4mm→冷轧φ25×2.9mm；φ57×4.25mm→冷轧φ25×2.9mm；φ80×6.5mm→冷轧φ57×4.75mm→冷轧φ38×3.75mm→冷轧φ19×3.0mm)：(A)道次变形量≤60％；(B)半圆孔型的冷轧管机(用于φ80×6.5mm→冷轧φ57×4mm开坯的LG80冷轧管机，)的孔型设计是：孔型开口宽度B＝2×R+3～3.2mm；(C)较小规格的钢管成品冷轧(φ38×3.75mm→冷轧φ19×3.0mm；用于定壁的SKW75、出成品的KPW50环孔型高速进口冷轧管机)时，轧制变形区域变形量的分布是：沿芯棒尾部到头部，瞬间变形量逐步减小；同时，轧制变形区域的芯棒直径≥15mm，也就是轧制变形区后移，换句话说，就是管坯减径减壁的变形区域在芯棒较粗的尾部、中部，较细的芯棒头部起管坯减径(收径)作用，以避免钢管冷轧时的芯棒断裂损坏；
(3)其他按常规的奥氏体不锈钢管冷加工工序执行；
(4)其他的冷加工后道工序，包括去油、退火、矫直及平头、酸洗、润滑等精整工序，按常规的奥氏体不锈钢管生产工序执行。
本发明工艺合理，可操作性强，环孔型冷轧管机的芯棒使用牢固(使用寿命长)，实施本发明方法生产的00Cr22Ni5Mo3N高N双相不锈钢无缝钢管，质量稳定；制管成材率大幅度提高，高达56.79％，生产成本低，开发的高等级双相不锈钢无缝钢管，打破了重大工程项目长期依赖进口的局面，具有明显的经济效益和社会效益。