Во-первых, стандарты производства бесшовных стальных труб:
1. Требования к качеству бесшовных стальных труб.
① Химический состав стали: Химический состав стали является наиболее важным фактором, влияющим на характеристики бесшовных стальных труб. Он также является основной основой для разработки технологических параметров прокатки труб и термообработки стальных труб. В стандартах на бесшовные стальные трубы, в зависимости от различных областей применения, выдвигаются соответствующие требования к выплавке стали и методам изготовления заготовок труб, а также устанавливаются строгие правила в отношении химического состава. В частности, предъявляются требования к содержанию определенных вредных химических элементов (мышьяк, олово, сурьма, свинец, висмут) и газов (азот, водород, кислород и др.). Для повышения однородности химического состава стали и ее чистоты, уменьшения количества неметаллических включений в заготовках труб и улучшения их распределения, часто используется рафинировочное оборудование вне печи для рафинирования расплавленной стали, а для переплавки и рафинирования заготовок труб даже используются электрошлаковые печи.
② Точность геометрических размеров и наружного диаметра стальной трубы: точность наружного диаметра стальной трубы, толщина стенки, овальность, длина, кривизна стальной трубы, угол среза торцевой поверхности стальной трубы, угол канавки на торцевой поверхности стальной трубы и затупление кромки, поперечные размеры стальных труб нестандартной формы.
А. Точность наружного диаметра стальных труб: Точность наружного диаметра бесшовных стальных труб зависит от метода калибровки (уменьшения) диаметра (включая уменьшение натяжением), работы оборудования, технологической системы и т. д. Точность наружного диаметра также связана с точностью обработки отверстий калибровочным (уменьшетельным) станком, а также с распределением деформации и регулировкой каждой рамы. Точность наружного диаметра холоднокатаных (прокатных) бесшовных стальных труб связана с точностью штамповки или обработки отверстий.
B. Толщина стенки: Точность толщины стенки бесшовных стальных труб зависит от качества нагрева заготовки, параметров проектирования процесса и параметров регулировки каждого процесса деформации, качества инструмента и качества его смазки. Неравномерное распределение толщины стенки стальной трубы проявляется в неравномерной толщине поперечной стенки и неравномерной толщине продольной стенки.
③ Качество поверхности стальных труб: Стандарт устанавливает требования к «чистоте поверхности» стальных труб. Однако в процессе производства в стальных трубах может возникать до 10 видов дефектов поверхности по различным причинам. К ним относятся поверхностные трещины, микротрещины, внутренние и внешние складки, проколы, внутренние и внешние прямые участки, расслоение, рубцы, ямки, выпуклости, точечная коррозия, царапины, внутренние и внешние спиральные дефекты, синие линии, выпрямление, следы от прокатки и т.д. Основные причины этих дефектов связаны с дефектами поверхности или внутренними дефектами заготовки трубы. С другой стороны, они возникают в процессе производства, то есть, если параметры процесса прокатки спроектированы неоптимально, поверхность инструмента (формы) не гладкая, условия смазки неудовлетворительные, конструкция и регулировка отверстий неоптимальны и т.д., это может привести к проблемам с качеством поверхности стальной трубы; Или, если заготовка трубы (стальная труба) нагревается, прокатывается, подвергается термообработке и выпрямлению, и температура нагрева контролируется неправильно, деформация неравномерна, скорость нагрева и охлаждения необоснованна, или деформация при выпрямлении слишком велика, это также может привести к образованию поверхностных трещин в стальной трубе.
④ Физические и химические свойства стальных труб: Физические и химические свойства стальных труб включают механические свойства при комнатной температуре, механические свойства при определенной температуре (термическая прочность или низкотемпературные характеристики) и коррозионную стойкость (устойчивость к окислению, водоотталкивающие свойства, кислото- и щелочестойкость и т. д.). В целом, физические и химические свойства стальных труб в основном зависят от химического состава, организационной структуры, чистоты стали и метода термообработки. Конечно, в некоторых случаях температура прокатки и система деформации стальных труб также влияют на их характеристики.
⑤ Технологические характеристики стальных труб: Технологические характеристики стальных труб включают в себя сплющивание, развальцовку, изгиб, гибку, вытягивание колец и сварку стальных труб.
⑥ Металлографическая структура стальных труб: Металлографическая структура стальных труб включает в себя структуры стальных труб при малом и большом увеличении.
⑦ Особые требования к стальным трубам: особые условия, установленные заказчиками.
Во-вторых, проблемы качества в процессе производства бесшовных стальных труб – дефекты качества трубных заготовок и их предотвращение.
1. Дефекты качества трубных заготовок и их предотвращение: В производстве бесшовных стальных труб в качестве трубных заготовок могут использоваться заготовки непрерывного литья, прокатанные (кованые) заготовки, заготовки круглых полых труб, полученные центробежным литьем, или непосредственно стальные слитки. В реальном производственном процессе в основном используются заготовки непрерывного литья из-за их низкой стоимости и хорошего качества поверхности.
1.1 Дефекты внешнего вида, формы и качества поверхности трубных заготовок
1.1.1 Дефекты формы и внешнего вида: Для круглых трубных заготовок дефекты формы и внешнего вида в основном включают диаметр и овальность заготовок, допуск на фаску торцевой поверхности и т. д. Для стальных слитков дефекты формы и внешнего вида в основном включают неправильную форму стального слитка из-за износа литейной формы и т. д.
① Диаметр и овальность круглой трубной заготовки выходят за пределы допустимых отклонений: На практике обычно считается, что при пробивке трубной заготовки величина коэффициента снижения давления перед пробивной головкой пропорциональна степени внутреннего изгиба пробитой заготовки. Чем больше коэффициент снижения давления головкой, тем выше вероятность преждевременного образования полости в трубной заготовке и тем больше вероятность образования трещин на внутренней поверхности заготовки. В обычном производстве параметры типа отверстия пробивного станка определяются в соответствии с номинальным диаметром трубной заготовки, а также наружным диаметром и толщиной стенки заготовки. При регулировке типа отверстия, если наружный диаметр трубной заготовки превышает допустимое отклонение, коэффициент снижения давления перед головкой увеличивается, и в пробитой заготовке образуется дефект в виде внутреннего изгиба; Если внешний диаметр заготовки трубы слишком отрицательный, скорость снижения давления перед головкой уменьшается, и первая точка захвата заготовки смещается к горловине, что затрудняет процесс пробивки. Выход овальности за пределы допуска: при неравномерной овальности заготовки она нестабильно вращается после попадания в зону деформации при пробивке, и ролики царапают поверхность заготовки, что приводит к дефектам поверхности заготовки трубы.
② Фаска торца круглой трубной заготовки выходит за пределы допуска: толщина стенки переднего торца пробитой заготовки трубы неравномерна. Основная причина заключается в том, что когда в трубной заготовке отсутствует центрирующее отверстие, пробка соприкасается с торцом заготовки в процессе пробивки. Из-за большого уклона на торце заготовки носик пробки с трудом центрируется относительно центра заготовки, что приводит к неравномерной толщине стенки шероховатой торцевой поверхности трубы.
1.1.2 Дефекты качества поверхности (круглые трубные заготовки непрерывного литья): Поверхностные трещины трубной заготовки: продольные трещины, поперечные трещины и трещины сетки. Причины образования продольных трещин:
А. Смещение потока, вызванное несовпадением сопла и кристаллизатора, приводит к эрозии затвердевшей оболочки трубной заготовки;
В. Плавкие свойства защитного шлака плохие, а слой жидкого шлака слишком толстый или слишком тонкий, что приводит к неравномерной толщине шлаковой пленки и, следовательно, к слишком тонкой локальной оболочке заготовок трубы.
C. Колебания уровня кристаллизационной жидкости (при колебаниях уровня жидкости ±10 мм частота образования трещин составляет около 30%);
D. Содержание P и S в стали. (P > 0,017%, S > 0,027%, тенденция к увеличению продольных трещин);
Е. Когда содержание углерода в стали составляет 0,12%-0,17%, продольные трещины имеют тенденцию к увеличению.
Профилактические меры: А. Обеспечьте выравнивание сопла и кристаллизатора; Б. Уровень кристаллизационной жидкости должен быть стабильным; В. Используйте подходящий кристаллизационный конус; Г. Выберите защитный шлак с отличными характеристиками; Д. Используйте кристаллизатор с горячей верхней частью.
Причины поперечных трещин: А. Основная причина поперечных трещин — слишком глубокие следы вибрации; Б. Причиной является увеличение содержания ниобия и алюминия в стали; В. Трубная заготовка выпрямляется при температуре 900-700℃; Г. Интенсивность вторичного охлаждения слишком высока.
Профилактические меры:
А. В кристаллизаторе используется высокая частота и малая амплитуда колебаний для уменьшения глубины следов вибрации на внутренней поверхности дуги заготовки;
B. Во вторичной зоне охлаждения используется стабильная система слабого охлаждения, обеспечивающая поддержание температуры поверхности выше 900 градусов в процессе выпрямления.
C. Поддерживайте стабильный уровень кристаллизационной жидкости;
D. Используйте защитный шлак с хорошими смазывающими свойствами и низкой вязкостью.
Причины образования трещин в поверхностной сети:
А. Высокотемпературный слиток поглощает медь из кристаллизатора, медь переходит в жидкое состояние и затем просачивается вдоль границ зерен аустенита;
В. Остаточные элементы в стали (такие как медь, олово и т. д.) остаются на поверхности трубы и просачиваются вдоль границ зерен;
Профилактические меры:
А. Хромирование поверхности кристаллизатора для повышения твердости поверхности;
Б. Используйте соответствующий объем вторичной охлаждающей воды;
C. Контроль остаточных элементов в стали.
D. Контролируйте значение Mn/S, чтобы обеспечить Mn/S > 40. Принято считать, что если глубина поверхностных трещин трубы не превышает 0,5 мм, то трещины окисляются в процессе нагрева и не вызывают образования трещин на поверхности стальной трубы. Однако, поскольку поверхностные трещины трубы сильно окисляются в процессе нагрева, после прокатки они часто сопровождаются частицами окисления и обезуглероживанием.
Образование рубцов и толстого слоя на поверхности трубы: слишком низкая температура расплавленной стали, слишком высокая вязкость расплавленной стали, засорение сопла, отклонение потока впрыска и т. д. Из-за образования рубцов и толстого слоя на поверхности заготовки трубы, деформация стальной трубы отличается от дефектов рубцов и складок шероховатой трубы, образующихся при прокатке. Она характеризуется очень выраженными признаками окисления, сопровождается наличием частиц окисления и сильным обезуглероживанием, а в местах дефектов присутствует оксид железа.
Поры в трубной заготовке: Как правило, на поверхности трубной заготовки образуются небольшие поры из-за разрыва подкожных пузырьков во время литья расплавленной стали. После прокатки трубной заготовки на поверхности стальной трубы образуются мелкие взвешенные частицы.
Причины образования ямок и борозд на трубной заготовке: с одной стороны, они могут образовываться в процессе кристаллизации заготовки, что связано с большим конусом кристаллизатора или неравномерным охлаждением вторичной зоны охлаждения; с другой стороны, они могут быть вызваны механическими повреждениями или царапинами на поверхности трубной заготовки до ее полного охлаждения. Складки или рубцы (ямки) и крупные складки (бороздки) образуются на поверхности шероховатой трубы после перфорации.
Дефекты поверхности трубных заготовок (так называемые «ушки») возникают главным образом из-за незаполнения зазора между валками (правильным валком непрерывного литья и прокатным валком прокатного стана). При выпрямлении или прокатке заготовки на правильный или прокатный валок оказывается слишком большое давление, или же зазор между валками слишком мал. Это приводит к попаданию слишком большого количества металла в зазор. После перфорации на шероховатой поверхности трубы образуются спиральные складки. Независимо от типа дефекта поверхности заготовки, в процессе прокатки стальной трубы могут образовываться дефекты. В тяжелых случаях прокатанная стальная труба будет забракована. Поэтому необходимо усилить контроль качества поверхности заготовок и устранить дефекты. В производство трубной прокатки допускаются только заготовки, соответствующие стандартным требованиям.
1.2 Низкоэнергетические структурные дефекты трубных заготовок:
Визуально видимые подкожные пузырьки в трубных заготовках: Причинами их возникновения являются недостаточное раскисление расплавленной стали и содержание газов (особенно водорода) в расплавленной стали, что также является важной причиной образования подкожных пузырьков в трубных заготовках. Этот дефект образует летучую плёнку (без правил) на внешней поверхности стальной трубы после перфорации или прокатки. Форма напоминает «ногти». В тяжелых случаях она покрывает всю внешнюю поверхность стальной трубы. Этот тип дефекта невелик и неглубок, и может быть удален шлифованием.
Основная причина образования подкожных трещин в трубной заготовке заключается в том, что температура поверхностного слоя круглотрубной заготовки непрерывного литья многократно изменяется, что приводит к многократным фазовым переходам. Как правило, дефекты не образуются, а если и образуются, то это незначительные складки.
Трещины в центре и внутри трубных заготовок: Трещины в центре и внутри трубных заготовок непрерывного литья являются основными причинами изгиба бесшовных стальных труб внутрь. Причины образования трещин очень сложны и включают в себя воздействие теплопередачи при затвердении, проникновение и напряжение в заготовке, но, как правило, они обусловлены процессом затвердевания заготовки во вторичной зоне охлаждения.
Рыхлость и усадка трубных заготовок: в основном из-за эффекта развития зерна в заготовке в процессе затвердевания, движение жидкого металла происходит за счет сопротивления усадке, вызванного охлаждением в направлении затвердевания. Если заготовка для круглой трубы непрерывного литья имеет рыхлость и усадку, это не окажет существенного влияния на качество черновой трубы, полученной методом косой прокатки и перфорации.
1.3 Микроструктурные дефекты трубных заготовок: при большом увеличении или с помощью электронного микроскопа.
Когда состав и структура заготовки трубы неравномерны и происходит сильное расслоение, прокатанная стальная труба приобретает выраженную полосчатую структуру, что влияет на механические и коррозионные свойства трубы и делает ее эксплуатационные характеристики не соответствующими требованиям. Слишком высокое содержание включений в заготовке трубы не только влияет на эксплуатационные характеристики трубы, но и может привести к образованию трещин в трубе в процессе производства.
Факторы: вредные элементы в стали, сегрегация состава и структуры трубных заготовок, а также неметаллические включения в трубных заготовках.
2. Дефекты, возникающие при нагреве трубных заготовок.
При производстве горячекатаных бесшовных стальных труб, как правило, требуется два процесса нагрева от заготовки до готовой стальной трубы: нагрев заготовки перед перфорацией и повторный нагрев черновых труб после прокатки перед калибровкой. При производстве холоднокатаных стальных труб требуется промежуточный отжиг для устранения остаточных напряжений в стальных трубах. Хотя цель каждого нагрева различна, и нагревательная печь может быть разной, если параметры процесса и контроль нагрева на каждом этапе ненадлежащим образом настроены, в заготовках (стальных трубах) могут возникать дефекты нагрева, что повлияет на качество стальных труб. Цель нагрева заготовки перед перфорацией заключается в улучшении пластичности стали, снижении сопротивления деформации стали и обеспечении хорошей металлографической структуры прокатанных труб. Используются кольцевые нагревательные печи, печи с шагающей балкой, печи с наклонным дном и печи с дном вагона. Цель повторного нагрева черновых труб перед калибровкой заключается в повышении и равномерном распределении температуры черновых труб, улучшении пластичности, контроле металлографической структуры и обеспечении механических свойств стальных труб. К основным типам нагревательных печей относятся печи с шагающим валом, печи с непрерывным валковым подогревом, печи с наклонным дном и электроиндукционные печи. Целью термообработки стальных труб в процессе холодной прокатки является устранение явления упрочнения, вызванного холодной обработкой стальных труб, снижение сопротивления деформации стали и создание условий для дальнейшей обработки стальных труб. К основным типам нагревательных печей, используемых для термообработки, относятся печи с шагающим валом, печи с непрерывным валковым подогревом и печи с валковым подогревом.
① К распространенным дефектам нагрева трубных заготовок относятся: неравномерный нагрев трубной заготовки (стальной трубы) (обычно называемый поверхностью инь и ян), окисление, обезуглероживание, трещины от нагрева, перегрев и перегорание.
② Основными факторами, влияющими на качество нагрева трубной заготовки, являются температура нагрева, скорость нагрева, время нагрева и выдержки, а также атмосфера в печи.
③ Температура нагрева трубной заготовки: в основном проявляется в виде слишком низкой или слишком высокой температуры, а также неравномерного нагрева. Если температура слишком низкая, это увеличивает сопротивление деформации стали и снижает пластичность. Особенно, если температура нагрева не обеспечивает полного преобразования металлографической структуры стали в аустенитные зерна, возрастает склонность к образованию трещин в трубной заготовке во время горячей прокатки. При слишком высокой температуре поверхность трубной заготовки подвергается сильному окислению, обезуглероживанию и даже перегреву или перегоранию.
④ Скорость нагрева трубной заготовки: Скорость нагрева трубной заготовки тесно связана с образованием трещин. При слишком высокой скорости нагрева трубная заготовка склонна к образованию трещин. Основная причина: при повышении температуры поверхности трубной заготовки возникает разница температур между металлом внутри заготовки и металлом на поверхности, что приводит к неравномерному тепловому расширению металла и термическим напряжениям. Как только это термическое напряжение превышает напряжение разрушения материала, возникают трещины; трещины могут образовываться на поверхности или внутри заготовки. При перфорации трубной заготовки с трещинами легко образуются трещины или складки на внутренней и внешней поверхностях шероховатой трубы. Профилактика: Когда трубная заготовка после поступления в печь еще имеет низкую температуру, используется более низкая скорость нагрева. По мере повышения температуры трубной заготовки скорость нагрева можно соответственно увеличивать.
Время нагрева и выдержки трубной заготовки: Длительность нагрева и выдержки трубной заготовки связана с дефектами нагрева (окисление поверхности, обезуглероживание, крупнозернистая структура, перегрев или даже перегорание и т. д.). В целом, чем дольше трубная заготовка нагревается при высоких температурах, тем выше вероятность сильного окисления поверхности, обезуглероживания, перегрева или даже перегорания, что в тяжелых случаях может привести к браку стальной трубы. Профилактические меры: А. Обеспечить равномерный нагрев трубной заготовки и полное превращение ее в аустенитную структуру; Б. Карбиды должны растворяться в зернах аустенита; В. Зерна аустенита не должны быть крупными, и не должно появляться смешанных кристаллов; Г. Трубная заготовка не должна перегреваться или перегорать после нагрева.
Вкратце, для улучшения качества нагрева трубной заготовки и предотвращения дефектов нагрева, при разработке параметров процесса нагрева трубной заготовки обычно соблюдаются следующие требования: А. Точная температура нагрева, обеспечивающая проведение процесса перфорации в температурном диапазоне с оптимальной проницаемостью трубной заготовки; Б. Равномерная температура нагрева, при этом разница температур нагрева трубной заготовки в продольном и поперечном направлениях не должна превышать ±10 °C; В. Минимальное выгорание металла, предотвращающее переокисление, образование поверхностных трещин, слипание и т. д. во время процесса нагрева; Г. Разумная система нагрева, температура нагрева, скорость нагрева и время нагрева (время выдержки) должны быть оптимально подобраны, чтобы предотвратить перегрев или даже перегорание трубной заготовки.
Дата публикации: 17 января 2025 г.