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中頻爐-感應加熱技術在鋼管熱處理工藝中的應用

2025年06月03日 09:52:08 來源：陜西海山機電有限公司 >> 進入該公司展臺閱讀量：13

前言

利用中頻電流的電磁感應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)達國家已經屬于一種成熟的工藝技術，并且在石油專用管的制造領域得到了廣泛的應用。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鋼管熱處理生產線。感應加熱以電作為能源，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，所以也是國內外政府鼓勵發(fā)展的環(huán)保型工藝技術開發(fā)項目。同時，采用感應加熱技術對鋼管進行淬火、回火或正火，升溫速度快，效率高，生產組織靈活方便，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。

感應加熱技術在我國應用于、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先開始使用中頻加熱技術，對45MoMnB、35CrMo、40Cr、40Mn2Mo和45#鋼管進行調質處理；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。

國內某石油專用管制造有限公司為生產高品質油井管并開發(fā)油井管的新產品，與陜西海山機電有限公司，在消化吸收國外鋼管感應加熱技術的基礎上，雙方經過不斷摸索、不斷改進，研制開發(fā)出國產化的油井管中頻感應熱處理生產線。目前已經有兩條線先后投入正常生產。其中條生產線經過一年多的試生產和生產，先后加工了Ф60.3mm、Ф73.0mm、Ф88.9mm等規(guī)格的加厚和不加厚油管，調質出了N80、L80、C95和P110等鋼級的油井管產品，并通過了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會5CT標準的油井管產品。在此同時，生產線進行了Ф88.9× 9.19㎜鉆桿的熱處理工藝試驗。隨后建設的第二條生產線也于2007年10月進入試生產階段，目前已經批量加工出Ф60.3mm、Ф73.0mm、 Ф88.9mm、Ф114.3mm、Ф139.7mm規(guī)格，N80、L80、P110的油管和套管。油井管感應熱處理的鋼種包括碳錳鋼系列與合金鋼系列。

實踐證明，采用中頻感應加熱技術進行鋼管的熱處理，不僅環(huán)境污染小、生產效率高，而且成本可以達到與燃氣加熱相當的水平；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的條油井管中頻熱處理生產線。

1、鋼管感應熱處理生產線的產品大綱及技術要求：

1.1、生產能力：熱處理6萬噸（12噸/h）油管、套管或鉆桿；

1.2、產品規(guī)格：

其中：

平式或加厚油管

Ф60.3×4.83mm 5000噸

Ф73.0×5.51mm 10000噸

Ф88.9×6.45mm 10000噸

套管

Ф114.3×6.35～8.56mm 5000噸

Ф139.7×6.20～10.54mm 20000噸

鉆桿

Ф73.0×9.19mm 2000噸

Ф88.9×9.35mm 3000噸

Ф127.0×9.19mm 5000噸

1.3、被處理鋼管幾何尺寸:

管體外徑： Ф60.3×Ф139.7mm

油管和鉆桿加厚端外徑： Ф65.89×Ф149.23mm（加厚端壁厚20.30mm）

管體壁厚： 4.83×10.54mm

長度： 8～12.5mm

單根鋼管重量：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

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，同時具有管內吹水功能，保證管子進回火爐時管內無水；

1.9、其它要求：鋼管回火后應當進行高壓水除鱗。

2、工藝概述

鋼管感應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API 5 CT標準對油井管的調質要求，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。待生產線各工作崗位進入正常工作狀態(tài)時，感應器通電待料，變頻送料機開始旋轉，手動操作步進上料機工作，把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，變頻送料機以設定的速度向前送料，變頻送料機為單輥傳動，速度、高度可調，輥型為專門設計傾斜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功能，其中感應加熱線圈之間送料輥和進出口的送料輥材質為耐熱鋼，并裝有旋轉密封內水冷卻裝置，冷卻送料輥并使送料輥外表面干燥，便于油管連續(xù)加熱，其余送料輥材質為耐磨鋼。油管經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線圈組成淬火感應加熱區(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)，自動調節(jié)中頻電源的輸出功率，組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，從而調整鋼管加熱溫度使之控制在允許的誤差范圍內。

加熱好的鋼管進入噴淋淬火區(qū)，由于工件材質為含碳量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。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，以實現淬火馬氏體的組織轉變。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，保證使鋼管表面產生的蒸汽膜破壞，使鋼管迅速達到馬氏體轉變溫度，全部轉變?yōu)榇慊瘃R氏體，不會產生淬火屈氏體，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中，所以淬火介質必須經過沉淀池粗濾、磁性吸濾、網過濾等多級處理，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除水段經氣動翻料機把管子抬放在傾斜臺上，經5分鐘以上的瀝水后再經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加熱區(qū)，回火加熱溫度范圍一般為600℃～750℃。中頻感應加熱電源為一套1900kW和一套900kW由多組感應線圈組成的回火感應加熱區(qū)。在個感應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，負責把信號反饋到中頻電源，自動調節(jié)中頻電源的輸出功率，以組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。經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，經過除鱗得鋼管，通過回火區(qū)的感應器后，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、設備基本構成

3.1、上料部分：

由以下設備組成：上料臺架---- 翻料機構 --- 縱向旋轉送料輥道 ---- 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個感應線圈，設計功率2500kW，設計頻率300HZ，保溫區(qū)有8個感應線圈，設計功率2500kW，設計頻率1000HZ。

3.3、淬火裝置：兩個封閉噴淋淬火裝置，裝有數百只噴嘴，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。對于感應加熱淬火來說，與燃氣加熱淬火的不同之處，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個感應線圈，設計功率1500kW，設計頻率200HZ，

保溫區(qū)有7個感應線圈，設計功率1500kW，設計頻率1000HZ。

淬火和回火感應線圈的長度：1254mm

3.5、其它設備構成：

斜輥輪間隔距離1500mm。

輥道速度可變頻調節(jié)，頻率調節(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

、二次調試情況：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㎜；生產節(jié)奏：60秒/支；試驗數量：30支；取樣6支，機械性能如下：

淬火		回火		σs（MPa）	σb（MPa）	δ（％）
加熱區(qū)溫度（℃）	保溫區(qū)溫度（℃）	加熱區(qū)溫度（℃）	保溫區(qū)溫度（℃）	σs（MPa）	σb（MPa）	δ（％）
730	910	530	730	547	675	26
730	930	530	730	570	705	26
726	850		720	625	735	26
734	880		630	755	929	16
742	880		730	545	680	25
739	870		730	557	675	24

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

淬火		回火		σs（MPa）	σb（MPa）	δ（％）
加熱區(qū)溫度（℃）	保溫區(qū)溫度（℃）	加熱區(qū)溫度（℃）	保溫區(qū)溫度（℃）	σs（MPa）	σb（MPa）	δ（％）
740	850		730	505	655	27
737	910		730	605	740	30
740	902		730	590	755	30
737	885		720	615	745	18
733	850		700	615	735	22
740	860		720	600	710	23
735	870		712	595	695	24
744	880		716	625	724	26
735	880		735	570	685	22
734	910		724	645	765	28
737	910		735	575	705	19
740	900		727	582	683	24
728	880		725	620	715	24
740	875		730	598	690	24

以上五次試驗所用鋼管規(guī)格均為Ф60.3×4.83mm，生產節(jié)奏均為60秒/支；同時還進行了Ф73×5.51mm（6支）的調質試驗，平直度、表面氧化皮情況較Ф60.3的要好一些。

4.3、驗證性試驗
第6次試驗情況：改換產品規(guī)格進行試驗，以驗證生產線規(guī)格油管的熱處理效果。
規(guī)格：Ф88.9×6.45；生產節(jié)奏：60秒/支；總功率負載為4600kW、（3350（淬火）＋1250（回火））；試驗數量：10支；取樣4支，機械性能如下：

淬火		回火		σs（MPa）	σb（MPa）	δ（％）
加熱區(qū)溫度（℃）	保溫區(qū)溫度（℃）	加熱區(qū)溫度（℃）	保溫區(qū)溫度（℃）	σs（MPa）	σb（MPa）	δ（％）
720	850		710	595	720	29
724	840		720	540	670	25
720	850		645	750	830	20
730	856		630	785	875	19

4.4、鉆桿感應熱處理工藝性試驗
第7次試驗情況：為檢驗感應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：Ф88.9×9.19mm鉆桿、調質為G105鋼級

(1)．機械性能

序號	熱處理工藝	屈服強度σs (Mpa)	抗拉強度σb (Mpa)	伸長率δ(%)	AKV（J）				HRC
序號	熱處理工藝	屈服強度σs (Mpa)	抗拉強度σb (Mpa)	伸長率δ(%)	1	2	3		HRC
2430	950＋650℃	935	1010	20	60	62	62	5L	32～33
2431	950＋700℃	870	945	19	62	62	64	5L	29～30
2432	加厚端	硬度

(2)．加厚端硬度變化

加厚端硬度測試位置示意圖

離端面距 (mm)	6	12	21	30	40	50	60	70	80	90	100	110
HRC	35	35	30.5	31	34.5	33	33	31.5	33	29	31	35.5
離端面距 (mm)	117	124	130	145	152	160	169	178	187	196	204	214
HRC	35.5	32.5	33.5	32	31	32	33	29	30	32	29	32

由于加厚端壁厚與管體壁厚相差較大，加上感應加熱端部效應，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，使管子進入感應器時首尾相接。此后，我們相繼生產了幾千噸類似的鉆桿產品。

4.5、高鋼級油管的試驗及批量生產
在使用感應熱處理生產線相繼穩(wěn)定的加工出N80、L80的平式和加厚油管以后，根據公司的新產品開發(fā)計劃及生產安排，同時也在前階段取得經驗的基礎上，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。目前該生產線已經穩(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。我們建設的第二條感應熱處理線，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 Ф60.3～Ф139.mm的油管和套管，處理后的鋼級與條線相同。

5、試驗與生產中出現的問題及解決辦法
5．1、由于在手工上料狀態(tài)下，不能保證鋼管連續(xù)進入感應器時能夠首尾相連，容易造成鋼管感應加熱時功率分配不均，導致鋼管溫度變化較大（≥30℃）；調整到自動控制后才能保證鋼管首尾相連，加熱均勻，因此應盡可能避免手工上料。

5.2、輥道、感應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象，輥道需要經常調整校準對中。

5.3、淬火用的濁環(huán)水一定要進行沉淀、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)的感應器時，必須首尾相接，避免出現“端部效應”，以免影響鋼管熱處理的性能指標。

6、結論

6.1、使用中頻電感應加熱方法對鋼管進行熱處理的工藝技術是可行的。雖然此工藝技術在美國等發(fā)達國家已屬成熟技術，但是在國內，我公司與蘇州振吳電爐有限公司合作研制的設備尚屬套，此技術的整體開發(fā)和應用也屬。

6.2、將屬碳錳鋼系列的30Mn2鋼經中頻感應熱處理，調質成L80或P110鋼級是可以實現的，調整其工藝參數就可以得到所需要的性能指標。

6.3、中頻感應熱處理過程中，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、電磁感應加熱的機理和回火“零保溫”的機理尚需進一步研究。

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