一种能避免圆形钢管制管过程中出现卷管不圆缺陷的方法

技术领域

本发明属于钢铁冶金技术领域，特别涉及一种能避免圆形钢管制管过程中出现卷管不圆缺陷的方法。

背景技术

目前国内拥有宽带线约60条，总产能约2亿吨，其中作为焊接圆钢管原料的比例约占10％，圆形钢管产品主要应用在汽车工业、机械制造行业、建筑工程、钢结构、日用五金等领域。钢管的制造通常需经历将热轧钢带沿纵向裁剪成形→连续辊压成型→高频焊接→矫直→定尺切割等工序。此工序生产的钢管容易出现“卷管不圆”的缺陷，即生产出的钢管的横截面不是圆形，如圆管横截面中存在一些小平台或不标准弧形线，该类缺陷造成钢管尺寸精度不合格，故在应用时易出现无法与其他圆管相互嵌套或精密对接的问题。

通过研究发现，钢板母材的横向硬度不均匀是导致“卷管不圆”缺陷出现的原因，而横向硬度不均则是由热轧宽钢带的轧后冷却不均匀导致的。冷却不均的原因有：某些热轧宽带线的轧后冷却设备落后，冷却喷管的横向布置间距过大，正对冷却喷管处的钢板喷水量大而冷却强度大，易生成贝氏体、马氏体等硬相组织，冷却喷管间隙对应处的钢板喷水量小而冷却强度小，易生成铁素体、珠光体等软相组织，正对冷却喷管处部位钢材的强度会比冷却喷管间隙对应处部位钢材的强度高40～60Mpa；某些热轧宽带线的轧后冷却线过短(小于50m)，而钢带在轧后冷却段的运行速度却会达到2.5～10m/s，钢带的终轧温度一般为850℃以上，卷取温度一般为650℃以下，即5～20秒内需将热轧钢带从850℃以上冷却至650℃以下，轧后冷却的瞬时喷水量过大，钢材通过自身传热来均匀温度的时间过短，也易导致冷却不均匀现象的出现。横向硬度不均导致的“卷管不圆”可通过提高轧后冷却的均匀性得以解决，而轧后冷却设备的缺陷很难通过简单的设备改造得到解决，成本较高，且轧线改造还会占用轧线数月的正常生产时间，降低了轧线的产量。

为了应对圆管不圆的问题，制管厂通常将千斤顶设备伸入钢管内，利用千斤顶将钢管不圆处顶圆，但作业效率低下，并且用千斤顶顶后仍会存在一定程度的不圆度，影响钢管的正常使用甚至造成报废。

发明内容

针对以上存在的问题，本发明提供一种能避免圆形钢管制管过程中出现卷管不圆缺陷的方法，尤其适应于轧后冷却设备简陋或冷却线极短(小于50m)的热轧宽带线，通过钢材的化学成分调控和卷取温度的调控来减少钢材中贝氏体的生成，提高钢板横向硬度的均匀性，减少卷管不圆的发生，避免钢管不圆导致的产品精度不合格。

本发明提供的一种能避免圆形钢管制管过程中出现卷管不圆缺陷的方法，包括钢材的化学成分调控和热轧钢带的卷取温度调控，所述化学成分调控方式为降低钢材中的C、Mn含量，所述卷取温度调控方式为提高卷取温度。

1、化学成分调控

本发明涉及的圆管用钢的化学成分及质量分数为：C：0.04～0.25％，Si:0～0.30％,Mn：0.2～1.8％，Nb：0～0.07％，Ti：0～0.08％，其余为Fe和不可避免的杂质。

钢材化学成分中的碳、锰能提高钢的淬硬性，碳、锰含量高的钢材，淬透部位和未淬透部位的硬度差别大，冷却不均匀易导致钢材出现硬度不均匀，因此在钢种成分设计时将碳、锰元素成分的含量保持在较低值，以降低淬透部位和未淬透部位的硬度差别，碳、锰元素成分的质量分数应满足式①：

A＝95*(ω

式①中ω

需保持计算出的A值小于某一特定值，该特定值随轧后冷却线的冷却喷管横线间距和冷却线的长度而定，轧后冷却线的冷却喷管横线间距越小、冷却线的长度越长，则A值越大，轧后冷却线的冷却喷管横线间距越大、冷却线的长度越短，则A值越小。

所述淬透部位金相组织为贝氏体或马氏体。

所述未淬透部位金相组织为铁素体或铁素体+珠光体。

所述淬硬性为钢在淬火时的硬化能力。

所述轧后冷却线有效长度为第一组冷却喷管和最后一组冷却喷管之间的距离。

进一步的，在热轧宽带层流冷却线的冷却喷管横线间距为20～40mm、轧后冷却线有效长度为40～50m的情况下，A值需小于22。

进一步的，为了满足钢材的力学性能，还需添加Si、Nb、Ti元素。

优选的，在热轧宽带层流冷却线的冷却喷管横线间距为20～40mm、轧后冷却线有效长度为40～50m的情况下，以下表1的化学成分来生产钢种为Q355B、Q355C、Q420C、Q460C强度级别的钢材：

表1、圆管用钢的化学成分

进一步优选的，以下表2的化学成分来生产钢种为Q355B、Q355C、Q420C、Q460C强度级别的钢材：

表2、圆管用钢的化学成分

2、卷取温度调控

由于贝氏体组织的硬度和铁素体+珠光体组织的硬度之间差距较大，相同化学成分的贝氏体相钢材的强度会比铁素体+珠光体相钢材的强度高约100Mpa，钢材一旦发生贝氏体相变，钢材的硬度会急剧增加，为避免钢材横向上硬度出现大幅度波动，因此热轧钢带的终冷温度应高于贝氏体相变的温度，热轧钢带的终冷温度不能处于贝氏体相变温度和铁素体+珠光体相变温度的交叉区间内，防止由于终冷温度波动而导致的贝氏体相含量大幅度增加的现象。

所述热轧钢带的终冷温度为热轧钢带的卷取温度。

由于热轧钢带在轧后冷却过程中会经历急冷和回温均热这两个阶段，在急冷阶段时，单位时间内向钢材表面喷淋大量冷却水，造成钢材表面温度大幅度降低，而钢材内部温度降低却较少，在回温均热期，钢材内部的热量向钢材表面传递，钢材表面温度回升，钢材内部温度降低，钢材在厚度方向上的温度逐渐均匀，而卷取温度为钢材均热后的温度，因此在急冷阶段，钢材表面的温度是低于卷取温度的。为确保在轧后冷却急冷期钢材表面的温度仍然高于贝氏体相变温度，卷取温度需大大的高于贝氏体相变开始温度，因此规定“热轧钢带的卷取温度”高于“钢材的贝氏体相变开始温度”60～70℃，以确保钢材在轧后冷却过程中的最低点温度仍高于贝氏体相变开始温度，有利于生成全铁素体+珠光体形态的钢材组织，降低终冷温度低部位钢材和终冷温度高部位钢材的组织差异。

所述全铁素体+珠光体形态的钢材组织为铁素体+珠光体组织含量占钢材组织总含量的95％以上的钢材组织。

进一步的，热轧钢带的卷取温度为630～650℃。

本发明提供的一个或多个技术方案，至少具有以下技术效果：

1、本发明通过对热轧钢带化学成分进行特殊调控，降低C、Mn等能增加淬透性和淬硬性元素的含量，降低钢材淬透部位和未淬透部位的硬度差值，使得即使出现钢材在宽度方向上的冷却不均匀，也能使得钢材宽度方向上的硬度差值较小，有利于降低宽带钢在制作圆管时出现卷管不圆缺陷的发生率。

2、本发明通过对卷取温度进行特殊控制，采用较高的卷取温度进行卷取，使钢材生成较多的铁素体+珠光体组织，尽量不生成贝氏体、马氏体等硬性组织，从而使钢材硬度对终冷温度波动不敏感，冷却工艺的波动导致钢材硬度变化的幅度减小，有利于降低制管厂在使用宽带钢作为原材料制造圆管过程中出现“卷管不圆”缺陷的发生率。

3、本发明通过圆管用钢化学成分及卷取工艺的特殊设计，使热轧钢带的横向硬度差异减少，热轧卷板生产圆管时不易出现卷管不圆缺陷，能够降低产品缺陷率，从而达到提高制管厂的经济效益、节约资源的技术效果。

附图说明

图1为圆管制管过程中出现卷管不圆缺陷的示意图；

图2为由于热轧钢板横向硬度不均匀导致圆管制管过程中出现卷管不圆缺陷的示意图；

图3为实施例1和对比实施例1-1、1-2所生产出Q355B钢材的布氏硬度随钢材宽度的变化；

图4为实施例2和对比实施例2-1、2-2所生产出Q355C钢材的布氏硬度随钢材宽度的变化；

图5为实施例3和对比实施例3-1、3-2所生产出Q420C钢材的布氏硬度随钢材宽度的变化；

图6为实施例4和对比实施例4-1、4-2所生产出Q460C钢材的布氏硬度随钢材宽度的变化；

图7中(a)、(b)、(c)分别为实施例1和对比实施例1-1、1-2所生产出Q355B钢材的金相组织图；

图8中(a)、(b)、(c)分别为实施例2和对比实施例2-1、2-2所生产出Q355C钢材的金相组织图；

图9中(a)、(b)、(c)分别为实施例3和对比实施例3-1、3-2所生产出Q420C钢材的金相组织图；

图10中(a)、(b)、(c)分别为实施例4和对比实施例4-1、4-2所生产出Q460C钢材的金相组织图；

图11为实施例1中Q355B的CCT曲线；

图12为实施例2中Q355C的CCT曲线；

图13为实施例3中Q420C的CCT曲线；

图14为实施例4中Q460C的CCT曲线。

其中图11～14中的：

AC1为加热过程中，珠光体开始向奥氏体进行转变的温度；AC3为加热过程中，铁素体全部溶入奥氏体的温度；A→F代表的意义为奥氏体向铁素体转变，A→P代表的意义为奥氏体向珠光体转变；A→B代表的意义为奥氏体向贝氏体转变。

具体实施方式

以下配合说明书附图1-14以具体实施例的方式对一种能避免圆形钢管制管过程中出现卷管不圆缺陷的方法作进一步说明。

实施例：

1、化学成分调控：在热轧宽带层流冷却线的冷却喷管横线间距为30mm，轧后冷却线有效长度为50m、钢材宽度为1210mm的情况下，通过降低碳、锰成分的质量分数来降低钢材的横向硬度差异，对碳、锰元素成分的质量分数按照下式①进行计算，所得A值需小于22。

A＝95*(ω

式①中ω

为了满足钢种的力学性能，还需添加Si、Nb、Ti元素。

具体的，以表1的化学成分来生产钢种为Q355B、Q355C、Q420C、Q460C强度级别的钢材。

抽检以上钢种的化学成分含量，对以上钢种各抽检出1炉进行化学成分检测，检测结果如表3所示。

由下表3可看出，实施例1、2、3、4所生产的Q355B、Q355C、Q420C、Q460C强度级别的钢材由于采用了较低的C、Mn含量成分设计，钢材成分中能增加淬透性和淬硬性的元素含量较低，Q355B、Q355C、Q420C、Q460C系列钢种的A值均小于22，有利于降低宽带钢在制作圆管时出现卷管不圆缺陷的发生率。

表3、实施例和对比实施例所生产钢材的实际化学成分及卷取温度

2、卷取工艺：

在glebble热模拟试验机上检测Q355B、Q355C、Q420C、Q460C级别的低合金结构钢的CCT曲线，如图11～14所示，通过CCT曲线得出Q355B、Q355C、Q420C、Q460C级别的低合金结构钢的贝氏体相变开始温度为570～590℃。

因此将Q355B、Q355C、Q420C、Q460C级别的低合金结构钢的卷取温度设定为630～650℃。

具体的，Q355B、Q355C、Q420C、Q460C级别的低合金结构钢的卷取温度如表3所示。

3、力学性能检测

对以上实施例1、2、3、4的Q355B、Q355C、Q420C、Q460C钢种各抽检出1块钢材进行力学性能检测，力学性能检测结果如表4所示，其中Q355B所做冲击功时的检测温度为20℃，Q355C、Q420C、Q460C所做冲击功时的检测温度为0℃；钢材宽度为1210mm，在钢材宽度方向上每隔30mm取一个点检测钢材的布氏硬度(HB)，检测钢材宽度方向上的硬度变化，硬度检测结果如图3～6所示。

表4、实施例及对比实施例中钢材的力学性能

4、组织检测

对以上实施例1、2、3、4的Q355B、Q355C、Q420C、Q460C钢种各抽检出1块钢材进行组织检测，组织检测结果如本申请说明书附图7～10所示。

对比实施例

1、化学成分

在热轧宽带层流冷却线的冷却喷管横线间距为30mm，轧后冷却线有效长度为50m、钢带宽度为1210mm的情况下，在投产初期以下表5的化学成分来生产钢种为Q355B、Q355C、Q420C、Q460C强度级别的钢材:

表5、该产线投产初期所使用的生产圆管用钢的化学成分

对以上对比实施例1-1、1-2、2-1、2-2、3-1、3-2、4-1、4-2中的Q355B、Q355C、Q420C、Q460C钢种进行化学成分检测，具体的，对以上钢种各抽检出1炉进行化学成分检测，检测结果如表3所示。

2、卷取工艺：

该厂在投产初期过分追求轧后高强度冷却对钢材强度的贡献，采用较低的卷取温度来生产Q355B、Q355C、Q420C、Q460C系列钢种，对比实施例1-1、对比实施例1-2、对比实施例2-1、对比实施例2-2、对比实施例3-1、对比实施例3-2、对比实施例4-1、对比实施例4-2、卷取温度设定为600～620℃，具体如表3所示，由于卷取温度低，终冷温度较低部位钢材生成较多含量的贝氏体相组织，终冷部位较高部位钢材生成较少含量的贝氏体相组织，导致钢材横向硬度相差较大。

3、力学性能检测

对以上对比实施例1-1、1-2、2-1、2-2、3-1、3-2、4-1、4-2中的Q355B、Q355C、Q420C、Q460C钢种各抽检出1块钢材进行力学性能检测，力学性能检测结果如表4所示，其中Q355B所做冲击功时的检测温度为20℃，Q355C、Q420C、Q460C所做冲击功时的检测温度为0℃；钢材宽度为1210mm，在钢材宽度方向上每隔30mm取一个点检测钢材的布氏硬度(HB)，检测钢材宽度方向上的硬度变化，硬度检测结果如图3～6所示。

4、组织检测

对以上对比实施例1-1、对比实施例1-2、对比实施例2-1、对比实施例2-2、对比实施例3-1、对比实施例3-2、对比实施例4-1、对比实施例4-2的Q355B、Q355C、Q420C、Q460C钢种各抽检出1块钢材进行组织检测，组织检测如说明书附图7～10所示。

由表4可知，实施例1、2、3、4和对比实施例1-1、1-2、2-1、2-2、3-1、3-2、4-1、4-2中钢材力学性能都满足GB/T 1591(低合金高强度结构钢)中的力学性能要求，但对比实施例1-1、1-2、2-1、2-2、3-1、3-2、4-1、4-2中钢材的冲击功值低于实施例1、2、3、4，对比实施例中钢材的韧性较差，其原因是由于对比实施例1-1、2-1、3-1、4-1中钢材成分中的碳含量较高，并且采用了较低的卷取温度导致生产大量贝氏体，碳含量增高和贝氏体增多都会导致韧性变差，对比实施例1-2、2-2、3-2、4-2中钢材成分中的碳含量虽然较低，但采用了较低的卷取温度，导致生产大量贝氏体，贝氏体增多也会导致韧性变差。

从表3及说明书附图3～10可看出，实施例1、2、3、4中采用了较低的C、Mn含量成分设计，钢材成分中能增加淬透性和淬硬性的元素含量较低，Q355B、Q355C、Q420C、Q460C系列钢种的A值均小于22，并且采用了较高的卷取温度，“热轧钢带的卷取温度”高于“钢材的贝氏体相变开始温度”60～70℃，所生产出Q355B、Q355C、Q420C、Q460C钢材的组织主要为铁素体+珠光体，达到了组织控制目标，在该种钢材组织及成分下，钢材硬度对终冷温度波动不敏感，终冷温度仅会对钢材晶粒度产生影响，约为终冷温度每提高50℃会使晶粒尺寸提高1级，相应的会降低强度约15Mpa，钢材强度降低较少，冷却工艺的波动导致钢材硬度变化的幅度小。采用本申请所述技术生产的Q355B、Q355C、Q420C、Q460C钢材的横向硬度差异在10HB以内，钢材宽度方向上硬度比较均匀，制管厂使用该类热轧卷板生产圆管时发生卷管不圆缺陷的几率仅为0.001～0.002％，能够提高制管厂的经济效益，降低产品缺陷率，节约资源。

从表3及说明书附图3～10可看出，由于对比实施例1-1、对比实施例2-1、对比实施例3-1、对比实施例4-1采用了较高的C、Mn含量成分设计，钢材成分中能增加淬透性和淬硬性的元素含量较高，Q355B、Q355C、Q420C、Q460C系列钢种的A值均大于22，导致钢材淬透部位和未淬透部位的硬度差值大，并且采用了较低的卷取温度，对比实施例1-1、对比实施例2-1、对比实施例3-1、对比实施例4-1所生产出Q355B、Q420C、Q460D钢材的组织主要为铁素体+贝氏体，贝氏体相的比例达到30％以上，组织硬相较多，在该种钢材组织情形下，钢材硬度对终冷温度波动特别敏感，约为终冷温度每降低50℃会使贝氏体组织增加40％，相应的会提高钢材强度约40Mpa，冷却工艺稍有波动会导致钢材硬度大幅度变化。钢材中生成的马氏体或贝氏体等硬相多，所生产出Q355B、Q355C、Q420C、Q460C钢材的横向硬度差异在30～40HB，钢材宽度方向上硬度波动大，因此所生产出的宽带钢在制作圆管时易出现卷管不圆缺陷，缺陷发生率为2.6～3.1％，废品率高。

从表3及说明书附图3～10可看出，对比实施例1-2、对比实施例2-2、对比实施例3-2、对比实施例4-2虽然采用了较低的C、Mn含量成分设计，能降低钢材淬透部位和未淬透部位的硬度差值，但仍采用了较低的卷取温度，导致钢材中生成的马氏体或贝氏体等硬相多，所生产的Q355B、Q355C、Q420C、Q460C钢材的横向硬度差异在10～15HB范围内，钢材横向硬度仍然不够均匀，因此所生产出的宽带钢在制作圆管时易出现卷管不圆缺陷，缺陷发生率为0.8～1.3％，废品率较高。

若保持钢材化学成分不变，只通过提高卷取温度来避免卷管不圆缺陷时，需将卷取温度提升至670℃，此时能达到避免卷管不圆的效果，但由于钢卷是以卷的形状存在，其重量为20吨左右，钢卷厚度大(为500mm左右)，因此钢卷中部厚度处散热慢，其温降速度约为10℃/小时，而钢材长时间处于670℃以上会发生球化退火现象，即珠光体发生球化现象，会使钢材的强度明显降低。因此不能单独提升卷取温度至670℃以上，从而防止钢带的球化退火导致钢材强度性能不合格。

本申请提供的卷取温度设定为630～650℃，实际生产时，由于不可避免的设备误差，卷取温度可能会发生±20℃的波动，因此设定卷取温度上限为650℃，卷取温度的实际波动范围上限仍会低于670℃，钢材不会发生球化退火现象。综合以上因素考虑，不能把卷取温度设置太高，还需适当降低钢材成份的淬透性和淬硬性。