一种无缝钢管穿孔顶头的制造方法及其温度控制系统与流程

本发明涉及穿孔顶头的制造方法，尤其是一种高合金无缝钢管轧制用高强度耐磨顶头的制造方法，属于装备制造技术领域。

背景技术：

顶头是无缝钢管生产中的关键工具质量的好坏，使用寿命的长短，直接影响钢管生产的产量、质量和企业的经济效益。顶头在穿制无缝钢管过程中，将实心管坯制成空心毛管，金属的变形主要在顶头上进行。穿孔顶头的工况条件相当恶劣，不仅要承受强大的轴向压力，而且要克服与内壁之间产生的强大变形磨擦力。因而可以认为，穿孔顶头是在低周疲劳条件下工作的，因而其磨损报废是影响使用寿命的主要原因。

现有技术存在以下缺陷：首先，钢锭采用的20CrNi4材料，该材料并不能满足长寿命和高强度的需要。其次，穿孔顶头的制造过程中的温度和锻造时间以及氮化处理等环节均对最终产品的质量起到较大的影响。特别是在锻造时间和加热温度方面。本申请人之前提出的专利申请CN201410436166.8提供了一种穿孔顶头的制造方法。采用此方法制备的穿孔顶头密度高，强度和耐磨性高，穿孔时质量相当稳定，使用寿命也得到成倍提高，适用于合金管的轧制，比使用H13或全钼顶头的性价比要高，成本是H13产品的1/3，是全钼产品的1/10。而在该方法中没有对钢锭的加热方法以及锻造温度和时间进行明确，并不能够精确控制锻件的质量。李志广等人在《钢制锻件加热时间的确定》(金属铸锻焊技术，2010年7月)一文中提出了一种锻件加热时间确定方法，而该方法中并没有确定加热温度与锻造时间的关系。第三，在氮化和氧化过程中，使用氮气酒精过多，浪费资源的同时也带来成本的增加。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案如下：一种无缝钢管穿孔顶头的制造方法，包括如下步骤：步骤1、预锻造，将钢锭加热至150～200℃，对其进行锻造5分钟；步骤2、在预锻造之后，将钢锭温度加热至比其过热温度低20～40℃；步骤3、得到的圆钢保温在比其过热温度低100℃的环境中，通过模锻制成毛坯；利用模具使毛坯变形而获得锻件；步骤4、对毛坯680℃保温8小时随炉冷却至300℃后空冷。步骤5、对步骤4得到的产品在950℃进行氮化处理。

所述钢锭化学成份为：碳C：0.10～0.17、硅Si：0.17～0.37、锌Zn：0.05-0.1、锰Mn：0.30～0.60、硫S：允许残余含量≤0.035、磷P：允许残余含量≤0.03、铬Cr：0.60～0.90、镍Ni：2.75～3.15、铜Cu：允许残余含量≤0.030，其余为铁Fe。

所述步骤3中锻造时间与温度存在以下关系：设Y为钢锭温度，x为锻造时间，则Y(x)＝40⁷*(log(x))²/(1+x²)。

氮化处理时加入酒精，1100℃进行氧化处理。当气体渗碳炉炉温升到950℃后，往炉膛内通入酒精及氮气，并保持25-28分钟后，再把已装好顶头的氧化筐装入炉中，封好炉门，使炉子升温，继续往炉膛内通入70滴/分的酒精及115ml/分氮气，直至炉温升至1100℃。再往炉膛内通入120滴/分的水，保持100分钟后，再降低水的通入量到80滴/分，调节炉子保温温度至900℃、890℃、880℃、870℃、860℃，并且每个温度段停留10分钟后，关闭炉子加热系统，停止水的通入，调整酒精通入量到90滴/分，直至炉温降到800℃，氧化过程完成，然后关闭炉子加热系统，停止水的通入，调整酒精通入量到90滴/分，直至炉温降到800℃，氧化过程完成。

本发明还提出了一种温度控制系统，包括一调节器，调节器连接三向SCR调节模块，所述三向SCR调节模块与电加热模块相连，用于控制电加热模块的电压，电加热模块链接锅炉内胆，对锅炉内胆进行加热，温度变送器连接锅炉内胆对其进行温度检测，将温度信号反馈至与其连接的调节器。

本发明的技术方案有以下优点：钢锭采用改进的20CrNi4材料，由于加入了锌元素，使穿孔顶头在可以满足穿孔所必须的刚度的同时，还具有良好的可锻造性能。采用了温度控制系统控制加热钢锭的温度，当加热到预定温度时将其从锅炉中取出进行锻造，在锻造过程中监控钢锭的温度，并明确了锻造时间和钢锭温度之间的函数关系，使得锻造性能有所提高。因为采用了改进后的20CrNi4材料，因此氮化处理和氧化处理的温度会适当上升，但处理的时间更短、对氮气和酒精的消耗更少，采用五个阶段的保温处理后，能够使得顶头的性能最佳，产品的密度和强度更高，耐磨性更好，延长了产品的使用寿命。

附图说明

图1是本发明处理流程图；

图2是本发明温度控制系统示意图；

图3是本发明提供的温度控制曲线。

具体实施方式

以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明第一实施方式中提供了一种无缝钢管穿孔顶头的制造方法，参见附图1，包括如下步骤：

步骤1、预锻造，将钢锭加热至150～200℃，对其进行锻造5分钟。

所述钢锭采用改进的20CrNi4材料。原20CRNI4化学成份为(按重量)：碳C：0.10～0.17、硅Si：0.17～0.37、锰Mn：0.30～0.60、硫S：允许残余含量≤0.035、磷P：允许残余含量≤0.03、铬Cr：0.60～0.90、镍Ni：2.75～3.15、铜Cu：允许残余含量≤0.030。改进后的20CrNi4材料中加入了少量的锌Zn，改进后20CRNI4化学成份为：碳C：0.10～0.17、硅Si：0.17～0.37、锌Zn：0.05-0.1、锰Mn：0.30～0.60、硫S：允许残余含量≤0.035、磷P：允许残余含量≤0.03、铬Cr：0.60～0.90、镍Ni：2.75～3.15、铜Cu：允许残余含量≤0.030，其余为铁Fe。由于加入了锌元素，使穿孔顶头在可以满足穿孔所必须的刚度的同时，还具有良好的可锻造性能。

本领域的技术人员应当理解，在可替换的方案中，可以采用常规的20CrNi4材料。

步骤2.在预锻造之后，将钢锭温度加热至比其过热温度低20～40℃，例如，对于改进后的20CrNi4材料而言，其加热温度为1000-1100℃之间，优选为1020-1040℃之间，并对其进行锻造。升温的同时对其进行锻造，随着温度的增加，钢锭的性能不断改善。

如图2所示，本发明还提供了一种温度控制系统，用于控制加热钢锭的温度，当加热到预定温度时将其从锅炉中取出进行锻造，在锻造过程中监控钢锭的温度，当钢锭温度低于预定温度100℃时，对其重新加热升温至预定温度，如此，保证锻造时间不低于30分钟。

所述温度控制系统以锅炉内胆作为被控对象，电热管对锅炉内胆进行加热，当然在其他实施方式中，也可以采用其他的加热方式。温度变送器检测到锅炉内胆温度信号作为反馈信号，在给定量比较后的差值通过调节器控制三相调压模块的输出电压(即三相电加热管的端电压)，以达到控制锅炉内胆温度的目的。即在该系统中包括一调节器，调节器连接三向SCR调节模块，所述三向SCR调节模块与电加热模块相连，用于控制电加热模块的电压，电加热模块链接锅炉内胆，对锅炉内胆进行加热，温度变送器连接锅炉内胆对其进行温度检测，将温度信号反馈至与其连接的调节器。

在本技术方案中，锻造时间和钢锭温度之间的关系如下：温度越高锻造时间越短，反之，温度越低锻造时间越长，但温度总体控制在比其过热温度低20～40℃。

更进一步，锻造时间与温度存在以下关系：设Y为钢锭温度，x为锻造时间，则，

Y(x)＝40⁷*(log(x))²/(1+x²)

其中，log为自然对数。其温度控制曲线如图3所示，图3中，x轴为加热温度(单位℃)，y轴为锻造时间(单位：秒)。

通过该温度曲线，可以精确控制钢锭的锻造时间，避免因不同批次的钢锭在加热过程中以及锻造过程中凭借经验操作而造成的圆钢质量不一的缺陷，使得锻造后的得到的圆钢的性能稳定一致。

步骤3.得到的圆钢保温在比其过热温度低100℃的环境中，通过模锻制成毛坯；利用模具使毛坯变形而获得锻件。

步骤4.热处理：对毛坯680℃保温8小时随炉冷却至300℃后空冷。

步骤5.对步骤4得到的产品在950℃进行氮化处理，处理时加入酒精，1100℃进行氧化处理。因为采用了改进后的20CrNi4材料，因此氮化处理和氧化处理的温度会适当上升，在上述温度点时处理的效果最好。具体而言，当气体渗碳炉炉温升到950℃后，往炉膛内通入酒精及氮气，并保持25-28分钟，再把已装好顶头的氧化筐装入炉中，封好炉门，使炉子升温，继续往炉膛内通入70滴/分的酒精及115ml/分氮气，直至炉温升至1100℃，再往炉膛内通入120滴/分的水，保持100分钟后，再降低水的通入量到80滴/分，调节炉子保温温度至900℃、890℃、880℃、870℃、860℃，并且每个温度段停留10分钟，采用五个阶段的保温处理后，能够使得顶头的性能最佳。然后关闭炉子加热系统，停止水的通入，调整酒精通入量到90滴/分，直至炉温降到800℃，氧化过程完成。

本发明的技术方案有以下优点：钢锭采用改进的20CrNi4材料，由于加入了锌元素，使穿孔顶头在可以满足穿孔所必须的刚度的同时，还具有良好的可锻造性能。采用了温度控制系统控制加热钢锭的温度，当加热到预定温度时将其从锅炉中取出进行锻造，在锻造过程中监控钢锭的温度，并明确了锻造时间和钢锭温度之间的函数关系，使得锻造性能有所提高。因为采用了改进后的20CrNi4材料，因此氮化处理和氧化处理的温度会适当上升，但处理的时间更短、对氮气和酒精的消耗更少，采用五个阶段的保温处理后，能够使得顶头的性能最佳，产品的密度和强度更高，耐磨性更好，延长了产品的使用寿命。

上述说明示出并描述了本发明的优选实施例，如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。