一种钢管水冷自回火工艺及装置的制作方法

本发明涉及普通低碳mn钢以及壁厚在30mm以上的钢管热处理技术领域，特别是一种钢管水冷自回火工艺及装置。

背景技术：

普通低碳钢管为mn钢且钢管的壁厚在30mm以上，随着客户对产品性能要求越来越高，普通的20mnv6壁厚≥30mm，抗拉要求≥630mpa，屈服要求≥450mpa，同时还有-20℃冲击≥27j，传统的正火工艺无法满足客户要求，现阶段大多数采用淬火+回火的方式以满足客户要求。

现阶段钢管通过淬火+回火热处理后，由于钢管内外表面与其芯部的冷却速度差别巨大等原因，导致钢管横截面组织和性能差别巨大，同时淬火后的组织稳定性差，高温持久性能没有通过传统的正火+回火热处理方式的钢管优越。

所以需要一种钢管冷却装置能够对钢管的内外表面同时进行冷却。

中国cn108315532a公开了一种钢管水雾冷却方法，钢管为高压锅炉管且钢管的壁厚在30mm以上包括以下步骤：1)高温缓冷区，将已经完全奥氏体化的钢管运出炉后，空冷至保温温度以下20～100℃之间，为后续快速冷却做组织准备；2)中温水雾快冷区，将钢管经过水雾快速冷却，通过水雾冷却装置使钢管的内表面和外表面同时冷却，使钢管的温度冷却到330～550℃，析出铁素体+珠光体+(贝氏体)，或者析出马氏体；3)低温冷却区，将钢管空冷到室温，再通过回火工序进行处理即可；

该专利公开的钢管水雾冷却方法适用于高压锅炉管冷却，高压锅炉管是指符合中国国家标准gb/t5310-2008的无缝钢管，根据该方法热处理得到的高压锅炉管屈服强度在330～350mpa，不符合非高压锅炉钢管客户对于低碳锰钢管抗拉强度700mpa，屈服强度500mpa，冲击50j以上的要求，其原因在于水雾冷却方法对钢管的冷却速度较慢、冷却时间较长，析出的是铁素体+珠光体+贝氏体，或者析出马氏体，其组织和力学性能无法满足非高压锅炉钢管客户的需求。

因此，亟需一种钢管水冷自回火工艺及装置，使其能够快速将钢管冷却到550～650摄氏度之间，得到细小的珠光体，从而提高钢管的强度，稳定材料的冲击韧性。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种钢管水冷自回火工艺及装置。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

一种钢管水冷自回火工艺，所述钢管为普通低碳mn钢且钢管的壁厚在30mm以上，包括以下步骤：

s1、高温缓冷：将完全奥氏体化的钢管转移至托轮组上，托轮组带动钢管转动，空冷至保温温度以下50～100℃之间，空冷时间为10～50s；

s2、中温水快冷：托轮组继续带动钢管转动，通过钢管外壁喷水装置以及钢管内壁喷水装置对钢管同时进行冷却，使钢管的温度5～20s之间冷却至550～650℃；

s3、低温冷却：托轮组继续带动钢管转动，将钢管缓慢冷却至室温，进行自回火处理即可。

进一步地，步骤s2中，所述钢管内壁喷水装置的喷水方向与钢管轴线有一定角度，使水喷进钢管时呈螺旋方式前进。

进一步地，步骤s2中，所述钢管外壁喷水装置的水流量在500～3000m³/h之间；所述钢管内壁喷水装置的水流量在80～1000m³/h之间，压力在0.2～0.7mpa之间。

进一步地，所述托轮组的旋转速度在60～600rpm之间。

用于所述的一种钢管水冷自回火工艺的装置，包括有托轮组、钢管外壁喷水装置和钢管内壁喷水装置，托轮组包括有多对沿着其轴线等间距排列设置的左托轮和右托轮，托轮组旁侧设置有驱动左托轮和右托轮同向同速旋转的旋转驱动装置，钢管放置在左托轮和右托轮上并被左托轮和右托轮夹设在中间；钢管外壁喷水装置设置在托轮组工作区间的正上方，钢管内壁喷水装置设置在托轮组工作区间的旁侧，钢管外壁喷水装置和钢管内壁喷水装置的工作端均朝向托轮组的工作区间设置；钢管外壁喷水装置包括有多个等间距排列并且朝向托轮组工作区间设置的喷头；钢管内壁喷水装置包括有喷筒，喷筒设置在托轮组的旁侧并且位于钢管轴线的延长线上，喷筒的工作方向朝向钢管内部设置，喷筒的工作方向与钢管的轴线不重合；喷头和喷筒的输入端均与水泵连接。

进一步地，旋转驱动装置包括有电机、齿轮箱、第一传动轴、第二传动轴和第一轴承座，电机通过齿轮箱与第一传动轴和第二传动轴传动连接，第一传动轴和第二传动轴平行设置，第一传动轴与每个左托轮均传动连接，第二传动轴与每个右托轮均传动连接，第一传动轴和第二传动轴通过多个第一轴承座安装在地面上。

进一步地，左托轮和右托轮规格相同，左托轮和右托轮沿着其轴线方向交错设置，左托轮和右托轮的轴线之间的距离小于左托轮的直径。

进一步地，钢管外壁喷水装置还包括有支架、直线滑台和喷淋横梁，支架骑跨在托轮组的上方，直线滑台的固定端安装在支架的横梁或立柱上，喷淋横梁固定安装在直线滑台的工作端，喷头安装在喷淋横梁上并且喷头沿着喷淋横梁的长度方向等距离排列。

进一步地，直线滑台包括有滑轨、滑块、电机、齿轮和齿条，滑轨和齿条平行设置在支架的横梁顶端，滑块通过滚轮可滑动地安装在滑轨上，电机固定安装在滑块上，齿轮安装在电机的输出轴上，齿轮与齿条啮合，喷淋横梁与滑块固定连接。

进一步地，滑块的两侧安装有竖直向下延伸的夹板，夹板将支架的横梁夹设在中间，夹板与支架的横梁之间留有间隙，每个夹板上均设置有滚轮，滚轮可旋转地安装在夹板上，滚轮的旋转轴竖直设置，滚轮的圆柱面贯穿夹板并抵接在支架的横梁上。

进一步地，钢管内壁喷水装置还包括有喷筒支架、旋转轴、第二轴承座和伺服电机，喷筒固定安装在喷筒支架上，喷筒支架与旋转轴固定连接，旋转轴可旋转地安装在第二轴承座的工作端，伺服电机固定安装在第二轴承座上并且伺服电机的输出轴与旋转轴传动连接。

本发明具有以下优点：

1、采用本发明的工艺及装置进行处理后，钢管快速冷却到550～650℃之间，然后缓慢冷却时可以得到细小的珠光体，提高了钢管的强度，稳定了材料的冲击韧性，材料的抗拉可以达到700mpa左右，屈服可达到500mpa以上，冲击50j以上，其他性能均能满足用户高要求。

2、本发明实现冷却速度有效控制，最终得到理想的性能和组织，厚壁的低碳mn钢性能得到明显提高，避免了正火强度达不到的弊端，降低了采用调质生产的成本，节能环保。

3、灼热的钢管放置到托轮组上之前，直线滑台驱动喷淋横梁脱离托轮组的正上方，从而便于机械设备将钢管放置到托轮组上，待钢管放到左托轮和右托轮上之后，直线滑台驱动喷淋横梁移动到托轮组的正上方，同时电机驱动第一传动轴和第二传动轴同向同速旋转，第一传动轴和第二传动轴分别驱动左托轮和右托轮同向并且同速旋转，使得钢管在托轮组上滚动但位置不变，水泵向喷头和喷筒支架提供具有一定量的压力的水流，喷头从钢管的上方向下喷水，从而冷却钢管的外壁，喷筒从钢管的侧面向钢管内部喷水，从而冷却钢管的内壁，喷筒的工作方向与钢管的轴线不重合使得喷筒喷出的水在钢管内壁沿着螺旋路线前进，延长了水流在钢管内部的流动距离，冷却效果更佳。

4、该装置能够快速冷却钢管的内外表面，冷却速度快，更加节能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的cct曲线图；

图2是本发明实施例所述的一种钢管水冷装置的侧视图；

图3是本发明实施例所述的一种钢管水冷装置的俯视图；

图4是本发明实施例所述的一种钢管水冷装置的立体图；

图5是图4的a处局部放大图；

图6是本发明实施例所述的一种钢管水冷装置的正视图；

图7是本发明实施例所述的一种钢管水冷装置的钢管内壁喷水装置立体图；

图8是本发明实施例所述的一种钢管水冷装置的钢管内壁喷水装置剖视图；

图中：

1-托轮组；1a-左托轮；1b-右托轮；

2-旋转驱动装置；2a-电机；2b-齿轮箱；2c-第一传动轴；2d-第二传动轴；2e-第一轴承座；

3-钢管外壁喷水装置；3a-喷头；3b-支架；3c-直线滑台；3c1-滑轨；3c2-滑块；3c3-电机；3c4-齿轮；3c5-齿条；3c6-夹板；3c7-滚轮；3d-喷淋横梁；

4-钢管内壁喷水装置；4a-喷筒；4b-喷筒支架；4c-旋转轴；4d-第二轴承座；4e-伺服电机。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若出现术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“连接”等指示部件之间的连接关系，该术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个部件内部的连通或两个部件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

一种钢管水冷自回火工艺，所述钢管为普通低碳mn钢且钢管的壁厚在30mm以上，包括以下步骤：

s1、高温缓冷：将完全奥氏体化的钢管转移至托轮组1上，托轮组1带动钢管转动，托轮组1的旋转速度始终保持在60～600rpm之间，根据壁厚的不同，空冷至保温温度以下50～100℃之间，根据壁厚的不同以及气温变化，空冷时间为10～50s，该过程主要目的是均匀组织，为后面工序做好准备工作；

s2、中温水快冷：托轮组1继续带动钢管转动，通过钢管外壁喷水装置以及钢管内壁喷水装置对钢管同时进行冷却，钢管内壁喷水装置的喷水方向与钢管轴线有一定角度，使水喷进钢管时呈螺旋方式前进，使钢管的温度5～20s之间冷却至550～650℃，其中，所述钢管外壁喷水装置的水流量在500～3000m³/h之间；所述钢管内壁喷水装置的水流量在80～1000m³/h之间，压力在0.2～0.7mpa之间，根据钢管的壁厚及外径不一样，水流量可以通过水泵电机频率从进行调整；

s3、低温冷却：托轮组1继续带动钢管转动，将钢管缓慢冷却至室温，进行自回火处理即可。

参照图1所示，钢管快速冷却到550-650摄氏度之间然后缓慢冷却时可以得到细小的珠光体，提高了钢管的强度，稳定了材料的冲击韧性。经过此种方式处理后：材料的抗拉可以达到700mpa左右，屈服可达到500mpa以上，冲击50j以上，其他性能均能满足用户高要求。

参照图2至图8所示，用于钢管水冷自回火工艺的装置，包括有托轮组1、钢管外壁喷水装置3和钢管内壁喷水装置4，托轮组1包括有多对沿着其轴线等间距排列设置的左托轮1a和右托轮1b，托轮组1旁侧设置有驱动左托轮1a和右托轮1b同向同速旋转的旋转驱动装置2，钢管放置在左托轮1a和右托轮1b上并被左托轮1a和右托轮1b夹设在中间；钢管外壁喷水装置3设置在托轮组1工作区间的正上方，钢管内壁喷水装置4设置在托轮组1工作区间的旁侧，钢管外壁喷水装置3和钢管内壁喷水装置4的工作端均朝向托轮组1的工作区间设置；

钢管外壁喷水装置3包括有多个等间距排列并且朝向托轮组1工作区间设置的喷头3a；

钢管内壁喷水装置4包括有喷筒4a，喷筒4a设置在托轮组1的旁侧并且位于钢管轴线的延长线上，喷筒4a的工作方向朝向钢管内部设置，喷筒4a的工作方向与钢管的轴线不重合；

喷头3a和喷筒4a的输入端均与水泵连接。

钢管放置在多对左托轮1a和右托轮1b上被托举着，旋转驱动装置2驱动左托轮1a和右托轮1b同向并且同速旋转，使得钢管在托轮组1上滚动但位置不变，水泵向喷头3a和喷筒支架4b提供具有一定量的压力的水流，喷头3a从钢管的上方向下喷水，从而冷却钢管的外壁，喷筒4a从钢管的侧面向钢管内部喷水，从而冷却钢管的内壁，喷筒4a的工作方向与钢管的轴线不重合使得喷筒4a喷出的水在钢管内壁沿着螺旋路线前进，延长了水流在钢管内部的流动距离，冷却效果更佳。

旋转驱动装置2包括有电机2a、齿轮箱2b、第一传动轴2c、第二传动轴2d和第一轴承座2e，电机2a通过齿轮箱2b与第一传动轴2c和第二传动轴2d传动连接，第一传动轴2c和第二传动轴2d平行设置，第一传动轴2c与每个左托轮1a均传动连接，第二传动轴2d与每个右托轮1b均传动连接，第一传动轴2c和第二传动轴2d通过多个第一轴承座2e安装在地面上。

齿轮箱2b为单输入轴双输出轴减速机，该减速机的两个输出轴传动比相同，这种减速机为市面上可以直接采购到的现有设备，从而使得电机2a得以驱动第一传动轴2c和第二传动轴2d同向同速旋转，第一轴承座2e用于支撑左托轮1a、右托轮1b、第一传动轴2c和第二传动轴2d的重量。

左托轮1a和右托轮1b规格相同，左托轮1a和右托轮1b沿着其轴线方向交错设置，左托轮1a和右托轮1b的轴线之间的距离小于左托轮1a的直径。

左托轮1a和右托轮1b的轴线之间的距离小于左托轮1a的直径，使得左托轮1a和右托轮1b在其轴线方向上的投影重合，从而使得管径较小的钢管也能够被托轮组1托举起来，再小的钢管也不会从左托轮1a和右托轮1b之间掉落，左托轮1a和右托轮1b沿着其轴线方向交错设置使得左托轮1a和右托轮1b之间不接触。

钢管外壁喷水装置3还包括有支架3b、直线滑台3c和喷淋横梁3d，支架3b骑跨在托轮组1的上方，直线滑台3c的固定端安装在支架3b的横梁或立柱上，喷淋横梁3d固定安装在直线滑台3c的工作端，喷头3a安装在喷淋横梁3d上并且喷头3a沿着喷淋横梁3d的长度方向等距离排列。

直线滑台3c可以安装在支架3b的横梁上，从而驱动喷淋横梁3d水平移动，使得喷淋横梁3d得以靠近或远离托轮组1；直线滑台3c也可以安装在支架3b的立柱上，从而驱动喷淋横梁3d竖直移动，使得喷淋横梁3d得以靠近或远离托轮组1；喷淋横梁3d靠近托轮组1时，喷头3a喷出水从而冷却钢管，喷淋横梁3d远离托轮组1时，工作人员通过机械设备将待冷却的钢管放置到托轮组1上，或者将已经冷却完毕的钢管移出托轮组1的工作区间。

直线滑台3c包括有滑轨3c1、滑块3c2、电机3c3、齿轮3c4和齿条3c5，滑轨3c1和齿条3c5平行设置在支架3b的横梁顶端，滑块3c2通过滚轮可滑动地安装在滑轨3c1上，电机3c3固定安装在滑块3c2上，齿轮3c4安装在电机3c3的输出轴上，齿轮3c4与齿条3c5啮合，喷淋横梁3d与滑块3c2固定连接。

滑轨3c1和齿条3c5均沿着支架3b的横梁水平延伸，齿轮3c4与齿条3c5啮合，所以电机3c3驱动齿轮3c4旋转时，电机3c3带动滑块3c2沿着滑轨3c1滑动，滑块3c2带动喷淋横梁3d滑动，从而使得喷淋横梁3d得以水平移动到托轮组1的正上方或者远离托轮组1；

如果需要把直线滑台3c安装在支架3b的立柱上，此时只需要将滑轨3c1安装在支架3b的立柱上，然后齿轮3c4和齿条3c5配合的移动机构换成工作方向竖直设置的滚珠丝杆滑台即可，滚珠丝杆滑台具有自锁功能，适用于驱动喷淋横梁3d竖直往复移动。

滑块3c2的两侧安装有竖直向下延伸的夹板3c6，夹板3c6将支架3b的横梁夹设在中间，夹板3c6与支架3b的横梁之间留有间隙，每个夹板3c6上均设置有滚轮3c7，滚轮3c7可旋转地安装在夹板3c6上，滚轮3c7的旋转轴竖直设置，滚轮3c7的圆柱面贯穿夹板3c6抵接在支架3b的横梁上。

滑块3c2沿着滑轨3c1滑动时可能会产生晃动，此时通过两对滚轮3c7将支架3b的横梁夹在中间，滑块3c2沿着滑轨3c1滑动时滚轮3c7在支架3b横梁的侧面上滚动，不影响滑块3c2滑动速率的前提下提高了直线滑台3c工作的稳定性。

钢管内壁喷水装置4还包括有喷筒支架4b、旋转轴4c、第二轴承座4d和伺服电机4e，喷筒4a固定安装在喷筒支架4b上，喷筒支架4b与旋转轴4c固定连接，旋转轴4c可旋转地安装在第二轴承座4d的工作端，伺服电机4e固定安装在第二轴承座4d上并且伺服电机4e的输出轴与旋转轴4c传动连接。

伺服电机4e驱动旋转轴4c旋转，旋转轴4c带动喷筒支架4b旋转从而使得喷筒4a得以旋转，进而使得喷筒4a得以调整角度，当钢管的管径不同时，喷筒4a也需要调整角度从而使得喷筒4a喷出的水能够在钢管内壁螺旋前进。

工作原理：灼热的钢管放置到托轮组1上之前，直线滑台3c驱动喷淋横梁3d脱离托轮组1的正上方，从而便于机械设备将钢管放置到托轮组1上，待钢管放到左托轮1a和右托轮1b上之后，直线滑台3c驱动喷淋横梁3d移动到托轮组1的正上方，同时电机2a驱动第一传动轴2c和第二传动轴2d同向同速旋转，第一传动轴2c和第二传动轴2d分别驱动左托轮1a和右托轮1b同向并且同速旋转，使得钢管在托轮组1上滚动但位置不变，水泵向喷头3a和喷筒支架4b提供具有一定量的压力的水流，喷头3a从钢管的上方向下喷水，从而冷却钢管的外壁，喷筒4a从钢管的侧面向钢管内部喷水，从而冷却钢管的内壁，喷筒4a的工作方向与钢管的轴线不重合使得喷筒4a喷出的水在钢管内壁沿着螺旋路线前进，延长了水流在钢管内部的流动距离，冷却效果更佳。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。