周 勇，宋光鑫，夏文斌

（衡陽(yáng)華菱鋼管有限公司，湖南 衡陽(yáng) 421001）

近年來(lái)，隨著風(fēng)力、核電、化工等大型工程建設(shè)的大力開(kāi)展，對(duì)工程機(jī)械的應(yīng)用也越來(lái)越多，并且要求也日益提高，尤其促進(jìn)了大噸位履帶式起重機(jī)的崛起。美國(guó)Bigge 公司為AP1000 核島吊裝而推出的最新一代模塊化環(huán)軌起重機(jī)——7 500 t 級(jí)125D AFRD，可以代替多臺(tái)起重機(jī)的組合吊裝作業(yè)，最大起重可達(dá)7 500 t，為世界第一“大力士”，而我國(guó)的履帶式起重機(jī)發(fā)展迅速，徐州工程機(jī)械集團(tuán)有限公司（簡(jiǎn)稱徐工）、中聯(lián)重科股份有限公司（簡(jiǎn)稱中聯(lián)重科）和三一集團(tuán)有限公司（簡(jiǎn)稱三一）也先后推出4 000 t 的“大力士”［1-3］。起重機(jī)的大型化發(fā)展，對(duì)使用材料的性能也提出更高的要求［4］。2005年以前，國(guó)內(nèi)大噸位履帶式起重機(jī)所需要的高強(qiáng)度鋼管主要依靠進(jìn)口，進(jìn)口的高強(qiáng)度鋼管不但價(jià)格昂貴而且使大國(guó)重器受制于人，嚴(yán)重地影響了新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)與生產(chǎn)。目前，以衡陽(yáng)華菱鋼管有限公司（簡(jiǎn)稱衡鋼）為代表的國(guó)內(nèi)鋼管生產(chǎn)廠家已開(kāi)發(fā)了系列產(chǎn)品替代了進(jìn)口，如衡鋼研發(fā)的HSM770、HSM890，寶山鋼鐵股份有限公司研發(fā)的890 MPa級(jí)鋼管等［5-11］，在徐工、三一和中聯(lián)重科等得到了廣泛應(yīng)用，同時(shí)GB/T 30584—2014《起重機(jī)臂架用無(wú)縫鋼管》也正式把890 鋼級(jí)納入。衡鋼近幾年臂架管的年產(chǎn)量突破了3 萬(wàn)t，衡鋼還率先開(kāi)發(fā)了新一代HSM960 系列臂架管［12］。這里重點(diǎn)介紹衡鋼HSM960 臂架用無(wú)縫鋼管的工藝及產(chǎn)品特點(diǎn)。

1 性能特點(diǎn)及主要技術(shù)要求

1.1 技術(shù)特點(diǎn)

液壓履帶式起重機(jī)是一種高層重型建筑施工用的自行式起重機(jī)，是工程機(jī)械中技術(shù)含量高，制造工藝復(fù)雜，具有獨(dú)特性能的起重作業(yè)產(chǎn)品，它具有起重能力相對(duì)大，轉(zhuǎn)彎半徑小，可吊重行走，履帶對(duì)地面比壓小，對(duì)環(huán)境要求低，作業(yè)穩(wěn)定性好，桁架組合可自由更換等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于搭建橋梁、安裝發(fā)電設(shè)備、安裝煉油設(shè)備、架設(shè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組以及建設(shè)海上工作平臺(tái)等施工項(xiàng)目［8-9］。

組合臂架作為液壓履帶式起重機(jī)一個(gè)重要的承重部件，是其承載和輸送的關(guān)鍵部位，臂架由3～12 m 的無(wú)縫鋼管一節(jié)節(jié)焊接組合而成，目前最大吊重能力達(dá)4 500 t，吊重高度可達(dá)226 m，最大工作半徑為164 m。起重機(jī)臂架管需要有高強(qiáng)度、高韌性和較高的低溫沖擊韌性，同時(shí)還必須有良好的焊接性能以及優(yōu)異的直線度和表面質(zhì)量，因此起重機(jī)臂架用管是高技術(shù)含量、高附加值鋼鐵產(chǎn)品［9］。目前履帶式起重機(jī)的吊裝噸位為55～7 500 t，從技術(shù)應(yīng)用和經(jīng)濟(jì)安全角度考慮，根據(jù)起重機(jī)的不同噸位和起重機(jī)的不同部位應(yīng)用特點(diǎn)，一般使用不同鋼級(jí)的無(wú)縫鋼管。一般而言最大吊重能力超過(guò)300 t的起重機(jī)被稱為超大噸位起重機(jī)，而隨著起重設(shè)備的大型化和本身輕量化的要求，開(kāi)發(fā)更高鋼級(jí)材料已日趨迫切，目前屈服強(qiáng)度大于960 MPa 的起重機(jī)臂架管研發(fā)已成熟［12-13］。

1.2 主要技術(shù)要求

根據(jù)大型起重機(jī)臂架用高強(qiáng)韌性無(wú)縫鋼管的使用條件和用戶的具體要求，與用戶簽訂了HSM960無(wú)縫鋼管試用技術(shù)協(xié)議。技術(shù)協(xié)議主要包括：鋼管的化學(xué)成分、力學(xué)性能指標(biāo)、幾何尺寸、表面質(zhì)量、探傷方式要求等。

1.2.1 化學(xué)成分

鋼管的化學(xué)成分要求主要考核焊接性能，所以Ceq≤0.58%；由于鋼管強(qiáng)韌性要求較高，所以合金含量相對(duì)較高，并且為保證焊接性能，一般w（C）≤0.20%，同時(shí)，為保證良好的強(qiáng)韌性匹配，對(duì)材料的殘余元素和氣體含量也有較高要求。具體的成分設(shè)計(jì)由鋼管生產(chǎn)廠家完成。

1.2.2 力學(xué)性能

鋼管力學(xué)性能主要是規(guī)定了屈服強(qiáng)度≥960 MPa，-40 ℃沖擊功≥50 J。保證臂架在使用中具有較高的強(qiáng)度和良好的韌性。臂架是起重機(jī)的關(guān)鍵部件，其安全性和可靠性應(yīng)放在首要位置。

1.2.3 幾何尺寸

由于臂架制作是由多支鋼管焊接在一起，所以其對(duì)鋼管的幾何尺寸要求也較高，特別是鋼管的直度要求較為苛刻，要求外徑公差±1%D，壁厚公差-10%t～+12.5%t，不圓度不超過(guò)外徑公差的70%，全長(zhǎng)彎曲度不大于全長(zhǎng)的0.10%或10 mm，局部彎曲度不超過(guò)1 mm/m。

1.2.4 表面質(zhì)量要求

內(nèi)外表面不允許有裂紋、結(jié)疤、分層、折疊、軋折等質(zhì)量缺陷，鋼管外表面不允許有麻面、麻坑存在；管體和管端應(yīng)按GB/T 12606—2016《無(wú)縫和焊接（埋弧焊除外）鐵磁性鋼管縱向和/或橫向缺欠的全圓周自動(dòng)漏磁檢測(cè)》中的F2 級(jí)逐根進(jìn)行漏磁探傷，或按GB/T 5777—2019《無(wú)縫和焊接（埋弧焊除外）鋼管縱向和/或橫向缺欠的全圓周自動(dòng)超聲檢測(cè)》的U2 級(jí)進(jìn)行超聲波探傷檢驗(yàn)合格。

1.2.5 焊接試驗(yàn)

鋼管必須通過(guò)權(quán)威機(jī)構(gòu)焊接性能評(píng)價(jià)，并且提供相應(yīng)的焊接報(bào)告。

2 HSM960 起重機(jī)臂架管工藝研發(fā)

2.1 成分設(shè)計(jì)

雖然起重機(jī)臂架用管技術(shù)協(xié)議對(duì)鋼管的材質(zhì)沒(méi)有明確的要求，但要求有足夠的強(qiáng)度并具有很好的焊接性能，國(guó)外多采用C-Mn-W-V 系列鋼生產(chǎn)。為了改善鋼的焊接性能，提高沖擊韌性和抗低溫性能，一般采用降低C 含量和采用較高含量的合金化元素，C 含量控制在0.28%以下甚至更低。為了補(bǔ)償降低碳含量對(duì)鋼強(qiáng)度的影響，利用Mn、Si、Cr、Ni、Mo、Cu 等元素的固溶強(qiáng)化及W、V、Ti、Nb 等微合金化元素的析出強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化、彌散強(qiáng)化。

基于上述看法，參照國(guó)外起重機(jī)臂架用管的化學(xué)成分，研發(fā)中采用低碳合金化成分設(shè)計(jì)原則，嚴(yán)格控制P、S 和五害元素的含量，減少帶狀組織等級(jí)，充分發(fā)揮Cr、Ni、Mo、W、V 優(yōu)化配合作用，使材料在具有超高強(qiáng)度的同時(shí)具備良好的韌性，選用低碳，控制鋼管碳當(dāng)量。鋼管具有較好的淬透性、淬硬性和良好的可焊接性能。鋼的化學(xué)成分設(shè)計(jì)如下：w（C）≤0.22%，低碳設(shè)計(jì)是為了提高焊接性能；Mn 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.00%～1.80%，起固溶強(qiáng)化作用，可提高鋼的強(qiáng)度和保持較好的韌性；少量添加W、Mo、Cr，起固溶強(qiáng)化作用，還可提高材料的回火穩(wěn)定性，提高材料的剛度；Al 在冶煉過(guò)程中是作為脫氧劑添加的元素，同時(shí)可細(xì)化晶粒；V 起彌散強(qiáng)化作用。Nb 起細(xì)晶強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化作用，提高鋼的韌性，抗高溫氧化性和耐蝕性，降低鋼脆性轉(zhuǎn)變溫度，獲得好的焊接性能和成型性能。鋼中的S、P 降低鋼的塑性，因此要求其含量越低越好；五害元素As、Sn、Pb、Sb、Bi 從多方面降低鋼的性能，也必須從嚴(yán)控制。同時(shí)降低鋼中的有害［H］、［O］氣體含量。根據(jù)以上設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)HSM960 鋼的化學(xué)成分，內(nèi)控成分要求見(jiàn)表1。

表1 HSM960 鋼的內(nèi)控化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）要求 %

2.2 煉鋼生產(chǎn)工藝

煉鋼生產(chǎn)工藝流程：100 t 電爐冶煉→爐外精煉→Ф350 mm 弧形連鑄→切割→堆垛→入庫(kù)。

2.2.1 鋼中殘余有害元素控制

為保證鋼管性能，必須嚴(yán)格控制鋼中五害元素含量?？刂其撝杏泻υ?，要從精料入手，對(duì)廢鋼進(jìn)行嚴(yán)格的分選。起重機(jī)臂架用管鋼坯的爐料組成為：優(yōu)質(zhì)鐵水60%＋優(yōu)質(zhì)廢鋼（料頭等）30%＋返回廢鋼10%。裝配料時(shí)，對(duì)鋼中殘余有害元素進(jìn)行了稀釋，保證了鋼中有害元素w（As）≤0.020%，w（Sn）≤0.015%，w（As+Sn+Pb+Sb+Bi）≤0.035%。

2.2.2 鋼中易氧化元素控制

Al 是易氧化元素。LF 鋼包精煉爐前期加Al 主要用于鋼中脫氧，為保證鋼中Al 含量，必須嚴(yán)格控制Al 的加入時(shí)間、加入方式。當(dāng)鋼水充分脫氧還原經(jīng)VD 真空精煉爐真空處理后，向鋼中喂入Al 線，使鋼中Al 含量達(dá)到成分要求的中上限，保證了成品Al 含量。

2.2.3 保護(hù)澆鑄

采用保護(hù)澆鑄減輕了Al 元素的氧化程度，采用自動(dòng)開(kāi)澆技術(shù)和大包到中間包的長(zhǎng)水口，中間包到結(jié)晶器的浸入式水口，結(jié)晶器中鋼液表面加保護(hù)渣等保護(hù)澆注措施，防止鋼液吸氣和二次氧化。同時(shí)，澆鑄過(guò)程采用大包下渣自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)，控制大包的下渣量，純凈了中間包鋼液。

2.2.4 結(jié)晶器電磁攪拌

電磁攪拌（簡(jiǎn)稱EMS）是20 世紀(jì)60—70 年代日本和歐洲率先在連鑄上試驗(yàn)并獲得工業(yè)應(yīng)用的一種冶金新技術(shù)，在改善鋼水凝固過(guò)程中的流動(dòng)和傳熱、合金元素的均勻分布以及提高鑄坯內(nèi)部質(zhì)量方面起著十分重要的作用。在連鑄前通過(guò)電磁攪拌可起到提高鑄坯等軸晶率、促使鋼液中夾雜物上浮及改善鋼的成分偏析的作用。電磁攪拌電流420～500 A，頻率3～4 Hz，電磁攪拌參數(shù)的優(yōu)化設(shè)定可以更好地細(xì)化晶粒，改善鋼坯質(zhì)量。

2.3 制管工藝

制管工藝流程為：坯料檢驗(yàn)修磨→管坯鋸斷→環(huán)形爐加熱→二輥錐形穿孔機(jī)穿孔→三輥軋管機(jī)軋管→脫棒→步進(jìn)式加熱爐再加熱→微張力定（減）徑機(jī)定（減）徑→矯直→檢測(cè)理化性能→人工檢驗(yàn)→渦流探傷→復(fù)檢→噴印→稱重→包裝入庫(kù)。

選用Φ244.45 mm×30 mm 規(guī)格作為生產(chǎn)技術(shù)總結(jié)，生產(chǎn)機(jī)組為Φ340 mm MPM 連軋管機(jī)組。

HSM960 鋼由于合金元素較多，熱變形溫度范圍窄，容易產(chǎn)生加熱缺陷。為避免因高溫快速加熱引起的熱應(yīng)力使坯料內(nèi)部產(chǎn)生裂紋，采取低溫慢速加熱方式，最高加熱溫度不超過(guò)1 300 ℃，均熱段溫度控制在1 280 ℃左右，加熱時(shí)間為90～120 min，加熱均勻。穿孔機(jī)保證鋼管壁厚均勻，選用良好的合金鋼專用頂頭，保證鋼管內(nèi)表面質(zhì)量。連軋選用表面無(wú)缺陷的芯棒軋制，做好石墨潤(rùn)滑，壁厚偏差按±10%S 控制，同一橫截面上壁厚差ΔS≤1.5 mm，定徑前使用高壓水除鱗，要求高壓水水壓不低于20 MPa，噴嘴無(wú)堵塞現(xiàn)象，設(shè)備工作正常，保證熱軋鋼管表面無(wú)麻面。

2.4 成品熱處理

HSM960 鋼是一種低碳多合金鋼，為了獲得良好的綜合性能，必須對(duì)熱軋鋼管進(jìn)行調(diào)質(zhì)熱處理。根據(jù)對(duì)該鋼的基礎(chǔ)研究得知，其相變點(diǎn)Ac1為754℃，Ac3為874 ℃。結(jié)合生產(chǎn)的實(shí)際情況，利用試驗(yàn)室小爐子試驗(yàn)，設(shè)計(jì)不同淬火+回火溫度和時(shí)間的正交試驗(yàn)方法，優(yōu)選出最佳熱處理工藝：淬火溫度（930±10）℃，保溫時(shí)間30～35 min，淬火水冷時(shí)間70 s；回火溫度（620±8）℃，保溫時(shí)間45～55 min。加熱溫度和保溫時(shí)間均會(huì)對(duì)產(chǎn)品的性能產(chǎn)生較大影響，在工藝過(guò)程中應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)格控制［6］。

現(xiàn)場(chǎng)熱處理調(diào)質(zhì)采用的內(nèi)噴+外淋+半浸入式+鋼管旋轉(zhuǎn)淬火，選用較大的外淋水和內(nèi)噴水流量。鋼管熱處理工藝控制要點(diǎn)為：①保證淬火和回火加熱均勻，鋼管在爐內(nèi)不彎曲，淬火和回火的全長(zhǎng)溫度偏差分別不超過(guò)12 ℃、8 ℃；②水淬壓輥、托輥與鋼管的中心線平行，且鋼管的中心與噴嘴重合；③水淬時(shí)主要是保證鋼管淬火均勻，從而保證水淬時(shí)鋼管的直度和管端的橢圓度。

3 生產(chǎn)小結(jié)

3.1 煉鋼及坯料檢驗(yàn)

該鋼種的特點(diǎn)是合金元素含量較多（包括Si、Mn、Cr、Mo、V、W、Nb、Al），C 元素控制范圍較窄，拉坯阻力相對(duì)較大。成品化學(xué)成分見(jiàn)表2。

表2 HSM960 鋼連鑄坯化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

從以上結(jié)果可以看出：生產(chǎn)的管坯成分符合設(shè)計(jì)要求，并且氣體含量較低，管端的低倍組織較好，疏松較低（0.5），無(wú)低倍裂紋。

3.2 成品尺寸精度

逐支人工檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)外徑D 為243.8～246.5 mm，平均244.6 mm；壁厚S 為29.3～30.4 mm，平均29.8 mm。外徑和壁厚精度符合內(nèi)控要求。

3.3 性能和組織

3.3.1 金相組織

HSM960 臂架鋼管的金相組織如圖1 所示，組織為回火索氏體+少量的貝氏體，組織均勻，晶粒度9 級(jí)，夾雜物級(jí)別（表3）較低，鋼的純凈度較好。

表3 HSM960 臂架鋼管夾雜物等級(jí) 級(jí)

圖1 HSM960 臂架鋼管金相組織

3.3.2 機(jī)械性能

成品HSM960 臂架鋼管調(diào)質(zhì)后的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率以及沖擊功見(jiàn)表4，均符合要求。韌脆轉(zhuǎn)變曲線如圖2 所示，可以看出，HSM960 起重機(jī)臂架管的韌脆轉(zhuǎn)變溫度在-50 ℃以下，可以在寒冷地區(qū)使用。

表4 HSM960 臂架鋼管力學(xué)性能

圖2 HSM960 臂架鋼管韌脆轉(zhuǎn)變曲線

3.3.3 焊接性能

經(jīng)權(quán)威測(cè)試中心檢測(cè)衡鋼生產(chǎn)的HSM960 臂架管焊接性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)結(jié)果表明該鋼管焊接后室溫拉伸試驗(yàn)合格，側(cè)彎、面彎、背彎等彎曲試驗(yàn)合格，-20 ℃及-40 ℃低溫沖擊試驗(yàn)合格。HSM960臂架鋼管焊接評(píng)定試樣低溫沖擊性能結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 HSM960 鋼管焊接評(píng)定試樣低溫沖擊性能結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

（1）衡鋼自主開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)的HSM960 臂架管采用了低碳多合金強(qiáng)化設(shè)計(jì)思路，生產(chǎn)的HSM960 臂架管實(shí)現(xiàn)了較高強(qiáng)度和良好的塑性、韌性的配合，產(chǎn)品質(zhì)量水平處于國(guó)際領(lǐng)先水平，能滿足工程機(jī)械行業(yè)對(duì)大噸位起重設(shè)備快速發(fā)展的需求；

（2）“優(yōu)質(zhì)鐵水+電爐冶煉+VD 真空精煉+Φ340 mm MPM 連軋管機(jī)組軋管+調(diào)質(zhì)熱處理”工藝生產(chǎn)的起重機(jī)臂架用HSM960 臂架管，其鋼質(zhì)純凈、鋼管組織和綜合性能良好，完全能夠滿足4 000 t 以上履帶式起重機(jī)臂架用高強(qiáng)度無(wú)縫鋼管的使用要求；

（3）HSM960 臂架管坯料冶煉過(guò)程中的電磁攪拌電流為420～500 A，頻率3～4 Hz，鋼管熱處理過(guò)程中淬火溫度（930±10）℃，保溫時(shí)間按2.0～2.5 min/mm 進(jìn)行計(jì)算，回火溫度（620±10）℃，保溫時(shí)間按3.0～3.5 min/mm 進(jìn)行計(jì)算，成品鋼管具有細(xì)化的晶粒度、優(yōu)異的強(qiáng)韌性和抗低溫沖擊性能，能滿足各個(gè)工況下的使用條件；

（4）HSM960 臂架鋼管經(jīng)焊接后的室溫拉伸試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)的檢驗(yàn)結(jié)果符合JB 4708—2000《鋼制壓力容器焊接工藝評(píng)定》及相應(yīng)技術(shù)要求。無(wú)縫鋼管材料配套的焊接工藝為用戶合理焊接使用HSM960 臂架鋼管構(gòu)建了良好保障。