工艺技术_压力加工工艺学--钢管生产

压力加工工艺学 钢管生产 材料与冶金学院 1概述 1 1钢管的特性与分类 一 钢管的概念与用途钢管的概念 凡是两端开口并具有中空封闭型断面 且长度与断面周长成较大比例的钢材 统称为钢管 而比值较小的钢材称为管段或管件 钢管的用途 1 输送流体 具有封闭的中空几何形状 可以作为液 气体及固体的输送管道 2 做结构件 在同样重量下 钢管相对于其他钢材具有更大的截面模数 也就是说它具有更大的抗弯 抗扭能力 属于经济断面钢材 高效钢材 二 钢管的分类1按生产方式分类 1 热加工管 无缝钢管 热轧穿孔 挤压 P P M 压力穿孔 冲压法 2 焊管 有缝钢管 包括直缝钢管与螺旋焊管 3 冷加工管 冷轧 冷拔和冷旋压 2按产品尺寸分类 1 特厚管 D S 10 2 厚壁管 D S 10 20 3 薄壁管 D S 20 40 4 极薄壁管 D S 40 3其它分类 1 用途 管道用管 结构管 石油管 热工用管等 2 材质 普通碳素钢管 碳素结构钢管 合金钢管 轴承钢管 不锈钢管等 3 横断面形状 圆管 异型钢管 4 纵断面形状 等断面 变断面 异型钢管示例 天津钢管 250限动芯棒连轧管机组 宝钢 140连轧管机组 1 2钢管生产的基本方法钢管生产的一般模式为 坯料 成型 精整 一次成品 再加工 二次成品 一般以产品的要求确定生产工艺 选择生产设备 同时对工艺 设备不断改造更新以适应产品不断提高的要求 按照成型的不同可以分成无缝管生产和有缝管生产 而冷加工属于管材的二次生产 热轧无缝管 实心管坯 穿孔 延伸 定 减 径 冷却 精整 焊管 板带坯料 成型 管筒状 焊接成管 精整 1 3钢管的技术要求与发展趋势 对多种腐蚀介质的高抗蚀性 对高温强度和低温韧性的要求越来越高 使得管材产品的化学成分不断变化 冶炼 加工工艺不断改进 管材产品尺寸 壁厚精度 形状精度的要求促使在线检测 自动控制技术不断进步 对管材产品成本降低的要求使得其生产过程向短流程 近终成型方向发展 对管材产品要求总的趋势是优质 廉价 高效 低耗 自动轧管机组生产工艺 冷定心 加热管坯 加热 热定心 穿孔 轧管 均整定径再加热 减径 冷却 矫直 切管 热处理 检查 入库 2热轧无缝钢管生产 连轧管机组坯料加热热定心穿孔空减连轧切头 尾再加热高压水除鳞张力减径冷却切头 尾矫直无损探伤表面检查入库 三辊轧管机组 坯料 加热热定心 冷定心加热 穿孔 再加热 高压水除鳞 定 减 径 冷却 切断 或分锯 矫直 热处理 表面检查 包装 入库 三辊轧管 2 1管坯的制备一 根据穿孔方式 轧管方法及制管材质的不同 一般采用以下四种坯料 1 连铸圆坯 是目前国际上应用较多的坯料 也是衡量一个国家钢管生产技术水平的标志之一 其具有成本低 能耗少 组织性能稳定等特点 是管坯发展的主流 也是钢管实现连轧的首要条件 2 轧坯 一般为圆坯 生产中也经常使用 3 铸 锭 坯 主要有方 锭 坯 用于P P M轧制方式 或压力穿孔 4 锻坯 用于穿孔性能较差的合金钢与高合金钢管的生产 管坯技术标准按国家或企业的技术标准执行 包括化学成分 断面形状 几何尺寸 内部组织 机械性能等因素 二 坯料定尺长度的确定 K 烧损系数0 97 0 995 合金钢取上限 碳钢取下限 或 思考题 成品管 146 15 5000mm 10 钢 用 150坯轧制 问坯长选多少 式中 LP 管坯长度 FP 管坯横断面 n 热轧管的倍尺数 根 D0 S0 成品管外径 壁厚 L0 成品管长 L 切头尾长 合金钢250 碳钢450mm 三 坯料的截断方式一般有四种 剪断 适用于中小断面的管坯 生产效率高 费用低 但管坯易被压扁 现场 一般压扁度不超过8 10 切斜度不超过6mm 对于易产生裂纹的管坯 如GCr15等 应预热200 300 火焰切割 适合大断面 合金钢等管坯 操作方便 费用低 但金属损耗大 烧损 氧化 断面质量差 折断 适合Dp 140mm或 b 60Kg mm2管坯 先在要折断处切口 然后放入折断压力机中折断 支点间距一般为 4 5 Dp 锯断 适合小断面管坯 合金钢及高合金钢等 是切断质量最好的方法 四 剪切力计算 K1 磨钝系数 鞍钢1 3 K2 b 0 6 碳钢 0 8 合金 思考题 在1000吨剪切机上冷剪20 管坯 最大直径是多少 20 b 490 5MPa 2 2管坯的加热及定心一 管坯加热加热目的 提高塑性 降低变形抗力 为穿孔和轧管准备良好的加工组织 改善金属的性能 坯料加热一般遵循三个原则 温度准确 确保可穿性最好的温度 加热均匀 纵向 横向都均匀 内外温差不大于30 50 最好小于15 烧损少 并且不产生有害的化学成分变化 C 或C 加热温度的确定 1 加热温度在Fe C相图中的单相奥氏体区AC3线以上30 50 固相线以下100 即 在800 1300 选取 号钢一般1200 左右 2 加热温度考虑坯料的化学成分a 加入Mn Ni Co能无限固溶于 Fe 奥氏体区扩大 固相线上移 加热温度可提高 b 加入W Mo V Nb等高熔点元素 加热温度可提高 c 加入Mg Al Cu等低熔点的元素 加热温度可降低 3 加热温度考虑坯料尺寸大小大坯料在同样条件下温度应取上限 以提高加热速度 4 加热温度考虑工艺条件a GCr151 C 高碳钢 1 5 Cr 硬 耐磨 在允许温度范围内取下限 防止脱碳 b 硅钢希望脱碳 加热温度可提高 c 超低碳不锈钢 00Cr18Ni9Ti 用于核潜艇 碳含量越低越耐腐蚀 希望脱碳 加热温度应高些 d 穿孔时要温升 50 80 塑性差的温升大 塑性好的温升小 加热时间的确定 Kjr Dp s Dp 管坯直径 方坯以边长计 mm Kjr 管坯单位加热时间 加热速度 s mm 直径 与钢种和设备有关 环形炉 碳钢 Kjr 30 33s mm 一般合金钢 Kjr 36 48s mm 不锈钢 高合金钢 Kjr 42 60s mm 环形加热炉 1 环形炉的结构 2 环型加热炉的优 缺点 优点 1 适合加热圆形管坯 适应多种不同直径和长度的复杂坯料 2 管坯加热时间短 受热均匀 加热质量好 3 炉底转动 坯料与炉底无相对滑动 氧化铁皮不易脱落 且炉子装出料炉门在一侧 密封好 冷空气吸入少 氧化铁皮少 4 管坯放置位置灵活 可放料也可空出 便于更换管坯规格 操作灵活 5 机械化和自动化程度高 缺点1 炉子占用车间面积大 2 管坯在炉底上呈辐射状间隔布料 炉底面积的利用较差 3 炉子结构复杂 维修困难 造价高 环形炉的小时产量 吨 小时 X A A 装炉量 加热时间A n 3600 G 装出料夹角 300 布料角 1 5 2 0 直径大取大值 n 装料排数G 坯料的单重 D中 思考题 计算1Cr18Ni9Ti 110 1800的坯料在中径为17m炉宽4400mm的环形炉中加热 问小时产量是多少 二 管坯定心 1 管坯定心 是指在管坯前端面钻孔或冲孔 2 定心目的 使顶头鼻部正确地对准管坯轴线 防止穿孔时穿扁 减小毛管壁厚不均 改善二次咬入条件 3 定心方式 a 热定心 效率高 应用广 b 冷定心 效率较低 仅用于穿孔性能较差的钢材 如高合金钢 高碳钢及重要用途的钢材 4 定心参数 二辊斜轧时1 定心孔直径 d 0 15 0 25 Dp 大体上等于管坯在穿孔时受复杂应力作用产生的中心疏松区的直径 2 定心孔深度 a 碳素钢s 7 10mm 以减少前端壁厚不均 b 高合金钢等s 20 30mm 以改善二次咬入条件 c 对可穿性极低的钢材 可钻通 2 3无缝钢管的穿孔工艺 坯料穿孔的目的 是将实心的管坯穿制成符合要求的空心毛管 根据穿孔中金属流动变形特点 可将穿孔方法分类如下 管坯穿孔 圆轧坯圆连铸坯 方轧坯方铸坯多角锭 斜轧穿孔 三辊斜轧 二辊斜轧 曼乃斯曼穿孔机狄舍尔穿孔机菌式穿孔机盘式穿孔机 纵轧穿孔 P P M轧机 不用多角锭 压力穿孔 一 穿孔机 1 曼乃斯曼穿孔机 它是由两个相对于轧制线左右倾斜布置的主动轧辊 两个上下布置固定不动的导板及一个位于中间固定不动的顶头构成了一个 环形封闭的孔型 实心坯料经过此 孔型 后成了中空的管体 2 3 1穿孔机的主要种类及穿孔变形区 曼乃斯曼穿孔机的环形孔型图1 轧辊 2 导板 3 顶头 4 顶杆 5 管坯 6 毛管 德国曼乃斯曼 Mannesmann 兄弟发明的 瑞士工程师斯蒂弗尔 R CStiefeil 加以完善 曼乃斯曼穿孔机的特点 对心性好 毛管壁厚较均匀 延伸系数 1 25 4 5 穿孔时的变形及应力状态条件较差 毛管内外表面易产生缺陷 轧制中旋转横锻效应大附加变形严重 能耗大 受电机驱动条件限制 送进角较小 13 故轧制速度不快 送进角 轧辊轴线与轧制线在包含轧制线的垂直平面上投影之间的夹角 图4 15100穿孔机设备布置简图1 受料槽 2 气动进料机 3 齿轮联轴节 4 主电机 5 减速齿轮座 6 万向连接轴 7 扣瓦装置 8 穿孔机工作机座 9 翻料沟 10 顶杆小车 11 至挡架 12 定心装置 13 升降辊 14 顶头 15穿孔机轧辊 曼乃斯曼穿孔机的布置 2 狄舍尔穿孔机 特点 主动导盘的圆周线速度 2 1 2 3m s 大于毛管的出口速度 1 1 1 2m s 使其生产效率提高了 从0 7提高到0 8以上 在送进角 原始位置 13 可在8 13 内调节 15 的范围内 金属的可穿性可提高20 以上 轧辊上下布置并采用双传动机构 较好的解决了大送进角穿孔机的主传动布置问题 使万向接轴始终在小倾角条件下工作 既运动平稳又不易磨损 导盘比导板的寿命高4倍 高穿孔速度使顶头受热负荷的时间短 因而提高了顶头的使用寿命 可穿长的薄壁管 导盘的造价低 约为导板的1 8 3 双支撑的菌式穿孔机 双支撑菌式穿孔机示意图 特点 1 轧辊轴线除与轧制线倾斜一个送进角 外 还有一个辗轧角 2 导向工具可用导板或导盘 3 轧辊呈锥形 其直径沿穿孔变形区逐渐增大 从而有利于变形区中轧辊与轧件间的速度 轴向 切向 能较好的匹配 减轻了变形区中金属的堆积 促进延伸 提高了穿孔效率和可穿性 2 减少了扭转变形和横向剪切变形 从而减少了内外表面缺陷发生的几率 4 三辊穿孔机 第一台工业三辊穿孔机于1965年投产 它与二辊斜轧穿孔区别在于 它以三个主动轧辊和一个顶头构成 封闭的环形孔型 三个主动轧辊呈120 布置 各自与轧制线呈一送进角 特点 1 优点 扩大了可穿钢种的范围 改善了毛管的内外质量 无导板划伤及中心撕裂问题 提高了穿孔效率 比二辊高15 20 以上 减少了单位能耗 比二辊小33 40 更换毛管规格方便 毛管尺寸比较稳定 各毛管之间 同一毛管头尾之间尺寸差比二辊小 2 缺点 不能穿制薄壁管 通常Dm m 14 否则会出现尾三角缺陷 顶头寿命是薄弱环节 顶头轴向阻力较大 Q P 0 4 0 5 顶头鼻部的单位压力比二辊大15 左右 三辊穿孔时有可能出现毛管分层缺陷 5 推轧穿孔 推轧穿孔法 Press PiercingMill 简称P P M 是一种直接以连铸方坯为坯料生产毛管的方法 由瑞士人A H Calmes于1957年开始研究发明的 1977年正式投产 特点1 优点 可穿连铸方坯 降低成本 毛管表面质量好 主要是中心部分变形 使粗大疏松的组织得到加工而变得致密 同时在三向压应力作用下 毛管内外表面不会产生裂纹 工具消耗和能耗少 实测 单位能耗为二辊斜轧的20 左右 顶头平均单位轴向力仅为压力穿孔的50 左右 因而工具消耗较少 为穿制低塑性高变形抗力的高合金钢创造了条件 由于应力状态好和单位能耗少 生产率可达2根 分 比压力穿孔高 2 缺点 穿孔延伸系数小 ck 1 1 穿孔后须配备延伸机 穿孔前须设方坯定型机 是毛管壁厚严重不均 二 穿孔机变形工具 1 轧辊 主传动的外变形工具 形状有桶式 菌式 盘式等 而以桶式为最常见 它通常可分成三段 入口锥 咬入管坯 实现管坯穿孔 轧制带 起过渡带作用 出口锥 实现毛管减壁 平整毛管表面 均匀壁厚及完成毛管归圆 2 导盘和导板 分别为主动和不动的外变形工具 作用 为管坯和毛管导向 使轧制线稳定 限制毛管的横向变形 并与轧辊一起构成封闭的外环 导板也分三段 入口斜面 导入管坯 过渡带 起两个斜面的过渡作用 出口斜面 导出毛管 并限制扩径 3 顶头一般为随动的内变形工具 其轴向不能移动 但可以旋转 作用 实现从实心管坯到中空毛管的变形 这一变形是钢管穿孔的主要变形 因而其工作条件非常恶劣 对穿孔质量和生产有重大影响 L0 鼻部 对正管坯定心孔 便于穿正 L1 穿孔锥 穿孔并使毛管减壁 L2 平整段 锥角与辊同 均整毛管内外表面 L3 反锥 甩圆并防止毛管脱出顶头时划伤 顶头 穿孔重要变形工具 完成管坯内径变化 鼻子 穿孔锥 平整区 反锥 顶杆 顶头 2 三 变形区的构成 二辊斜轧穿孔 穿孔变形区 1 变形区的组成及作用 穿孔准备区 从管坯开始咬入到与顶头鼻部接触止 即轧实心管坯 作用 顺利实现管坯一次咬入 为二次咬入积累足够的剩余摩擦力 径向压缩 一部分横向变形 一部分纵向延伸 因而管坯头部形成一个喇叭口状的凹陷 即疏松区 穿孔区 从金属与顶头相遇开始到顶头的平整段为止 作用 实现穿孔并使毛管减壁 主要是纵向变形 延伸 较大 因为 辊表面与顶头越来越近 被压缩的金属向纵向 横向运动 但横向有导板 导盘 的阻挡 因此 纵向变形是主变形 变形量可达到5左右 辗轧区 平整区 与顶头平整段对应的部分 作用 辗轧 均整 管壁 改善管壁的尺寸精度和内外表面质量 顶头母线与辊母线平行 转圆区 归圆区 平整段后 轧辊与毛管接触的部分 作用 靠轧辊的旋转加工把椭圆形毛管转圆 变形特点 实际上是塑性弯曲变形 但由于该区较短且变形量不大 一般不与考虑 2 斜轧穿孔的过程二辊斜轧穿孔的过程可分解为三步 管坯头部进入到出来 从头部出来到尾部进入 从尾部进入到出来 由于 为不稳定状态 因而外径大小会出现了头粗尾细中间均的现象 曼乃斯曼穿孔机表现尤为突出 原因 1 管坯头部进入时 由于顶头正面有阻力 相当于冲压镦粗 且管坯头部无外端约束 由最小阻力法则 轴向 横向 金属向外侧流动 因而使管坯头部变粗 2 中间部分管坯两侧有外端约束 阻碍了金属的横向流动 所以中间均匀 3 当尾部进入时 顶头正面阻力 瞬间减少 导致轴向阻力 因而 轴向 横向 故出现尾细 2 3 2二辊斜轧运动学 1 轧件螺旋运动的原因 两轧辊轴线交点处的辊圆周速度V 则 那么 切向分量 旋转速度 轴向分量 前进速度 式中 Dx所讨论截面的辊径 ng为轧辊转速 为送进角 2 滑动系数的确定 一般轧件速度u小于轧辊速度v 轧件与轧辊间产生相对滑动其速度差可用滑动系数 来表示 滑动系数 轧件的前进速度 而轧件的旋转速度 式中 轴向 切向滑移系数 而又称轧制效率 都小于1 轧件速度 合成的滑动系数 速度系数 一般 经验上取 0 4 0 9 0 5 1 05 结论 1 由于送进角 的存在 可将轧件的速度分解成两个速度分量 一个旋转 一个前进 从而使轧件螺旋前进 2 若ng ux uy 则产量 若 ux uy 可提高生产效率 但螺距 变形区长 交变应力 孔 3 若 x 则ux 咬入 产量 2 3 3二辊斜轧穿孔的咬入条件 斜轧穿孔过程存在两次咬入 1 第一次咬入 管坯与轧辊刚接触 轧辊通过摩擦带动轧件做螺旋运动而进入变形区 2 第二次咬入 管坯在轧辊带动下 克服顶头或内变形工具的阻力而继续进入穿孔变形区 形成稳定的轧制过程 每次咬入都必须同时满足前进条件和旋转条件 1 一次咬入条件 必须同时满足旋转和前进的条件 1 旋转条件 管坯旋转动力矩 管坯旋转阻力矩即 n MT MN 0式中 MT T d 旋转摩擦力矩 MN P c 旋转阻力矩 n 轧辊数目 2 前进条件 管坯轴向咬入力 管坯轴向阻力即 n TX NX P0 0式中 TX 摩擦力的轴向分力 NX 正压力的轴向分力 P0 外加顶推力 非顶推时其值为0 n 轧辊数目 经数学推导得到初次轧入的综合条件公式 式中 1 轧辊入口锥角 送进角 n 轧辊数 i r坯 R辊 在实际生产中 1 6 180 i 0 3 而 因而可实现一次咬入 2 二次咬入条件 也必须同时满足旋转和前进的条件 1 旋转条件 由于旋转条件只是增加一项顶头的惯性阻力矩 因为顶头是从动的 其值相对较小 故影响不大 因而旋转条件等同于一次咬入 2 前进条件 需克服顶头的轴向阻力Q0n TX NX Q0 0经数学推导整理后 式中 顶头鼻部给金属的平均单位压力Mpa 小机组实测 轧辊给轧件的平均单位压力Mpa 穿孔准备区金属与轧辊的接触宽度 mm 顶头鼻部半径 摩擦系数 顶前压下率 管坯直径 入口锥角 2 3 4二辊斜轧穿孔时的金属变形 1 基本变形 管坯穿成毛管时 轧件的体积不变 则 取对数 2 附加变形 附加变形是指轧件的内部变形 也称无用变形 由轧件的不均匀变形引起的 增大轧件的变形应力 引起毛管中产生缺陷的几率增大 包括纵向变形 切向变形 扭转变形 纵向剪切变形 指内外层金属沿纵向产生附加相互剪切 即外层金属拉动内层金属 而内层阻碍外层 因而各层沿纵向相互剪切 其大小用 角 指管壁金属纤维某点的切线与管壁垂线夹角 表示 角越大 纵向剪切变形越严重 产生原因 穿孔时 轧辊带动毛管外层金属轴向延伸 而顶头阻止内层金属轴向流动 从而导致各层金属轴向流动的差异 产生了纵向剪切应力 它易导致表面裂纹 横裂 缺陷 减少措施 采用主动顶头 或加润滑剂等来减少 横向剪切变形 内外层金属沿横向产生附加相互剪切 轧制时 外层金属切向流动的角速度大于内层 使金属纤维弯曲成C型 减壁量越大 金属切向流动的角速度的差异就越大 弯曲就越大 其大小用 表示 指在管壁厚度的0 5s处的切线与过该点的径向线之间的夹角 角越大 横向剪切变形越严重 产生的原因 顶头的阻力与轧辊的动力共同作用的结果 是造成毛管纵裂 折叠 分层等缺陷的原因 减少措施 加润滑剂降低顶头阻力 扭转变形 是由于变形区中管坯各截面的角速度不同引起的 是不可避免的 由于所以管坯各截面处的转速并不相同 必然产生扭转现象 这样使坯料表面原有的裂纹 起皮 夹层等缺陷 扭转后很容易形成外折叠 减少扭转的方法主要是降低 1 2 2 3 5二辊斜轧穿孔时的孔腔形成理论 孔腔 旋转横锻 横轧或斜轧实心工件时 工件产生的纵向内撕裂 切应力理论 认为中心撕裂是管坯中心受交变的剪切应力作用的结果 断裂为韧性破裂 代表人物是德国的E 吉贝尔 Siebel 目前欧美仍采用此理论 切应力作用下的中心撕裂 P P b 正应力理论 认为中心破裂是管坯中心受横向拉应力作用的结果 属于脆性断裂 代表人物是前苏联 B C萨米尔诺夫 认为 斜轧实心圆管坯时 由于外力具有集中载荷的特征 塑性变形只发生在表面 而向中心方向的塑性变形迅速减小 中心将不产生塑性变形 只产生弹性变形 是所谓的弹性核 沿横向 纵向的不均匀变形 使管坯中心受到轴向 x 横向 y 应力作用 图 旋转时 管坯中心的附加残余应力不断积累 以至在外力方向上产生很大的拉应力 z 当应力 y z b时 内部产生了脆性断裂 形成了孔腔 c 综合应力理论 认为孔腔形成是由于中心金属受交变的切应力和很大的拉应力共同作用的结果 属于韧 脆性断裂 1 在斜轧时 坯料旋转 塑性变形不断向中心深入 最终坯料中心也产生相当大的塑性变形 2 所受应力情况是一向压缩 两向拉伸 3 在应力场作用下 轧件中心不断受增大的切应力和拉应力作用 切应力使金属滑移变形产生微裂 拉应力使微裂扩展成缝 最终形成孔腔 整个过程是 切应力的作用使中心产生塑性变形而微裂 微裂在轴向拉应力的作用下形成许多未相互连接的裂缝 使中心疏松 再在横向拉应力作用下扩展成不可焊合的孔腔 影响孔腔形成的因素 1 钢的自然塑性 化学成分 冶炼质量 组织状态等 塑性 可穿性 孔腔 2 送进角 若 变形区 交变应力 孔腔 3 穿孔温度t 无论t 还是t 使塑性 孔腔 4 封闭孔型的椭圆度系数 导板间距 轧辊间距 曼 不能太小 否则不利于变形 狄 可小些 且变形好些 若 横向 y 孔腔 交变 5 顶前压缩量 h 若 h 不均匀变形 y 交变 孔腔 6 轧辊的入口锥角 1 若 1 变形较均匀 附加应力不易产生 孔腔 7 主动导盘 有利于纵向变形 变形不均匀性 孔腔 8 轧辊磨损 增加滑动 光转不走 从而使交变 孔腔 凡是增加不均匀变形的因素 凡是使金属塑性变差的因素 都能促进孔腔形成 2 3 6二辊斜轧穿孔时的轧制力计算 曼氏穿孔机 1 接触面积的确定 b 接触区宽度 l 接触区长度 1 接触区宽度的确定 数学推导得任一截面的接触宽度为 Dx Rx 辊任一截面的直径 半径 dx rx 任一截面的管坯长轴直径 半径 bx 任一截面的接触区宽度 d 任一截面的辊间距 2 变形区长度的确定 几何推导 上式在 8 12 范围内 所得结果偏高 但不超过8 10 若考虑送进角的影响 采用下式计算 契革马略夫简化式 入口锥 则 b 轧制带处接触区宽度 出口锥 则 通常情况下考虑压扁 故增加一个压扁数 1 5 1 8 一般情况下取1 5 则出口锥接触面积为 故 2 求单位平均压力及总轧制力由于各变形区的受力情况差别很大 理论上计算单位平均压力很困难 故采用下列经验计算公式 n 应力状态影响系数 k 金属平面变形抗力 s 屈服极限 它们分别为摩擦 外区 张力 轧件接触宽度 孔型对单位平均压力的影响系数 斜轧时 在入口锥变形区 相当于高轧件轧制 在轧制带处bx Dpx 0 25 0 35 所以外区影响很大 因而n nL 契革马略夫实验式 管坯直径总压下率 s需由 t 查表 入口锥单位平均压力 出口锥单位平均压力 入口锥轧制压力 出口锥轧制压力 总轧制力 影响穿孔轧制力的因素 1 轧制温度 t P 2 轧辊直径 D F接 P 3 压下量 h h F接 P 4 入口锥角 1 1 F接 P 5 金属塑性 s P 凡是影响金属塑性及接触面积的因素 都影响轧制力 2 3 7 二辊斜轧穿孔机的工具设计 要求 咬入条件好 穿孔过程进行顺利 毛管笔直 内外表面质量和尺寸好 单位能耗小 工具寿命高 磨损均匀 机组生产率高 1 轧辊设计 桶型辊 轧辊直径的确定 考虑强度 咬入 穿孔效率等 一般 大型机组 400 1 i 4 0左右 中型机组 250 1 i 4 5 5 0 小型机组 140 1 i 6 7 5 辊身长度 考虑管坯的直径压下量和毛管外扩径量 L1 入口锥长度 考虑压下量 L2 出口锥长度 考虑扩径量 L3 辗轧带 一般L3 0 20mm 或L3 0 01 0 04 L穿 当 1 2很小时 L3取零 即两锥用大圆弧过度 一般R1 R2 15 25mm 入 出口锥角的确定 1 为改善毛管质量和咬入条件 提高生产效率 尽量取小一些 若 1 咬入 但L1 顶前易形成孔腔 对表面质量不利 且轧制力 经验值 1 2 5 4 5 常取3 3 30 2 若 2 扩径量 螺旋壁厚不均严重 2 可改善毛管质量和壁厚不均 但也限制了扩径量 经验值 2 2 5 4 5 用小管坯生产大口径管时 2有时可达8 轧辊材质 1 轧辊的结构整体式 辊身与辊轴成一体 不常用 组合式 辊身与辊轴套在一起 装配时采用 红装 加键 只报废辊身 经常采用 2 材质辊轴 常用40Cr 45Cr等综合性能好的材料 辊身 常用50Mn 65Mn等 铸钢或锻钢 硬度HB 141 184 易咬入 耐磨 2顶头设计 以更换式非水冷顶头为例 顶头直径Dt 由轧制表 Dt dm dk dk 0 075 0 00135 m Dp 或 dm Dm m 毛管内径 外径 壁厚 Dp 管坯直径 dk 内扩径量 鞍钢5 15mm 顶头鼻部鼻部直径d0应等于小于定心孔直径 或大体等于管坯中心疏松区直径 即 d0 0 15 0 25 Dp d0一般不宜过大 即使大顶头也不大于35mm L0 0 8 1 0 d0 水冷顶头一般无鼻部 顶部用圆弧过度 r r0 d0 2 穿孔锥长度L1 有弧线 直线和特殊曲线形 一般 L1 F接 阻力 过长还会引起轧卡 L1 变陡 阻力 通常L1 1 2 5 Dt 大直径顶头取小值 采用大的 时 增加20 30 直径D1及轮廓母线半径R 母线锥角 t通常为12 15 辗轧带 平整段 L2 确保毛管上任一点金属在辗轧带上至少被加工一次 以均匀壁厚 所以 L2 1 5 1 75 Zch Zch 毛管出口锥的1 n螺距 n为轧辊数目 反锥L3 防止划伤钢管内表面 并起平衡作用 固定式 外更换式 水冷顶头 L3 5 15mm 更换式非水冷 L3 30 50mm 水冷顶头的壁厚 兼顾强度和水冷效果 t 太厚 冷却效果不好 太薄 易炸裂 通常 t 0 13 0 2 Dt 顶头材质更换式非水冷顶头 20CrNi3A 小机组水冷顶头 20CrNi4VA 3Cr2W8V 经热处理后获得致密的氧化膜 穿制不锈钢时用 MTZ MoTiZr 即钼钛锆合金 预热850 950 并用玻璃粉润滑 2 4毛管轧制 轧制目的 穿孔以后的毛管必须进行壁厚加工 同时还要对外径进行加工 才能投入使用 毛管轧制就是对穿孔以后的毛管进行壁厚加工 实现减壁延伸 使壁厚接近或等于成品壁厚 毛管轧制的方法包括 1 斜轧 斜轧延伸机 芯头 狄舍尔延伸机 芯棒 锥形辊延伸机 芯棒 以及三辊轧管机 ASSEL 等 2 纵轧 自动轧管机 连轧管机 三辊连轧管机等 按照机架形式及内变形工具的类型 纵轧基本可分三类 空心 长芯棒 短芯头 a 空心管轧制 b 长芯棒轧制 c 短芯头轧制 2 4 1连轧管机 纵轧 生产小口径钢管的高效能轧机 生产率最高 质量最好 布置 将毛管套在长芯棒上 经过多机架顺次布置 相邻机架辊缝互错90 的连轧机轧成钢管 a 全浮动芯棒 MandrelMill M M 芯棒随同管子自由运动的长芯棒连轧管机 b 限动芯棒 Multi StantPipeMill M P M c 半限浮芯棒 连轧管机优点1 在连续的8 9机架中以大压下量一次完成轧制 高效获得长尺钢管 33米 240根 时 2 钢管质量高 可减小穿孔变形 从而 穿孔表面缺陷 交替轧制钢管 消除穿孔螺旋壁厚不均 调质磨光的特殊芯棒使内外表面平滑 3 容易实现自动化 芯棒循环使用 只穿孔需换顶头 整个热轧线可全部自动化 4 产品范围广 连轧管机本身生产规格少 容易掌握 但可通过配备张力减径机就能生产出多种不同规格的品种 适合生产小口径无缝钢管 缺点 1 设备费用高 连轧管机上机架刚性大 电机容量大 电气控制系统复杂 连轧机和张力减径机都要有几套备用机架 而且还有一套芯棒加工及热处理的专用设备 因此设备费用比较高 2 长芯棒的制造复杂 储存及维修难 168mm以下小口径管 循环使用每组需要准备12 16根芯棒 制造材料多采用合金钢 3 轧制状态比钢板轧制复杂得多 不适合生产高合金钢管 有些问题尚未完全弄清楚 4 脱棒问题 不适合太薄 太厚 太长的钢管生产 尽管如此 连轧管机组由于具有产品质量好 生产能力高的特点 二十多年来得到了迅速发展 对于生产高质量的钢管仍是一种最合适的制管方法 2 4 2三辊斜轧管机 1 阿塞尔三辊斜轧Assel由三个主动轧辊和一个芯棒组成圆环封闭孔型 目的在于创造一种带芯棒轧制的斜轧机来代替无缝钢管生产中所必须的自动轧管机和均整机 同时也想提高管壁精度和改善表面质量 缺点 只可轧Dc C 12的钢管 当轧更薄管子会出现 尾三角 使轧制过程无法终结 2 特朗斯瓦尔 Transval 可轧Dc Sc 50优点 在Assel基础上发展的轧机 其特点是机架的入口牌坊可以绕轧制线旋转 实现了轧制中变送进角 变轧制速度 可以避免出现 尾三角 2 4 3狄舍尔轧管机 带长芯棒和主动导盘的二辊卧式斜轧机 优点 导盘产生轴向拉力减少 尾三角 钢管质量好 偏心小 壁厚变换方便 缺点 生产能力低 长度短 产量低质量高 配备狄舍尔穿孔机来生产 2 4 4周期轧管机 PilgerMill 定义 轧辊的转向与钢管的送进方向相反的二辊不可逆轧机 轧辊轧槽的深度在整个圆周上由深向浅变化 即孔型由大到小 轧辊旋转一周孔型完成一个变化周期 过程 轧辊每转一周 毛管某一段被辗轧 长度为送进量m 30mm 当轧辊转到孔型开口区 又开始新的周期 即再次送毛管时将毛管转90 重复前一过程 空轧区 x 工作区 p 变断面圆孔型横断面有两个区域 空轧区 轧辊开口 张开时 翻钢90 工作区 1 锤头区 孔型半径 压缩变形 2 定径区 研磨区 孔型半径不变 轧平管壁及精整 3 出口区 轧辊表面逐渐平稳地脱开钢管 优缺点 由锭直接轧成钢管 省去管坯车间 减少建厂投资 降低成本 生产大直径管和异型管 且长度较大 产品品种少 钢管质量较差 生产率低 2 4 5自动轧管机 轧管机 均整机 自动轧管机工作原理 1903年 瑞士人斯蒂芬尔 R C stiefel 发明的 1906年建立了世界上第一个机组 工作特点 上工作辊和下回送辊同步 工作辊上配有孔型 轧后钢管产生对称的壁厚不均 为使钢管壁厚均匀和有较大延伸 2 3 需轧2 3道次 由于低于950 管将会轧裂 所以轧两道 翻钢在同一孔型中轧制 高度不变 靠顶头来调整 回送辊有相应较大的孔型 轧制特点 1 轧管一般两道次 第一道次主要变形 第二道次翻90 消除孔型开口处管壁的偏厚量 2 延伸系数低 要求配有较大延伸的穿孔机 一般需二次穿孔 3 轧管开口处 孔型开口 毛管纵向壁厚不均 轧管机后配有二辊斜轧均整机 目的是 A消除壁厚不均B磨光表面 内外 C圆正D三辊均整机还可实现减壁20 15 1 常用孔型系统 1 椭圆孔型若a b已知 则 得 令 椭圆度系数 得 2 带圆弧侧边的圆孔型推导计算得侧壁半径 开口角 30 时 侧边变为直线 即 2 自动轧管时的变形过程 三个阶段 压扁变形 开始 四点接触 塑性弯曲变形 减径变形 轴向延伸 管壁有所增加 减壁变形 顶头参与 壁厚减薄 延伸增加 3 采用短而固定顶头轧管时的变形特点1 特点 在其横截面上产生严重的变形不均 因为 在孔型顶部 在顶头作用下 管壁被压缩 纵向延伸增加 管壁减薄 在孔型开口处 由于侧壁有斜度 宽展向内 外壁发展 所以 管壁厚增加 因而轴向延伸降低 导致管边部产生轴向拉应力 顶部产生轴向压应力 壁厚严重不均 2 克服横向变形不均的措施合适的宽高比 即 薄管取小值 若太小 易出 楞子 甚至咬入困难 太大 尺寸不精 不均变形严重 轧制温度要准确 温度无论升高或降低 都会使金属的塑性降低 导致横裂缺陷 采用多面孔型 尽量与实际情况吻合 减少横向变形不均 适当的压下量 至少轧两2 3道次 碳 2道 合 3道 合适的顶头锥角rt 一般rt 7 12 常用的12 15 太大 正面阻力大 不利于二次咬入 太小 摩擦阻力大 顶头润滑 以降低摩擦阻力 加NaCl 在1100 升华 液化后做润滑剂 设均整工序 靠扩径改善横向壁厚不均 可提高均匀度18 20 4 轧管运动学同普通纵轧一样 有前滑 后滑 类似薄板轧制 粘着区较小 在孔型中各点的辊径和线速度不同 在孔型顶部有前滑 孔型底部有后滑 其前滑系数 Dw 出口截面的工作辊直径 大于槽底 小于槽口 Dz 孔型直径 轧后钢管直径 等于轧槽高 D0 轧辊名义直径 5 自动轧管机咬入条件 咬入也分为两次咬入 一是轧辊将轧件曳入减径区 二是毛管内表面同顶头接触而被曳入减壁区 1 一次咬入条件 0 如果毛管与孔型顶部先接触 则同纵轧一样满足 初次咬入角 开始时 轧件有四点与孔型侧壁接触 实现咬入 即 Tx Nx 所以 孔型的开口角 按最先接触点计算的咬入角 孔型高 摩擦系数 对铸铁轧辊 2 二次咬入条件 采用经验式 当翻钢轧第二道时 一次咬入 管与孔型顶部接触 二次咬入为 为第二道次的咬入角 孔型的宽 高 为第二道次的减壁角 6 轧制力计算 1 接触面积F F1 F2 B N安尼西格夫公式求总面积 该公式未考虑压扁 计算结果偏低 薄 25 30 厚 15 20 小机组 10 因而采用修正式 K为系数 薄 1 25 1 4 厚 1 15 1 2 小机组 1 1 求F1和F2的面积 经验式 F2 1 06 1 1 bL2则 F1 F F2 L2 减壁区接触弧长水平投影 变形区可分为 减径区 L1 减壁区 L2 总变形区为L0 L1 L2 D0 轧辊名义直径 Dmin 孔型顶部直径 Dm 毛管直径 a 孔型高 b 孔型宽 2 单位压力 减径区 减壁区 外区影响系数 外摩擦影响系数 减径区毛管平均外径 毛管壁厚 L1 减径区接触弧长水平投影 3 轧制力 7 钢管均整 1 均整的作用 均整钢管的壁厚 消除轧管造成的壁厚不均 光滑内外表面 消除轧管造成的直道表面缺陷 使钢管圆正 如果三辊均整 可实现15 20 的减壁量 对厚壁管起到定径的任务 2 均整变形过程 a减径区 从钢管与轧辊接触到与顶头接触止 作用 顺利实现一次咬入 为二次咬入积累摩擦力 钢管变椭 螺旋前进 b管壁压缩区 从与顶头接触开始 到轧辊轴线与轧制线的交叉点为止 作用 实现二次咬入 同顶头工作锥 圆柱带 一起压缩壁厚 c辗轧区 从交叉点到顶头工作锥的末端止 作用 变形甚微 光滑内外表面 起精整作用 d转圆区 从顶头工作锥的末端到脱离顶头为止 作用 归圆 甩圆 进一步均整壁厚 3 均整机的结构二辊均整机的结构大体上与穿孔机类似 但相对简单些 4 主要工具 轧辊辊型 a 圆柱型 壁厚易控制 顶头在变形区内的位置要求不严格 操作容易 但咬入困难 扩径量小 b 圆锥型 扩径量大 但对顶头在变形区内的位置要求非常严格 c 锥柱型 特点介于圆柱型和与圆锥型之间 均整机的顶头一般有两种形式 A圆柱型 与圆柱型辊或锥柱型辊配合 B圆锥型 与圆锥型辊配合 5 均整机特征 实现 三点轧制 在车辊时 两轧辊直径相差2 3mm 并使均整中心线比机器中心线低4 10mm 轧制时 轧辊只贴下导板运行 上导板只起导向作用 三点轧制 保证了轧制线的稳定 扩径均整 扩径量的大小与钢种 壁厚有关 还与下道工序的定径机能力有关 扩径量一般为 合金钢 薄壁管取小值 普碳钢 厚壁管取大值 2 5钢管定 减 径 钢管的定 减 径及张力减径就是钢管空心体不带芯棒的连轧过程 毛管在轧管机上进行了以减壁为主的加工后 已成为壁厚接近成品的荒管 为了扩大生产使用范围 需要对其外径进行加工 同时对壁厚继续进行少量的加工 这就是钢管生产中变形的第三个阶段 定 减 径工序 钢管的定径和减径 2 5 1定径机定径的作用 在较小的减径率条件下 将钢管轧成合格的尺寸精度和真圆度的成品管 其任务一是少量减径 二是归圆 定径机一般为 3 12架 常用的为 5 7架 在轧制过程中一般没有减壁现象 而且由于直径减小而使得壁厚略有增加 在新建的轧管机组的定减径设备中 定径机多采用三辊式 因为 三辊的孔型为整体加工 保证了钢管的尺寸精度 整体机座更换 时间短 提高了工作效率 三辊定径机一般选用12架左右且采用分组传动技术 生产灵活性大 定径机的单机减径率一般为3 5 最大总减径率为30 左右 2 5 2减径机减径的作用 除起定径的作用外 尚有较大的减径率 以实现大口径管料生产小口径钢管的目的 一般为 9 24架 常用20架左右 由于机架间少张力或无张力 所以没有减壁现象 相反由于径向压下较大 管壁增厚现象较定径明显 特别是横向壁厚不均显著 常出现内四方 二辊 和内六方 三辊 现象 无张力减径的单机减径率一般为3 3 5 总减径率为45 以下 2 5 3张力减径机张力减径的作用 除起减径的作用外 还利用机架间的张力来达到减壁的作用 一般为 12 30架 常用的为20 28架 机架形式以三辊为主 三辊张力减径机的优点 1 其孔型由三段圆弧组成 管子受力均匀 轧辊与钢管的相对滑动小 摩擦损失小 变形率高 2 其孔型的椭圆度比二辊小 因而在大的减径 减壁量时 钢管的质量好 3 机架间距的大小直接钢管的切头损失 三辊的机架间距 约等于轧辊名义直径的0 9倍 比二辊 约等于轧辊的名义直径 小 使切头损失减少10 4 三个轧辊整体加工 整体放置工作中 不需要调整 孔型精度高 2 5 4定 减 径钢管横向壁厚不均 壁厚不均匀的分布 1 无张力定 减径时经多机架二辊轧制 有可能出现钢管 内方 缺陷 经过多机架三辊轧制 有可能出现钢管 内六方 缺陷 在孔型顶部及附近的金属受减径变形而产生延伸和宽展时 由于受孔型槽壁的限制 宽展 管壁增厚 只能向内进行 而辊缝处金属可以向两侧增厚 同时 孔型顶部处的单位压力最大 辊缝处最小 迫使孔型顶部处金属向辊缝处流动 因此 在定 减径过程中出现壁厚增厚不均 孔型顶部增厚最小 辊缝处增厚最大 由于相临机架辊缝互成90 故出现上述缺陷 减少 内方 或 内六方 的措施 采用三辊式定 减径机 采用三辊时的 内六方 缺陷比二辊的 内方 缺陷更接近圆形 调整定 减径机使钢管轧制时产生小的旋转 以使各架辊缝不固定在钢管横断面四点上 可以减少横向壁厚不均 带微张力轧制 促进金属延伸 减少横向壁厚不均 各机架间呈不同角度布置 即后机架与前机架成某一较小的角度 会使设备布置复杂化 较少采用 2 张力减径时也会因横向壁厚不均而出现钢管 内方 或 内六方 缺陷 影响该缺陷的因素 D越小 则壁厚不均越小 当 D 0 05 0 10时 几乎不发生 当 D 0 20时 内孔不圆特别明显 当 D 0 05 0 10时 张力无明显影响 但当 D值较大时 张力越大 横向壁厚不均越大 横向壁厚不均主要产生于中 后部各机架 因为各机架的 D值逐渐增加 且张力也比始轧机架大 单机减径率越大 横向壁厚不均越大 孔型椭圆度越大 横向壁厚不均越大 因此 为了减轻张力减径时的横向壁厚不均 应当合理地选择单机减径率 张力 孔型椭圆度 2 5 5定 减 径时减径率的分配 单机最大减径率可根据钢管的品种确定 与其相关的因素有壁厚变化值 壁厚系数 张力系数 总减径率 第i架的相对减径率 D0 坯料直径 Di i架钢管或孔型的平均直径 一般各架间相对变形量1 5 1 定减径时减径率的分配原则始轧 终轧变形量较小 中轧变形量较大 一般 5 7架定径机总减径率 D 3 15 12架定径机总减径率 D 30 左右 单机最大减径率为3 5 经常被控制在3 3 5 以下 24架减径机的总减径率 D 45 单机最大减径率也被控制在3 3 5 以下 超过此值则会出现内方缺陷 对于成品架 易变形 尺寸不易控制 所以取0 首架及成品前架 首架小 易咬入 成品前架要保证精度 中间各架平均分配 通常平均减径率 2 张力减径时减径率的分配原则 张力减径机 28架 的总减径率可达90 单机减径率多在12 最高可达17 为提高减径管质量常被限制在7 9 的范围内 张减时 按机架间张力变化将机架分为 始轧 中轧 终轧 单机最大减径率应处于中轧部分 一般始轧机架逐渐增加 中轧机架均匀分配 并略有减小 终轧机架迅速减小 至成品机架为0或接近于0 2 5 6定 减 径时管壁厚度计算及其变化率的分配 在定 减径时 壁厚有所增加 一般按已知成品管壁厚 成 决定减径前壁厚 0 成 15mm时 0 成 1 0 0044 D减前 D减后 总增壁量 0 0044 D减前 D减后 成 成 15mm时 0 成 D减前 D减后 14 9总增壁量 D减前 D减后 14 9 张力减径时 减壁率的影响因素有减径率 壁厚系数 张力系数等 单机减壁率 i 0 33 0 5 Di总减壁率 D 50 时 D 16 0 55 D 50 时 D 13 0 55 壁厚分配原则对于张力减径 根据张力升起 降落是否平滑来加以调整 具体分配见图 第一 二架为管壁增厚 第三 四架管壁减薄 但第三架减薄后其管壁仍大于原始壁厚 而第四架减薄后的管壁开始小于原始壁厚 第四架以后各架壁厚按图中规律逐架次减薄 最后三架开始增厚 2 5 7各架孔型平均直径的确定 按每架的减径率 可求出孔型的平均直径 由于 所以 近似计算 均整后钢管外径 成品孔型平均直径 孔型平均直径 2 6钢管的精整 钢管的冷却与矫直 为了使钢管冷却均匀 不产生弯曲 一般钢管冷床多被做成沿前进方向往上倾斜 斜度为2 左右 的台架 并用带钢性拨爪的链式托运机拖运 由于台架是向上倾斜的 所以钢管在行进过程中会靠着拨爪的侧面旋转上行 从而使钢管得到均匀冷却 钢管冷却后用斜辊矫直机矫直 矫直后的钢管用切管机切头 切尾及切成定尺钢管 3轧制表编制 轧制表是指计算轧管工艺过程 变形工序主要参数的表格 是轧管工艺过程的基础 3 1轧制表的编制的内容 原则及要求 1 内容 成品尺寸及技术标准 管坯尺寸及技术条件 各轧机的变形分配 穿孔 轧管 均整 定减径等的 s 轧后钢管或毛管尺寸 D外 L s 工具尺寸及轧机调整参数等 2 要求 合理分配变形量 使穿孔机及轧管机负担均衡 并使轧制过程顺利进行 用最少的工具完成轧制 同时要减少管坯尺寸种类 合理选择轧机的参数 保证产品质量 一般 穿孔机 1 3 5 7 压缩带处压下量10 17 多取15 顶前压下率4 9 自动轧管机 76机组 1 5 100机组 2 均整变形量0 2 1 合理选择管坯尺寸 考虑钢种特性 以便获得高性能产品 3 原则 以自动轧管机组为例进行说明 管坯选择 三种情况 Dp Dm 缩径穿孔 产量高 但质量差 内折 能耗也高 Dp Dm 扩径穿孔 质量也不好 易出螺旋道 Dp Dm 等径穿孔 质量较好 但咬入差 现场均希望等径或稍扩径 10 如 159毛管采用 150坯料 鞍钢 114 8 Dp 120 Dm 120 121 16 Dp 130 Dm 133 延伸系数分配 为热态尺寸 其中 对于定径管 89以上 一般认为 所以因为是扩径均整 壁厚略减 长度变短 定径壁厚略增 长度增加 两者相抵 对于减径管 89以下 当生产薄壁管时 自动轧管机是薄弱环节 所以分配要大些 当生产厚壁管时 穿孔机是薄弱环节 因为弓杆 所以分配要大些 轧 1 1 2 2 一般都采用锥型顶头 减壁量较大 若采用球型顶头 轧 1 3 1 5 减壁量较小 穿的最大值 碳钢 5 合金 低塑性钢 3 穿孔机的椭圆度系数 通常取1 1左右 取太小 尺寸精度高 但咬入困难 易出现前轧卡 取太大 交变应力严重 易出现内折 外螺旋道 甚至出现后卡 出现内折 要考虑顶前压下量 导板间距 送进角 轧辊转数及高 低倍组织等因素 坯料长度与轧后长度确定L成 Lp 总 K 同理 L穿 Lp 穿 L轧 L穿 轧 其中 K烧损 穿孔总压下率 碳钢10 15 合金 低塑性钢6 12 穿孔顶前压下率 碳钢4 10 合金 低塑性钢4 7 3 2编制的方法顺轧制法 由原料 成品 新 旧车间均可采用 逆轧制法 由成品 原料 适宜新设计的车间 中间开花法 以自动轧管机为中心向两头验算 管坯 设备及工序已定型的情况下采用 现场多采用中间开花法 确定已知条件 成品管尺寸及技术条件 如 108 10 20 钢 结构用管 首先选定管坯尺寸 如 100或110 再选定轧管机孔型尺寸 即轧槽高 如H 106或112 计算方法 轧管机1 钢管壁厚 对于定径管在轧管机上可获得近似于成品 D0 S0 的荒管 一般管坯近似成品管时走定径 对于管坯大而成品管尺