冶金行业轧管培训教材.pptx

第五章 毛管轧制毛管轧制毛管轧制管坯穿孔管坯穿孔毛管轧制：热轧无缝钢管的主要变形工序毛管轧制：热轧无缝钢管的主要变形工序1.减壁：减壁：使毛管壁厚接近/达到成品管壁厚，壁厚，S；2.减径：减少外径外径D；3.消除毛管的纵向壁厚不均、纵向壁厚不均、提高荒管内外表面质量质量、控制荒管外径和真圆度。外径和真圆度。轧管方法如下图所示：其中斜轧法轧管的工艺设备和变形基本上与斜轧穿孔/延伸相似，故本章主要讨论毛管纵轧讨论毛管纵轧。5.1自动轧管机及其轧管过程自动轧管机及其轧管过程瑞士人1903年发明第一套2.自动轧管机轧管过程自动轧管机轧管过程结构：结构：工作机座为二辊不可逆式纵轧机不可逆式纵轧机；在工作辊后设置一对高速反向旋轧的回送辊回送辊；快速升降机构升降机构（上工作辊、下回送辊）：轧后的荒管回送到前台图54：环形孔型：圆孔型（圆孔型（25个）轧辊锥个）轧辊锥形形/球形顶头球形顶头。毛管轧制：两道次（低于两道次（低于950会轧破会轧破）变形量变形量的分配由两道的分配由两道顶头的直径顶头的直径来调整。来调整。自动轧管机轧管过程过程：第一道后快速提升上工作辊：打开孔型 快速提升下回送辊（4080mm）：夹持轧后荒管，将其快速回送到快速回送到轧管机前台，并翻转翻转90工作辊恢复到原位，回送辊恢复到打开位置第第二道轧制二道轧制再回送到前台再回送到前台翻料装置移出轧制线均整均整第二道次作用：第二道次作用：消除消除第一道次的第一道次的壁厚不均壁厚不均，特别是辊缝，特别是辊缝部位，需要翻钢再轧，还有就是部位，需要翻钢再轧，还有就是消除螺旋消除螺旋。第一道：第一道：1.31.8；第二道：；第二道：1.051.25高高Cr铸铁铸铁3.自动轧管变形过程a.变形区组成：减径区减径区l1（轧管准备区）：轧辊咬入毛管（一次咬入）接触顶头为止；减壁区减壁区l2：顶头穿入毛管（二次咬入）外表脱离轧辊为止。b.轧管变形过程：根据变形特点分为三个阶段压扁变形阶段：压扁变形阶段：减径区四点接触点接触高向压缩高向压缩、横向宽度横向宽度。减径变形阶段：减径变形阶段：u壁厚壁厚：特别是开口处大减壁变形阶段：开始接触顶头！减壁变形阶段：开始接触顶头！辊型和顶头组成的环状间隙为什么自动轧管机壁厚不均？为什么自动轧管机壁厚不均？u孔型开口处变形小，壁较厚，且受附加轴向拉应力的作用（横裂横裂）；而孔型顶部变形大，壁较薄导致横向壁横向壁厚不均。厚不均。v设置均整工序：壁厚不均穿孔后：1820；轧管第一道后：5060；第二道后：20左右；均整后：812。lba（aDm）为什么ba？v孔型！：带侧壁开口的圆孔型带侧壁开口的圆孔型或或椭圆孔型椭圆孔型，其ba。va的作用：压下使钢管延伸的作用：压下使钢管延伸，因此，aDm。vb的作用（的作用（孔型侧壁）：主要是保证毛管的正常咬入保证毛管的正常咬入，同时有横向宽展的余地，防止产生耳子和划伤毛管。防止产生耳子和划伤毛管。l如果采用正圆孔型正圆孔型，即没有侧壁，ba，则b Dm，无法被孔型咬入，会啃伤毛管啃伤毛管。lb，椭圆度：易咬入、防耳子；但增加壁厚不均。l延伸小可采用小椭圆度。10.轧管机工具材质u工作辊-铸铁：无限冷硬铸铁、球墨铸铁、冷硬球墨铸铁u回送辊-锻钢：退火后的中碳锻钢f、回送u顶头-铸钢：Cr32Ni5、Cr15Ni2等镍铬铸钢变形过程：变形量小、变形区长 主要改善质量减径区：短、咬入荒管；减壁区：轧辊轴线与轧制线倾斜，内表面与顶头表面间隙逐渐减小间隙逐渐减小压缩壁厚；辗轧区：精整管壁；归圆区：圆正荒管5.3 连续式轧管机毛管套在长心棒上，多机架顺次排列，且轧辊互错90。1.MM（Mandrel Mill）连轧管机：心棒随同管子自由运动浮动芯棒浮动芯棒2.MPM（MultiStand Pipe Mill）：心棒限限动动、速度可控限动芯棒限动芯棒限动芯棒连轧管机 vMPM=Multi-Stand Pipe Millv中国第一套限动芯棒连轧管机组，引进自意大利，于1992年在天津钢管集团股份有限公司投产。v经技术改造，天津钢管集团的250mm限动芯棒连轧管机组已经由设计年产能力50万吨，扩大到现在的年产能力100万吨。v限动芯棒连轧管机是在浮动芯棒连轧管机的基础上发展起来的。v限动芯棒连轧管机于20世纪60年代中期进行了工艺试验并获得了可喜的成果。v1978年世界上第一套限动芯棒连轧管机在意大利达尔明钢管厂建成投产，将连轧管工艺发展到了一个新的水准。v限动芯棒连轧管机在整个轧制过程中对芯棒的运行加以控制，使其以设定的恒定速度前进，轧制过程结束时，由脱管机将荒管与芯棒分离后，荒管被移送到下道工序进一步加工；芯棒则返回，拨出轧制线后，冷却、润滑后循环使用。vMPM使得钢管壁厚偏差得到改善，工具、能耗有所降低，将连轧管机轧制钢管的最大外径由194mm扩大到426mm。vMPM一经问世，因其在技术、产量、质量、自动化和劳动生产率等诸方面的突出优势，引起了无缝钢管界的广泛关注并得到认同和推崇，目前已使其在除大洋州以外的五大洲得以迅速的推广应用；v特别是1978年到1992年间的前15年，受当时石油产业对油井管需求旺盛的影响，促使了MPM技术的飞速发展，相继建成投产了10套限动芯棒连轧管机组，从第二套到第十套仅用了10年的时间。v序号 机组名称 厂名 国家 投产年份 设计年产量（/万吨）成品管规格D X S(mm)机架数 v365mm 达尔明厂 意大利 1978 50 159365X3.525 8 v245mm 京滨厂 日本 1983 60 114245X4.540 8 v273mm 坦姆萨厂 墨西哥 1983 60 114273X4.540 7 v245mm 费尔菲尔 美国 1983 60 89245X5.432 7 v245mm 北方星钢厂 美国 1987 30 114245 7 v245mm 阿尔戈马厂 加拿大 1986 30 48178X3.632 7 v245mm 希德尔卡厂 阿根廷 1988 35 140273X4.535 6 v245mm 西多厂 委内瑞拉 1990 114245X4.535 v426mm 伏尔加钢管厂 俄罗斯 1990 72 114245X4.535159426X6.035.0 7 v250mm 天津钢管集团 中国 1992 50 114273X4.535 7v限动芯棒连轧管机（MPM机组）是二十世纪末期二十世纪末期世界上最先进的轧管工艺。v自从2003年，天津钢管集团股份有限公司投产了世界上第一套PQF（三辊限动芯棒连轧管机）机组后，PQF已经取代了已经取代了MPM的位置，的位置，成为了世界上对先进轧管工艺的代名词。vMPM连轧管机在PQF出现以前，都是两辊式的，即由两个轧辊为一组组成孔型,两个轧辊相互平行，相邻相邻两个孔型的辊缝相错两个孔型的辊缝相错90；vPQF为三辊式的，即由三个轧辊为一组构成孔型，三个轧辊互成120，相邻两个孔型的辊缝相错相邻两个孔型的辊缝相错60；v使上一架孔型的槽底对应下一架孔型的槽顶。使上一架孔型的槽底对应下一架孔型的槽顶。1.MM轧管机组特点结构：89架二辊式轧机，轧辊轴线与地面成45，相邻机架轧辊轴线互相垂直互相垂直，机架采用高刚度的预应力轧机直流电机单独传动，提高轧机转速调节响应度后配有现代张力减径机张力减径机新的电控技术v优点：生产率高高，达75万吨；钢管质量及尺寸精度高高；可轧长33m长长的荒管，减径后可达165m；变形量大变形量大，z可达5，可轧厚壁毛管，减小穿孔变形量；减小穿孔变形量；自动化程度高高；成本低，消耗低，折旧费小，适合生产小口径小口径无缝钢管n缺点：一次投资费用大大直径心棒加工、储存及维修难，168mm以下小口径管不适合生产高合金钢管脱棒问题：不适合太薄、太厚、太长的钢管生产2.MM轧管轧制特点轧管轧制特点变形特点：壁厚均匀（后一架消除前一架）每架轧制：孔型顶部：受压受压轴向延伸、圆周横向宽展；圆周横向宽展；孔型侧壁：不接触心棒受孔 型顶部轴向延伸的轴向延伸的附加拉拉压力 作用轴向延伸、周向拉缩周向拉缩 v故：故：顶部金属宽展顶部金属宽展与与侧壁金属的拉缩保持侧壁金属的拉缩保持一定关系一定关系时，孔型正常充满。时，孔型正常充满。v根据塑性理论：孔型才正常充满过充满：耳子、飞翅欠充满：使荒管断面呈四角/八角形随后机架也会过充满（连锁反应）最佳：3.MM运动特点心棒：轴向仅受轧件摩擦力作用，处于全浮动状态。金属速度逐架升高，而芯棒为刚体，某一时刻只有一个速度，芯棒速度Vt各架金属速度的平均值，为中性面a.入口中性面：金属速度心棒速度金属后滑后滑b.中性面出口：前滑前滑连轧管机轧管过程：1.咬入阶段：咬入阶段：毛管依次进入各架轧机建立连轧过程，心棒运动速度、中性面位置随各架咬入跳跃性地增大跳跃性地增大。2.稳定轧制阶段：稳定轧制阶段：连轧过程建立、心棒速度及中性面处于某一稳定位置某一稳定位置。3.抛钢阶段：抛钢阶段：毛管尾端逐架离开，金属平均速度、心棒运动速度跳跃性增加跳跃性增加，中性面向出口侧移动。p金属与心棒相对滑动，心棒长度方向上摩擦力分布不一，对金属变形有以下影响：1.使金属内表面受切向应力作用，利于延伸延伸，毛管横截面，但不均匀。2.摩擦力使金属向心棒中性面移动，使该截面面积增加。3.心棒中性面中性面：，摩擦力使压应力轧制力轧机弹跳轧后断面轧后断面；中性面两侧两侧：相对滑动轧制力 轧机弹跳 轧后断面断面。4.竹节缺陷怎样产生的？竹节缺陷怎样产生的？结论结论v心棒中性面处轧件断面大设定值。心棒中性面处轧件断面大设定值。1.稳定轧制稳定轧制：毛管各截面通过心棒中性面的机率相同轧后荒管断面尺寸一致。2.咬入、抛钢阶段咬入、抛钢阶段：心棒中性面位置变化，毛管各截面通过中性面的几率不同各截面通过中性面的几率不同几率大的截面轧后断面尺寸大（壁厚与外径大）连轧管时出“竹节”缺陷。1.德国和日本：管端增厚电控技术，管端增厚电控技术，一套附加电控装置，使前三架前三架动态校准，使各架管子各架管子出口速度不变出口速度不变，减轻了“竹节”。2.前苏联：机械方法机械方法控制荒管头尾增厚，当管当管子通过头尾倒数子通过头尾倒数2-3架时，临时加大压下量架时，临时加大压下量；当管子中部通过时，恢复正常，这种方法可使头尾增厚限制在0.15-0.2mm范围内。6.连轧管过程采用何种张力制度？连轧管过程采用何种张力制度？v张力张力轧制：助于延伸延伸变形，减小横向变形；但易使管子抱心棒抱心棒、脱棒困难。v推力推力轧制：不利延伸、横向变形 荒管横向壁厚不均荒管呈竹节形竹节形。v理想：无张力、无推力的自由状态连轧。v实际：心棒的存在无法使用活套协调各架间的金属秒流量；孔型内不均匀变形产生干扰性的纵向张力。v故：要使各架金属秒流量恒定不变无法实现无法实现。v张力制度：张力逐渐减小张力逐渐减小过渡到推力轧制！过渡到推力轧制！1.13架采用0.51张力，中间机架0.50张力：保证轧制稳定又不将心棒抱得太紧2.后几架采用01的推力：利用脱棒。7.心棒心棒材质：铬钼圆钢铬钼圆钢：C：0.30.4；Cr：46；Mo：1.50.5；V少量。加工：粗车、精车（去直径24mm）、滚压、矫直、抛光（磨床/砂轮磨机）、调质处理、最终矫直。加工精度0.05mm，七级表面光洁度，淬火层厚度510mm，HRC为5560；可返修25次，总轧出量1.2万根荒管。心棒抽出后采用水冷，为防止出现表面龟裂，冷却水温控制为7080。润滑作用：变形均匀、能耗降低、横向壁厚不均、改善内表面质量、寿命提高。润滑剂要求：减摩性好、附着力强、易于涂抹、不与金属反应、资源丰富无害。v润滑剂：水溶性石磨油（含水533）、石磨溶液（石磨20、高分子聚合物15、水）、重油与石磨混合剂（10：1）。预热心棒250300，涂层厚度0.20.3mm。5.3三辊轧管机轧管（高精度厚壁管高精度厚壁管）阿塞尔（阿塞尔（Assel）v由美国人J.Assel研制，1935年第一台在美国轴承厂安装。v生产240mm的钢管，管长8-10m。v结构：工作辊安装在两个机架上，一个机架固定不动，另一台围绕轧机中心线0-25度-实现送进角的同步调整，轧辊为锥形，辗轧实现送进角的同步调整，轧辊为锥形，辗轧角固定在角固定在3-7度度。v优点：生产厚壁管、尺寸精度高（外径0.5、壁厚57.5）、表面质量好、轧机调整方便、易变规格、轧管机工具消耗少、易实现自动化。v缺点：生产效率低、需采用优质管坯，薄壁管生产难轴承管、枪炮轴承管、枪炮等高精度厚壁管。咬入段AB：毛管直径略减直径略减辗轧段BC：轧辊台肩处，减壁减壁均整段CD和规圆段DE：平整加工、减少尾三角v辊身：辊身：入口锥、辊肩、平整段、出口锥v变形区：变形区：咬入（减径）区、减壁区、平整区、归圆区v阿塞尔轧管机：只能轧只能轧Dc/Sc12的较厚钢管的较厚钢管。轧更薄的薄的荒管时，尾部会出现“尾三角尾三角”，轧制过程无法终了出现新的特朗斯瓦尔轧管机新的特朗斯瓦尔轧管机来克服此问题，1967年法国专利。Trasval特朗斯瓦尔特朗斯瓦尔v克服：1967年英法联合研发，变送进角和孔喉大小变送进角和孔喉大小的新型三辊轧管机-Trasval特朗斯瓦尔特朗斯瓦尔。克服尾三角的措施克服尾三角的措施1.Trasval轧管机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，在轧到薄壁管尾时快速转动机架，使送在轧到薄壁管尾时快速转动机架，使送进角减小，孔喉增大。进角减小，孔喉增大。2.此外，在此外在三个轧辊的轴承座下安放了快速回退油缸，在轧轧到管尾时快速将轧辊抬起，直接增大孔喉直径。到管尾时快速将轧辊抬起，直接增大孔喉直径。两个措施都是为轧到管尾时使管壁增厚使管壁增厚，使D/S比值下降，从而避免避免出现管尾三角形而后卡。特朗斯瓦尔轧机的芯棒操作可采用全浮、半浮和回退全浮、半浮和回退三种方式。v优点：优点：1.可轧薄壁管可轧薄壁管：轧尾部时使轧尾部时使变小，同时孔喉增变小，同时孔喉增大，可轧大，可轧Dc/Sc50。2.提高机组产量提高机组产量：可采用大的和轧辊转速（仅尾部小），可产量；而Assel为防止尾三角，其和轧辊转速都很低，因为是固定的，所以产量小。3.改变还可生产变截面管变截面管，如管端加厚管。生产中的、轧辊转速n先大后小轧辊转速n应取大为好，但过大会增加滑移。薄壁管，薄壁管，小小三辊轧辊机心棒操作方式三辊轧辊机心棒操作方式1.全浮动（随动）：常用！常用！心棒随同管子自由运动，配有专门的脱棒机，心棒冷却、润滑。换心棒轧下一根换心棒轧下一根。优点：效率高效率高、质量好、速度快、辅助时间少、生产率高、方便简单、不易出现尾三角不易出现尾三角，利于轧轧薄壁管薄壁管，出现尾三角出现尾三角D/S=12D/S=12。缺点：心棒长长、备用量多、需专门的脱棒机构脱棒机构。2.半浮动心棒（限动心棒）：厚壁管，心棒装在小车上，可自由旋转，其前进速度前进速度管子的前进速度管子的前进速度，有专门的机构控制。包钢包钢120现场采用现场采用轧后心棒抽出返回原位，再轧下一根毛管。轧后心棒抽出返回原位，再轧下一根毛管。优点：心棒短（为全浮的一半），心棒短（为全浮的一半），只需一根心棒只需一根心棒，无专门脱棒。无专门脱棒。缺点：生产率低、生产率低、易出现尾三角（出现尾三角出现尾三角D/S=10D/S=10）、处理事故不便。3.回退式：特厚壁管特厚壁管，小车限制心棒，轧管开始时芯棒开始后退，边轧边后退，轧制结束时心棒抽出也全部完成。生产率低，更易出现尾三角，更易出现尾三角，出现尾三角出现尾三角D/S=8D/S=8。v心棒材质、热处理与润滑同MM冷轧管机，全浮动时心棒工作长度L0比轧后荒管大11.2m。AccuRoll轧管机轧管轧管机轧管定义：最新轧管设备，带主动导盘二辊卧式斜轧机带主动导盘二辊卧式斜轧机。v20世纪80年代在狄舍尔轧管机基础上做了改进：1.芯棒改为限动限动2.轧辊改为锥形辊锥形辊-增加了辊长和辗轧角辊长和辗轧角3.导盘导盘改为水平布置水平布置-便于维修与更换优点：增加了主传动功率，提高了提高了轧速轧速，增强了机架与导盘系统的刚度。精密轧管机精密轧管机accurate roll：限动、锥形辊、卧式的限动、锥形辊、卧式的二辊二辊斜轧管机。斜轧管机。世界上第一台世界上第一台114114精密轧管机由中美联合设计，精密轧管机由中美联合设计，1990年在烟台钢管厂投产。年在烟台钢管厂投产。目前成都无缝钢管厂目前成都无缝钢管厂180180精密轧管机水平较高。精密轧管机水平较高。结构特点1.两个锥形轧辊：且直径沿轧制方向，纵向延伸、附加扭转变形，有、。2.两个大直径主动导盘：其圆周线速度荒管出口速度轴向滑动；导盘起支撑作用，寿命长，使荒管尺寸稳定、表面划伤和压痕，可轧Dz/Sz440，灵活多用；导盘可垂直调整改变孔型直径；沿轧制线调整更好地支撑毛管；沿轴向调整最大程度的导向。3.限动心棒：用长2.443.05m的心棒可轧18.3m的荒管；整个心棒都在工作磨损均匀，寿命提高；心棒受压小，无需镀铬；可在线/线外插棒。4.轧辊无辊肩：三辊轧管机因辊肩减壁量集中降低轧辊寿命和均整壁厚效果。5.后台设置18.3m的辊式定心装置，对荒管良好导良好导向向，助于改善壁厚不均。1.减径区：4.5度，引导毛管进入变形区和减径；2.减壁区：2度；3.辗轧区：轧辊母线与心棒平行，足够的长度，充分接触，均整管壁且减小螺旋道壁厚不均；4.归圆区：2度，使荒管圆整和便于脱棒。v充分实现斜轧轧管机的均壁作用（纵轧没有！）斜轧轧管机的均壁作用（纵轧没有！），从而提高荒管的壁厚精度。提高荒管的壁厚精度。v可得到现代热带轧机所能达到的尺寸公差，壁厚不均能达到标准规定的一半。v例如，对于壁厚范围12.7mm的产品，其壁厚公差将为3，甚至更小些。优点1.机组工序少：只需机组工序少：只需加热、穿孔、轧管、一台定径，114mm也可不用再加热；2.产品范围广产品范围广：三种管坯就可生产114270mm的钢管，年产量为1836万吨，可生产各种石油管、锅炉管、轴承管、机械用管和结构管；3.设备少、投资低、建设周期短，生产能力大；4.心棒长度短：心棒长度短：消耗少、成本低；最具发展前途的发展前途的新型轧管设备。狄舍尔轧管机狄舍尔轧管机v20世纪20年代，Diescher在研究斜轧穿孔时，认为高速回转的导盘导盘也能用于斜轧轧管机用于斜轧轧管机，经过几年试验后于1932年在美国建造了第一台斜轧轧管机-狄舍尔轧管机狄舍尔轧管机。v上下导板改为驱动回转的导盘，导盘的圆周速度导盘的圆周速度比钢管钢管出辊速度出辊速度大大50%左右。v导盘作用：导盘作用：1.限制横向变形。限制横向变形。2.对毛管产生一个轴向拉力：对毛管产生一个轴向拉力：减轻薄壁管轧制时管尾的喇叭口，轧薄轧光且均匀壁厚。v该轧机缺点：该轧机缺点：采用桶形辊、内通全浮长芯棒-限制管长限制管长。课堂重点问题小结课堂重点问题小结1.何种轧管机采用纵轧方式？何种轧管机采用纵轧方式？2.自动轧管过程第二道次的作用如何？自动轧管过程第二道次的作用如何？3.自动轧管变形区组成、变形阶段。自动轧管变形区组成、变形阶段。4.为什么自动轧管机壁厚不均？为什么自动轧管机壁厚不均？5.均整有何目的？均整有何目的？6.MPM与与MM连轧管机有何区别？连轧管机有何区别？7.连轧管机结构如何？连轧管机结构如何？8.孔型怎样才能正常充满？孔型怎样才能正常充满？9.使自动轧管咬入顺利要尽量增加使自动轧管咬入顺利要尽量增加_区。区。10.为什么采用为什么采用b大于大于a的孔型？的孔型？1.“竹节竹节”缺陷怎样产生？缺陷怎样产生？2.如何克服阿塞尔轧管机的如何克服阿塞尔轧管机的“尾三角尾三角”缺陷？缺陷？3.芯棒操作方式有哪些？芯棒操作方式有哪些？4.AccuRoll轧管机具有何结构特点？轧管机具有何结构特点？5.Transval轧管机优点？轧管机优点？