钢管加工工艺.pptx

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,压力加工工艺学钢管生产,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/S10,；,（,2,）厚壁管：,D/S,10,20,（,3,）薄壁管：,D/S,20,40,（,4,）极薄壁管：,D/S40,3,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,L,p,D,p,L,0,D,0,S,0,L/2,L/2,K,:,烧损系数,0.970.995,（合金钢取上限，碳钢取下限）,或,思考题：成品管,146155000mm,，,10,钢，用,150,坯轧制，问坯长选多少？,式中：,L,P,:,管坯长度；,F,P,:,管坯横断面；,n,：热轧管的倍尺数（根）；,D,0,S,0,:,成品管外径、壁厚；,L,0,:,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,K,1,:,磨钝系数（鞍钢,1.3,）,K,2,=/,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)GCr15 1%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：,K,jr,D,p,（,s,）,D,p,:,管坯直径（方坯以边长计），,mm,；,K,jr,：,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：,K,jr,30,33s/mm;,一般合金钢：,K,jr,36,48s/mm;,不锈钢、高合金钢：,K,jr,42,60s/mm;,环形加热炉,（,1,）环形炉的结构,环形加热炉,(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,（,360,0,）,/G,：装出料夹角（,30,0,）,：布料角（,1.52.0,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,1101800,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=(0.150.25)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=2030mm,，,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.C Stiefeil,）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,4,15,100,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/P0.4,0.5,，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,Piercing Mill,，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，,ck1.1,，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。,轧辊示意图,1,桶形轧辊；,2,菌形轧辊；,3,盘形轧辊,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；,导板,（,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。,a,顶头示意图,a,更换式非水冷顶头；,b,内外水冷顶头；,c,内水冷顶头,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,V,y,V,V,x,轧制线,辊轴线,轧辊速度分量图,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(M,T,-M,N,)0,式中：,M,T,=,T,d,（旋转摩擦力矩）,M,N,=,Pc,（旋转阻力矩）,n:,轧辊数目,P,T,T,d,c,P,2,）前进条件：管坯轴向咬入力管坯轴向阻力,即：,n(T,X,-N,X,),P,0,0,式中：,T,X,:,摩擦力的轴向分力；,N,X,:,正压力的轴向分力；,P,0,:,外加顶推力，非顶推时其值为,0,；,n:,轧辊数目。,P,0,N,T,N,x,T,x,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，,16,，,18,0,，,i0.3,，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,Q,0,n(TX-NX),Q,0,0,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。,内表面,外表面,纵向剪切变形,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。,s,横向剪切变形,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,.,P,P,正应力作用下的中心破裂,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,=n,L,。,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。,1,2,L,1,L,2,L,3,D,R,1,R,2,二辊斜轧穿孔机的轧辊,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=15,25 mm,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,3,330,。,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=(0.075,0.00135m)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,1215,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=5,15 mm,；更换式非水冷：,L3=30,50 mm,。,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：,Mandrel Mill(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,Stant Pipe Mill(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（,Pilger Mill,）,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,2015%,（,1,）常用孔型系统,R,a,b,e,r,g,椭圆孔型图,1,）椭圆孔型,若,a,，,b,已知，则：,得：,令：（椭圆度系数），得：,a,b,r,g,R,带圆弧侧边的圆孔型图,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