CN100595027C - 两机架斜向热轧小直径无缝钢管的轧制工艺及其设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开两机架斜向热轧小直径无缝钢管的轧制工艺是：芯棒小车将芯棒穿入荒管内推动前行，通过中频感应加热电炉加热至950～1150℃，由芯棒小车继续将加热的荒管推进到轧机内进行增壁减径轧制，并在轧制过程中仅对芯棒和轧辊进行冷却；将脱离芯棒的荒管进入二次加热电炉中进行加热至950～1150℃后输送到张力减径增壁轧机中进行减径轧制，实现边加热边轧制，并在轧制过程中仅对轧辊进行冷却；轧制完成后经冷却、校直、切割、在线检测后即可。本发明实现边加热、边轧制和边加热、边冷却芯棒和轧辊的工艺，是通过改进加热炉的加热方法和芯棒、轧辊的结构及芯棒、轧辊的冷却方式来实现的。提高了效率、简化了工艺、降低了成本，节约能源、减少污染，使轧制出的钢管精度高。

Description

两机架斜向热轧小直径无缝钢管的轧制工艺及其设备

技术领域

本发明属于钢管的轧制设备及轧制工艺技术领域，主要涉及的是一种两机架斜向热轧小直径无缝钢管的轧制工艺及其设备。尤其适用于高精度小直径厚壁无缝钢管的生产。

背景技术

小直径无缝钢管在生产、生活等各个领域中用量都很大。当前小直径无缝钢管的生产主要由冷拔(轧)而成，在生产过程中要多次的打头、冷拔、酸洗；并且生产小直径无缝钢管工序多、成本高、污染严重、浪费多，存在着功效慢、能耗大、成材率低、污染严重、环保压力大的问题。加之钢铁材料本身的抗变形力，使得冷拔(轧)能加工的原料材质范围相当窄等，这样既极大的浪费了能源和资源，并且对于很多小直径厚壁钢管，受材料的力学性能影响，有些材质只能利用机械加工对圆钢进行钻镗孔从而得到精度较高的小直径厚壁钢管，那样更是费工费料，成本非常高，而现有的技术很难加工精度高的小直径厚壁无缝钢管，所以小直径厚壁钢管的加工至今还是一个技术难题。

传统热轧无缝钢管的工艺是采用加热后轧制，轧制过程中在轧辊的表面冷却轧辊，轧制完成一根钢管后冷却芯棒。即先用电炉将荒管加热一定时间，使电炉内的荒管温度达到1100度左右后将荒管输出电炉；将冷却后的芯棒穿入荒管内并送入轧机；在轧制过程中，边轧制钢管边用水冷却轧辊外部，冷却轧辊的水同时会流到正轧制的钢管上，进而也冷却钢管，影响钢管的轧制温度。一根钢管轧制完成后，抽出芯棒放置到水槽中进行冷却。这种工艺存在的问题主要有：1、加热后轧制，会造成钢管先轧制的一端和后轧制的一端温差较大(特别是在边轧制边浇水冷却轧辊时，冷却轧辊的水同时会流到正轧制的钢管上，同时也冷却了正在轧制的钢管，造成钢管降温速度较快)，钢管的内应力差别也较大，轧制出的钢管两头外径、内径、壁厚都不均匀，还需定径机进行定径、均壁；工艺复杂繁琐。2、轧制过程中冷却轧辊会同时冷却正在轧制的钢管，使得钢管降温速度过快，轧制钢管不能大幅度减径减壁；要想达到需要的减径减壁要求，需进行多次轧制。不但增加轧制成本，而且增加设备投资、增加复杂繁琐的轧制工艺。3、现有斜轧设备其轧辊为圆柱形，一般需采用多机架(三台机架以上)逐步变径轧制，主要用于轧制中大直径无缝钢管，一般轧制76mm以上的无缝钢管。多机架轧制能耗高，设备投资多，成本高。4、现有斜辊热轧设备不加芯棒轧制只能增壁减径，而不能减壁减径。且在轧制中不加芯棒，内壁粗糙，光洁度差，精度低，公差大。对于大直径无缝钢管公差大一点仍能使用，对于小直径无缝钢管来说，公差大，就不能适应市场的要求，所生产的无缝钢管不具有实用性。

由于现有轧制设备的轧辊大多为实心结构，这种轧辊在冷却时只能是对外部进行冷却，并在冷却轧辊外部的同时也对被轧制的钢管进行了冷却，由此降低了被轧制钢管的温度，使钢管的内应力差别也较大，轧制出的钢管两头外径、内径、壁厚都不均匀，还需定径机进行定径、均壁，不但增加轧制成本，而且增加设备投资、增加复杂繁琐的轧制工艺。

发明内容

本发明的目的是克服现有的技术设备和生产工艺的不足和缺陷，提供一种两机架斜向热轧小直径无缝钢管的轧制工艺及其设备。使其轧制出的钢管精度高，有效提高工作效率、简化生产工艺、降低生产成本，并且节约能源、减少污染。

本发明为实现上述轧制采取的工艺方法，就轧制厚壁小直径无缝钢管和薄壁小直径无缝钢管的工艺实现方式分别说明如下：

对于轧制厚壁小直径无缝钢管：芯棒小车将芯棒穿入荒管内推动前行，通过中频感应加热电炉加热至950～1150℃，由芯棒小车继续将加热的荒管推进到轧机内进行增壁减径轧制，实现边加热边扎制，并在轧制过程中仅对芯棒和轧辊进行冷却；轧制完成后经冷却、校直、切割、在线检测后即可；

对于轧制薄壁小直径无缝钢管：芯棒小车将芯棒穿入荒管内推动前行，通过中频感应加热电炉加热至950～1150℃，由芯棒小车继续将加热的荒管推进到轧机内进行减壁轧制，实现边加热边轧制，并在轧制过程中仅对芯棒和轧辊进行冷却；将脱离芯棒的荒管进入二次加热电炉中进行加热至950～1150℃后输送到张力减径增壁轧机中进行减径轧制，实现边加热边轧制，并在轧制过程中仅对轧辊进行冷却；轧制完成后经冷却、校直、切割、在线检测后即可。

本发明实现上述轧制工艺采用的设备主要由芯棒小车、芯棒、感应加热电炉、减壁轧机、二次加热感应电炉、张力减径增壁轧机、冷床、校直机、切割机、在线检测设备及主控制柜组成。芯棒小车沿导轨往复运动，芯棒的一端与芯棒小车固定并与芯棒小车同步移动，芯棒的前部为锥形形状，内部为中空循环水冷结构，其上设置有进水口和出水口；感应加热电炉位于芯棒小车与减壁轧机之间，其加热通道为贯通式结构；减壁轧机的轧辊由三个变径轧辊组成，每个轧辊分别与轧机传动架连接并随之转动，每个轧辊的结构相同，内部均为中空循环水冷结构，其上设有进水口和出水口；二次感应加热电炉位于减壁轧机与张力减径增壁轧机之间，其加热通道也为贯通式结构，张力减径增壁轧机的轧辊也由三个变径轧辊组成，每个轧辊分别与轧机传动架连接并随之转动，每个轧辊的结构相同，内部均为中空循环水冷结构，其上设有进水口和出水口。

本发明实现边加热、边扎制和边加热、边冷却芯棒和轧辊的工艺，是通过改进加热炉的加热方法和芯棒、轧辊的结构及芯棒、轧辊的冷却方式来实现的。加热由传统的煤气炉或电炉加热后轧制改为采用中频电炉加热，可以做到边加热边轧制。通过将芯棒和轧辊冷却方式由传统的外部冷却变成内部循环水冷却。芯棒、轧辊的内部结构采用中空循环水冷结构，轧辊的外部结构采用变径轧辊。因此可以实现增壁减径即轧制厚壁小直径无缝钢管；又可以减壁减径即轧制薄壁小直径无缝钢管。当轧制厚壁无缝钢管时，只需一次加热，只要一台机架就可轧制出高精度的小直径厚壁无缝钢管。当轧制薄壁小直径无缝钢管时，采用两次加热、两台机架进行轧制，前一台机架为减壁轧机，进行减壁轧制，后一台机架为减径轧机，进行张力减径增壁轧制。由此减少了设备投入，节约了能源，降低了成本。且在冷却轧辊时不会影响正在轧制的钢管温度，使得被轧制的钢管的每一个部位的温度得以保持相对恒定，不会因为降温太快而影响最合理的轧制温度，从而对钢管的每一个部位都能均匀有效的进行轧制，确保了成品钢管的外径、内径、壁厚、椭圆度、光洁度的轧制精度，提高了轧制钢管的精度。由于利用了中频感应电炉加热与减壁轧机和张力减径增壁轧机和限动芯棒精整内孔相结合的工艺，通过液压方式精确调整轧辊位置及下轧量，利用PLC控制对两机架转速进行精密无级调速，从而保证工艺得以实施，并且是一次成形，确保能生产出外径≤76mm，s/d为0.75～1.5的小直径厚壁无缝钢管的同时，也可生产薄壁小直径无缝钢管。有效提高了生产效率、节约能源、减少污染、降低生产成本、提高产品竞争力。

附图说明

图1是本发明轧管机组的示意图。

图2是图1的A-A剖面图。

图3是本发明整体设备的俯视图。

图4是本发明芯棒的结构示意图。

图5是本发明感应加热电炉加热通道的剖面图。

图6是图5的左视图。

图7是本发明轧辊结构示意图。

图中：1、芯棒小车；2a、感应加热圈；2b、二次加热感应加热圈；3、芯棒；4a、减壁轧机；4b、张力减径增壁轧机；5、轧辊；6a、轧机传动架；6b、轧机传动架；7a、直流变频器；7b、直流变频器；8a、三相异步电机；8b、三相异步电机；9、主控制柜；10a、冷床；10b、冷床；11、校直机；12、切割机；13、在线检测设备；14、打捆机；15、锥形芯棒头；16空腔拉杆；17水冷却腔体；18、进水口；19、出水口；20、轴承盖；21、感应加热管；22、耐火材料密封层；23、中空主动齿轮；24、从动齿轮，25、进水口，26、出水口，27、轴承盖；28、中空冷却腔。

具体实施方式

结合附图，给出本发明的实施例如下：

本发明实施例在轧制厚壁小直径无缝钢管时的生产工艺流程是：输送辊道→芯棒穿入→芯棒小车推动荒管→感应加热→带芯棒减径增壁轧制→冷床→校直机→成品辊道→切割机→探伤机→水压试验机→打捆。芯棒小车将芯棒穿入荒管内推动前行，通过中频感应加热电炉加热至950～1150℃，由芯棒小车继续将加热的荒管推进到轧机内进行增壁减径轧制，实现边加热边轧制，并在轧制过程中仅对芯棒和轧辊进行冷却。由于加热炉至轧制处的距离只有30CM，加热到设定的温度950～1150度后的荒管到轧制处进行轧制只需几秒钟的时间，且在如此短的时间内没有接触到任何外部冷却剂(只有空气)，从而使得被轧制荒管的温差较小，被轧制荒管的温度相同、应力相同，钢管不同部位轧制相同，减径减壁均匀，轧制出的成品钢管的外径、内径、壁厚、椭圆度、光洁度公差较小，精度高。在轧制过程中，由于芯棒的锥形头部停留在轧制处起到内模的作用，因此可以调整荒管穿孔后的偏心，对其内壁进行均整。芯棒外壁作为轧管内模在工作过程中，芯棒空腔内的循环水一直在循环流动，冷却芯棒，使芯棒的温度一直保持在一定的温度之内，确保芯棒的刚度和硬度，使得所轧制钢管的内壁具有较高的精度。当一根荒管由减径增壁轧机轧制完成后，芯棒小车拉动芯棒脱离已被轧制的钢管和轧机，退到起始位置，开始轧制另一根荒管，如此周而复始的循环轧制。轧制完成后经冷却、校直、切割、在线检测后即可。

在轧制薄壁小直径无缝钢管的生产工艺流程是：输送辊道→芯棒穿入→芯棒小车推动荒管→感应加热→带芯棒减壁轧制→二次感应加热→张力减径增壁轧制→冷床→校直机→成品辊道→切割机→探伤机→水压试验机→打捆。具体轧制工艺是：先将穿孔后的荒管送上料架，由芯棒小车将芯棒穿入荒管内，然后由芯棒小车推动荒管前行，通过感应加热炉的加热通道将荒管逐步加热至950～1150℃左右，然后将荒管由前至后逐步推入减壁轧机内进行轧制，实现边加热边轧制。由于加热炉至轧制处的距离只有30CM，加热到设定的温度950～1150度后的荒管到轧制处进行轧制只需几秒钟的时间，且在如此短的时间内没有接触到任何外部冷却剂(只有空气)，从而使得被轧制荒管的温差较小，被轧制荒管的温度相同、应力相同，钢管不同部位轧制相同，减径减壁均匀，轧制出的成品钢管的外径、内径、壁厚、椭圆度、光洁度公差较小，精度高。在轧制过程中，由于芯棒的锥形头部停留在轧制处起到内模的作用，因此可以调整荒管穿孔后的偏心，对其内壁进行均整或减壁，并且能减少一定的外径。芯棒外壁作为轧管内模在工作过程中，芯棒空腔内的循环水一直在循环流动，冷却芯棒，使芯棒的温度一直保持在一定的温度之内，确保芯棒的刚度和硬度，使得所轧制钢管的内壁具有较高的精度。当一根荒管由减壁轧机轧制完成后，芯棒小车拉动芯棒脱离已被轧制的钢管和轧机，退到起始位置，开始轧制另一根荒管，如此周而复始的循环轧制。随着轧制的进行，当一根荒管在减壁轧机轧制进行一半时，荒管的头部开始进入二次加热电炉中进行二次加热(二次加热的原因是钢管在轧制的过程中会降低温度，不适合大幅度减径，需将钢管再次加热到1100度左右，以便在张力减径机中进行减径轧制)，二次加热至950～1150℃后，随着轧机的旋转运动，将被轧制的钢管输送到张力减径增壁轧机中进行减径扎制。这样被轧制钢管的头部进行二次加热并在张力减径增壁轧机进行减径轧制，尾部在第一次加热感应圈中加热并在减壁轧机中进行减壁轧制；二者通过中央控制系统的控制，使得两台不同目的的轧机和加热设备保持匹配的轧制速度和适当的温度。当荒管离开张力减径增壁轧机后，得到的就是高精度成品管。轧制完成后再经冷却、校直、定尺、平头、无损探伤和水压检验后即可包装打捆。

如图1结合图3所示：本实施例实现上述工艺采用的设备主要由芯棒小车1、芯棒3、感应加热电炉2a、减壁轧机4a、二次感应加热电炉2b、张力减径增壁轧机4b、冷床10a、10b、校直机11、切割机12、在线检测设备13及主控制柜9组成。芯棒小车1是芯棒3的运动载体，动力由气泵提供，在导轨上往复运动。芯棒3的尾端由卡盘固定在芯棒小车上，卡盘由滚动轴承固定，并且可以通过PLC控制系统对芯棒的位置进行前后调整，以保证工艺需要。芯棒小车在开轧前利用气泵提供的动力推动荒管进入感应加热通道进行加热，随后推入轧机开始轧制；在轧制时，当芯棒到位，芯棒小车将通过PLC控制系统自动锁定位置直至一根钢管轧制完成，再退回原位置开始上第二根荒管，周而复始。

如图4所示：芯棒3由锥形芯棒头15、空腔拉杆16、水冷腔体17及进水口18及出水口19组成。芯棒3的前部为锥形芯棒头15、中间部位为空腔拉杆16、后部为轴承盖20。内部为循环中空水冷腔体17。其后部与芯棒小车连接的轴承盖20上设置有进水口18和出水口19。使用时，芯棒3的尾端固定在芯棒小车1上，芯棒先穿入荒管内，在芯棒穿入荒管的过程中，当芯棒穿入荒管到达指定轧制位置时，芯棒小车上的卡槽会挡住芯棒继续前进，然后芯棒随着芯棒小车推动荒管共同前进，芯棒端部即停留在轧制处充当内模，与轧辊配合进行轧管。在轧制时，冷却水通过进水口18进入芯棒的水冷腔体17后由出水口19排出，通过不停地冷却芯棒，以保证芯棒在高温下正常工作，从而解决了在中频感应电炉加热过程中芯棒需即时冷却的问题。当一根钢管轧制完成后，芯棒由芯棒小车带动抽出，待下一轮轧制。

感应加热电炉的感应加热圈2a位于芯棒小车与减壁轧机之间，感应加热电炉采用中频感应电炉，电流、功率随轧管直径、壁厚的大小可以调整。其加热通道由感应加热管21外加耐火材料层22密封组成(如图5、图6所示)，形成一个贯通式加热通道，由于耐火材料层的原因，使其既能保留住一部分热量，又防止荒管触碰感应圈发生短路事故。

减壁轧机4a由三个轧辊5组成。每个轧辊的结构相同，(如图7所示)，轧辊5的外部呈逐步变径椭圆锥型，内部为中空冷却腔28可进行冷却水循环，进水口25与出水口26设置在轧辊5端部的轴承盖27上与轧辊5的中空冷却腔连通，轴承盖27起密封作用，从而保证了轧辊在旋转工作时水冷系统不受其影响。由于轧辊5呈逐步变径结构，荒管在前半段轧制时是与芯棒3配合减薄内壁、调整偏心、少量减径；在后半段轧制时轧辊锥形变大使三个轧辊之间的孔径变小，此时，荒管则与芯棒分离，进行大幅度减径轧制。轧机传动机架6a位于减壁轧机4a的出料口部位，在机架上设置有一个中空主动齿轮23和三个呈120°角均匀分布的从动齿轮24(如图2所示)，主动齿轮23与三个从动齿轮24啮合连接，每个从动齿轮分别通过万向轴与减壁轧机4a上的轧辊5连接。由三相异步电机8b提供的动力经直流变频器7a带动中空主动齿轮23转动，同时带动与其啮合连接的三个从动齿轮24随之转动，并通过万向轴带动轧辊5转动。在机架上装有液压装置能对轧辊的位置和下轧量进行精密微调。

二次感应加热电炉2b位于轧机传动机架6a及张力减径增壁轧机4b之间，由于经过第一阶段轧制后，温减较大，当荒管从减壁轧机出来之后，荒管温度已经低于适合轧制温度，因此为了进行下一轮轧制，需要将荒管再次加热至950～1150℃。其结构与感应加热电炉2a相同。

张力减径增壁轧机4b位于二次感应加热电炉2b冷床10a、10b之间，其结构及传动方式与减壁轧机相同，不同的是在轧制时没有芯棒内模的配合，是利用张力对钢管进行减径增壁轧制。冷床10a、10b位于张力减径增壁轧机4b的轧机传动架6b的出料口部位，其采用的是层流冷却方式，钢管由出料辊道输送上冷床，进行层流冷却，通过调整冷却速度、方式和冷床传送速度来确保钢管的力学性能。在冷床的输出端依次为校直机11、切割机12及在线检测设备13。当钢管经过冷床冷却后，由成品辊道输送至校直机进行校直，经过校直后的钢管通过切割机进行定尺或倍尺切割，再经过在线检测设备(包括探伤和水压试验机)对定尺后的钢管进行检测后，合格的钢管由打捆机打捆称重入库。主控制柜9(采用PLC控制程序)可对每一组电机、减速器进行单独控制，对每一组液压调整装置进行单独调整，从而保证工艺能在微调中得以完善。

使用时，荒管由机械手从原料区转移至上料架，由芯棒小车1将芯棒3插入荒管内并将荒管推入感应加热圈2a加热至1100℃左右，再推至减壁轧机4a开始进行轧制，通过轧机与芯棒配合将荒管管壁轧薄、轧均整，并适当减小荒管外径。芯棒小车1将芯棒3一直随荒管的轧制前行至减壁轧机尾端时，荒管从减壁轧机4a出来之后，，由于芯棒位置已经被限制，所以在从减壁轧机4a出来的同时也进行了脱棒，经过二次加热感应加热圈2b再此加热至1100℃左右，随即进入张力减径增壁轧机4b进行减径轧制，直至轧制完毕进入冷床10a进行层流冷却，从冷床出来后进入校直机11进行校直，之后用切割机12对钢管进行定尺或倍尺切割，再由在线检测设备13对钢管的质量进行检测，合格后进入打捆机14打捆即可。

Claims (7)

1、一种两机架斜向热轧小直径无缝钢管的轧制工艺，其特征是：

对于轧制厚壁小直径无缝钢管：芯棒小车将芯棒穿入荒管内推动前行，通过中频感应加热电炉加热至950～1150℃，由芯棒小车继续将加热的荒管推进到轧机内进行增壁减径轧制实现边加热边轧制，并在轧制过程中仅对芯棒和轧辊进行冷却；轧制完成后经冷却、校直、切割、在线检测后即可；

对于轧制薄壁小直径无缝钢管；芯棒小车将芯棒穿入荒管内推动前行，通过中频感应加热电炉加热至950～1150℃，由芯棒小车继续将加热的荒管推进到轧机内进行减壁轧制实现边加热边轧制，并在轧制过程中仅对芯棒和轧辊进行冷却；将脱离芯棒的荒管进入二次加热电炉中进行加热至950～1150℃后输送到张力减径增壁轧机中进行减径轧制实现边加热边轧制，并在轧制过程中仅对轧辊进行冷却，轧制完成后经冷却、校直、切割、在线检测后即可。

2、一种两机架斜向热轧小直径无缝钢管的轧制设备，主要包括芯棒小车(1)、芯棒(3)、感应加热电炉(2a)、减壁轧机(4a)、二次感应加热电炉(2b)、张力减径增壁轧机(4b)、第一冷床(10a)、第二冷床(10b)、校直机(11)、切割机(12)、在线检测设备(13)及主控制柜(9)，芯棒小车(1)沿导轨往复运动，芯棒(3)的一端与芯棒小车固定并与芯棒小车同步移动，其特征是：芯棒(3)的前部为锥形形状，内部为中空循环水冷结构，其上设置有进水口和出水口；感应加热电炉位于芯棒小车与减壁轧机之间，其加热通道为贯通式结构；减壁轧机的轧辊(5)为变径轧辊，每个轧辊(5)分别与轧机传动架(6a)连接并随之转动，每个轧辊的结构相同，内部均为中空循环水冷结构，其上设有进水口和出水口；二次感应加热电炉位于减壁轧机与张力减径增壁轧机之间，其加热通道也为贯通式结构；张力减径增壁轧机的轧辊也为变径轧辊，每个轧辊(5)分别与轧机传动架(6b)连接并随之转动，每个轧辊的结构相同，内部均为中空循环水冷结构，其上设有进水口和出水口。

3、根据权利要求2所述两机架斜向热轧小直径无缝钢管的轧制设备，其特征是：所述的芯棒(3)由锥形芯棒头(15)、空腔拉杆(16)、水冷腔体(17)及进水口(18)及出水口(19)组成，芯棒的前部为锥形芯棒头、中间部位为空腔拉杆、后部为轴承盖(20)，内部为循环中空水冷腔体，进水口和出水口设置在锥形芯棒头后部与芯棒小车连接的轴承盖上。

4、根据权利要求2所述两机架斜向热轧小直径无缝钢管的轧制设备，其特征是：所述的感应加热电炉(2a)或二次感应加热电炉(2b)的加热通道由感应加热管(21)外加耐火材料层(22)密封形成一个贯通式加热通道。

5、根据权利要求2所述两机架斜向热轧小直径无缝钢管的轧制设备，其特征是：所述轧辊(5)的外部呈逐步变径椭圆锥型结构，内部为复合空腔结构。

6、根据权利要求2或5所述的两机架斜向热轧小直径无缝钢管的轧制设备，其特征是：所述减壁轧机(4a)的轧辊(5)和张力减径增壁轧机(4b)的轧辊(5)均为三个呈120°均匀分布且在轴向倾斜装配。

7、根据权利要求2所述两机架斜向热轧小直径无缝钢管的轧制设备，其特征是：所述减壁轧机(4a)的轧机传动架(6a)或张力减轻增壁轧机(4b)的轧机传动架(6b)是在机架上设置有一个中空主动齿轮(23)和三个呈120°角均匀分布的从动齿轮(24)，中空主动齿轮(23)与三个从动齿轮(24)啮合连接，每个从动齿轮分别通过万向轴与减壁轧机(4a)或张力减径增壁轧机(4b)上的轧辊(5)连接。

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