CN101376204A - 一种无缝钢管的生产新工艺 - Google Patents

Abstract

一种无缝钢管的生产新工艺，包括以下工艺步骤：第一步，通过离心铸造，生产出一端带有环状杯底的空心管坯；第二步，对所述空心管坯的内外表面进行机加工；第三步，对机加工后的所述空心管坯进行加热；第四步，对加热后的空心管坯进行顶管轧制加工，制得符合壁厚、直径和长度要求的管件；第五步，对顶管轧制加工后的所述管件经松棒、脱棒后进行切头、精整，制得合格的成品管材。本发明可以生产高质量的、难于加工的不锈钢和特种钢管，而且克服了现有技术的缺陷，形成了一种节能、优质、经济而有别于传统方法的生产无缝钢管的短流程新工艺。

Description

一种无缝钢管的生产新工艺

技术领域

本发明涉及无缝钢管的制造技术，尤其涉及大口径中厚壁无缝钢管的制造技术。

背景技术

大口径无缝钢管，特别是直径大于500毫米、径壁比在25以下的大口径中厚壁无缝钢管，在很多工业领域的重要场合，有着广泛的用途。如：用于火力发电的主蒸汽管道和核电的回路管道，以及CNG拖车用、气站用高压气瓶与各类高压容器的缸体等等。正因为大口径厚壁无缝钢管的用途广泛，导致对其机械性能和理化性能的要求各不相同，从而对其材质及其加工工艺方法的选择亦有所不同。对于能源工业、天燃气管道、核电回路、火力主蒸汽管、拖车用大型气瓶、蓄能器管等各类高压容器用管，大部分必须采用口径大于500毫米、具有一定长度(有的长达13米)的大口径中厚壁无缝管材，又因为管道内的介质基本上都是高温、高压，有的还具有放射性、高腐蚀性等，使用环境十分恶劣，对管道的物理、化学性能、长度和尺寸精度、表面质量及金相组织均提出了很高的要求。因而，对于用于上述能源工业等特殊领域的大口径中厚壁无缝钢管，不但要求材质为难加工的不锈钢、各种合金钢，例如304、316、30CrMoA、35CrMo、30CrMnSiA等钢种，还必须要经过独特的锻造或者轧制使之具有合理的锻态或轧态的金相结构。

为了达到上述要求，一些传统的生产方法已经不能生产出符合要求的大口径中厚壁无缝钢管。但是在强大的市场需求下，各国先后开发出了多种生产大口径中厚壁无缝钢管的工艺方法，并在美国、日本、意大利、法国、英国以及委内瑞拉、捷克、印度等国家得到了成功的应用。据目前粗略统计，世界上已经建有多台套机组专门用来生产大口径中厚壁无缝钢管。主要有三类：挤压法、顶管法和扩径(管)法。

一类是挤压法。早在20世纪80年代以前，美国就拥有三台套20000～30000吨级的大型挤压机，可以生产φ500～φ1200毫米的管材，坯料重可达16吨，挤压法的工艺步骤如图1所示。因为大型挤压设备投资高、技术复杂，且该方法流程长、设备多、工艺稳定性难以保证，且加工的管材长度有限，因此推广受到了限制。

另一类是扩径(管)法。即对采用自动轧管机、或采用周期轧管机、或采用斜轧穿孔机轧出的半成品管，通过各种扩管工艺(例如斜扩、拉扩、推扩等)，可生产φ600～φ800毫米的无缝钢管。目前国内比较有代表性的生产厂家是原成都无缝钢管厂，其生产工艺流程如附图2所示。该方法除同样存在上述挤压方法存在的工序多、投资和维修成本高的缺陷外，扩径法最致命的缺陷还在于其不具有消差能力、易扩展表层缺陷，因此扩径量受到限制，且扩径变形过程难以控制。因此，这种方法的应用有着明显的不足。

再一类为顶管法。在美国、日本、法国、英国都建有用方坯冲出带杯底的毛坯，然后在顶管机上生产φ500～φ1500毫米成品钢管的方法，方坯最重可达22吨，管长可达9米。目前国内比较有代表性的生产厂家就是武汉重工铸锻有限责任公司，其实际的生产工艺如附图3所示。该加工方法的局限性也十分明显：首先，该方法流程长、设备多、投资和维护成本高。其中，目前武汉重工铸锻有限责任公司用于压力定型即用于冲压出带杯底坯料的设备是大型的水压机，成本很高；其次，因为冲压模具的限制，被加工的管材长度有限；再次，尤其在冲孔的过程中，工件内孔易出现裂纹等种种缺陷，而这些缺陷很难被后道工序所克服而且还有可能被后道工序进一步扩大，造成后续修整量增加和成品率不高。这一方法是目前采用最多的用于加工大口径中厚壁锻态或轧态无缝钢管的方法。

为了克服现有技术的缺陷，尤其是为了加工出符合能源、燃气、核电、火电、国防等急需的高质量的不锈钢或特种合金钢的大口径中厚壁无缝管材，人们一直在研究和探索更好的加工方法，其中ZL00112551.6号中国发明专利就公开了一种利用“离心铸造+冷拔”的方法来生产“超低碳双相不锈钢无缝钢管”的方法。该方法相对于上述的三种方法，虽然可以生产含有Cr、Ni、Mo、N等元素的特种钢管，但是该方法仍然需要价格昂贵的冷拔管机，而且需要多次循环冷拔，且每次冷拔后还要进行固溶处理、酸洗处理和润滑处理。同样存在设备成本高、加工程序多等缺陷，且对于大口径中厚壁无缝钢管的生产来说，该方法难以采用。

发明内容

本发明正是为了克服上述背景技术的缺陷，经过多年的试验和研发得出的无缝钢管生产的新工艺方法，尤其适合于生产用于能源工业、天燃气管道、核电一回路、火电主蒸汽管、高压气瓶管等需要的高质量、难加工和特长的大口径中厚壁无缝钢管。具体为：

一种无缝钢管的生产新工艺，包括以下工艺步骤：

第一步，通过离心铸造生产出空心管坯；

第二步，对所述空心管坯的内外表面进行机加工；

第三步，对机加工后的所述空心管坯进行加热；

第四步，对加热后的空心管坯进行顶管轧制加工，制得壁厚、直径和长度符合要求的管件；

第五步，对顶管轧制加工后的所述管件进行切头、精整，制得合格的成品管材。

所述第一步的离心铸造是在铸型的旋转轴线与水平夹角即倾角为15～30度的倾斜式离心铸造机上进行的，离心铸造出的空心管坯为一端内径收口的空心管坯，使所述空心管坯成为一端带环状杯底的空心管坯。

或者，所述第一步的离心铸造是在铸型的旋转轴线与水平夹角为0度的卧式离心铸造机上进行的，离心铸造出的空心管坯为等壁厚的两端通透的空心管坯。

进一步，在所述两端通透的空心管坯的一端焊接一环状杯底，使所述空心管坯成为一端带环状杯底的空心管坯。

所述焊接为气体保护自动焊，所述环状杯底可采用普通碳素钢制成。

第二步所述的机加工是对制得的所述一端带环状杯底的空心管坯进行内外表面的切削加工。

对所述一端带环状杯底的空心管坯内表面的切削厚度不少于5毫米，对所述一端带环状杯底的空心管坯外表面的切削厚度不少于2毫米。

在所述第二步和所述第三步之间还包括缺陷检查步骤，将存在缺陷进行修磨后仍不符合要求的所述空心管坯排除出所述工艺步骤。

所述第三步的所述加热是按照所述空心管坯的材料高温塑性图的走向预先选择的温度范围进行加热。

或者，对上述制得的所述两端通透的空心管坯在所述第三步和第四步之间还包括在线收口步骤，该步骤是在收口机上对所述离心铸造所得的两端通透的所述大口径厚壁空心管坯的一端进行收口，使所述大口径厚壁空心管坯成为一端带环状杯底的空心管坯。

所述第四步的所述顶管轧制加工，是将芯棒插入加热后的所述一端带环状杯底的空心管坯中，然后靠芯棒的推进送入多架辊环的顶管机中进行轧制变形。

所述将芯棒插入加热后的所述一端带环状杯底的空心管坯中，然后靠所述芯棒的推进送入具有3～7架辊环的顶管机中进行轧制变形，所述3～7架辊环的孔型直径由小到大依次排列。

所述空心管坯在单架辊环上的最大延伸系数(μ_Max)为1.35，平均延伸系数为(μ_a)为(0.85-0.95)μ_Max，且所述孔型直径由小到大依次排列的各架辊环上的延伸系数按照“山”字形规律分布，即前后架辊环上的延伸系数小，中间辊环上的延伸系数大。

所述顶管机如为具有5架辊环的顶管机，所述空心管坯在各架辊环上的延伸系数由前到后依次为(0.92-0.96)μ_a、(1.00-1.08)μ_a、(1.10-1.18)μ_a、(0.98-1.04)μ_a、(0.88-0.92)μ_a。

在所述第四步和所述第五步之间还包括芯棒松脱步骤，从所述顶管机轧出的所述管件连同所述芯棒一起，送入松棒机进行松棒，再将所述管件连同芯棒运送到抽棒机上，将所述芯棒从所述管件中抽出。

所述倾斜式离心铸造机的转速n为：

$n=500\sqrt{\frac{\mathrm{AL}}{S_d(D_0-S_d)-S_0(D_0-S_0)}}$

其中：n—转速；

      L—管体长度；

      S_d—内径收口处的管壁厚度；

      S₀—管体公称壁厚；

      D₀—管体外径；

      A—倾角系数。

所述倾角系数A为大于0小于等于0.716。

当倾角为15度时，A＝0.1853；倾角为20度时，A＝0.2449，当倾角为25度时，A＝0.3026；当倾角是30度时，A＝0.3580。

所述空心管坯的所述一端内径收口处所述环状杯底的壁厚H为：

$H=\frac{F}{3.611*\mathrm{Dx}*\mathrm{\σ}*{\mathrm{\μ}}_d}$

其中：H—足以承受顶管轧制时芯棒顶推力的环状杯底厚度；

      F—稳定轧制时的顶推力；

      Dx—芯棒直径；

      σ—钢材的高温抗拉强度；

      μ_d—内径收口端环状杯底部分轧后计算所得的延伸系数。

内径收口端杯环状底部分轧后计算所得的延伸系数μ_d为：

${\mathrm{\μ}}_d=\frac{\mathrm{\Σ}{\mathrm{\μ}}_0({D_d}^2-{d_d}^2)}{({D_0}^2-{D_x}^2)-\mathrm{\Σ}{\mathrm{\μ}}_0({d_d}^2-{D_x}^2)}$

其中，d_d—环状杯底环内孔直径；

      D_d—环状杯底环外径；

      ∑μ₀—空心管坯的总延伸系数。

所述第五步对管件进行切头是采用切头机切去所述管件的所述环状杯底，再对切去环状杯底后的管件进行精整加工，制得合格的成品管材。

采用本发明上述的加工方法，首次将高质量的离心铸造与投资少、技术相对简约、变形条件比较理想的顶管轧制之间建立起了工艺上的联系，尤其适用用于生产大口径中厚壁无缝钢管，不但可以生产高质量的、难于加工的不锈钢和特种无缝钢管，而且克服了现有技术的缺陷，形成了一种节能、优质、经济而有别于传统方法的生产无缝钢管的短流程新工艺。

本发明的上述方法，相对于现有的三种加工工艺分别具有以下优点：

1、与挤压法相比，本专利方法可以生产吨位更重、长度更长的大口径厚壁管材，且本专利方法设备投资少，流程短，技术复杂性低，工艺稳定性易于得到保证，产品理化性能更优；

2、与扩径法相比，本专利方法生产的产品具有更高的精度和表面质量，组织状态更为理想，变形过程易于控制，且本专利方法设备投资更少，流程更短；

3、与目前采用最多的顶管法相比，本专利方法的优点更是突出：

(1)本专利方法采用坯料不是顶管法通常采用的方坯、八角坯或实心圆坯，而是通过独特工艺制得的、带有杯底的空心坯。此外，还可以在热加工之前对空心坯的质量进行检查，合格后再进入下道的加热和顶管工序，便于成品质量的控制。而顶管法不能对冲孔(穿孔)后进入下道加热和顶管工序前工件的质量进行检测，造成质量好和质量差的工件均通过下道工序，产品质量得不到控制；

(2)采用本专利方法生产管材，无需专门安排容易出现多种表层缺陷的在线冲孔(穿孔)和预延伸工序，从而不仅可以减少至少一次再加热环节，节约能源10％左右，而且还能将不易冲孔(穿孔)的某些难变形金属加工成高质量的大口径无缝管材；

(3)本专利方法是一种短流程的制管工艺，可以减少2～3个环节，且不需要价格昂贵的大吨位的水压机，从而明显降低制管车间的设备投资和运行费用以及战地面积；

(4)本专利方法由于采用组织致密、机械性能更好，气孔、缩孔、夹渣、粗大晶粒等缺陷更少的离心铸造管坯，在变形条件相同的情况下，本专利方法可以获得表面质量和综合性能更为优良的、可用于某些重要场合的专用管材(例如核电的一回路管)；

(5)正是因为本专利方法如上所述可以进行中间环节的质量控制，从而为提高产品合格率和降低后道精整工序工作量创造了条件；

(6)本专利方法还可在离心铸造的空心管坯的一端焊接环状杯底，使所述空心管坯成为一端带杯底的空心管坯，且用于焊接的杯底可以是普通碳素钢制成，这样在最后切头时切掉的不是贵重的坯料金属而是普通碳素钢，从而可以实现节约贵重坯料金属的目的，可节约3％左右。

附图说明：

图1为挤压法的工艺流程图；

图2为扩径法的工艺流程图；

图3为顶管法的工艺流程图；

图4为本专利实施例一的工艺流程图；

图5为本专利实施例一中一端带杯底空心管坯的剖视图；

图6为本专利实施例二的工艺流程图；

图7为本专利实施例二中一端带杯底空心管坯的剖视图；

图8为本专利实施例三的工艺流程图；

图9为本专利实施例三中一端带杯底空心管坯的剖视图

图10为1Cr18Ni9Ti金属的高温塑性图；

具体实施方式：

如图4所示，按照本发明提供的第一个实施例，包括以下工艺步骤：

第一步，通过离心铸造生产出大口径中厚壁空心管坯；所述的离心铸造是在铸型的旋转轴线与水平夹角即倾角为15～30度的倾斜式离心铸造机上进行的，离心铸造出的大口径厚壁空心管坯为一端内径收口即一端带环状杯底的空心管坯，亦即在该端头处内径向内收口变小，形成带杯底2的空心管坯1，这种杯底2具有镂空部21，如图5所示。设置上述结构可以有利于后期的顶制加工，顶管机的芯棒的端部可以顶靠在杯底2的内表面，以便于芯棒顶推空心管坯。采用倾斜式离心铸造机可以方便地、高质量地加工出带有杯底2的空心管坯1，而这种倾斜式离心铸造机已在铸铁管生产领域得到了推广应用，具体结构此处不再赘述。

第二步，对所述空心管坯的内外表面进行机加工；所述的机加工是对第一步制得的所述一端带环状杯底的空心管坯进行内外表面的切削加工。对所述空心管坯内表面的切削厚度不少于5毫米，对所述空心管坯外表面的切削厚度不少于2毫米。此机加工步骤可以清除空心管坯粗糙的内外表层和析出的杂质，并去除内外表层上的裂纹、气泡等其它缺陷，保证空心管坯内外表面的光洁度，提高加工后成品的质量。

第三步，对机加工后的所述一端带环状杯底的空心管坯进行加热；所述的加热是按照管坯材料高温塑性图的走向预先选择的温度范围进行加热。如图10所示出的1Cr18Ni9Ti金属的高温塑性图；在此图中阴影的部分是加热的温度范围。只有按照这种预定的温度范围进行加热，才能保证后期的顶管轧制加工，并生产出合格的成品。

第四步，对加热后的空心管坯进行顶管轧制加工，制得符合壁厚、直径和长度要求的管件；所述的顶管轧制加工，是将芯棒插入加热后的所述一端带杯底的空心管坯中，然后靠芯棒的推进送入具有多架辊环的顶管机中进行轧制变形。所述顶管机为现有设备，这里赘述。机上辊环的架数可以根据需要变换，本专利优先采用3～7架的辊环，且3～7架辊环的孔型直径由小到大依次排列。所述空心管坯在单架辊环上的最大延伸系数μ_Max为1.35，平均延伸系数μ_a为(0.85～0.95)μ_Max，且由前到后在各架辊环上管材的延伸系数按照“山”字形规律分布，即前后架辊环上的延伸系数偏小，中间辊环上的延伸系数偏大。此处需要说明的是，所述的“山”字形规律是指在前面几个辊环上的延伸系数较小，然后逐步增大，到达中间几架辊环时延伸系数最大，到达最大后延伸系数又开始逐步变小，即类似于“山”字形：中间高、两边小。

例如，在5架辊环的顶管机中，所述空心管坯在各架辊环上的延伸系数由前到后依次为(0.92-0.96)μ_a、(1.00-1.08)μ_a、(1.10-1.18)μ_a、(0.98-1.04)μ_a、(0.88-0.92)μ_a。总的延展系数在3--4之间。其中在各架辊环上的具体延伸系数为0.94μa、1.06μa、1.12μa、1.00μa、0.90μa，此时总的延伸系数可以为3—3.5。

第五步，对顶管轧制加工后的所述管件进行切头、精整，制得合格的成品管材。此步骤主要是将管件的杯底切掉，并对管体进行精加工，并根据需要对管体的内外表面进行加工，以满足不同使用环境下的要求。

参见图4，在所述第二步和所述第三步之间还包括缺陷检查步骤，将存在缺陷经修磨后仍不符合要求的空心管坯排除出所述工艺步骤。这样可以保证后期用于加工的空心管坯均是合格的坯料，可以大大的节约成本，减少废品的产生。

参见图4，在所述第四步和所述第五步之间还包括芯棒松脱步骤，从所述顶管机轧出的管材连同所述芯棒一起，送入松棒机进行松棒，再将所述管材连同芯棒运送到抽棒机上，将所述芯棒从所述管材中抽出。

为了加工出符合要求的空心管坯，离心铸造机的转速要符合下述公式的要求：

$n=500\sqrt{\frac{\mathrm{AL}}{S_d(D_0-S_d)-S_0(D_0-S_0)}}$

其中：n—转速；

      L—管体长度；

      S_d—内径收口处的管壁厚度；

      S₀—管体公称壁厚；

      D₀—管体外径；

      A—倾角系数。

上述倾角系数A为大于0小于等于0.716，当倾角为15度时，A＝0.1853；倾角为20度时，A＝0.2449，当倾角为25度时，A＝0.3026；当倾角是30度时，A＝0.3580。

在本发明给出的上述实施例中，将芯棒插入加热后的带杯底的空心管坯中并靠芯棒的推进送入多架辊环中进行轧制变形，在顶管轧制过程，杯底承受芯棒顶推的负荷。在前几架辊环上，由于空心管坯与芯棒间的抱紧力有限，芯棒的顶推力主要作用在杯底上。随着减壁变形在后几架辊环上已成为绝对主导变形之后，空心管坯与芯棒间的抱紧力陡然上升，从而抵消部分本应作用在杯底上的负荷，使其轴向力下降，总顶推力的增幅也随着放缓。杯底在管材加工完后要切除的，其会变成废料。若是将杯底做的过厚，则会造成材料的浪费，但若是太小，在承受顶推力的强度不够。因此，制备相应厚度的杯底至关重要。杯底的厚度可以用一下公式进行确定：

$H=\frac{F}{3.611*\mathrm{Dx}*\mathrm{\σ}*{\mathrm{\μ}}_d}$

其中：H—足以承受顶管轧制时芯棒顶推力的杯底厚度；

      F—稳定轧制时的顶推力；

      D_x—芯棒直径；

σ—钢材的高温抗拉强度；

μ_d—内径收口端环状杯底部分轧后计算所得的延伸系数。

内径收口端环状杯底部分轧后计算所得的延伸系数μ_d为：

${\mathrm{\μ}}_d=\frac{\mathrm{\Σ}{\mathrm{\μ}}_0({D_d}^2-{d_d}^2)}{({D_0}^2-{D_x}^2)-\mathrm{\Σ}{\mathrm{\μ}}_0({d_d}^2-{D_x}^2)}$

其中，d_d—环状杯底环内孔直径；

      D_d—环状杯底环外径；

      ∑μ₀—空心管坯的总延伸系数。

本发明的上述生产方法特别适合于制造口径在500毫米以上、径壁比在25以下的无缝钢管，因为本发明第一采用离心铸造来制备空心管坯，因此如果管材的口径较小，例如100毫米以下，则不能体现离心铸造的优势；如果用于壁厚较薄管材的生产，则因为离心铸造后内外表面存在析出的杂质等因素而需要机加工切削的厚度较大，反而不经济，因此一般不用于径壁比大于25无缝钢管的生产。

如图6所示，按照本发明提供的第二个实施例，包括以下工艺步骤：

第一步，通过离心铸造生产出空心管坯；所述的离心铸造是铸型的旋转轴线与水平线相平行的卧式离心铸造机上进行的，离心铸造出的空心管坯为等壁厚的两端通透的空心管坯。离心铸造后，加入焊接步骤，该步骤是在离心铸造所得的所述空心管坯1的一端上焊接一环状杯底2，使所述空心管坯1成为一端带杯底2的空心管坯。所述杯底2具有镂空部21，如图7所示。所述焊接为气体保护自动焊，所述环状杯底可以是普通碳素钢制成。杯底的主要作用是承受后期的顶制加工时芯棒的顶推力，在成品时，杯底是要切除的，其就会变成废料。而这种管坯的材料均是采用贵重的金属材料，为了节约成本，可以在等厚壁的空心管坯的一端焊接一个低成本的普通金属杯底，从而可以节约贵重金属。采用气体保护自动焊可以保证杯底与空心管坯的连接强度，利于后期的加工。经过上述处理，空心管坯被加工成带环状杯底的空心管坯。

第二步，对所述一端带杯底的空心管坯的内外表面进行机加工；所述的机加工是对第一步制得的所述空心管坯进行内外表面的切削加工。对所述空心管坯内表面的切削厚度不少于5毫米，对所述厚壁空心管坯外表面的切削厚度不少于2毫米。此机加工步骤可以清除空心管坯粗糙的内外表层和其它缺陷，保证空心管坯内外表面的光洁度，提高加工后成品的质量。

第三步，对机加工后的所述空心管坯进行加热；所述的加热是按照管坯材料高温塑性图的走向预先选择的温度范围进行加热。如图10所示出的1Cr18Ni9Ti金属的高温塑性图；在此图中阴影的部分是加热的温度范围。只有按照这种预定的温度范围进行加热，才能保证后期的顶制加工，并生产出合格的成品。

第四步，对加热后的空心管坯进行顶制加工，制得符合壁厚、直径和长度要求的管件；所述的顶制加工，也是将芯棒插入加热后的所述一端带杯底的空心管坯中，然后靠芯棒的推进送入多架辊环的顶管机中进行轧制变形。所述顶管机与上述实施例一相同，各辊环上的延伸系数也与实施例一相同。

第五步，对顶制加工后的所述管件进行切头、精整，制得合格的成品管材。此步骤主要是将管件的杯底切掉，并对管体进行精加工，制得合格的成品管材。

参见图6，在所述第二步和所述第三步之间还包括缺陷检查步骤，将存在缺陷不符合要求的空心管坯排除出所述工艺步骤。这样可以保证后期用于加工的空心管坯均是合格的坯料，可以大大的节约成本，减少废品的产生。

参见图6，在所述第四步和所述第五步之间还包括芯棒松脱步骤，从所述顶管机轧出的管材连同所述芯棒一起，送入松棒机进行松棒，再将所述管材连同芯棒运送到抽棒机上，将所述芯棒从所述管材中抽出。所述松棒机和所述抽棒机均为现有设备，可从市场上购得，这里不再赘述。

如图8所示，按照本发明提供的第三个实施例，包括以下工艺步骤：

第一步，通过离心铸造生产出空心管坯；所述的离心铸造是铸型的旋转轴线与水平线相平行的卧式离心铸造机上进行的，离心铸造出的空心管坯为等壁厚的两端通透的空心管坯。

第二步，对所述壁空心管坯进行机加工，所述的机加工是对第一步制得的所述两端通透的空心管坯进行内外表面的切削加工。对所述空心管坯内表面的切削厚度不少于5毫米，对所述空心管坯外表面的切削厚度不少于2毫米。此机加工步骤可以清除空心管坯粗糙的内外表层和其它缺陷，保证空心管坯内外表面的光洁度，提高加工后成品的质量。

第三步，对机加工后的所述空心管坯进行加热。该步骤与上述实施例一和实施例二相同。

参见图8，本实施例在对所述管坯进行加热后，不是直接进入顶管机进行顶管轧制，而是在顶管轧制前再进行在线收口步骤，即将所述等壁厚两端通透的空心管坯收口机上，对其一端进行收口处理，使所述大口径厚壁空心管坯的一端进行收口制成一端头带环状杯底的空心管坯，如图9所示。所述收口机为现有的定型设备可从市场上购得，这里不再赘述。

第四步，对上述在线制得的一端带有杯底的空心管坯立即进行顶管轧制，该步骤与实施例一和实施例二相同。

第五步，与实施例一和实施例二相同。

如图8所示，同实施例一和实施例二一样，在所述第二步和所述第三步之间还包括缺陷检查步骤；在所述第四步和所述第五步之间还包括芯棒松脱步骤。

本发明上述实施例的前述详细说明及附图是通过文字解释和图示来进行的，其目的不在于限定权利要求的保护范围。本说明书中的具体实施方式的各个变种对于普通技术人员来说显而易见，并处于权利要求及其等同技术的保护范围内，任何不脱离本发明权利要求的变更、修改均属于本发明保护的内容。

Claims (25)

1、一种无缝钢管的生产新工艺，包括以下工艺步骤：

第一步，通过离心铸造生产出空心管坯；

第二步，对所述空心管坯的内外表面进行机加工；

第三步，对机加工后的所述空心管坯进行加热；

第四步，对加热后的所述管坯进行顶管轧制加工，制得壁厚、直径和长度符合要求的管件；

第五步，对顶管轧制加工后的所述管件进行切头、精整，制得合格的成品管材。

2、根据权利要求1所述的生产新工艺，其特征在于：所述第一步的离心铸造是在铸型的旋转轴线与水平夹角即倾角为15～30度的倾斜式离心铸造机上进行的，离心铸造出的空心管坯为一端内径收口的空心管坯，使所述空心管坯成为一端带环状杯底的空心管坯。

3、根据权利要求1所述的生产新工艺，其特征在于：所述第一步的离心铸造是在铸型的旋转轴线与水平夹角为0度的卧式离心铸造机上进行的，离心铸造出的空心管坯为等壁厚的两端通透的空心管坯。

4、根据权利要求3所述的生产新工艺，其特征在于：在所述第一步和第二步之间还包括焊接步骤，该步骤是在离心铸造所得的所述两端通透的空心管坯的一端上焊接一环状杯底，使所述空心管坯成为一端带环状杯底的空心管坯。

5、根据权利要求4所述的生产新工艺，其特征在于：所述焊接为气体保护自动焊，所述环状杯底可采用普通碳素钢制成。

6、根据权利要求2或4任一所述的生产新工艺，其特征在于：所述第二步所述的机加工是对制得的所述一端带环状杯底的空心管坯进行内外表面的切削加工。

7、根据权利要求6所述的生产新工艺，其特征在于：对所述一端带环状杯底的空心管坯内表面的切削厚度不少于5毫米，对所述一端带环状杯底的空心管坯外表面的切削厚度不少于2毫米。

8、根据权利要求2或4任一所述的生产新工艺，其特征在于：在所述第二步和所述第三步之间还包括缺陷检查步骤，将存在缺陷经修磨处理后仍不符合要求的所述空心管坯排除出所述工艺步骤。

9、根据权利要求2或4任一所述的生产新工艺，其特征在于：所述第三步的所述加热是按照所述空心管坯的材料高温塑性图的走向预先选择的温度范围进行加热。

10、根据权利要求3所述的生产新工艺，其特征在于：所述第二步所述的机加工是对制得的所述两端通透的空心管坯进行内外表面的切削加工。

11、根据权利要求10所述的生产新工艺，其特征在于：对所述空心管坯内表面的切削厚度不少于5毫米，对所述空心管坯外表面的切削厚度不少于2毫米。

12、根据权利要求11所述的生产新工艺，其特征在于：在所述第二步和所述第三步之间还包括缺陷检查步骤，将存在缺陷经修磨处理后仍不符合要求的所述空心管坯排除出所述工艺步骤。

13、根据权利要求12所述的生产新工艺，其特征在于：所述第三步的所述加热是按照所述空心管坯的材料高温塑性图的走向预先选择的温度范围进行加热。

14、根据权利要求13所述的生产新工艺，其特征在于：在所述第三步和第四步之间还包括在线收口步骤，该步骤是在收口机上对所述离心铸造所得的两端通透的所述空心管坯的一端进行收口，使所述空心管坯成为一端带环状杯底的空心管坯。

15、根据权利要求2、4或14任一所述的生产新工艺，其特征在于：所述第四步的所述顶管轧制加工，是将芯棒插入的所述一端带环状杯底的空心管坯中，然后靠芯棒的推进送入具有多架辊环的顶管机中进行轧制变形。

16、根据权利要求15所述的生产新工艺，其特征在于：将所述芯棒插入所述一端带环状杯底的空心管坯中，然后靠所述芯棒的推进送入具有3～7架辊环的顶管机中进行轧制变形，所述3～7架辊环的孔型直径由小到大依次排列。

17、根据权利要求16所述的生产新工艺，其特征在于：所述空心管坯在单架辊环上的最大延伸系数(μ_Max)为1.35，平均延伸系数(μ_a)为(0.85～0.95)μ_Max，且在所述辊环的孔型直径由小到大依次排列的各架辊环上的延伸系数按照“山”字形规律分布，即前后架辊环上的延伸系数小，中间架辊环上的延伸系数大。

18、根据权利要求17所述的生产新工艺，其特征在于：所述顶管机为具有5架辊环的顶管机，所述空心管坯在各架辊环上的延伸系数由前到后依次为(0.92-0.96)μ_a、(1.00-1.08)μ_a、(1.10-1.18)μ_a、(0.98-1.04)μ_a、(0.88-0.92)μ_a。

19、根据权利要求18所述的生产新工艺，其特征在于：在所述第四步和所述第五步之间还包括芯棒松脱步骤，从所述顶管机轧出的所述管件连同所述芯棒一起，送入松棒机进行松棒，再将所述管件连同芯棒运送到抽棒机上，将所述芯棒从所述管件中抽出。

20、根据权利要求2所述的生产新工艺，其特征在于：所述倾斜式离心铸造机的转速n为：

$n=500\sqrt{\frac{\mathrm{AL}}{S_d(D_0-S_d)-S_0(D_0-S_0)}}$

其中：n—转速；

L—管体长度；

S_d—内径收口处的管壁厚度；

S₀—管体公称壁厚；

D₀—管体外径；

A—倾角系数。

21、根据权利要求20所述的生产新工艺，其特征在于：所述倾角系数A为大于0小于等于0.716。

22、根据权利要求21所述的生产新工艺，其特征在于：当所述倾角为15度时，A＝0.1853；倾角为20度时，A＝0.2449，当倾角为25度时，A＝0.3026；当倾角是30度时，A＝0.3580。

23、根据权利要求2所述的生产新工艺，其特征在于：所述空心管坯的所述一端内径收口处所述环状杯底的厚度H为：

$H=\frac{F}{3.611*\mathrm{Dx}*\mathrm{\σ}*{\mathrm{\μ}}_d}$

其中：H—足以承受顶管轧制时芯棒顶推力的环状杯底厚度；

F—稳定轧制时的顶推力；

Dx—芯棒直径；

σ—钢材的高温抗拉强度；

μ_d—内径收口端环状杯底部分轧后计算所得的延伸系数。

24、根据权利要求23所述的生产新工艺，其特征在于：所述内径收口端环状杯底部分轧后计算所得的延伸系数μ_d为：

${\mathrm{\μ}}_d=\frac{\mathrm{\Σ}{\mathrm{\μ}}_0({D_d}^2-{d_d}^2)}{({D_0}^2-{D_x}^2)-\mathrm{\Σ}{\mathrm{\μ}}_0({d_d}^2-{D_x}^2)}$

其中，d_d—环状杯底环内孔直径；

D_d—环状杯底环外径；

∑μ₀—空心管坯的总延伸系数。

25、根据权利要求2、4或14任一所述的生产新工艺，其特征在于：所述第五步对所述管件进行切头是采用切头机切去所述管件的所述环状杯底，再对切去所述环状杯底后的管件进行精整加工，制得合格的成品管材。

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