CN102962655A - 一种水压冲孔瓶坯成形管模毛坯的方法 - Google Patents

Abstract

一种水压冲孔瓶坯成形管模毛坯的方法，包括钢锭冶炼、钢锭复检、环形炉加热、水压冲孔、大减径穿孔、周期轧管、人工初检、矫直、粗机加工、超声波探伤、热处理、理化检验合格、精加工、磁粉探伤、人工复检、包装入库，将钢锭置于水压冲孔机的内模中，用冲头冲孔，得到外径670mm、锥度为1.5°的瓶坯，再将瓶坯（5）用锥形辊（6）和顶头（7）斜轧大减径穿孔得到毛管8。本发明结合锥形辊大减径穿孔、周期轧管机锻轧等技术，不仅能够保证管模毛坯整体具有与锻件相近的性能，同时又能够充分利用轧制时本应该切除的皮尔格头，大幅度提高原材料的利用率，管模制造成本降低了近40%，生产效率高，基本实现了管模规格的全覆盖。

Description

一种水压冲孔瓶坯成形管模毛坯的方法

技术领域

本发明涉及管模制造技术领域，特别是一种水压冲孔瓶坯成形管模毛坯的方法。

背景技术

目前，利用离心浇注技术生产球墨铸铁管具有生产节奏快和效率高的优点，具有极其广阔的发展前景。而管模是离心浇注机上浇铸铁管的大型关键部件，且使用环境极其恶劣。管模在高速旋转状态下，浇注中铁水因离心作用而敷在管模内壁上，使管模内壁温度急剧升高，而外表面通过循环水冷却以降低温度。由于管模长期承受交变热应力、拉伸应力和扭转应力等组合工况，故对管模质量要求极高，管模用管的常用牌号为21CrMo10。

管模常用的规格范围为DN80~DN1200 ，承口端外径最大达到1569mm。根据不同的规格，其加工工艺和方法也不同：1）对于规格小于DN 200的管模，坯料采用实心锻件，机加工采用深孔钻孔、镗孔的工艺方法；2）对于规格在DN 200~ DN 500范围内的管模，坯料用实心锻件，采用套料、镗孔的工艺方法，套出的芯料可以作为小一号规格管模的坯料，实现了二次利用；3）对于规格大于DN 500的管模，采用空心锻件，在高效率深孔组合机床上加工，实现了一次装夹、定位完成管模内孔、外圆等部位的通身加工，生产效率较高。

对于规格为DN 200~ DN 500小范围内的管模，还有采用连铸坯曼式穿孔周期轧管生产毛坯的管模制造工艺，该工艺发挥了连铸坯具有的成材率高、成本低和能耗少的优点，降低了管模的生产成本。但由于受连铸坯规格的限制（最大外径为800mm）, 不能生产DN 600及以上规格的管模毛坯（DN600管模毛坯大端外径应不小于860mm）；管模承口端仅通过曼式穿孔延伸（受曼式穿孔机减径能力的限制，压缩比为1.4左右），未经过周期轧管机轧制变形，连铸坯疏松的内部结构不能得到改善，甚至会更加恶化；大口径合金连铸圆管坯中心不可避免存在疏松和缩孔，投料前需对管坯内孔进行粗镗孔加工，以保证管模坯内表质量（管坯中心疏松和缩孔如不清除，经环形炉加热氧化，曼式斜轧穿孔后内表会形成较深的裂纹，且后续工序无法焊合）。

现有管模制造工艺主要存在以下不足：

（1）现有管模多采用实心或空心锻件深孔加工方式制造，虽然在大管径管模制造中采用了套料工艺以提高原材料利用率，材料损耗率一般在40%左右。

（2）现有管模制造存在管模承口端不易成型，需要额外采用加厚、扩管等工艺来完成喇叭型管模承口端的制造，这就使得现有管模制造工艺存在工艺复杂、制造周期偏长等问题。

（3）采用连铸坯周期轧管生产管模毛坯，自然形成的皮尔格头，即喇叭型管模承口端没有经过周期锻压轧制成形，不能保证和其它部分一样具有与锻坯相近的压缩比（轧制比），不能保证管模该部分原材料的性能。而离心浇注时承口端与传动皮带联接，带动管模高速旋转，使用工况最为恶劣，存在较大的安全隐患；大口径连铸圆管坯投料前，必需对管坯内孔进行粗镗孔加工，增加了材料的损耗（约5%）和镗孔加工成本；受连铸坯规格的限制，还存在管模毛坯生产范围窄的问题。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的上述不足，而提供一种水压冲孔瓶坯成形管模毛坯的方法，以解决现有技术中存在的生产工艺复杂、制造周期偏长、成材率低，产品规格覆盖范围不广等不足。

本发明的技术方案是：一种水压冲孔瓶坯成形管模毛坯的方法，包括钢锭冶炼、钢锭复检、环形炉加热、水压冲孔、大减径穿孔、周期轧管、人工初检、矫直、粗机加工、超声波探伤、热处理、理化检验、精加工、磁粉探伤、人工复检、包装入库；水压冲孔时，将钢锭置于水压冲孔机的内模中，用冲头冲孔，得到外径670~1670 mm、锥度为0.7°~1.6 °的瓶坯，瓶坯的金属过充满度2%~12%。

本发明由于采用水压冲孔瓶坯和大减径工艺成形管模毛坯，能够充分发挥钢锭具有成本低、能耗少、成材率高等特点，可以有效结合特殊结构的钢锭、锥形辊大减径穿孔、周期轧管机锻轧等技术，不仅能够保证管模毛坯整体具有与锻件相近的性能，同时又能够充分利用轧制时本应该切除的皮尔格头，大幅度提高原材料的利用率，管模制造成本降低了近40%，生产效率高，工艺简单，制造周期短，在产品安全可靠性、变形工艺、压缩比（特别是承口端）和管模规格覆盖范围方面有较大优势，基本实现了管模规格的全覆盖。

以下结合附图和具体实施方式对本发明的详细内容作进一步描述。

附图说明

图1为本发明使用的钢锭的结构示意图；

图2为图1的左视图；

图3为图1的右视图；

图4为钢锭位于立式水压冲孔机内模内冲孔开始时的示意图；

图5为钢锭位于立式水压冲孔机内模内冲孔结束时的示意图；

图6为本发明锥形辊斜轧大减径穿孔过程中的瓶坯示意图；

图7为本发明锥形辊斜轧大减径穿孔结束后的毛管示意图；

图8为本发明周期轧管机锻轧开始时的毛管示意图；

图9为本发明周期轧管机锻轧过程中的荒管示意图；

图10为本发明管模毛坯的结构示意图；

图11为本发明管模的结构示意图。

具体实施方式

实施例一：

一种水压冲孔瓶坯成形DN 300型管模毛坯的方法，包括钢锭冶炼、钢锭复检、环形炉加热、水压冲孔、大减径穿孔、周期轧管、人工初检、矫直、粗机加工、超声波探伤、热处理、理化检验、精加工、磁粉探伤、人工复检、包装入库；

钢锭冶炼：考虑到铸管模特殊的工作环境，而钢锭质量是基础，钢锭材料为21CrMo10，并严格控制磷、硫、氮、氢、氧的含量，其中磷含量小于0.008%，硫含量小于0.004%，氮含量小于100ppm，氢含量小于2 ppm，氧含量小于35 ppm，钢锭采用如下工艺进行生产：高炉炼铁、电炉炼钢、LF炉精炼、钢包扒渣、VD炉真空脱气、喂丝处理、浇铸钢锭、检查、切冒口、修磨；

钢锭复检：在环形炉加热之前复检钢锭的表面质量、几何尺寸（如图1-3所示），钢锭本体1外周的棱2的外接圆直径D为660mm，钢锭外接圆直径D较棱2的内切圆直径d大40mm，即D=d+40 mm，棱2的数量为18边，锥度范围为2.2 °，管模最小压缩比u（轧制比）为2.7（承口端）；

环形炉加热：采用环形炉将钢锭加热到水压冲孔挤压温度1180℃，由于管模用管合金元素多，且钢锭规格巨大，加热不当容易产生加热缺陷，要采用适当的加热温度和加热速度，生产中保证钢锭入炉时，预热一段不大于720 ℃，加热时间3小时；预热二段温度控制在810~830 ℃，加热时间1.5小时；加热一段温度控制在900~920 ℃，加热时间1.5小时；加热二段温度控制在1030~1050 ℃，加热时间2小时；加热三段温度控制在1130~1150 ℃，加热时间2小时；加热四段温度控制在1250~1270 ℃，加热时间1.5小时；均热段温度控制在1240~1260 ℃，加热时间2小时；总加热时间14小时；

水压冲孔：将钢锭置于水压冲孔机的内模3中，用冲头4冲孔（如图4-5所示），得到外径670mm、锥度为1.5 °的瓶坯5，瓶坯5的金属过充满度3.8%~10%；

大减径穿孔：将瓶坯5用锥形辊6和顶头7斜轧大减径穿孔得到毛管8（如图6-7所示），总直径压下率为15.1%，椭圆度为1.05，碾轧角为－3°，减径率21%，减径穿孔后毛管8外径为530 mm，较管模承口端外径（520 mm）大10mm；

周期轧管：如图8-10所示，利用周期轧管机的轧辊10对毛管8进行锻轧，保留自然形成的皮尔格头，保证皮尔格头有合理的加工余量，避免原材料的浪费，设计周期轧管机组Φ390mm大孔型，包括锻轧段、精轧段、终轧段和空轧段的曲线方程，其中锻轧段为包络线、锻轧段起始角为25°，锻轧段夹角为90°，锻轧段曲线展开长度范围为850mm，控制轧辊转速48rpm，风压5.1bar，喂人量55mm，周期轧管末期保留180mm长毛管不轧，用于取横向试样和管模承口端的加工，用芯棒9和轧辊10将毛管8的一端轧制成荒管11，另一端自然形成皮尔格头12，从而形成管模毛坯；

人工初检：对管模毛坯的表面质量和尺寸精度进行检验；

矫直：采用压力矫直机对管模毛坯进行矫直，保证全长弯曲度不大于6mm；

粗机加工：对管模毛坯进行内外表面粗切削加工和在插口端内表堆焊台阶，使之符合DN300管模毛坯图样的要求；

超声波探伤：按GB/T 5777标准要求进行L2级手动超声波探伤，确保管模毛坯内在质量；

热处理：就管模毛坯进行调质处理，淬火温度：880℃、保温时间60min，回火温度：620℃、保温时间140min，得到高强韧性回火索氏体组织；

理化检验：为充分检验管模毛坯性能，在管模毛坯两端各留70～120㎜余量做横向力学性能测定，评估管模毛坯的综合力学性能符合国际标准的要求；

精加工：如图11所示，对粗机加工的管模毛坯进行精磨和微量切削加工成管模，使管模尺寸符合用户提供的产品图样，保证管模的内表面、承口端13和插口端14密封面的表面粗糙度Ra小于1.6 um，管模其它表面的粗糙度Ra小于6.3 um；

磁粉探伤：管模外表面经磁粉探伤后没有裂纹；

人工复检：管模内表面没有肉眼可见的裂纹、划伤、压痕、锈蚀等缺陷存在，管模外形尺寸符合用户提供的DN300产品图样的要求；

包装入库：管模经喷印和称重后，包装入库。

实施例二：

一种水压冲孔瓶坯成形DN 600型管模毛坯的方法，包括钢锭冶炼、钢锭复检、环形炉加热、水压冲孔、大减径穿孔、周期轧管、人工初检、矫直、粗机加工、超声波探伤、热处理、理化检验、精加工、磁粉探伤、人工复检、包装入库；

钢锭复检时，钢锭本体1外周的棱2的外接圆直径D为970mm，钢锭外接圆直径D较棱2的内切圆直径d大40mm，即D=d+40 mm，棱2的数量为18边，锥度范围为1.8 °，管模最小压缩比u（轧制比）为3.0（承口端）；

环形炉加热时，采用环形炉将钢锭加热到水压冲孔挤压温度1180℃，钢锭入炉时，预热一段不大于720 ℃，加热时间6小时；预热二段温度控制在810~830 ℃，加热时间1.8小时；加热一段温度控制在900~920 ℃，加热时间1.8小时；加热二段温度控制在1030~1050 ℃，加热时间2.2小时；加热三段温度控制在1130~1150 ℃，加热时间2.2小时；加热四段温度控制在1250~1270 ℃，加热时间2.5小时；均热段温度控制在1240~1260 ℃，加热时间3.5小时；总加热时间20小时；

水压冲孔时，将钢锭置于水压冲孔机的内模3中，用冲头4冲孔（如图4-5所示），得到外径980mm、锥度为0.95 °的瓶坯5，瓶坯5的金属过充满度4.3%~10.7%；

大减径穿孔时，将瓶坯5用锥形辊6和顶头7斜轧大减径穿孔得到毛管8（如图6-7所示），总直径压下率为14.3%，椭圆度为1.05，碾轧角为－2°，减径率12.3%，减径穿孔后毛管8外径为860 mm，较管模承口端外径（850 mm）大10mm；

周期轧管时，如图8-10所示，利用周期轧管机的轧辊10对毛管8进行锻轧，保留自然形成的皮尔格头，保证皮尔格头有合理的加工余量，避免原材料的浪费，设计周期轧管机组Φ740mm大孔型，包括锻轧段、精轧段、终轧段和空轧段的曲线方程，其中锻轧段为包络线、锻轧段起始角为25°，锻轧段夹角为90°，锻轧段曲线展开长度范围为770mm，控制轧辊转速25rpm，风压5.3bar，喂人量70mm，周期轧管末期保留180mm长毛管不轧，用于取横向试样和管模承口端的加工，用芯棒9和轧辊10将毛管8的一端轧制成荒管11，另一端自然形成皮尔格头12，从而形成管模毛坯；

热处理时，就管模毛坯进行调质处理，淬火温度：880℃、保温时间70min，回火温度：620℃、保温时间160min，得到高强韧性回火索氏体组织；

理化检验：为充分检验管模毛坯性能，在管模毛坯两端各留70～120㎜余量做横向力学性能测定，评估管模毛坯的综合力学性能符合国际标准的要求；

其余方法与实施例一相同。

实施例三：

一种水压冲孔瓶坯成形DN1200型管模毛坯的方法，包括钢锭冶炼、钢锭复检、环形炉加热、水压冲孔、大减径穿孔、周期轧管、人工初检、矫直、粗机加工、超声波探伤、热处理、理化检验合格、精加工、磁粉探伤、人工复检、包装入库；

钢锭复检时，钢锭本体1外周的棱2的外接圆直径D为1650mm，钢锭外接圆直径D较棱2的内切圆直径d大40mm，即D=d+40 mm，棱2的数量为18边，锥度范围为1.9 °，管模最小压缩比u（轧制比）为3.3（承口端）；

环形炉加热时，采用环形炉将钢锭加热到水压冲孔挤压温度1180℃，钢锭入炉时，预热一段不大于720 ℃，加热时间12小时；预热二段温度控制在810~830 ℃，加热时间3小时；加热一段温度控制在900~920 ℃，加热时间3小时；加热二段温度控制在1030~1050 ℃，加热时间3小时；加热三段温度控制在1130~1150 ℃，加热时间3小时；加热四段温度控制在1250~1270 ℃，加热时间5小时；均热段温度控制在1240~1260 ℃，加热时间7小时；总加热时间36小时；

水压冲孔时，将钢锭置于水压冲孔机的内模3中，用冲头4冲孔（如图4-5所示），得到外径1670mm、锥度为1.25 °的瓶坯5，瓶坯5的金属过充满度5.6%~8.5%；

大减径穿孔时，将瓶坯5用锥形辊6和顶头7斜轧大减径穿孔得到毛管8（如图6-7所示），总直径压下率为10.8%，椭圆度为1.06，碾轧角为－3°，减径率5.4%，减径穿孔后毛管8外径为1579 mm，较管模承口端外径（1569 mm）大10mm；

周期轧管时，如图8-10所示，利用周期轧管机的轧辊10对毛管8进行锻轧，保留自然形成的皮尔格头，保证皮尔格头有合理的加工余量，避免原材料的浪费，设计周期轧管机组Φ1390mm大孔型，包括锻轧段、精轧段、终轧段和空轧段的曲线方程，其中锻轧段为包络线、锻轧段起始角为25°，锻轧段夹角为90°，锻轧段曲线展开长度范围为370mm，控制轧辊转速8rpm，风压5.5bar，喂人量80mm，周期轧管末期保留180mm长毛管不轧，用于取横向试样和管模承口端的加工，用芯棒9和轧辊10将毛管8的一端轧制成荒管11，另一端自然形成皮尔格头12，从而形成管模毛坯；

热处理时，就管模毛坯进行调质处理，淬火温度：880℃、保温时间130min，回火温度：620℃、保温时间300min，得到高强韧性回火索氏体组织；

理化检验：为充分检验管模毛坯性能，在管模毛坯两端各留70～120㎜余量做横向力学性能测定，评估管模毛坯的综合力学性能符合国际标准的要求；

其余方法与实施例一相同。

本发明利用钢锭大端制造管模较大较厚的承口端，避免了连铸坯制造管模承口端压缩比不足，以及管模承口端与管身由于变形量巨大差异导致的强韧性差异的问题。由于连铸坯规格的限制, 不能生产DN 600及以上规格的管模毛坯，而钢锭不受规格限制。大口径合金连铸圆管坯中心不可避免存在疏松和缩孔，而钢锭在浇铸过程中可及时补缩，中心不存在疏松和缩孔等低倍组织缺陷，也不需要对管坯内孔进行粗镗孔加工。

本发明利用立式水压冲孔机变形条件好和变形能力强的特点，水压冲孔时钢锭在三向压应力的作用下发生变形，因此对钢锭中心会起到压实的效果，而原始的粗大的柱状晶组织在冲孔后会得到“破碎”，所以，压力冲孔工艺可以有效改善管坯的内部组织，降低后续大减径穿孔工序的负荷，也为后续大减径穿孔工序提供质量良好的冲孔瓶坯。

本发明带负碾轧角的锥形辊，实现5%~21%大减径率，保证未经过周期轧管机轧制变形的皮尔格头（承口端）的轧制比在3左右（范围：2.7~3.3）。而曼式桶形辊穿孔机碾轧角为0，减径率不超过5%，通常是采用等径或微扩径穿孔，对于生产外径与坯料相当而壁厚在100mm左右的毛管，压缩比仅在1.4左右（以连铸坯生产DN300为例，未经过周期轧管机轧制变形的皮尔格头的压缩比仅为1.3，连铸坯疏松的内部结构不能得到改善，甚至会更加恶化），承口端在使用过程中存在较大的安全隐患。

本发明通过设计周期轧管机组Φ390～Φ1390mm大孔型，来控制皮尔格头的形状，保证皮尔格头有合理的加工余量，避免原材料的浪费。利用周期轧管机对毛管进行锻轧，保留自然形成的皮尔格头，省去了管模承口端喇叭口成型工艺，这不仅提高了原材料利用率且同时简化了管模工艺流程，提高了生产效率，缩短了生产周期，节约了成本。

Claims (4)

1.一种水压冲孔瓶坯成形管模毛坯的方法，包括钢锭冶炼、钢锭复检、环形炉加热、水压冲孔、大减径穿孔、周期轧管、人工初检、矫直、粗机加工、超声波探伤、热处理、理化检验合格、精加工、磁粉探伤、人工复检、包装入库；其特征是水压冲孔时，将钢锭置于水压冲孔机的内模中，用冲头冲孔，得到外径670~1670 mm、锥度为0.7°~1.6 °的瓶坯，瓶坯的金属过充满度2%~12%。

2.根据权利要求1所述的水压冲孔瓶坯成形管模毛坯的方法，其特征是水压冲孔时，将钢锭置于水压冲孔机的内模中，用冲头冲孔，得到外径670mm、锥度为1.5 °的瓶坯，瓶坯的金属过充满度3.8%~10%。

3.根据权利要求1所述的水压冲孔瓶坯成形管模毛坯的方法，其特征是水压冲孔时，将钢锭置于水压冲孔机的内模中，用冲头冲孔，得到外径980mm、锥度为0.95 °的瓶坯，瓶坯的金属过充满度4.3%~10.7%。

4.根据权利要求1所述的水压冲孔瓶坯成形管模毛坯的方法，其特征是水压冲孔时，将钢锭置于水压冲孔机的内模中，用冲头冲孔，得到外径1670mm、锥度为1.25 °的瓶坯，瓶坯的金属过充满度5.6%~8.5%。

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