CN103157694A - 一种内壁齿条形钢管的制造方法 - Google Patents

一种内壁齿条形钢管的制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种内壁齿条形钢管的制造方法，它包括下述依次的步骤：Ⅰ原料准备；Ⅱ环形炉加热；Ⅲ 扩孔扩孔完后，坯料的内孔直径是内壁齿条形钢管成品内直径的1.27±0.3倍；Ⅳ感应加热两次加热均保温，出炉直接挤压；Ⅴ挤压 挤压模的直径为内壁齿条形钢管外直径的1.29±0.5倍，挤压突破力不大于48MN，以2600mm/s的12.5~18%的挤压速度挤压，挤压比3.90±0.5；.Ⅵ 冷轧准备热处理、矫直、酸洗后冷轧；Ⅶ冷轧轧制延伸系数为1.50±0.3；芯棒是锥形，轧制速度25±5次/min，送进量不大于4mm/次。本内壁齿条形钢管的制造方的法制造成本低、单支钢管较长。

Description

一种内壁齿条形钢管的制造方法
技术领域
本发明涉及一种内壁齿条形钢管的制造方法，具体讲是外径不小于150mm的内壁齿条形钢管的制造方法。
背景技术
现有生产内壁齿条形钢管的制造新方法生产方法主要为铸造，其次还有拉拔、拉削等方法。但均存在各自的缺陷。
常规的铸造生产工艺为：铸造成型后，定尺锯切成小于1米的短节（过长不便于修磨成形），内外表面人工加机器修磨成形，此种方法的缺陷是钢管长度短,长度900mm以下、修磨量大、焊缝多、效率低、成本高，同时管件的力学性能、整体一致性及耐蚀性较差，成材率低。
一般拉拔工艺生产，只能生产小规格的（外径小于80mm），缺点是变形量小，拉拔道次极多，强度难以保证，效率极低，生产成本高，拉拔道次一般可达到65道次。（根据实际经验，这类产品根据齿数、齿顶与齿底面积比和齿顶质量要求，变形规格壁厚可较成品齿部壁厚小0~8mm。由于齿顶横截面面积相当于3倍齿底横截面面积，故齿部壁厚增量取4.5mm，拉拔平均减壁厚取为0.32mm，拉拔道次（29.9～9.19）/0.32=29。）
拉削生产工艺存在同样的问题，拉削量极大，成本高，效率极低。
发明内容
为了克服现有内壁齿条形钢管的制造方法的上述不足，本发明提供一种制造成本低、单支长度较长的壁齿条形钢管的制造方法。
本内壁齿条形钢管的制造方法包括下述依次的步骤：
Ⅰ原料准备
1 坯料尺寸
坯料外直径为内壁齿条形钢管外直径的1.58±0.3倍（根据挤压完后坯料尺寸及冷轧最大延伸系数确定）
外直径允许误差  0、-2 mm（考虑到坯料加热膨胀）
坯料中钻孔直径（中心孔直径）   Φ80±2 mm；
坯料长度 500~1100 mm
材质是TP316L。（限此一种材质，此材质延伸率高，便于轧制）
2 外形质量（公差）
长度误差 ±5mm；    切斜度±0.5°；
直线度  小于     2.0mm/1000 mm；  
前端的半径  R= 20～40 mm；（坯料端部过渡圆弧半径）
喇叭口锥度    33.5°±0.5°
钻孔偏同心（实际钻孔中心与理论中心偏差）  ≯1mm；    表面粗糙度  ≯Ra40μm；
表面清洁度    表面无明显油渍、滴水不成珠。
Ⅱ环形炉加热
环形炉加热主要对坯料进行预热和大批量进行生产，提高生产效率，主要控制出炉温度的准确性和坯料内外温差的一致性。为了使出料内外表面温度均匀一致，加热烧透，达到所需要的温度，将均热端温度（保温段温度）设定高于出料口目标温度（850℃）30℃。（目标温度依据材质、环形加热炉加热、感应炉的加热能力及加热效率）
将坯料放入环形炉加热，加热参数如下：
预热温度（坯料预热温）   750±10℃
一段温度         850±10℃
二段温度         930±10℃
三段温度         950±10℃
匀热温度         880±10℃
出料温度      850±20℃
加热时间    外径350mm及以上    6.0h 
            外径219mm及以上    5.0h 
料位节奏（坯料在炉内转动加热）         206±5s
均热时间         0.5 ±0.1h
（三段加热总时间由转动节奏时间确定，加热时间为一、二、三段时间的总和）
Ⅲ  扩孔
用扩孔锥通长热扩孔，扩孔完后，坯料的内孔直径是内壁齿条形钢管成品内直径的
1.27±0.3倍（考虑到后续冷轧变形量）。
Ⅳ感应加热
感应加热主要保证料的出炉温度均匀，与目标温度（1150℃，根据相图处于奥氏体相区，便于热加工）的正负偏差小于20℃。若出现目标温度与出炉温度偏差大于20℃，将料降温至1000℃，重新入感应炉加热，快速加热，加热时间为1~2分钟，不保温，出炉再次确认坯料上下、内外温差在30℃以内。保证目标温度与实际坯料温度一致。
把坯料放入感应炉，加热参数如下：
一次加热温度     1180~1200℃    加热功率  700~750 KW    保温时间  2~5 min；
二次加热温度（出炉分两次加热）     1220~1240℃    加热功率  700~800 KW    保温时间  1~2min；（出感应炉不冷却直接入挤压机进行挤压）
Ⅴ挤压
挤压机为进口德国西马克梅尔公司的6000t卧式挤压机。挤压突破力（挤压最大力）不超过50MN,同时考虑挤压比不是很大，挤压速度采取了中等挤压速度，挤压突破力远小于50MN，挤压正常。
把坯料夹到挤压机，挤压模(挤压圆环，控制管坯的外直径)，的直径为内壁齿条形钢管外直径的1.29±0.5倍，（是内壁齿条形钢管内直径的1.37±0.3倍）用（直径小于内壁齿条形钢管内直径）挤压针挤压，挤压模安装在挤压针后（挤压针短距离伸缩，控制管坯的内直径，挤压模控制管坯的外直径）。挤压突破力不大于48 MN，以2600mm/s 的12.5~18%（挤压最大速度为2600mm/s）挤压速度挤压，挤压比3.90±0.5，挤压成内直径是内壁齿条形钢管内直径的1.5±0.5倍的毛坯钢管。
Ⅵ  冷轧准备
热处理、矫直、酸洗后冷轧，冷轧来料内外表面无裂纹、氧化铁皮。备好冷轧工模具。
Ⅶ冷轧
将轧制延伸系数设定为1.50±0.3。         
异型管轧制较普通钢管轧制难度大，芯棒设计的锥度小，本发明的锥度是0.0163度/800mm±0.005，采取锥形芯棒，主要为了让开始轧制时产生大的变形使得减径段金属基本上充满孔型与芯棒围成的腔体。三辊轧机轧制精度高，总变形量小。
对来料端部倒角，便于头部顺利进行轧制，轧机为俄罗斯口350轧机（三辊轧机，轧制精度高），为国内轧制力最大的轧机，最大轧制力为837t，能保证所需轧制力。
芯棒的大头直径为内壁齿条形钢管外直径的0.98±0.35,芯棒定径段（即小头段，中间即为锥形段，锥度为上述，定径段是圆柱齿条形的）的外直径（齿条围成的外直径）为内壁齿条形钢管外直径的0.93±0.30；芯棒定径段齿高9.5±3.0mm，来料内孔直径大于芯棒大头5~15mm。
轧制生产过程中，轧机为三辊周期式轧机，轧制力大，由于多辊式冷轧管机轧辊数目较两辊增多，使得辊子与管子表面间的滑动减小，从而改善了管子的表面质量。三辊（多辊式）轧机有轧辊、芯棒、和支承板。
轧槽半径一般等于成品管尺寸或比成品管半径大0.2~0.3mm,如果轧槽半径R小于成平管半径，轧出的管子外表面将出现耳子或轧痕；如轧槽半径太大时，轧出的钢管会出现壁厚不均和椭圆度超差。
为了防止轧制时辊环凸缘压入管子表面，轧槽侧壁必须开口，它对于轧制过程中的轴向力有直接影响。孔型开口减小，轴向力增大，孔型开口过大，虽然轴向力降低，但由于金属横向流动产生强烈的不均匀变形，而使轧出的超薄壁管发生破裂。
小开口角的情况下，孔型与轧件的接触弧较长，造成金属变形时相对滑移距离加长，这将使槽底与侧壁的金属产生较大的变形抗力。
当孔型开口增大时，孔型与钢管的接触面积逐渐减小，孔型侧壁对轧件的法向应力减弱，促使金属的横向流动增强，宽展加大。因此，辊缝处金属增多，在其金属内部形成较强的附加拉应力，使钢管的不均匀变形加剧。
孔型开口角为25°时，轧出的钢管精度最好；孔型开口角为30°时，轧制压力有极小值；综合考虑轧制力（最大轧制力可达到863t）及成品表面质量，孔型开口角为25°±2°，力求达到最好的表面质量和尺寸形状。
冷轧以低速、小的送进量进行轧制, （由于316L加工硬化严重，轧制速度25±5次/min，送进量不大于4mm/次，一般轧制速度选取20次/min，送进量3mm/次较佳，减小送进量主要增加反复碾轧次数，提高表面质量和尺寸精度，350轧机轧制速度最大可达到45次/min，送进量最大为25mm/次)轧制刚开始未完全咬入时轧制吃力，完全咬入后轧制正常。 
用本发明的内壁齿条形钢管的制造方法，生产出的内壁齿条形钢管，单支长度可达8米，尺寸精度高（外径±0.5%，壁厚±7%），表面质量好，内外表面粗糙度值不大于Ra0.8μm，无需修磨。而且力学性能及腐蚀性能良好，生产成本降低，原料和加工成本总计为4万/吨。本申请文件中的实施例生产的内壁齿条形钢管的力学性能与模铸生产的内壁齿条形钢管相比见表1。
表1
加工方式 材质 屈服强度（0.2%）/MPa 抗拉强度/MPa 延伸率/%
模铸 TP316L 108 290 28
本发明 TP316L 205 498 40
 从表1看出，用本发明的制造方法制造的内壁齿条形钢管的力学性能明显比模铸生产制造的高。
附图说明
图1是芯棒的垂轴剖面图。
图2是内壁齿条形钢管的垂轴剖面图。
上述图中：
1—芯棒     2—外齿      3—内壁齿条形钢管     4—内齿
具体实施方式
下面结合实施例详细说明本发明的具体实施方式，但本发明的具体实施方式不局限于下述     实施例
本实施例制造钢管的外直径为Φ273mm,内直径Φ237(齿顶高内圆围成的直径）mm，长度为6200mm。材质是TP316L。垂轴剖面图见图2。
本实施例包括下述依次的步骤：                                                
Ⅰ原料准备
荒管可以采取挤压和穿孔两种生产方法，由于穿孔生产出的钢管表面质量差，变形量小，不利于后续加工，因此本发明采取了挤压生产荒管（变形量大，组织均匀，表面质量好），方法如下：
1 坯料尺寸
坯料直径系列  Φ450 mm；   坯料外直径 Φ432mm；  外直径允许误差  0、-2 mm（考虑到坯料加热膨胀）
坯料长度   900 mm；；  坯料中钻孔直径（中心孔直径）   Φ80 mm；
2 外形质量（公差）
长度误差 ±5mm；    切斜度±0.5°；
直线度  小于     2.0mm/1000 mm；  
前端的半径  R= 20～40 mm；（坯料端部过渡圆弧半径）
喇叭口锥度    33.5°
钻孔偏同心（实际钻孔中心与理论中心偏差）  ≯1mm；    表面粗糙度  ≯Ra40μm；
表面清洁度    表面无明显油渍、滴水不成珠。
Ⅱ环形炉加热
环形炉加热主要对坯料进行预热和大批量进行生产，提高生产效率，主要控制出炉温度的准确性和坯料内外温差的一致性。为了使出料内外表面温度均匀一致，加热烧透，达到所需要的温度，将均热端温度（保温段温度）设定高于出料口目标温度30℃。
将坯料（两根）放入环形炉加热，加热参数如下：
预热温度（坯料预热温）   750℃
一段温度         850℃
二段温度         930℃
三段温度         950℃
匀热温度         880℃
出料温度      850±20℃
加热时间         6.3 h
料位节奏（坯料在炉内转动加热）         206s
均热时间         0.5 h
（三段加热总时间由转动节奏时间确定，加热时间为一、二、三段加热总时间）
Ⅲ  扩孔
用扩孔锥通长热扩孔，扩孔完后，外径Φ440mm，内孔Φ279mm。
Ⅳ感应加热
感应加热主要保证料的出炉温度均匀，与目标温度（1150℃，根据相图处于奥氏体相区，便于热加工）的正负偏差小于20℃（。若出现目标温度与出炉温度偏差大于20℃，将料降温至1000℃，重新入感应炉加热，快速加热，加热时间为1~2分钟，不保温，出炉再次确认坯料上下、内外温差在30℃以内。保证目标温度与实际坯料温度一致。
把坯料放入感应炉，加热参数如下：
一次加热温度     1180~1200℃    加热功率  700~750 KW    保温时间  2~5 min；
二次加热温度（出炉分两次加热）     1220~1240℃    加热功率  700~800 KW    保温时间  1~2min；
Ⅴ挤压
挤压机为进口德国西马克梅尔公司的6000t卧式挤压机。挤压突破力（挤压最大力）不超过50MN,同时考虑挤压比不是很大，挤压速度采取了中等挤压速度，挤压突破力远小于50MN，挤压正常。
把坯料夹到挤压机，用直径Φ325mm的挤压模(挤压圆环，控制管坯的外径)，直径Φ269mm的挤压针挤压，挤压模安装在挤压针后。
挤压突破力38 MN，以13.5~15%（挤压最大速度为2600mm/s）挤压速度挤压，挤压比3.91，挤压成内直径Φ325，壁厚28 mm的钢管。
Ⅵ  冷轧准备
热处理、矫直、酸洗后冷轧，冷轧来料内外表面无裂纹、氧化铁皮，备好冷轧工模具。
Ⅶ冷轧
将轧制延伸系数设定为1.50。         
异型管轧制较普通钢管轧制难度大，芯棒设计的锥度小，本实施的锥度是0.0163度/800mm，大头段、锥形段、小头段（即圆柱锥形段），三段总长度是1200mm，垂轴剖面图见图1。采取锥形芯棒，主要为了让开始轧制时产生大的变形使得减径段金属基本上充满孔型与芯棒围成的腔体。三辊轧机轧制精度高，总变形量小。
 对来料端部倒角，便于头部顺利进行轧制，轧机为俄罗斯口350轧机（三辊轧机，轧制精度高），为国内轧制力最大的轧机，最大轧制力为837t，能保证所需轧制力。内壁齿条形钢管（外径273mm）芯棒的大头直径为268mm，芯棒定径段（即小头段，中间即为锥形段，锥度为上述，定径段是圆柱齿条形的）芯棒是尺寸（齿条围成的外直径）为255mm。芯棒定径段齿高9.5±2.5mm，来料内孔直径大于芯棒大头5~15mm（此例芯棒大头外直径273mm）。
轧制生产过程中，轧机为三辊周期式轧机，轧制力大，由于多辊式冷轧管机轧辊数目较两辊增多，使得辊子与管子表面间的滑动减小，从而改善了管子的表面质量。三辊（多辊式）轧机有轧辊、芯棒、和支承板。
轧槽半径一般等于成品管尺寸或比成品管半径大0.2~0.3mm,如果轧槽半径R小于成平管半径，轧出的管子外表面将出现耳子或轧痕；如轧槽半径太大时，轧出的钢管会出现壁厚不均和椭圆度超差。此次为了使轧制异型管表面质量好，尺寸精度高，孔型K值为0.15mm。 
为了防止轧制时辊环凸缘压入管子表面，轧槽侧壁必须开口，它对于轧制过程中的轴向力有直接影响。孔型开口减小，轴向力增大，孔型开口过大，虽然轴向力降低，但由于金属横向流动产生强烈的不均匀变形，而使轧出的超薄壁管发生破裂。
小开口角的情况下，孔型与轧件的接触弧较长，造成金属变形时相对滑移距离加长，这将使槽底与侧壁的金属产生较大的变形抗力。
当孔型开口增大时，孔型与钢管的接触面积逐渐减小，孔型侧壁对轧件的法向应力减弱，促使金属的横向流动增强，宽展加大。因此，辊缝处金属增多，在其金属内部形成较强的附加拉应力，使钢管的不均匀变形加剧。
孔型开口角为25°时，轧出的钢管精度最好；孔型开口角为30°时，轧制压力有极小值；综合考虑轧制力（最大轧制力可达到863t）及成品表面质量，此次孔型开口角为25°，力求达到最好的表面质量和尺寸形状。
 
冷轧以低速、小的送进量进行轧制, （轧制速度选取20次/min，送进量3mm/次，减小送进量主要增加反复碾轧次数，提高表面质量和尺寸精度，350轧机轧制速度最大可达到45次/min，送进量最大为25mm/次)轧制刚开始未完全咬入时轧制吃力，完全咬入后轧制正常。 
本实施例成外直径为Φ273mm,内直径Φ237(齿顶高内圆围成的直径）mm，长度为6200mm的内壁齿条形钢管，
该钢管的力学性能如下：
屈服强度（0.2%）/MPa   205；
抗拉强度/MPa           498；
延伸率/%               40。
完全满足行业用途所需。

Claims (1)

1.一种内壁齿条形钢管的制造方法，它包括下述依次的步骤：
Ⅰ 原料准备
a  坯料尺寸
坯料外直径为内壁齿条形钢管外直径的1.58±0.3倍；
外直径允许误差  0、-2 mm；
坯料中钻孔直径  Φ80±2 mm；
坯料长度 500~1100 mm；
材质是TP316L；
b  外形质量
长度误差 ±5mm；    切斜度±0.5°；
直线度  小于     2.0mm/1000 mm；  
前端的半径  R= 20～40 mm；
喇叭口锥度    33.5°±0.5°；
钻孔偏同心  ≯1mm；    表面粗糙度  ≯Ra40μm；
表面清洁度    表面无明显油渍、滴水不成珠；
Ⅱ环形炉加热
为了使出料内外表面温度均匀一致，加热烧透，达到所需要的温度，将均热端温度设定高于出料口目标温度30℃；
将坯料放入环形炉加热，加热参数如下：
预热温度（坯料预热温）   750±10℃；
一段温度         850±10℃；
二段温度         930±10℃；
三段温度         950±10℃；
匀热温度         880±10℃；
出料温度          850±20℃；
加热时间    外径350mm及以上    6.0±0.5h 
        外径219mm及以上    5.0±0.5h ；
料位节奏         206±5s；
均热时间         0.5 ±0.1h；
Ⅲ  扩孔
用扩孔锥通长热扩孔，扩孔完后，坯料的内孔直径是内壁齿条形钢管成品内直径的
1.27±0.3倍；
Ⅳ 感应加热
感应加热主要保证料的出炉温度均匀，与目标温度的正负偏差小于20℃；若出现目标温度与出炉温度偏差大于20℃，将料降温至1000℃，重新入感应炉加热，快速加热，加热时间为1~2分钟，不保温，出炉再次确认坯料上下、内外温差在30℃以内；
把坯料放入感应炉，加热参数如下：
一次加热温度     1180~1200℃    加热功率  700~750 KW    保温时间  2~5 min；
二次加热温度     1220~1240℃    加热功率  700~800 KW    保温时间  1~2min；
出感应炉直接入挤压机进行挤压；
Ⅴ挤压
把坯料夹到挤压机，挤压模的直径为内壁齿条形钢管外直径的1.29±0.5倍，用挤压针挤压，挤压模安装在挤压针后，挤压突破力不大于48 MN，以2600mm/s 的12.5~18%的挤压速度挤压，挤压比3.90±0.5，挤压成内直径是内壁齿条形钢管内直径的1.5±0.5倍的毛坯钢管；
Ⅵ  冷轧准备
热处理、矫直（弯曲度≤3mm/m）、酸洗（无氧化铁皮）后冷轧，冷轧来料内外表面无裂纹、氧化铁皮；
Ⅶ 冷轧
将轧制延伸系数设定为1.50±0.3；         
芯棒是锥形芯棒，锥度是0.0163度/800mm±0.005；
对来料端部倒角，便于头部顺利进行轧制，轧机为三辊轧机，芯棒的大头直径为内壁齿条形钢管外直径的0.98±0.35,芯棒定径段的外直径为内壁齿条形钢管外直径的0.93±0.30；芯棒定径段齿高9.5±3.0mm，来料内孔直径大于芯棒大头5~15mm；
轧槽半径等于成品管尺寸或比成品管半径大0.2~0.3mm；
为了防止轧制时辊环凸缘压入管子表面，轧槽侧壁必须开口；
孔型开口角为25°±2°；
冷轧以低速、小的送进量进行轧制，轧制速度25±5次/min，送进量不大于4mm/次，轧制刚开始未完全咬入时轧制吃力，完全咬入后正常轧制。
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