CN103260778B - 用于在连续轧管机中制造无缝热轧管的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于制造无缝管的方法，其中，之前在穿孔轧机(1)中产生的热的空心块借助于连续轧机(2)在心轴杆上被拉伸成母管并且在放弃抽拉轧机和再加热炉的情况下母管被直接输送给作为精轧机的张力减径轧机或定径轧机(5)并且在那里轧制到所要求的管最终直径上。在此，空心块在其层中尺寸预定成使得在连续轧机中拉伸时仅仅产生单层作为所要求的母管层并且在接下来的精轧中通过精轧实现从心轴杆取下母管，其中，利用在其尺寸上设计用于操纵单层的轧机组件实现轧制。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于在连续轧管机(Rohrkontiwalzwerk)中经济性地制造无缝热轧管的方法。此外，本发明涉及一种轧机。
背景技术
在钢管手册(Vulkan出版社，Essen，1995年第12版，107-111页)中说明了用于制造热轧的无缝管的不同方法。
近年来，越来越需要靠近消费者地制造产品，因为消费国希望经由提供工作岗位和通过增值税来参与。因此强制性地联系有销售市场的限制。
用于这样的情况的典型产品例如是用于能源产业的、用于勘探以及用于输送油和气的管。
通用的尺寸范围在直径上处于大约60与273mm之间而对于壁厚大约5至15mm。
对于这些产品，对于轧管机所需的产能大约在100,000至250,000吨/年之间变动。
在加热圆形的原材料之后通常以三个方法步骤来制造无缝热轧管：
将实心的块打孔成空心块(Hohlblock)，
将空心块拉伸成母管(Mutterrohr)以及
将母管精轧到热完成的(warmfertig)管尺寸上。
由于对于第一制造步骤除了特殊情况之外应用穿孔斜轧机(Lochschrägwalzwerk)并且精轧仅经由张力减径轧机(Streckreduzierwalzwerk)或定径轧机(Masswalzwerk)实现，轧管机作为整体根据所应用的拉伸轧机(Streckwalzwerk)来命名。
带有在上面提及的范围中的年产能的轧机是顶管轧机(Stoßbankwalzwerk)、Assel轧机和Diescher轧机。在最后提及的两者中使用斜轧机来拉伸。
这样的轧机的运行要求高的专门技术，因为无外部和内部缺陷地生产管并不简单。典型的管缺陷例如是部分地带有较小深度的小裂纹。该缺陷风险随着壁的变薄而增高，因此直径/壁厚比受限制。在Assel轧机中，这例如为20:1。在Diescher轧机中，内部裂纹几乎不可避免，因此管必须被再加工。
该质量缺点和油气工业的高要求禁止在没有对管内表面和管外表面的复杂的机械加工的情况下使用该轧制方法用于制造优质产品(Premiumprodukt)。
对于这些高要求的产品，出于质量原因以连续轧管方法(Rohrkontiverfahren)实施纵向轧制用于拉伸空心块，在其中，空心块在直至九个紧密地相继布置的机架中经历直至75%的横截面减小，这导致伸长至4倍长度。横截面减小连续地实现到对于精轧所要求的母管尺寸上。例如从文件EP 1 764 167 B1中已知这样的方法。
在连续轧管方法中可能的尺寸范围在外径上大约在25与498mm之间，其中，该直径跨度无法利用唯一的轧机来覆盖。如果忽略用于加热原材料的炉，则现在整个连续轧管机看起来典型地如下：
·带有在11与12.5m之间的最大空心块长度的用于打孔的斜轧机，
·带有5个或6个机架的拉伸设备(例如带有拉住的杆(Stange)的2或3轧辊-连续轧管机)，
·带有5至8个杆(杆长大约20m)的拉伸设备的杆循环(Stangenumlauf)，其中的大约一半用作用于轧制的工作部分，另一半来桥接在实际的轧机与杆拉住系统之间的距离，
·抽拉轧机(Ausziehwalzwerk)，其由各带有3个轧辊的3个机架构成，以从辗杆上取下母管，
·再加热炉，
·定径轧机或张力减径轧机，
·冷却床。
在此，辗杆拉住系统(Walzstangenrueckhaltesystem)具有该目的:
·将辗杆穿入空心块中，
·将带有辗杆的空心块推入轧机的第一机架中，
·在轧制期间如此拉住辗杆，使得其以恒定的速度向前运动，该速度小于空心块到第1机架中的进入速度，
·在轧制结束之后将辗杆驶回到轧机进入侧上。
之后，为了冷却和润滑将辗杆侧向抛到杆循环中并且在杆循环的回行侧上将“新的”辗杆递到辗杆拉住系统中。
在已知的设备中，抽拉轧机与2或3轧辊-连续轧管机的最后的机架的端部具有近似10至12m的距离。一旦母管以其顶端进入抽拉轧机的第1机架中，母管开始从辗杆上脱下。在该时刻，母管还部分地位于连续轧管机中。一旦母管离开抽拉轧机，辗杆被拉回。在该时刻，辗杆的顶端就位于抽拉轧机的第1机架之前。
常常必须在精轧之前再加热母管。对此存在两个原因。一方面，对于不同的母管壁厚，温度不一样高。薄壁的管比厚壁的管更快冷却。这在直径相同时在张力减径轧机或定径轧机的出口中受不同的收缩量限制地影响冷的最终管直径。第二个原因是，当接下来在再加热炉中重新被加热到在Ac3之上的温度时，母管冷却到大约600℃以下允许材料的正火。
除了这些已知的轧机以优良质量来轧制管的能力之外，这样的设备设计方案具有非常高的生产能力。其根据尺寸范围和生产持续时间处于每年300,000与900,000吨之间。
由于连续地轧制多倍长度的可能性，该方法是特别经济的，也就是说相应于所要求的管长来应用在拉伸时产生多倍长度的空心块长度，其然后在精轧之后在废品量最小的情况下被分成所要求的单管长度。
然而不利的是，对于仅仅100,000至250,000吨优质产品的年产能，这样的设计用于高年产能的且以高投资成本实现的轧机不能经济地运行。
虽然文件EP 1 764 167 B1给出尤其通过取消抽拉轧机来提高经济性的提示。由于心轴杆(Dornstange)与连续轧机中的轧制方向相反的受控的运动，其在轧制过程结束之后很大程度上被从母管移除，由此单独的抽拉轧机变得多余。
然而，所说明的被建议用于从母管中完全地移除(拆下(Strippen))辗杆的技术措施在实践中都有缺点。由此借助于拆卸器(Abstreifer)的拆下至少在壁厚较薄时总是与母管端部的卷边相联系，这在接下来的定径轧制或张力减径之前必须被强制锯掉。借助于辊道的拆下在技术上也是危险的，因为该过程实现的时间不能控制。
此外，这里所说明的措施还不足以实质性地改善该方法的经济性，因为尽管取消了抽拉轧机，用于该轧机的投资成本还是非常高。因此，为了提高经济性必须添加另外的降低成本的措施。
从文件EP 1 463 591 B1中已知一种用于在轧制设备上制造线材、棒或无缝管的方法，其中，为了以减小的设备成本获得优化的运行方式，在主阶段中使用3轧辊-连续轧机不仅用于在制造管时的打孔轧制而且用于在制造棒、线材等时的实心轧制。
最后还从文件EP 1 102 033 A1中已知在三个成形阶段中制造无缝钢管，其中，它们包括在斜轧机中的打孔、在Assel轧机、连续轧机或其它轧机中的拉伸和在张力减径轧机中的精轧。
发明内容
本发明的目的是说明一种方法和一种轧机，利用其在应用连续轧管机的情况下即使在年需求比较小时也经济地制造管并且避免已知的连续轧管机的所提及的缺点。尤其地，该轧机应在结构上更简单且更成本有利。
该目的根据本发明的方案来实现。本发明还说明了一种用于执行该方法的轧机。
该目的根据本发明的解决方案在方法方面特征在于，之前产生的热的空心块借助于连续轧机在心轴杆上被拉伸成母管并且在放弃抽拉轧机和再加热炉的情况下将母管直接输送给作为精轧机的张力减径轧机或定径轧机并且在那里被轧制到所要求的管最终直径上，其中，空心块在其长度中尺寸预定成使得在连续轧机中拉伸时仅仅产生单倍长度(Einfachlaenge)作为所要求的母管长度，通过精轧实现从心轴杆取下母管并且利用在其尺寸上设计用于操纵单倍长度的轧机组件实现轧制。
本发明的优点在于，利用所提出的方法现在在连续轧管机中也能够非常经济地制造年需求较小的、质量优良的无缝管，其中，其产能与需求相匹配。
影响设备成本的一重要因素是管长。已知的用于制造无缝管的轧机出于经济性原因设计成使得可将母管轧制到在28至30m之间的长度、也就是说多倍长度。
这前提是，从炉开始直至冷却床且包括所有运输系统(如辊道等)在内的所有设备必须被设计成使得其可操纵这些长度。
如果限制于单倍长度、也就是说大约14至15m的母管长度，则轧机组件的长度和由此成本可明显减小。
对于例如可制造带有在108至273mm之间的外径的管的轧机，在此得出以下区别：
| 标准连续轧管机 | 根据本发明的轧机 | |
| 原材料长度 | 5.0 m | 3.6 m |
| 空心块长度 | 12.0m | 9.0 m |
| 母管长度 | 29.0 m | 14.5 m |
| 冷却床长度 | 42. 0m | 16.0 m |
由此，冷却床的必需的长度减小到正常长度的40%以下。
此外，单倍长度的限制允许在拉伸阶段的第二方法步骤中使壁厚减少变小。通常，在已知的连续轧机中，根据直径范围和机架数量，壁厚减少为大约10至15mm。
如果壁厚减少被限制到在9mm之下的值，则代替在标准结构类型中所应用的五至六个机架，根据本发明仅还需要三个机架。因此，在本发明的一有利的改进方案中，壁厚减少被限制在9mm以下。
在理想情况中，在连续轧管方法中，进入的空心块的环形横截面面积被减小至在直径和壁厚中更小的环形横截面面积。母管的壁厚与该更小的横截面面积的壁厚相同。在此方法上典型的是，这两个横截面面积的差与母管的壁厚的大小无关。
如何实现该横截面减小并且被分到机架上由在轧制时壁厚的均匀性以及由稳定性、也就是说可复制性以及易受轧制缺陷影响性来决定。
对于所提及的横截面减小，根据本发明对于在三个轧机机架中变形的几何设计，以下分配证实为有利的：
·机架1(进入机架)：50%-60%，
·机架2(中间机架)：35%-40%，
·机架3(离开机架)：5%-7.5%。
在连续轧机的标准实施方案中，通常第一的三个机架提供高的变形性而接着的二至三个机架提供明显更小的变形性，因此也应用两组结构尺寸。
因此，根据本发明限制于小的壁厚减小允许在带有一个机架(而非三个)的大的组件中进行。带有更小的变形性的小的组件那么相应地具有仅仅两个机架。
用于勘探和输送油和气的优质产品在轧制之后原则上经受以硬化和回火形式的热处理。由此取消否则常见的正火和因此再加热炉的投资。
根据本发明，取消再加热炉允许在一个步骤中进行拉伸和精轧。由此完全取消了否则需要的在2或3轧辊-连续轧管机的抽拉轧机与以张力减径轧机或定径轧机的形式的精轧机之间的距离，因为现在定径轧机或张力减径轧机自身占据抽拉轧机的部位。
在连续轧管机与一起承担从杆取下管的定径轧机或张力减径轧机之间的距离可被缩短到现在常见的10-12m以下。仅限制到母管的单倍长度上允许缩短到大约一半。当辗杆的速度被减小时，能够进一步缩短。通过在拉伸设备中机架变换的所选择的形式(侧向变换或在轧制线中的变换)得到该距离的下限。
如果在轧制线中拉出机架，则必须提供有相应的空间，其然而由于机架数量减少而比在标准结构类型中更短。对于侧向的机架变换，杆的最大移动路程规定所需的最小间隙。
因为杆此外由于减少的壁厚减小和减少的机架数量而暴露于更小的热负载，辗杆的遭受磨损的昂贵的部分可相应地更短，这附加地有助于大的成本节省。
此外，由于与内部工具的更短的接触时间使温差明显减小。因此还消除用于在(整个)连续轧管机中安装再加热炉的第二原因。
如上述对比所示，冷却床也明显更短。对于子锯(Teilsaege)同样可被节省。在应用张力减径轧机用于精轧时，代替原本常用的四个锯，两个子锯就足够。
如果利用定径轧机开工作，则甚至可完全取消子锯，因为可在无破坏的检查的区域中来进行必需的端部切割，该区域为了切除缺陷和为了取样通常具有一个或多个切割设备。
此外，用于运输管的辊道可明显更短地来设计。如果将精整(Adjustage)直接加到张力减径轧机或定径轧机处，一个锯就足以进行头部切割，由此用于无破坏地检查管的设备不被不干净的管端部破坏。
在已知的整个连续轧管机中生产单倍长度的通常的缺点有利地例如可通过“尖的”管壁端的轧制来改善。因为由此补偿了在接下来的张力减径中的壁锻压(Wandanstauchung)(其通常会导致在公差极限之外的管端部变厚)。
此外，尤其在3轧辊-连续轧管机中制成的管具有非常良好的同心度，由此来补偿可能更小的产量的缺点。
因此，根据本发明，在一有利的改进方案中轧机设计为每个机架各带有三个轧辊的3机架轧机。
通过在使用母管-单倍长度和由此引起的取消否则必需的昂贵的轧机设备的情况下的特别的方式，明显补偿或过补偿轧机的相对于年产能较低的产出(Auslastung)的缺点。
对于轧机的可靠的且经济的运行，原材料规格的合适的选择和用于制造不同管最终直径的不同孔型(Kaliber)的数量是重要的。目的是将待维持的规格和孔型的必要的数量保持得尽可能小。
在此将原材料块的外径称为规格。在3轧辊-连续轧管机后面的母管的外径被称为孔型。为了制造不同的管最终直径，相应地需要不同的规格和孔型。
为了以待尽可能少地维持的不同规格和孔型进行，因此在第一步骤中所需孔型的最小数量N在本发明的一有利的改进方案中通过以下公式来确定：
N =圆整(Aufrunden)成整数: (log (D-Rohr-max /
D-Rohr-min) / log (C1)) (公式1)
其中，
D-Rohr-max：最大管最终直径单位mm，
D-Rohr-min：最小管最终直径单位mm，
带有常数C1(其说明所属的轧制设备的有意义的周缘减小)的以下值：
对于张力减径轧机2≤C1≤4，
对于定径轧机1.2≤C1≤1.45。
如果需要仅仅一个孔型，块直径DB的范围根据本发明通过以下公式得出(单位mm)：
DB = (D-Rohr-max × C2 + C3) / (1+C4) (公式2)
其中，
1.04≤C2≤1.12
22≤C3≤28
- 0.03≤C4≤0.15。
在其中，常数说明设备定径轧机(C5)或张力减径轧机(C2)、连续轧管机(C3)和斜轧机(C4)的对于直径变化决定性的能力的极限值。
如果需要多于1个孔型，则另外的块直径范围通过该等式得出：
DB = (D-Rohr-min × C5 exp. 孔型数 n (其中，n = 1, 2, 3 ...) + C3) /
(1 + C4) (公式3)
其中
1.4≤C5≤1.45
22≤C3≤28
-0.03≤C4≤0.15。
在此，常数C5说明定径轧机的最大变形能力并且在此代替常数C2。
以下两个示例示出计算和确定途经。
示例1：
应制造带有以下直径的管：
D-Rohr-max = 139.7 mm
D-Rohr-min = 60.3 mm
管尺寸因此处于用于张力减径轧机的典型范围中。
由此根据公式1利用C1的相应的极限得到孔型的以下数量N：
N = 圆整 (log (139.7/ 60.3) / log (2)) = 圆整 (1.2121) = 2
N = 圆整 (log (139.7/ 60.3) / log (4)) = 圆整 (0.6061) = 1
这在此意味着，1个孔型就足以覆盖该尺寸范围。
对于待使用的块直径根据公式2得到以下范围：
DB min = (139.7 × 1.04 + 22) / 1.15 = 145.5 mm
DB max = (139.7 × 1.12 + 28) / 0.97 = 190.2 mm
由此可从已有的块规格中选出匹配的规格，例如165或180mm。
示例2：
应制造带有以下直径的管：
D-Rohr-max = 273.1mm
D-Rohr-min = 108.0 mm
管尺寸因此处于定径轧机与张力减径轧机之间的过渡范围中。
对于张力减径轧机，利用C1的相应的极限根据公式1得到以下孔型数量：
N= 圆整 (log (273.1 / 108.0) / log(2)) = 圆整 (1.3383) = 2
N= 圆整 (log (273.1 / 108.0) / log(4)) = 圆整 (0.6692) = 1
这意味着1个孔型就足够。
如果决定用于定径轧机，则根据公式1得出：
N = 圆整 (log (273.1 /108,0) / log(1.2)) = 圆整 (5.0883) = 6
N = 圆整 (log (273.1 /108.0) / log(1.45)) = 圆整 (2.4968) = 3
这意味着，在定径轧机中需要3个孔型。
对于用于张力减径轧机的最大孔型的块直径，根据公式2得到以下范围：
DB min = (273.1 × 1.04 + 22) / 1.15 = 266.1 mm
DB max = (273.1 × 1.12 + 28) / 0.97 = 344.2 mm
由此可从已有的块规格中选出匹配的规格，例如270或310mm。
在定径轧机的情况中然而需要多于一个块规格。对于最终的决定因此还需进行以下计算：
对于孔型1得出：
DB min = (108.0 × 1.41 + 22) / 1.15 = 150.6
mm
DB max = (108.0 × 1.451 + 28) / 0.97 =
190.3 mm
而对于孔型2得出：
DB min = (108.0 × 1.42 + 22) / 1.15 = 203.2
mm
DB max = (108.0 × 1.452 + 28) / 0.97 =
263.0 mm
这三个块直径范围得到在108与273mm之间直径的无隙覆盖。如果允许间隙，则代替整个区域的最小直径可考虑相应的孔型数n的最小管最终直径：
DB = (D-Rohr-min (孔型数 n) × C5 + C3) / (1 + C4)
其中
1.4≤C5≤1.45
22≤C3≤28
-0.03≤C4≤0.15。
如果孔型2例如应在168.3mm的管直径时开始(孔型1理论上终止于108 × C5 = 108 × 1.45 = 156.6mm)，则对于该孔型得到以下块直径：
DB min = (168.3 × 1.41 + 22) / 1.15 = 224.0 mm
DB max = (168.3 × 1.451 + 28) / 0.97 = 280.4 mm
由此得到与孔型3的重叠范围(266.1至280.4mm)而可放弃附加的块规格。
附图说明
从在附图中示出的实施例的接下来的说明中得到本发明的另外的特征、优点和细节。
在图1中示出了作为用于轧制多倍长度的整个轧机的连续轧管机的已知的设备布局；图2显示了根据本发明的轧机的设备布局。
具体实施方式
除了转底炉(Drehherdofen)(0)之外，整个轧机具有用于将在此未示出的实心块打孔成空心块的斜轧机(1)、作为3轧辊-连续轧管机(2)的用于将空心块拉伸成母管的拉伸设备、用于从心轴杆拆下母管的抽拉轧机(3)、用于将母管再加热到轧制温度上的再加热炉(4)、用于将母管轧制到最终尺寸上的张力减径轧机(5)、冷却床(6)以及带有管端加工部(Rohrendbearbeitung)的锯区域(7)。
抽拉轧机(3)由分别带有三个轧辊的3个机架构成，以从杆上取下母管。
与此相比，图2显示了根据本发明的轧机的设备布局。在直接的对比中可识别出，根据本发明的设备设计方案特征在于明显减小的总长度。
通过一致地实现“轧制母管-单倍长度”的方案，通过取消抽拉轧机(3)以及再加热炉(4)并且通过冷却床(6)和带有管端加工部的锯区域(7) 的长度匹配，明显较小了连续轧机的总长度。
相应地，与已知的连续轧机相比，用于根据本发明的轧机的投资成本更小。
附加地，该轧机设有在此未示出的在线检查单元，这进一步降低了投资和操作成本。该在线检查单元包括用于以前置的矫直机(Richtmaschine)无破坏地检查、对纵向和横向缺陷的漏通量检查(Streuflusspruefung)以及超声波-壁厚检查的设备并且与用于待修整的管的修理回路相联系地直接联接到冷却床(6)处。
由此取消在生产线之外的单独的质量检查。此外，该检查允许对轧机的质量问题的快速反馈、管的最小修剪(Schopfen)(在其中仅锯下必要的)以及将已预检的管应用于热处理和其它精整线。由此显著提高管的通过时间且因此提高制造的经济性。
在用于加工带有≥177.8mm外径的管的设备中，这在试验中已证实为突出的。然而在用于制造较小管直径的设备中、尤其在已知的连续轧管机组中计量能力(Meterleistung)高到使得无破坏的检查不能处理等待检查的管的量。限制于母管-单倍长度才又允许这样。
附图标记清单
0 转底炉
1 斜轧机
2 成3轧辊布置的连续轧机
3 抽拉轧机
4 再加热炉
5 张力减径轧机
6 冷却床
7 锯区域和管端加工部。
Claims (6)
1.一种用于制造无缝管的方法，其中，之前在穿孔轧机中产生的热的空心块借助于连续轧机在心轴杆上被拉伸成母管并且在放弃抽拉轧机和再加热炉的情况下所述母管被直接输送给作为精轧机的张力减径轧机或定径轧机并且在那里轧制到所要求的管最终直径上，其特征在于，所述空心块在其长度中尺寸预定成使得在所述连续轧机中拉伸时仅仅产生单倍长度作为所要求的母管长度，并且在接下来的精轧中通过所述精轧实现从所述心轴杆取下所述母管并且利用在其尺寸上设计用于操纵单倍长度的轧机组件实现轧制；且
根据以下公式来计算对于制造不同的管最终直径最少必需的孔型直径数量N：
N = 圆整成整数: (log
(D-Rohr-max / D-Rohr-min) / log (C1))
其中，
D-Rohr-max：最大管最终直径单位mm，
D-Rohr-min：最小管最终直径单位mm，并且
对于张力减径轧机2≤C1≤4，
对于定径轧机1.2≤C1≤1.45。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述拉伸在带有最多三个机架和每个机架各三个轧辊的连续轧机中实现。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在空心块与母管之间轧件的横截面减小的划分如下分配到所述连续轧机的三个轧机机架上：
机架1：50%-60%，
机架2：35%-40%，
机架3：5%-7.5%。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，在所述连续轧机中的整个壁厚减小限制在≤9mm。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在利用1个孔型加工时根据以下公式来计算块直径的范围：
块直径DB单位mm：
DB =
(D-Rohr-max × C2 + C3) / (1+C4)，
其中，
1.04≤C2≤1.12，
22≤C3≤28，
- 0.03≤C4≤0.15。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在需要多于1个孔型时通过以下等式来计算块直径的范围：
块直径DB单位mm：
DB =
(D-Rohr-min ×C5 exp.孔型数n + C3) / (1+C4)
其中
1.4≤C5≤1.45，
22≤C3≤28，
-0.03≤C4≤0.15。
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