CN104138905A - 无缝钢管连续式斜轧新工艺 - Google Patents

Abstract

本发明属于无缝钢管热轧工艺技术领域，是一种新型无缝钢管连续式斜轧工艺。通过在一个机架上设置多组轧辊，并根据计算公式设定一定的参数，将无缝钢管生产中的穿孔、轧管、均整、归圆等多道工序集成到一起，一道次完成管坯穿孔、轧管等，采取连续斜轧方式得到成品管。本发明减少了加工设备，降低了工作成本，提高了工作效率，可以省去中间的再加热炉，可以轧制温度区小或者难变形金属，直接获得质量优良的热成品管。

Description

无缝钢管连续式斜轧新工艺

技术领域

本发明属于无缝钢管热轧工艺技术领域，具体为一种无缝钢管连续式斜轧工艺。

背景技术

目前斜轧方法已在无缝钢管的生产过程中得到广泛的应用，如在穿孔、轧管、均整等工序中，但都是在独立的工序中使用。因此，无缝钢管的整个生产工艺流程中所需要的热轧设备数量多、重量大、占地面积多、轧件温降较大，热损耗多，影响生产热轧金属无缝钢管机组的生产效率和产品质量。

发明内容

本发明提供一种无缝钢管连续式斜轧工艺以解决上述现有技术中的问题，以缩短工艺流程，降低生产成本，提高工作效率。

为了实现上述目的，本发明首先将经过加热的管坯送进斜连轧主机，开轧温度维持在1100℃~1200℃，斜连轧主机上安装有穿孔轧辊、轧管轧辊、均整轧辊、定径（减径）轧辊，每相邻两组轧辊之间的中心距为600mm，管坯首先通过斜连轧主机的穿孔轧辊采用斜轧方式开始穿孔，穿孔部分孔喉为25~38mm可调，穿孔轧辊送进角4～15°可调，辗轧角0～8°可调，；

其次，步骤一中经过穿孔的毛管进入轧管轧辊，在穿孔轧辊和轧管轧辊间形成连轧关系，经轧管轧辊后得到荒管，轧管部分孔喉为25~38mm，穿孔轧辊的穿孔顶头和轧管芯棒组合成一个固定式内变形工具，顶头前伸量为12mm，轧管轧辊送进角4～15°可调，辗轧角0～8°可调；

再次，经过穿孔轧辊和轧管轧辊的荒管，再连续的进入均整轧辊，使得荒管壁厚均匀，内外表面光滑并减小钢管的椭圆度。最后，再连续的进入设定好尺寸的定径（减径）轧辊，使荒管满足成品管要求的外径尺寸，孔喉为25~38mm可调，使管坯一道次成型为合格管材。

钢管在轧制过程中处于连续轧制状态，轧制过程划分为：咬入区、穿孔区、扩径区、轧管区。钢管轧制过程中涉及的参数有轧辊的转速、送进角、辗轧角；轧件参数有轧件直径、长度、温度、材料成分和性能；另外，金属的应变、轧制力、轧制力矩、顶头轴向力参数也是斜连轧机工具设计和设备设计中的参数。

穿孔的毛管进入轧管轧辊时，轧辊转速比计算公式：

式中，分别为穿孔轧辊和轧管轧辊转速；分别为穿孔轧辊和轧管轧辊送进角和辗轧角；分别为毛管出口断面的轴向滑动系数和切向滑动系数；为出口断面上的穿孔轧辊直径；分别为荒管出口断面的轴向滑动系数和切向滑动系数；为出口断面上的轧管轧辊直径；，分别为钢管出口断面面积。

连续轧制时，会产生张力，公式（2）为表示张力大小的张力系数计算公式：

                        （2）

当时，无张力；当时，张力轧制；当时，推力轧制。

连续式斜轧工艺的连续穿孔、轧管工序中存在着必要应变和多余应变两种变形，公式（3）给出了连续式斜轧工艺中金属变形的总综合应变的计算公式：

（3）

分别表示轴向、径向和周向的非均匀多余应变；F为穿孔时任一瞬间的横断面积，；穿孔管坯平均直径；穿孔壁厚；轧管壁厚；轧管时毛管的平均直径。

轧制力、轧制力矩和顶头轴向力是钢管连续式斜轧设备设计中的主要参数，计算轧制力、轧制力矩和顶头轴向力的公式分别为：

总的轧制力计算公式：

                                         （4）                                 

其中：           

                       

           

              

分别为咬入区、穿孔区、扩径区、轧管区的接触长度；分别为咬入区、穿孔区、扩径区、轧管区的功率；穿孔部轧辊入口锥锥角；简化后的顶头半角；轧制部轧辊入口锥锥角；穿孔部轧辊出口锥锥角；实心坯半径；穿孔孔喉半径；轧管孔喉半径；顶头前伸量；轧管孔喉与穿孔孔喉之间的距离；待定参数；坯料轴向入口速度；扩径区的长度；

轧制力矩计算公式：

  （5）

为穿孔轧辊在咬入区、穿孔区、扩径区任一截面处半径；为咬入区、穿孔区、扩径区相应截面处坯料半径；为轧管轧辊任一截面处半径；为轧管区相应截面处坯料半径；分别为咬入区、穿孔区、扩径区和轧管区的压下量；

顶头轴向力计算公式：

   （6）

为分别穿孔区、扩径区、轧管区的摩擦力。

与现有技术相比，本发明在一个机架上设置多组轧辊，将多道工序集成到一台主机上进行连续变形，一道次完成管坯的穿孔、轧管等多道工序，采用连续的斜轧方式得到成品管，穿孔和轧制的距离较短，环境的热交换损失较少，使难变形金属和加工温度区间低的金属穿孔轧制比较容易，容易获得壁厚较薄或者外径较大的无缝钢管。

同时，推导出该方法中主要工艺参数的计算方法，为无缝钢管连续式斜轧设备的设计提供了理论依据。本发明减少了加工设备，降低了工作成本，提高了工作效率，可以省去中间的再加热炉，可以直接获得质量优良的热成品管。

具体实施方式

本发明将经过加热的管坯送进斜连轧主机，开轧温度维持在1100℃~1200℃，斜连轧主机上安装有轧管轧辊、穿孔轧辊、定径轧辊、减径轧辊、均整轧辊和归圆轧辊，每相邻两组轧辊之间的中心距为600mm，管坯首先通过斜连轧主机的穿孔轧辊，采用斜轧方式开始穿孔，穿孔部分孔喉直径为25~38mm可调，穿孔轧辊送进角4～15°可调，辗轧角0～8°可调。

将经过穿孔的毛管进入轧管轧辊，在穿孔轧辊和轧管轧辊连续轧制后得到荒管，轧管部分孔喉直径为25~38mm，穿孔轧辊的穿孔顶头和轧管芯棒组合成一个固定式顶杆，为内变形工具，顶头前伸量为12mm，轧管轧辊送进角4～15°可调，辗轧角0～8°可调；然后荒管进入定径轧辊和减径轧辊，使荒管满足成品管要求的外径尺寸。

经过轧制后的荒管进入均整轧辊、归圆轧辊进行连续的轧制后，使管坯一道次成型为合格管材。

无缝钢管连续式斜轧新工艺中的速度制度是斜连轧工艺的重要组成部分，会影响到斜连轧金属变形、力能特性等。无缝钢管连续式斜轧是由金属、顶头、芯棒联系着的几组轧辊的工作系统。金属的变形和运动同时受几组轧辊和顶头、芯棒的作用所制约，属于连续轧制过程，因此按照秒体积流量相等的原则推导出轧辊的转速比方程：

式中，分别为穿孔轧辊和轧管轧辊转速；分别为穿孔轧辊和轧管轧辊送进角和辗轧角；分别为毛管出口断面的轴向滑动系数和切向滑动系数；为出口断面上的穿孔轧辊直径；分别为荒管出口断面的轴向滑动系数和切向滑动系数；为出口断面上的轧管轧辊直径；，分别为钢管出口断面面积。

由于工艺因素波动，无缝钢管的连续式斜轧过程不可能保持自然轧制状态，钢管同时通过两组(多组)轧辊时要产生张力（或推力）。本发明中用运动张力系数表示斜连轧过程中张力（或推力）的大小，以保证轧制过程顺利进行。运动张力系数c的计算公式：

当时，无张力；当时，张力轧制；当时，推力轧制。

进一步，连续式斜轧工艺的连续穿孔、轧管工序中存在着两种变形。一种是可以直接观察到的必要应变(均匀应变)，包括径向应变、纵向应变和周向应变；另一种是不可直接观察到的多余应变（不均匀应变），包括周向剪切应变、纵向剪切应变和扭转剪切应变。斜连轧工艺中金属总的综合应变可由下式计算：

     

分别表示轴向、径向和周向的非均匀多余应变；F为穿孔时任一瞬间的横断面积，；穿孔管坯平均直径；穿孔壁厚；轧管壁厚；轧管时毛管的平均直径;

无缝钢管连续式斜轧新工艺中受力情况非常复杂，在斜连轧穿轧工艺中力能参数的计算非常重要，而轧制力、轧制力矩和顶头轴向力是钢管连续式斜轧设备设计中的主要参数。本发明首先按照上限法将变形区划分成5个独立区域：咬入区、穿孔区、扩径区、轧制区、均整区五个区域。其中均整区对轧制力与力矩的影响很小，可以忽略不计。轧制力、轧制力矩及顶头轴向力的计算公式为：

总的轧制力计算公式：

式中：分别为咬入区、穿孔区、扩径区、轧管区的轧制力

           

                 

     

     

分别为咬入区、穿孔区、扩径区、轧管区的接触长度；分别为咬入区、穿孔区、扩径区、轧管区的功率；穿孔部轧辊入口锥锥角；简化后的顶头半角；轧制部轧辊入口锥锥角；穿孔部轧辊出口锥锥角；实心坯半径；穿孔孔喉半径；轧管孔喉半径；顶头前伸量；轧管孔喉与穿孔孔喉之间的距离；待定常数；坯料轴向入口速度；扩径区的长度；

轧制力矩计算公式：

  

为穿孔轧辊在咬入区、穿孔区、扩径区任一截面处半径；为咬入区、穿孔区、扩径区相应截面处坯料半径；为轧管轧辊任一截面处半径；为轧管区相应截面处坯料半径；分别为咬入区、穿孔区、扩径区和轧管区的压下量；

顶头轴向力计算公式：

为分别穿孔区、扩径区、轧管区的摩擦力。

本发明取直径40mm，长度为800mm的45#实心管坯轧制成壁厚为3mm的钢管。实验工艺参数取：两组轧辊之间的中心距为600毫米。穿孔部分孔喉直径设为34mm，轧管部分孔喉直径设为36mm。顶头直径31mm，芯棒直径30mm。穿孔轧辊直径180 mm，穿孔轧辊转速160rpm，送进角8°，辗轧角0°；轧制轧辊直径180 mm，轧管轧辊转速160rpm，送进角8°，辗轧角4°；以桶形辊为穿孔轧辊，带台肩的锥形辊为轧管轧辊，利用红外线测温仪测量穿孔和轧制的中间段温度，确保其仍然在1100℃-1200℃之间。轧出的荒管D/S可以达到15以上；最大延伸率系数达到4.8，钢管壁厚精度达到8-10%。经实验证明，该工艺方法可行。因为穿孔区到轧制区温度降低小，也可以用来生产难变形的金属材料。

Claims (6)

1.无缝钢管连续式斜轧新工艺，其特征在于：

（1）将经过加热的管坯送进斜连轧主机，开轧温度维持在1100℃~1200℃，斜连轧主机上安装有穿孔轧辊、轧管轧辊、均整轧辊、定径（减径）轧辊，每相邻两组轧辊之间的中心距为600mm，管坯首先通过斜连轧主机的穿孔轧辊采用斜轧方式开始穿孔，穿孔部分孔喉为25~38mm可调，穿孔轧辊送进角4～15°可调，辗轧角0～8°可调，；

（2）步骤一中经过穿孔的毛管进入轧管轧辊，在穿孔轧辊和轧管轧辊间形成连轧关系，经轧管轧辊后得到荒管，轧管部分孔喉为25~38mm，穿孔轧辊的穿孔顶头和轧管芯棒组合成一个固定式的内变形工具，顶头前伸量为12mm，轧管轧辊送进角4～15°可调，辗轧角0～8°可调；

（3）经过穿孔轧辊和轧管轧辊的荒管，再连续的进入均整轧辊，使得荒管壁厚均匀，内外表面光滑并减小钢管的椭圆度；

最后，再连续的进入设定好尺寸的定径（减径）轧辊，使荒管满足成品管要求的外径尺寸，孔喉为25~38mm可调，使管坯一道次成型为合格管材。

2.根据权利要求1所述无缝钢管连续式斜轧新工艺，其特征在于：钢管在轧制过程中处于连续轧制状态，轧制过程划分为：咬入区、穿孔区、扩径区、轧管区；钢管轧制过程中涉及的参数有轧辊的转速、送进角、辗轧角；轧件参数有轧件直径、长度、温度、材料成分和性能；另外，金属的应变、轧制力、轧制力矩、顶头轴向力参数也是斜连轧机工具设计和设备设计中的参数。

3.根据权利要求2所述的无缝钢管连续式斜轧新工艺及原理，其特征是，穿孔的毛管进入轧管轧辊时，轧辊转速比计算公式：

式中，分别为穿孔轧辊和轧管轧辊转速；分别为穿孔轧辊和轧管轧辊送进角和辗轧角；分别为毛管出口断面的轴向滑动系数和切向滑动系数；为出口断面上的穿孔轧辊直径；分别为荒管出口断面的轴向滑动系数和切向滑动系数；为出口断面上的轧管轧辊直径；，分别为钢管出口断面面积。

4.根据权利要求2所述的无缝钢管连续式斜轧新工艺及原理，其特征是，连续轧制时，会产生张力，公式（2）为表示张力大小的张力系数计算公式：

当时，无张力；当时，张力轧制；当时，推力轧制。

5.根据权利要求2所述的无缝钢管连续式斜轧新工艺及原理，其特征是，连续式斜轧工艺的连续穿孔、轧管工序中存在着必要应变和多余应变两种变形，公式（3）给出了连续式斜轧工艺中金属变形的总综合应变的计算公式：

（3）

分别表示轴向、径向和周向的非均匀多余应变；F为穿孔时任一瞬间的横断面积，；穿孔管坯平均直径；穿孔壁厚；轧管壁厚；轧管时毛管的平均直径。

6.根据权利要求2所述的无缝钢管连续式斜轧新工艺及原理，其特征是，轧制力、轧制力矩和顶头轴向力是钢管连续式斜轧设备设计中的主要参数，计算轧制力、轧制力矩和顶头轴向力的公式分别为：

总的轧制力计算公式：

                                         （4）                                 

其中：           

                       

           

              

分别为咬入区、穿孔区、扩径区、轧管区的接触长度；分别为咬入区、穿孔区、扩径区、轧管区的功率；穿孔部轧辊入口锥锥角；简化后的顶头半角；轧制部轧辊入口锥锥角；穿孔部轧辊出口锥锥角；实心坯半径；穿孔孔喉半径；轧管孔喉半径；顶头前伸量；轧管孔喉与穿孔孔喉之间的距离；待定参数；坯料轴向入口速度；扩径区的长度；

轧制力矩计算公式：

  （5）

为穿孔轧辊在咬入区、穿孔区、扩径区任一截面处半径；为咬入区、穿孔区、扩径区相应截面处坯料半径；为轧管轧辊任一截面处半径；为轧管区相应截面处坯料半径；分别为咬入区、穿孔区、扩径区和轧管区的压下量；

顶头轴向力计算公式：

   （6）

为分别穿孔区、扩径区、轧管区的摩擦力。