CN104968447B - 用于生产低偏心率无缝钢管的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种在轧机中制造无缝钢管的方法，该轧机配有一个或多个连续定位的纵轧机或横轧机以及在轧制过程中在轧件(1)中用作芯棒或穿孔顶头的内部工具。目的是提供一种显著降低轧件偏心率的方法。为了实现该目的，内部工具的纵轴通过一种设备被驱动与轧件纵轴保持距离的运动。同时保持该工具在轧制过程中被轧件驱动的围绕其轴的旋转。

Description

用于生产低偏心率无缝钢管的方法和设备
发明领域
本发明涉及根据权利要求1概述的一种生产无缝钢管的方法。
背景技术
无缝钢管在不同轧机上制造。大多数轧机通常包括顺序进行的三个成型步骤。在第一步(参见图1和2)加热的具备固态横截面的轧件(1)，例如连铸钢坯，被穿轧成空心管坯。通常该步骤在横轧机上进行，其中钢坯在两个或多个动力驱动旋转(6)的工作辊(2)之间被驱向前转动(5)，通过穿孔顶头(3)。该过程也已知为辊式穿孔。
以上述方式固体坯件形成空心管坯。穿孔顶头被安装于顶杆，该顶杆由轴向上的止推墩支撑，并可绕其纵轴自由旋转。顶头和—在穿孔顶头被固定于顶杆的情况下—顶杆被轧机驱动而旋转(7和8)。在理论上理想的情况下，穿孔顶头(10)的轴与轧件的轴位于同一直线。在这种情况下，穿孔顶头居中旋转并在轧件的横截面产生均匀的壁厚(参见图2a)。然而，在轧制实践中穿孔顶头的位置受到施加于上的力的影响，顶头的轴总是或多或少地偏离中心线并因此在顶头旋转的方向上，围绕轧件的轴进行偏心旋转运动(11)(参见图2b)。
在第二成型步骤中由横轧机制造的空心管坯借助内部工具，芯棒，通过纵轧或在横轧过程中进一步成型。在该步骤中主要是壁厚减小，长度由此增加。随后，在第三成型步骤中，大多数情况下无需内部工具精轧管材(finish-rolled tube)，并根据客户的要求调整直径和壁厚。
精轧管材的直径和壁厚需要符合给定的规格，即，它们需在给定公差(tolerances)范围内。在不符合公差的情况下，产品管材价值低并且经济产量低。由于随后作为部件或构件在管线中应用的轧管稳定性的原因，需要壁厚负公差，即管材任何部位的壁厚都不可以超过规定值(负公差)。为了可靠的保证负公差，通常制造具备更大壁厚的管材。但是这种操作导致额外的材料消耗，更高的生产成本以及降低的经济产量。因此，从经济的角度出发尽可能保持小的壁厚偏差十分重要。
在三个成型步骤过程中，由于不同的原因产生壁厚偏差，即壁厚实际值与指定值的偏差。由于不同的形成机理壁厚偏差的特性和幅度不同。精轧管材壁厚偏差的一个特别大的共性是与偏心率相关(参见图3)。偏心率是最大值为t最大并且与之相对的最小值为t最小的管横截面的壁厚分布。在制造实践中偏心率的值通常由公式E＝(t最大–t最小)/(t最大+t最小)x100％计算。
偏心率主要在第一成型步骤产生并且在随后的两步中只能略微减小。因此出于经济原因在第一成型步骤中，通常是通过横轧穿孔坯材，将偏心率的形成控制在最低限度非常重要。
在横轧过程中由于穿孔顶头的轴偏移至平行于轧件的轴，此外，最终产生倾斜角，产生偏心率。这种中心位置的偏移是由于径向作用并且可能来源不同的力的原因。来源可以是：轧件横截面温度或材料性能的分布不均匀、由于磨损而不圆的穿孔顶头、顶杆弯曲、偏离轧机、顶杆导架和止推墩等的轴取向。如果顶头轴位于偏心位置，会在受影响的轧件的横截面产生偏心壁厚分布，如图3所示。
根据现有知识和技术通过将所述影响保持尽可能的小从而将偏心率的问题保持在范围内。因此应当注意，例如在穿孔前将坯件均匀加热，将轧机和辅助设备相互精确对准，并且在正确的时间更换磨损的穿孔顶头。在这种情况下偏心率值可以达到2-4％。但是在制造实践中很难在长时间内控制所述影响因子。这也就是为什么在制造实践中偏心率值通常为5至10％甚至更高，导致制造过程中显著的额外成本。
由DE 2949970 C2已知一种轧机，使用自由旋转的被支撑顶杆穿孔坯件。在穿孔顶头和顶杆固定连接的情况下，穿孔顶头和顶杆以由工作辊驱动的转速旋转。
由于这种旋转运动以及穿孔顶头和轧件之间低的相对运动，顶头的磨损至少在轧制过程的稳定状态下保持较低。然而，由于扰动影响，如坯件横截面的温度差，穿孔顶头的轴易于偏离轧件的中间线，导致在制造的空心管坯横截面上的偏心壁厚分布。
根据DE 3602523 C1已知一种轧机，使用驱动顶杆用于穿孔坯件，其中，在穿孔过程开始前，将顶杆调整至与待穿孔的坯件的转速相适应的转速。由此，确保了穿孔顶头和轧件之间的相对速度低。由此可以进一步降低穿孔顶头的磨损。然而，使用这种方法，穿孔顶头的轴的位置不稳定并且取决于扰动影响。由于穿孔顶头轴的不想要并且不可控偏离，制造的空心管坯出现壁厚偏心率。
DE 2008 056 988 A1记载了一种方法，采用这种方法可以显著可靠地降低偏心率。使用这种方法，例如借助额外驱动，穿孔顶头以与轧件的旋转运动相反的方向旋转。轧制实验已经证实以这种方式大额度的，约50％的偏心率被消除。然而这种方法的缺陷是，由于穿孔顶头与轧件之间的相对运动，以及产生的作用于穿孔顶头表面的剪切应力，穿孔顶头在短时间内磨损。因此，由于相对运动，在轧件的内表面出现缺陷，可能导致错误。这也就是为什么以这种方法节省成本的目标仅能在有限的范围内实现。
本发明的任务是创造一种避免所述缺陷的方法，使用该方法可以通过有效降低偏心率，而不出现穿孔顶头和轧件之间的增大的相对运动，从而避免增大的磨损和内部缺陷。
发明内容
本发明的任务通过具备权利要求1所述的特征的方法解决。
通过使用本发明，轧件的偏心率显著降低，而不会增大穿孔顶头的磨损，并且不会出现额外的内部缺陷。
本发明的基础是发现顶头轴的偏心旋转运动被认为是不同频率(单位时间的圈数)与不同振幅(穿孔顶头轴与轧件轴之间的距离)的两类振动的叠加。由于振动叠加，顶头轴相对于轧件轴的位置和距离在轧制过程中变化，并因此在轧制的空心管坯可以发现壁厚数值在长度和周长上的特征分布。
图4示意给出壁厚分布，其中分布是恒定频率旋转运动的结果，该频率与轧件运动频率不同。相等壁厚线(例如在图4中，示出了最大壁厚线(12))与轧件的纵轴形成角α(13)。
如果穿孔顶头轴的旋转运动是不同频率的两种旋转运动的结合，壁厚数值是壁厚分布的两种叠加类型，其中两种类型的壁厚分布表现出相等壁厚线与轧件纵轴之间的不同角度。
根据本发明，由上述发现得出，无需如DE 10 2008 056 988 A1中所记载改变穿孔顶头自身的旋转以控制偏心率的出现，而是需要控制顶头轴的旋转运动。如以下应用实施例(参见图5)所述可以改变轴的运动而不改变顶头的旋转。
穿孔顶头轴(14)，其为被固定至穿孔顶头的构造部件，由顶杆支撑通过低摩擦滑动表面(16)而自由旋转，所述低摩擦滑动表面借助陶瓷表面涂层和使用石墨润滑提供。穿孔顶头的纵轴相对于顶杆的纵轴偏移。偏移为一毫米或几毫米。顶杆配有旋转驱动。通过所述设备的穿孔顶头与顶杆的偏心连接，当顶杆旋转时影响穿孔顶头纵轴的位置而不改变穿孔顶头的旋转运动。
本发明的有利实施方案的另一个设备示于图6。在穿孔顶头和顶杆之间使用适配器，其中顶头的轴(14)借助齿轮在固定于顶杆的空心齿轮上滚动。通过这种设置穿孔顶头的旋转运动(7)产生顶头轴的旋转(11)，其与穿孔顶头的旋转相反。在顶杆与顶头固定连接的情况下，采用相同的设置顶杆也可以被驱动旋转，该旋转与顶杆的旋转相反。
另一个基于本发明的发现分别涉及驱动顶头轴的振动或旋转运动的频率。与轧件旋转频率相比越高的频率，相等壁厚线和轧件轴之间的角度(13，参见图4)越大。采用与轧件旋转频率相比非常高的频率这些线像螺旋线沿着轧件纵轴。出现这种壁厚偏差的优势是，由于壁厚最大和最小值之间较小的差距，在随后的纵轴轧制过程可以容易实现不同壁厚的补偿。这是因为在最大壁厚和最小壁厚之间的轴差小的情况下，内部设备的位置保持稳定中心并且出现居中壁厚，即部分消除偏心。
根据本发明的另一实施方案这一效果用于将顶头轴驱动至轧件和顶头旋转方向或相反方向上的高频旋转运动。一方面驱动的旋转避免了通常会出现偏心率的自然振动，另一方面产生高频偏心旋转，并且该偏心率很容易在随后的纵轴轧制过程中补偿。
本发明的教导也可在第二成型步骤中使用用于驱动内部工具的偏心运动。这种运动支撑材料在轧件的圆周方面流动并以此补偿轧件横截面上的壁厚偏差。
附图说明
图1：轧件-工具在横轧机穿孔过程中的轴向示意图。
图2：轧件-工具在横轧机穿孔过程中的横截面示意图。(该示意图未示出轧件的侧向，因为它们与记载的内容无关)。在图2a中示出中心穿孔过程，图2b示出偏心穿孔过程。
图3：轧件横截面与壁厚偏心率示意图。偏心率值由(t最大–t最小)/(t最大+t最小)x100％计算。
图4：轧件壁厚分布相对于轧件纵轴坐标与圆周坐标的示意图。
图5：用于产生顶头轴的偏心运动的设备示意图，借助该设备顶头在轧件的方向上并且以轧件旋转的速度旋转。
图6：借助齿轮在空心齿轮上滚动，产生与穿孔顶头轴旋转运动相反的穿孔顶头旋转运动的示意图。
图标编号列表：
1 轧件
1a 轧制方向
2 工作辊
3 穿孔顶头
4 顶杆
5 轧件旋转方向
6 工作辊旋转方向
7 穿孔顶头旋转方向
8 顶杆旋转方向
9 轧件纵轴
10 穿孔顶头纵轴
11 顶头轴旋转方向
12 相等壁厚线
13 相等壁厚线与轧件纵轴之间的角度
14 带有齿轮的顶头轴
15 空心齿轮
16 滑动表面
17 顶杆纵轴

Claims (2)

1.一种在轧机中制造无缝钢管的方法，该轧机配有一个或多个连续定位的纵轧或横轧机架以及在轧制过程中在轧件(1)中使用的位于顶杆(4)前端的穿孔顶头(3)，其中轧件围绕其纵轴(9)旋转并使穿孔顶头围绕穿孔顶头的纵轴(10)旋转，其中固定至穿孔顶头的轴由顶杆(4)支撑通过低摩擦滑动表面而自由旋转，穿孔顶头的纵轴相对于顶杆(4)的纵轴偏移，使穿孔顶头的纵轴与轧件的纵轴保持距离地运动，并保持穿孔顶头围绕其纵轴(10)在轧件旋转方向上的旋转运动。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述穿孔顶头的纵轴(10)被驱动以相对于轧件(1)的旋转运动高的频率旋转运动。
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