CN1053127C - 用芯棒连轧管机拉伸金属管的方法和设备 - Google Patents

Abstract

在一种用芯棒连轧管机拉伸金属管的方法中，一根带斜度的芯棒插入空心件内，并控制芯棒的进给速度，从而在空心管坯的前端被最后一座机架的轧辊咬住时，可改变芯棒从芯棒连轧管机的输出端上伸出的长度。结果，空心管坯的壁厚就可变换，因此只用单一芯棒就可将空心管坯轧制成具有不同壁厚的多种规格的钢管。

Description

用芯棒连轧管机拉伸金属管的方法和设备

本发明涉及一种用芯棒连轧管机制造金属管、特别是无缝管的拉伸方法，以及实施该方法所用的设备。下述的说明针对可作为“金属管”代表的无缝钢管而言。

下面说明用现有技术生产无缝钢管的步骤。

如图1所示，现有技术中常规用的设备包括：转炉A，斜轧穿孔机(曼乃斯曼式)B，延伸轧机(芯棒连轧管机)C，再加热炉D，和减径机(张力减径机)E。

从加热炉A引出的圆钢坯1先用曼乃斯曼斜轧穿孔机B穿孔。这样轧制出来的较短且管壁又厚的空心件2被送至芯棒连轧管机C，在该轧机上其中插有芯棒3的空心件在槽型轧辊4之间连续轧制以减少其壁厚并拉伸其长度从而生产出空心管坯5。

由于空心管坯5的温度在轧制过程中降低，因而先将空心管坯5放入再加热炉D中再次加热，然后再送至减径机(张力减径机)，在该机上用轧辊6将空心管坯5的外径减至预定的最终尺寸。

现将进一步说明在此生产过程的拉伸阶段，芯棒连轧管机的运行过程。

芯棒连轧管机是一种辊轧机，被曼乃斯曼斜轧穿孔机穿孔且其中插有芯棒3的空心件2在该机上受到拉伸作用。

该轧机通常具有6-8个机架，每一个机架都与水平面倾斜成45°并都相互错开90°相位角，这种“X”形轧机配置在现有技术中是常见的。当空心件2通过芯棒连轧管机C的全部机架后，其长度最多大约可延伸4倍。

早期的芯棒连轧管机是“全浮动的”，正如上面所提到过的，用槽型轧辊4连续轧制插入芯棒3的空心件2。在1977年到1978年期间，一种称为“保持的”(或“限动的”)芯棒连轧管机研制成功并被商业化。这种能达到较高效率和质量的新型芯棒连轧管机被世界上许多国家的工厂引进用来制造中小直径的无缝钢管。

在限动芯棒连轧管机中，芯棒限动装置c-1从芯棒后端保持或限制芯棒3，一直到轧制过程结束。按照轧制结束后处理芯棒的方式，限动的芯棒连轧管机又可分为半浮动式和全抽出式。前者在轧制过程结束的同时芯棒3脱开，而后者在轧制过程结束的同时芯棒3向后拉出。在制造小直径的无缝钢管时常用半浮动式，而在制造大、中直径的无缝钢管时常用全抽出式。

在全抽出式中，脱管机c-3与芯棒连轧管机C的输出端连接，因此当芯棒连轧管机c-2上的轧制操作还在进行时，空心管坯5就由脱管机c-3从芯棒连轧管机c-2上抽出或拉出。如果从芯棒连轧管机c-2的输出端出来的管材的温度还相当高，那么再加热炉D就可不要。

可见，在限动芯棒连轧管机中，不管是全抽出式或半浮动式，在轧制时芯棒总是从后端被保持或限动的。因此，被拉伸的空心管坯能够立即从芯棒上分离，并且能够采用封闭的轧辊孔型，由于封闭的孔型具有相应提高的圆度，因此能使管子壁厚在圆周上的均匀性得到显著的改善。

在早期的全浮动芯棒连轧管机上，当管子处于过渡状态时，即当管子的前端被轧辊咬住或当管子的尾端离开开轧机时，作用在管子内表面上的摩擦力的方向常要改变。结果，认为在机架之间有一压力在起作用，引起一种不希望出现的称之为“竹节”的现象。这种“竹节”问题已被新型的限动的芯棒连轧管机成功地解决了，因为它能使作用在空心管坯内表面上的摩擦力的方向在所有时间内都保持不变。

因此，采用限动芯棒连轧管机曾经解决了“竹节”的问题。但是，所有今天采用的各种芯棒连轧管机都还存在一个主要问题，那就是必需备有庞大数量的芯棒。

具体地说，对于芯棒连轧管机，不管是全浮动式、半浮动式、还是全抽出式，通常都是在轧辊的开口或上下槽型轧辊之间所形成的缝隙维持不变的同时用改变芯棒直径的办法来调节管子的壁厚，其时因为不能象轧制板材或带材那样采用改变轧辊间开口的办法来调节壁厚，因此在车间内必须备有大量的芯棒，以便轧制具有各种外径并有广阔范围壁厚(包括厚壁管和薄壁管)的空心管坯。

关于芯棒连轧管机为什么不能用调节轧辊开口的办法来改变壁厚的原因如下。

芯棒的形状为一正圆形而轧辊孔型的形状则为椭圆形。因此，轧辊孔型和芯棒之间的空间在圆周方向上本是不均匀的。其结果是，在与轧辊孔型的长轴方向倾斜约30-45°的位置上，即在空心管坯的内表面离开芯棒的位置上壁厚会增加，因此轧辊孔型在圆周方向上各处的宽度在槽型这一边将增加而在法兰这一边则减少，从而增加了管子内表面在法兰这一边形成突起物的机会。这种现象的典型例子如图2所示。显然，管壁10具有四个对水平线和长圆轴都是对称的内部突起。

这种问题通常称为“四等分突起”，是芯棒连轧管机特有的问题，并能够通过适宜的孔型设计来消除。但是，如果人们想在使用同一直径的芯棒的同时用减少轧辊开口的办法来改变壁厚，那么空心管坯内表面上的突起物仍会出现直到管子的几何形状被严重损坏为止。

因此，目前在芯棒连轧管机上通常采用的改变空心管坯壁厚的办法是更换不同直径的芯棒而同时保持轧辊开口不变。这样就需要大量的芯棒。在一生产尺寸最大约为7英寸的小直径无缝钢管的车间里所备的芯棒就多达5000根。为了轧制范围从小尺寸到中、大尺寸(约为5-16英寸)的无缝钢管就必须备有10000根芯棒。因此，只是为了保管这些芯捧就需要一个很大的自动化的仓库，这不仅增加原始投资而且还增加修理和维护芯棒的运转费用。

本发明的主要目的在于提供一种能使上述芯棒连轧管机的主要问题完全解决的技术。

本发明的发明者们为此曾进行过各种研究以便达到上述目的。最后，他们想出这样一个想法，即采用带有直线或弧线斜度的芯棒来代替那些具有不同直径的普通芯棒。这里所谓斜度是指直径在纵向上是连续变化的。

说得更具体些，就是在轧辊开口一定的条件下，将为了得到所需壁厚而具有所需外径的芯棒改用只是在某一部分具有所需外径的带斜度的芯棒来代替，并允许拉伸操作在该外径的一个预定位置上结束。为此须适当控制芯棒的进给速度，从而使其在最后一座机架的输出端的外径等于空心管坯的前端在进入最后一座机架时所需的尺寸。

这样，本发明的发明者们获悉通过采用上述方法就可用同一根带斜度的芯棒生产出具有各种不同壁厚的空心管坯。

本发明就是在上述发现的基础上完成的。

本发明提供一种在芯棒连轧管机上拉伸金属管，特别是无缝钢管的方法，其中一个具有插入其中的芯棒的空心件，通过一系列的机架进行轧制，使空心工件的长度拉伸成为一个空心管坯，其特征在于，将一带斜度的芯棒插入空心工件内，并控制芯棒的进给速度以便当空心管坯前端被最后一座机架的轧辊咬住时控制芯棒从最后一座机架输出端伸出的长度，从而可以改变空心管坯的壁厚，这样便可用单一的芯棒将空心管坯轧制成具有不同壁厚的多种规格的钢管。

芯棒的进给速度可以用下列两种方式之一加以控制。

在第一种方式中，当空心管坯的前端被最后一座机架的轧辊咬住时芯棒就停止进给。在此之后，拉伸操作持续进行一直到空心管坯的尾端离开最后一座机架为止，在此过程中轧辊开口保持不变。

但是，如果在芯棒连轧管机进行拉伸操作期间使芯棒停止进给，那么由于空心管坯作用在芯棒上的摩擦力的作用就势必会使空心管坯的内表面出现擦伤。为了避免产生这种问题，轧辊开口也可变动以便实现壁厚调节，其时芯棒保持在浮动状态。

因此，在控制芯棒进给速度的第二种方式中，为了保证空心管坯在纵向上具有均匀的壁厚，采用同时在所有机架上增大轧辊开口的办法，以便在空心管坯的前端被最后一座机架的轧辊咬住时按照芯棒从最后一座机架的输出端伸出的长度来补偿带斜度的芯棒的倾斜量。即使在轧辊开口增大之后，芯棒的进给仍继续进行，并通过当空心管坯尾端离开最后一座机架时芯棒将从最后一座机架的输出端伸出预定的长度来控制其进给速度。

不论用哪一种方式，进给速度都是受控制的，另外为了本发明的目的最好还要控制并精密协调每一座机架上的横截面积的变化提供一个不变的体积输送速度。

在另一方面，本发明还提供一种用于拉伸金属管的设备，该设备包括一种可以实现上述任一种方法的芯棒连轧管机，其中设有一个带斜度的芯棒和一个用以控制芯棒进给速度的机构。

下面参照附图，来说明本发明的实施例。

图1为一示出无缝钢管制造过程的一个实施例的流程图；

图2为一示出无缝管的内表面特征轮廓的示意图，当人们想要用安装在芯棒连轧管机上的槽型轧辊来改变管子的壁厚时容易出现这种显然的不均匀的情况；

图3为一示意图，表示根据本发明的带斜度芯棒的操作的一个例子，该芯棒在轧制过程中停留在某一位置；

图4为一示意图，表示出根据本发明的具有带斜度芯棒的操作的另一个实施例，该芯棒在轧制过程中被保持在半浮动状态。

本发明是为了解决现有技术中存在于限动芯棒连轧管机操作中的上述所有问题而作的。根据本发明，采用了一根在纵向上带斜度的芯棒，并且控制芯棒的进给速度，从而可在空心管坯的前端被最后一座机架的轧辊咬住时控制芯棒从最后一座精整机架的输出端伸出的长度。如果需要，轧辊开口也可加以控制。由于这些特征，本发明可以保证只用单一的芯棒就可将空心管坯拉伸成具有不同壁厚的多种尺寸的钢管。

下面将结合附图详细说明本发明的动作机理。

首先应当说明的是，在本发明中，金属管特别是无缝钢管是按图1所示基本流程图制造的，唯一不同是在芯棒连轧管机(拉伸机)C上采用了一根带斜度的芯棒。正如传统的限动芯棒连轧管机的做法一样，带斜度的芯棒(如图3和4中标号所指)借助于芯棒限动装置c-1从其后端加以保持或限制，该装置可用作控制带斜度的芯棒的进给速度的机构。该进给速度在所有稳定状态和过渡状态的整个时间内(后者又包括空心管坯的前端被最后一座机架的轧辊咬住时及同一空心管坯的尾端离开管轧机时)都被加以控制以使其慢于空心管坯5的行进速率，以便使作用在空心管坯的内表面和芯棒之间的摩擦力的方向始终保持恒定(不变)。

在本发明中，带斜度的芯棒可用下列两种方式之一进行操作。

第一种方式结合图3中标号16所示的全抽出的芯棒连轧管机说明以下。将插入空心件5内的带斜度的芯棒3保持以一定方式在一个控制的进给速度上一直到空心管坯的前端到达最后一座机架18为止，在上述过程中芯棒应从最后一座机架的输出端伸出一个预定的长度L。在接下来的一段时间内，从空心管坯5的前端被最后一座机架18的轧辊咬住开始到同一空心管坯的尾端离开最后一座机架18为止，芯棒3停止进给，其伸出的长度L维持不变。换句话说，不仅是在空心管坯的前端被最后一座机架的轧辊咬住时，而且在拉伸操作完成时，芯棒3均保持从最后一座机架的输出端伸出一个预定的长度L。否则，随着轧制操作的进行，空心管坯的壁厚将会逐渐减薄。

在上述第一种方式中，轧辊的开口，特别是最后一座机架18的轧辊的开口保持不变，因此，空心管坯5的壁厚可以用控制芯棒外径的方法将它设定为任意值，即，通过控制芯棒从最后一座机架伸出的预定长度L来控制芯棒的位置，并由此控制空心管坯5的壁厚。

在拉伸操作完成之后，芯轴3可用芯轴限动装置c-1拉回原处(参见图1)。

如果在进行拉伸操作时轧辊开口如图3所示维持不变，这时可用一根带有台肩的芯棒来代替带斜度的芯棒，显然，在每一台肩的的长度范围内芯棒都是可以浮动的。这种部分浮动的配置是对付擦伤的-种有效措施。

此后，可用脱管机c-3将已控制其壁厚的空心管坯抽出。不用这个办法时，也可选用定径机或张力减径机E来定(如图1所示)。

操作带斜度的芯棒的第二种方式在芯棒从拉伸操作开始到结束拉伸操作都保持在浮动状态的情况下。

如果在拉伸操作中带斜度的芯棒3浮动，那么轧辊开口就如图4所示那样控制，从而使空心管坯的壁厚不致在轧制的进行中而减薄。具体点说，为了在纵向上提供均匀的壁厚，控制所有机架的轧辊开口用于增大足够的数量以便补偿带斜度的芯棒3的倾斜量。参见图4，用虚线a表示的轧辊的初始开口已改变了一个数量β成为实线所示的b，这个改变是在所有机架上同时进行的。

在所述第二种操作方式中，带斜度的芯棒的进给速度最好在轧制的整个过程中都加以控制，以使它慢于空心管坯5的行走速度。

这样，经拉伸的空心管坯5将具有所需的壁厚，该壁厚是由伸出长度L和每一机架的轧辊开口决定的(L为当空心管坯5前端被最后一座机架的轧辊咬住时带斜度的芯棒3从其输出端伸出的长度)。在拉伸操作结束之后，芯棒立即用芯棒限动装置c-1拉回原处(见图1)。

在用芯棒连轧管机拉伸空心管坯的工序中，如果在轧制过程中芯棒保持所得到的空的管坯的内表面的质量往往优于使芯棒停止所得到的空心管坯内表面的质量。因此，如果不想在轧制过程中使芯棒停止，那么带斜度的芯棒最好用上述第二种方式来控制。那就是说，拉伸操作是在带斜度的芯棒保持浮动并且芯棒的进给速度在空心管坯前端最后一座机架的轧辊咬住时是在受控制的情况下完成的，芯棒从最后一道机架的输出端伸出一个预定的长度L。与此同时所有的机架的轧辊开口都一起增大以便补偿带斜度的芯棒的倾斜量，从而空心管坯在纵向上可实现壁厚均匀分布。

在图4中，L表示轧制完成时带斜度的芯棒3的伸出的长度，即当空心管坯的尾端离开最后一座机架时芯棒3的伸出长度。

当采用带斜度直线芯棒且芯棒每边的线性斜度为8时，只要把所有机架的轧辊开口都同时以v×8的速度增大就可以在纵向上得到均匀的壁厚，增大是以空心管坯被最后一座机架的轧辊咬住时作为起点的。在上述公式中，v表示芯棒的进给速度。

在这种情况下，空心管坯的外径将沿纵向略有增加，但数量很小，只需在下一步中用脱管机或定径器c-3便可修正到预定的外径。由于脱管机或定径器c-3没有芯棒和空心管坯的内表面接触，所以在减小外径时完全不会发生问题。

当控制每一机架的轧辊开口时，每一机架轧辊转速最好这样调节，即按照轧辊开口的变化情况获得恒定的体积输送速度，由此保证了在各机架之间没有压力或拉力在起作用。

上述说明涉及一种控制方法，用该方法可使空心管坯获得许多不同尺寸的壁厚，只要用单一的带斜度的芯棒就可以了，该芯棒的外径沿轧制操作的前进方向逐渐减小。应该指出，只要某些条件能够满足，采用沿轧制操作前进的方向外径逐渐增大的带倒斜度的芯棒也是可能的。但要把这种芯棒插入到空心件中就困难了。

在某些情况下芯棒的进给速度可以下述方式加以控制，即在过渡状态(即当空心管坯前端被最后一座机架的轧辊咬住时及空心管坯尾端从末道机架离开时)和稳定状态下可以使芯棒的进给速度快于空心管坯的行进速度而在空心管坯的表面与芯棒之间的摩擦力的方向仍可维持不变(在这种情况下，摩擦力的方向是相反的)。但这样做在经济上并不是明智的办法，因为这会不可避免地增加芯棒的长度。

上面所述本发明的拉伸方法虽然是对一般的两辊芯棒连轧管机而言的，但本方法对于其它各种芯棒连轧管机包括三辊轧机和四辊轧机也都适用。

在本发明中所用的带斜度的芯棒的斜锥既可是直线的也可是非直线的，只要芯棒的直径沿连轧管机的输出端的方向逐渐减小就可以了。与具有非直线斜度的芯棒相比，具有直线斜度的芯棒处理起来比较简单因而是较多采用的。从下面的实施例中可清楚地看到，每边采用大约1/1000-2/1000的斜度就足够了。在芯棒的外径设置这样一个等级的斜度就可使制造从小到大多种尺寸的无缝钢管所需的芯棒储备数急剧减少到原来所需量的十分之一以内。

本发明典型地适用于半浮动或全抽出的限动芯棒连轧管机上。倘若将本发明用于早期的全浮动式，则空心管坯的“竹节”将是不可避免的，并且需要一根较长的芯棒，另外要控制芯棒的位置也比较困难。

下面两个实施例是用来进一步阐明本发明的优点，在任何情况下都不能用来限制本发明的范围。实施例1

采用图3所示的方式实施本发明的方法。

配有一个芯棒限动装置和一台两辊脱管机的一套全抽出式六机架的芯棒连轧管机(机架间距离＝1200mm，每一机架上的轧辊直径＝600mm)采用具有直线斜度的芯棒进行操作，芯棒的直线斜度为每边2/1000。具有外径为185mm，壁厚为15mm的碳钢(JISS50C)空心件在将空心件拉伸成空心管坯时通过控制芯棒的进给速率，使当空心管坯的前端被最后一座机架的轧辊咬住时芯棒从位于最后的第六机架输出端伸出的长度L按10档变化，每档间距为500mm。然后，用三机架脱管机将空心管坯的外径减小到155mm，从而有选择地生产10种规格的产品，壁厚分别为8，7.5，7.0，…，4和3.5mm。空心管坯在进入第一机架时的行走速度为1m/秒。

在实施例1中，芯棒的进给速度在空心管坯的前端被芯棒连轧管机最后一座或第六机架的轧辊咬住以前一直比空心管坯的行走速度小。此后，芯棒就处于停止状态，一直到空心管坯的尾端离开最后一座机架、整个拉伸过程完成时为止。在轧制操作结束后，芯棒被拉回原处。

正如上面所提到过的那样，如果芯棒停止进给，那么由于在空心管坯内表面和芯棒外表面之间的摩擦力，就容易产生擦伤。为了避免产生这种问题，在实施例1中所使用的芯棒的表面是经过氮化处理的，由此可以减小它与空心管坯内表面之间的摩擦系数。

在实施例1中的轧辊孔型设计是专门适用于最难轧制的薄壁管的。因此，在轧制操作中没有发生过金属流动方面的问题，诸如点蚀、满出孔型和弯曲。

如果象现有技术那样采用平行的不带斜度的芯棒，那么由于要制出10种不同的壁厚(相互差0.5mm)，就得准备多达10种尺寸的芯棒。按照本发明，只须使用一根带斜度的芯棒就可以毫不费力地成功地生产出具有不同壁厚的10种规格的空心管坯。实施例2

采用图4所示的方式实施本发明的方法。

一套全抽出式六机架芯轴连轧管机(规格与实施例1相同)采用具有直线斜度的芯棒进行操作，其直线斜度为每边1/1000。将这种芯棒插入一个外径为185mm、壁厚为15mm的合金钢(13铬钢)的空心件内，将空心件拉伸成空心管坯，其时在将芯棒从其后端保持时芯棒保持浮动状态(正确地说应是半浮动状态)，所以当空心管坯以1m/秒的速度进入第一座机架时，芯棒能以0.5m秒的速度前进。最后，空心管坯的外径经三机架脱管机/定径机减至155mm，由此有选择地生产出壁厚分别8，7.5，7…，4和3.5mm的10种规格产品。

在上述操作中，以下述方式控制芯棒的进给速率，即当空心管坯的前端被最后一座机架的轧辊咬住时使芯棒从最后一座机架输出端伸出的长度按500mm的递增量持续变化。

其后，以空心管坯的前端被最后一座机架轧辊咬住时为基准，所有机架的轧辊开口均同时以0.5mm/秒的速率增大，这个增大与芯棒的进给速度(v＝0.5m/秒)同步进行，结果就可抵消芯棒的斜度，从而使空心管坯在纵向上具有均匀的壁厚。在轧制过程之后，将芯棒拉回原位。

由于在拉伸操作中，所有机架的轧辊开口均同时以一恒定速率增大，因此空心管坯的外径也会逐渐增加，从而形成一个斜度。但是由于轧制时间只有大约10秒，所以空心管坯的凸度也只有大约10mm，这样小的外径上的差异可在下一步精整成同一外径时被脱管机/定径机有效地吸收。

在实施例2中，芯棒在拉伸操作中保持浮动，因此即使是天生容易发生擦伤的不锈钢也能轧制而不会有此问题发生，这样就可生产出表面质量极好的空心管坯。

在实施例2中采用的带斜度的芯棒同样能够令人满意地生产出具有不同壁厚的10种规格的空心管坯。

当在芯棒连轧管机上生产多种尺寸的金属管时，在现有技术中必须准备大量具有不同直径的芯棒以便当空心管坯的壁厚按0.5mm变化时可以选择使用。按照本发明，采用改进的带斜度的芯棒，芯棒的直径只需按一较宽的间距5mm变化就可以了，由此所需储备的芯棒数量可急剧地降低为以前所需数量的十分之一。

结果，就不再需要为了大量芯棒而建造自动化的仓库，这样不仅显著地减少了原始投资，而且还可显著地减少了芯棒的维护费用以达到相应的降低运转费用。因此，本发明的经济效益是很突出的。

Claims (9)

1.一种在芯棒连轧管机上拉伸金属管的方法，在该机中一个内部插有芯棒的空心件通过一系列的轧机机架进行轧制，使空心件的长度拉伸从而成为一个空心管坯，其特征在于，将一个带斜度的芯棒插入空心件内，并控制芯棒的进给速度以便在空心管坯的前端被最后一座机架的轧辊咬住时控制芯棒从芯棒连轧管机的最后一道机架的输出端伸出的长度，从而改变空心管坯的壁厚，这样便可用单一的芯棒将空心管坯轧制成具有不同壁厚的多种规格的钢管。

2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，控制芯棒的进给速度，以使它慢于空心管坯的行进速度。

3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，控制芯棒的进给速度，从而当空心管坯的前端被最后一座机架的轧辊咬住时芯棒可立即停止。

4.按照权利要求3所述的方法，其特征在于，芯棒为带有台肩的芯棒。

5.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，为了保证空心管坯在纵向上具有均匀的壁厚，按照空心管坯的前端被最后一座机架的轧辊咬住时芯棒伸出的长度，控制每一机架上的轧辊间的开口，以便补偿带斜度芯棒的倾斜量。

6.按照权利要求5所述的方法，其特征在于，芯棒以下述方式连续进给，即，使当空心管坯的尾端离开最后一座机架时芯棒从最后一道机架的输出端上伸出一个预定的长度。

7.按照权利要求5所述的方法，其特征在于，在整个轧制期间，控制芯棒的进给速度以使其慢于空心管坯的行进速度。

8.按照权利要求1-7中任一项所述的方法，其特征在于，控制每一机架上轧辊的转速以便按照在每一机架上的管坯横截面积的变动来提供恒定的体积输送速度。

9.一种用于拉伸金属的设备，包括一套用以实施权利要求1-8中任一项所述的方法的芯棒连轧管机，该芯棒连轧管机采用一根带斜度的芯棒，并设有一个用于控制芯棒进给速度的机构。

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