CN116393515B - 一种无缝金属复合管界面热力可控连续轧制设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于无缝金属复合管成形技术领域，具体涉及一种无缝金属复合管界面热力可控连续轧制设备及方法，设备包括沿轧制轴线依次布置的多辊斜轧机组、界面热力控轧机组和定径精整机组；界面热力控轧机组包含沿轧制轴线依次布置的界面温度调控模块和界面压力调控模块，界面压力调控模块包含两个机架和多个沿轧制轴线周向均匀布置的控轧轧辊，控轧轧辊的两端通过对应的压下装置分别安装在两个机架上，界面压力调控模块通过多辊斜轧机组斜轧复合过程对初轧复合坯料的螺旋推力和/或定径精整机组对中轧复合坯料的牵引拉力实现被动驱动。本发明显著缩短了工艺流程，提高了生产效率，并且可以实现界面温度、界面压力和作用时间的精准可控。

Description

一种无缝金属复合管界面热力可控连续轧制设备及方法

技术领域

本发明属于无缝金属复合管成形技术领域，具体涉及一种无缝金属复合管界面热力可控连续轧制设备及方法。

背景技术

随着现代科学技术的发展，石油、化工、地质勘探等极端的条件，对无缝金属复合管的要求越来越高，要求兼具高强度、耐高温、耐腐蚀等优异性能。钛合金、双相不锈钢等材料虽然能够满足上述条件，但是价格昂贵，成形难度大，成本极高。无缝金属复合管由两种或两种以上组元金属通过界面结合而成，可以充分发挥组元金属性能优势，能够满足恶劣环境服役性能需求，并且具有良好的经济性，具有广阔的应用前景。

因为具有工艺稳定、连续成形、生产效率高等诸多优点，轧制复合工艺成为最具前景的无缝金属复合管制备技术之一。采用冷连轧复合可以制备碳钢/不锈钢复合管，但是界面仅符合机械结合标准，并且存在壁厚不均、界面强度不高等缺陷。针对这些问题，专利ZL202011450318.1提出一种具有波纹结合面的金属复合管三辊斜轧成形方法，轧辊的外表面上依次设置有咬入段、成形段及轧平段，所述轧辊上设有单道成形波纹，成形波纹分布于咬入段的末端与成形段的末端之间，三个轧辊上的成形波纹错距分布，三个轧辊上的成形波纹先后依次与复合管坯的外壁接触，将波纹轧制和波纹轧平两种工艺集成在一套轧辊上，通过获得空间螺旋界面来提高界面结合强度。

然而，复合界面实现冶金结合需要足够的压力、温度和作用时间，三者均具有显著影响。三辊斜轧复合工艺可以实现无缝金属复合管连续成形，但是，由于斜轧轧辊沿圆周方向均匀布置，且与轧制轴线存在倾斜角度，导致斜轧轧辊的长度尺寸受限，否则会发生交叉干涉，并且沿轧辊轴线方向还需要划分为三个或四个阶段，导致三辊斜轧复合过程中实际作用时间很短，不能实现复合界面完全冶金复合，严重影响界面结合性能及其均匀性。

发明内容

本发明针对上述问题提供了一种无缝金属复合管界面热力可控连续轧制设备及方法。

为达到上述目的本发明采用了以下技术方案：

一种无缝金属复合管界面热力可控连续轧制设备，包括沿轧制轴线依次布置的多辊斜轧机组、界面热力控轧机组和定径精整机组；

所述界面热力控轧机组包含沿轧制轴线依次布置的界面温度调控模块和界面压力调控模块，所述界面压力调控模块包含两个机架和多个沿轧制轴线周向均匀布置的控轧轧辊，所述控轧轧辊的两端通过对应的压下装置分别安装在两个机架上，所述界面压力调控模块通过多辊斜轧机组斜轧复合过程对初轧复合坯料的螺旋推力和定径精整机组对中轧复合坯料的牵引拉力实现被动驱动；

所述控轧轧辊分为控压复合段、精整矫圆段和卸载扩径段，所述控压复合段的长度L1为控轧轧辊长度L的40~80%，其锥角角度α₁为0°~10°；所述精整矫圆段的长度L2为控轧轧辊长度L的20%~40%，其锥角角度α₂为0°~2°；所述卸载扩径段的长度L3为控轧轧辊长度L的10%~30%，其锥角角度α₃为0°~ -15°。

进一步，所述界面温度调控模块包括沿轧制轴线依次设置的测温计、环形水雾冷却装置和电磁感应加热装置，所述测温计用于测量初轧复合坯料的外表面温度，所述环形水雾冷却装置和电磁感应加热装置分别用于对初轧复合坯料进行冷却和加热，所述环形水雾冷却装置喷头的朝向与无缝金属复合管沿轧制轴线的运动方向相反，所述环形水雾冷却装置喷头的螺旋方向与无缝金属复合管绕轧制轴线的旋转方向相反，所述电磁感应加热装置用于对初轧复合坯料进行加热。

再进一步，所述电磁感应加热装置通过高频伸缩缸带动其沿轧制轴线做往复直线运动，实现对初轧复合坯料的均匀加热。

更进一步，所述多辊斜轧机组包括多个具有相同辊型的锥形轧辊和多个相同的导板，所述锥形轧辊沿轧制轴线方向依次设置咬入段、压下段、精整段和扩径段。

更进一步，所述定径精整机组由若干个定径轧机组成，所述定径轧机包括三个或四个沿圆周方向均布的定径轧辊。

更进一步，在所述多辊斜轧机组的前方还设置有沿轧制轴线依次设置的芯棒小车、芯棒、在线加热装置和前输送辊道，在所述定径精整机组的后方还设置有后输送辊道。

一种无缝金属复合管界面热力可控连续轧制方法，包括以下步骤：

S1，在线加热保温：对外层管材与内层管材进行套装组坯获得预套装坯料，连接芯棒小车与芯棒，将预套装坯料置于前输送辊道上方，通过芯棒小车将芯棒穿入预套装坯料的中间并送入在线加热装置，加热至目标温度T，然后将预套装坯料送入多辊斜轧机组进行轧制复合；

S2，三辊斜轧复合：调整多辊斜轧机组的锥形轧辊和导板，设定目标斜轧孔型尺寸，启动多辊斜轧机组，预套装坯料在芯棒、轧辊和导板共同围成的目标斜轧孔型中进行斜轧复合，依次经过咬入段、压下段、精整段和扩径段，直径逐渐减小，壁厚逐渐减薄，获得初轧复合坯料，初轧复合坯料在多辊斜轧机组1的斜轧复合作用下进行旋转送进运动，进入界面热力控轧机组；

S3，可控轧制复合：调整界面压力调控模块的控轧轧辊，设定目标控轧孔型尺寸和目标控轧温度，位于多辊斜轧机组出口侧的测温计对初轧复合坯料的外表面进行测温，进而调整环形水雾冷却装置和电磁感应加热装置的开闭状态，对初轧复合坯料进行冷却或加热，达到目标控轧温度，随后初轧复合坯料经过界面压力调控模块的轧制后实现复合界面的高强度冶金结合，获得中轧复合坯料，之后进入定径精整机组；

S4，定径精整轧制：设定定径精整机组中定径轧机的工作数量和目标定径孔型尺寸，中轧复合坯料经定径精整轧制至目标尺寸精度和圆度，进一步提高表面质量，获得终轧无缝金属复合管，然后由后输送辊道送出；

S5，热处理调控：对终轧无缝金属复合管切除头部和尾部，并进行定尺寸切割，经过热处理后获得目标组织性能，获得成品无缝金属复合管。

与现有技术相比本发明具有以下优点：

本发明设备将无缝金属复合管的斜轧复合、压力扩散、在线矫圆和精整定径过程整合到一起，显著缩短了工艺流程，提高了生产效率，并且可以实现界面温度、界面压力和作用时间的精准可控；

本发明通过界面热力控轧机组的界面温度调控模块对初轧复合坯料进行测温，并根据控轧需求，对初轧复合坯料进行在线冷却或者加热，获得目标控轧温度，可以满足不同组元金属复合界面在压力扩散过程的特定温度需求，避免复合界面处形成大量金属间化合物从而弱化界面结合强度，并且电磁感应加热装置沿轧制轴线做高频往复直线运动，可以避免电磁感应加热过程中线圈位置温度高而线圈间隙部分温度低的现象，实现均匀加热；

本发明通过界面热力控轧机组的界面压力调控模块对初轧复合坯料进行控轧轧制，由于界面热力控轧机组的控轧轧辊沿轧制轴线周向均匀布置，各控轧轧辊不易发生干涉，控轧轧辊长度显著增加，从而提高作用时间，能够进一步在目标控轧温度下进行可控时间内的压力扩散，促进复合界面实现完全冶金结合，显著提高界面结合强度，并且可以同步实现无缝金属复合管的连续矫圆功能，提高产品综合性能和尺寸精度；

本发明界面压力调控模块包含机架、压下装置和多个沿轧制轴线周向均匀布置的控轧轧辊，控轧轧辊工作时利用多辊斜轧机组斜轧复合过程的螺旋推力和定径精整机组的牵引拉力可以实现界面热力控轧机组的被动驱动，设备结构紧凑并且控制简单高效；

本发明设备从复合界面结合机理出发，同步控制界面温度、界面压力和作用时间，可以实现高品质无缝金属复合管高效连续稳定成形与复合界面冶金结合，具有生产效率高、工艺流程短、界面结合强度高、尺寸规格范围大等优势。

附图说明

图1为本发明整体设备的结构示意图；

图2为本发明中界面热力控轧机组的结构示意图；

图3为本发明中界面压力调控模块的结构示意图；

图4为本发明中控轧轧辊的结构示意图；

图5为三辊斜轧复合过程中各个阶段径向截面变化示意图；

图6为三辊斜轧复合过程中通过急停轧卡获得的径向截面示意图；

图7为三辊斜轧复合过程中界面接触压力的变化趋势示意图；

图8为三辊斜轧复合过程中界面温度的变化趋势示意图；

图9为热力控轧复合过程中界面接触压力的变化趋势示意图；

图10为热力控轧复合过程中界面温度的变化趋势示意图；

图中，多辊斜轧机组—1、界面热力控轧机组—2、定径精整机组—3、界面温度调控模块—201、界面压力调控模块—202、测温计—2011、环形水雾冷却装置—2012、电磁感应加热装置—2013、机架—2021、压下装置—2022、控轧轧辊—2023、控压复合段—20231、精整矫圆段—20232、卸载扩径段—20233。

具体实施方式

为了进一步阐述本发明的技术方案，下面通过实施例对本发明进行进一步说明。

如图1至图4所示，一种无缝金属复合管界面热力可控连续轧制设备，包括沿轧制轴线依次布置的多辊斜轧机组1、界面热力控轧机组2和定径精整机组3；

所述多辊斜轧机组1包括多个具有相同辊型的锥形轧辊和多个相同的导板，所述锥形轧辊沿轧制轴线方向依次设置咬入段、压下段、精整段和扩径段；

所述界面热力控轧机组2包含沿轧制轴线依次布置的界面温度调控模块201和界面压力调控模块202；所述界面温度调控模块201包括沿轧制轴线依次设置的测温计2011、环形水雾冷却装置2012和电磁感应加热装置2013，所述测温计2011用于测量初轧复合坯料的外表面温度，所述环形水雾冷却装置2012和电磁感应加热装置2013分别用于对初轧复合坯料进行冷却和加热，所述环形水雾冷却装置2012喷头的朝向与无缝金属复合管沿轧制轴线的运动方向相反，所述环形水雾冷却装置2012喷头的螺旋方向与无缝金属复合管绕轧制轴线的旋转方向相反，所述电磁感应加热装置2013通过高频伸缩缸带动其沿轧制轴线做往复直线运动，实现对初轧复合坯料的均匀加热；所述界面压力调控模块202包含两个机架2021和多个沿轧制轴线周向均匀布置的控轧轧辊2023，所述控轧轧辊2023的两端通过对应的压下装置2022分别安装在两个机架2021上，所述控轧轧辊2023分为控压复合段20231、精整矫圆段20232和卸载扩径段20233，所述控压复合段20231的长度L1为控轧轧辊2023长度L的40~80%，其锥角角度α₁为0°~10°；所述精整矫圆段20232的长度L2为控轧轧辊2023长度L的20%~40%，其锥角角度α₂为0°~2°；所述卸载扩径段20233的长度L3为控轧轧辊2023长度L的10%~30%，其锥角角度α₃为0°~ -15°，所述界面压力调控模块202通过多辊斜轧机组1斜轧复合过程对初轧复合坯料的螺旋推力和定径精整机组3对中轧复合坯料的牵引拉力实现被动驱动；

所述定径精整机组3由若干个定径轧机组成，所述定径轧机包括三个或四个沿圆周方向均布的定径轧辊；

在所述多辊斜轧机组1的前方还设置有沿轧制轴线依次设置的芯棒小车、芯棒、在线加热装置和前输送辊道，在所述定径精整机组3的后方还设置有后输送辊道。

一种无缝金属复合管界面热力可控连续轧制方法，包括以下步骤：

S1，在线加热保温：对外层管材与内层管材进行套装组坯获得预套装坯料，连接芯棒小车与芯棒，将预套装坯料置于前输送辊道上方，通过芯棒小车将芯棒穿入预套装坯料的中间并送入在线加热装置，加热至目标温度T，然后将预套装坯料送入多辊斜轧机组1进行轧制复合；

S2，三辊斜轧复合：调整多辊斜轧机组1的锥形轧辊和导板，设定目标斜轧孔型尺寸，启动多辊斜轧机组1，预套装坯料在芯棒、轧辊和导板共同围成的目标斜轧孔型中进行斜轧复合，依次经过咬入段、压下段、精整段和扩径段，直径逐渐减小，壁厚逐渐减薄，获得初轧复合坯料，初轧复合坯料在多辊斜轧机组1的斜轧复合作用下进行旋转送进运动，进入界面热力控轧机组2；

S3，可控轧制复合：调整界面压力调控模块202的控轧轧辊2023，设定目标控轧孔型尺寸和目标控轧温度，位于多辊斜轧机组1出口侧的测温计2011对初轧复合坯料的外表面进行测温，进而调整环形水雾冷却装置2012和电磁感应加热装置2013的开闭状态，对初轧复合坯料进行冷却或加热，达到目标控轧温度，随后初轧复合坯料经过界面压力调控模块202的轧制后实现复合界面的高强度冶金结合，获得中轧复合坯料，之后进入定径精整机组3；

S4，定径精整轧制：设定定径精整机组3中定径轧机的工作数量和目标定径孔型尺寸，中轧复合坯料经定径精整轧制至目标尺寸精度和圆度，进一步提高表面质量，获得终轧无缝金属复合管，然后由后输送辊道送出；

S5，热处理调控：对终轧无缝金属复合管切除头部和尾部，并进行定尺寸切割，经过热处理后获得目标组织性能，获得成品无缝金属复合管。

三辊斜轧复合过程中，预套装坯料需要依次经历咬入段、压下段、精整段和扩径段，各阶段的径向截面演变过程如图5所示，在整个过程中径向截面形状经历正圆形-三角形-正圆形变形过程。咬入阶段，预套装坯料与三个轧辊接触处存在压应力，局部发生压缩变形，同时压迫内层管材靠近芯棒，开始正圆形向三角形的转变过程，但由于外层管材和内层管材的材质、壁厚等不同，致使二者在不与轧辊接触处的变形程度不同，即变形不协调现象，出现外层管材与内层管材的分离现象。在压下段和精整段，预套装坯料在三辊斜轧复合过程中做螺旋前进运动，外层管材和内层管材的一直处于接触、分离的交替状态，分离时宏观间隙明显，即二者连基本的完全接触都未能实现，只有到达精整段末端或扩径段时径向截面恢复至正圆形，外层管材和内层管材才真正实现完全接触。

然而，根据界面结合的三要素可知，界面温度、界面压力和作用时间三者均十分重要。由于三辊斜轧复合过程中轧辊沿空间倾斜交叉布置，因此轧辊长度无法做的很长，否则会发生干涉。图6为三辊斜轧复合过程中通过急停轧卡获得的径向截面，内层与外层存在明显间隙，未能实现界面复合，即使后续通过扩径段后，经过时间很短并且变形很小，无明显塑性变形，因此界面压力很小且作用时间很短，不利于界面复合。

三辊斜轧复合过程中，由于三辊斜轧设备的结构和轧制原理使得内层管材的外表面和外层管材的内表面之间的接触压力并不是始终存在，三辊斜轧复合过程中的接触压力变化如图7所示，当受到斜轧轧辊的作用时，外层管材和内层管材之间才会存在短暂的接触压力，而到达两个斜轧轧管之间时，由于出现间隙而不接触，因此接触压力为零，不能实现复合；三辊斜轧复合过程中的温度变化如图8所示，由于斜轧轧辊作用时虽然没有实现界面复合，但是仍然发生显著塑性变形，剧烈的塑性变形会引起温度升高，即斜轧复合后的温度要大于初始加热温度，对于钛/钢等对于界面温度敏感的组元搭配，温度高于850℃以后复合过程中会产生大量金属间化合物，即使界面实现复合，但金属间化合物将进一步弱化复合界面，无法实现高强结合。

热力控轧复合过程中，界面热力控轧机组2的控轧轧辊2023沿圆周方向均匀布置，内层管材的外表面和外层管材的内表面之间的接触压力始终存在，并且界面温度和作用时间均可以精整控制；图9为热力控轧复合过程中界面接触压力的变化趋势示意图，当初轧复合坯料经过三辊斜轧复合之后界面未实现结合时，在界面温度调控模块201界面无明显接触应力，但是在进入界面压力调控模块202后界面开始出现连续接触应力并随着控压复合段20231的变形量增加而逐渐增大，在精整矫圆段20232变形量达到最大，复合界面实现冶金结合，卸载扩径段20233逐渐卸载后外层管材与内层管材不会发生分离；图10为热力控轧复合过程中界面温度的变化趋势示意图，在进入界面温度调控模块201后首先进行目标界面温度调控，对于钛/钢复合管而言迅速将界面温度降低到850℃以下，之后虽然有塑性变形引起的温度升高，但是由于变形过程平滑均匀，界面温度缓慢略有升高，保证界面不产生明显金属间化合物，从而实现复合界面高强冶金结合。

从复合界面结合机理出发，同步控制界面温度、界面压力和作用时间，通过热力控轧可以实现高品质无缝金属复合管高效连续稳定成形与复合界面冶金结合，获得目标组织性能，具有生产效率高、工艺流程短、界面结合强度高、尺寸规格范围大等优势。

以上显示和描述了本发明的主要特征和优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (7)

1.一种无缝金属复合管界面热力可控连续轧制设备，其特征在于：包括沿轧制轴线依次布置的多辊斜轧机组（1）、界面热力控轧机组（2）和定径精整机组（3）；

所述界面热力控轧机组（2）包含沿轧制轴线依次布置的界面温度调控模块（201）和界面压力调控模块（202），所述界面压力调控模块（202）包含两个机架（2021）和多个沿轧制轴线周向均匀布置的控轧轧辊（2023），所述控轧轧辊（2023）的两端通过对应的压下装置（2022）分别安装在两个机架（2021）上，所述界面压力调控模块（202）通过多辊斜轧机组（1）斜轧复合过程对初轧复合坯料的螺旋推力和定径精整机组（3）对中轧复合坯料的牵引拉力实现被动驱动；

所述控轧轧辊（2023）分为控压复合段（20231）、精整矫圆段（20232）和卸载扩径段（20233），所述控压复合段（20231）的长度L1为控轧轧辊（2023）长度L的40~80%，其锥角角度α₁为0°~10°；所述精整矫圆段（20232）的长度L2为控轧轧辊（2023）长度L的20%~40%，其锥角角度α₂为0°~2°；所述卸载扩径段（20233）的长度L3为控轧轧辊（2023）长度L的10%~30%，其锥角角度α₃为0°~ -15°。

2.根据权利要求1所述的一种无缝金属复合管界面热力可控连续轧制设备，其特征在于：所述界面温度调控模块（201）包括沿轧制轴线依次设置的测温计（2011）、环形水雾冷却装置（2012）和电磁感应加热装置（2013），所述测温计（2011）用于测量初轧复合坯料的外表面温度，所述环形水雾冷却装置（2012）和电磁感应加热装置（2013）分别用于对初轧复合坯料进行冷却和加热，所述环形水雾冷却装置（2012）喷头的朝向与无缝金属复合管沿轧制轴线的运动方向相反，所述环形水雾冷却装置（2012）喷头的螺旋方向与无缝金属复合管绕轧制轴线的旋转方向相反，所述电磁感应加热装置（2013）用于对初轧复合坯料进行加热。

3.根据权利要求2所述的一种无缝金属复合管界面热力可控连续轧制设备，其特征在于：所述电磁感应加热装置（2013）通过高频伸缩缸带动其沿轧制轴线做往复直线运动，实现对初轧复合坯料的均匀加热。

4.根据权利要求3所述的一种无缝金属复合管界面热力可控连续轧制设备，其特征在于：所述多辊斜轧机组（1）包括多个具有相同辊型的锥形轧辊和多个相同的导板，所述锥形轧辊沿轧制轴线方向依次设置咬入段、压下段、精整段和扩径段。

5.根据权利要求4所述的一种无缝金属复合管界面热力可控连续轧制设备，其特征在于：所述定径精整机组（3）由若干个定径轧机组成，所述定径轧机包括三个或四个沿圆周方向均布的定径轧辊。

6.根据权利要求5所述的一种无缝金属复合管界面热力可控连续轧制设备，其特征在于：在所述多辊斜轧机组（1）的前方还设置有沿轧制轴线依次设置的芯棒小车、芯棒、在线加热装置和前输送辊道，在所述定径精整机组（3）的后方还设置有后输送辊道。

7.基于权利要求6所述的一种无缝金属复合管界面热力可控连续轧制设备的轧制方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1，在线加热保温：对外层管材与内层管材进行套装组坯获得预套装坯料，连接芯棒小车与芯棒，将预套装坯料置于前输送辊道上方，通过芯棒小车将芯棒穿入预套装坯料的中间并送入在线加热装置，加热至目标温度T，然后将预套装坯料送入多辊斜轧机组（1）进行轧制复合；

S2，三辊斜轧复合：调整多辊斜轧机组（1）的锥形轧辊和导板，设定目标斜轧孔型尺寸，启动多辊斜轧机组（1），预套装坯料在芯棒、轧辊和导板共同围成的目标斜轧孔型中进行斜轧复合，依次经过咬入段、压下段、精整段和扩径段，直径逐渐减小，壁厚逐渐减薄，获得初轧复合坯料，初轧复合坯料在多辊斜轧机组（1）的斜轧复合作用下进行旋转送进运动，进入界面热力控轧机组（2）；

S3，可控轧制复合：调整界面压力调控模块（202）的控轧轧辊（2023），设定目标控轧孔型尺寸和目标控轧温度，位于多辊斜轧机组（1）出口侧的测温计（2011）对初轧复合坯料的外表面进行测温，进而调整环形水雾冷却装置（2012）和电磁感应加热装置（2013）的开闭状态，对初轧复合坯料进行冷却或加热，达到目标控轧温度，随后初轧复合坯料经过界面压力调控模块（202）的轧制后实现复合界面的高强度冶金结合，获得中轧复合坯料，之后进入定径精整机组（3）；

S4，定径精整轧制：设定定径精整机组（3）中定径轧机的工作数量和目标定径孔型尺寸，中轧复合坯料经定径精整轧制至目标尺寸精度和圆度，进一步提高表面质量，获得终轧无缝金属复合管，然后由后输送辊道送出；

S5，热处理调控：对终轧无缝金属复合管切除头部和尾部，并进行定尺寸切割，经过热处理后获得目标组织性能，获得成品无缝金属复合管。