CN117619891A - 无缝金属复合管直接热装轧制复合设备及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种无缝金属复合管直接热装轧制复合设备及方法，包括加热炉、第一送料机、斜轧穿孔机、穿孔装置、中间送料机、在线补温装置及三辊斜轧机组；实心棒材坯料利用加热炉加热后借助于第一送料机输送至斜轧穿孔机，穿孔装置用于将顶杆穿入内层管并将套有内层管的顶杆送至斜轧穿孔机的穿孔位置后安装顶头，斜轧穿孔机进行穿孔轧制获得外层管并使外层管穿过顶头后包覆在内层管上热装得到复合管坯；中间送料机送至三辊斜轧机组进行三辊斜轧复合。本发明利用斜轧穿孔设备，在穿孔的同时能够生产无缝金属复合管的复合管坯，在一条生产线上实现实心棒材坯料到无缝金属复合管的制备，制备过程简单方便，缩短工艺流程，提高生产效率且降低成本。
Description
技术领域
本发明涉及无缝金属复合管制备技术领域，具体涉及一种无缝金属复合管直接热装轧制复合设备及方法。
背景技术
无缝金属复合管同时具备两种金属特性，综合了各组元的优点，节约贵金属材料。凭借其优异的综合性能，无缝金属复合管广泛应用于航空航天、轨道交通、石油化工、国防军工、海洋工程等领域，推动了装备轻量化、绿色化等国家重大科技工程的发展。
无缝金属复合管接口少、稳定性好，凭借其优异的性能和较高的性价比成为了未来的发展趋势。由于工艺稳定，生产效率高，轧制复合法成为制备无缝金属复合管最具前景的制备技术之一，其中三辊斜轧复合工艺可以实现无缝金属复合管的连续成形，制备出高性能的无缝金属复合管。但该工艺需采用成品管进行组坯，成本较高，并且受成品管直径和壁厚尺寸的限制，无法实现全规格尺寸的套装组坯。此外，组坯时内层管和外层管之间的间隙越大，越不利于界面复合和保证复合管周向壁厚的均匀性，因此，组坯往往采用过盈或过渡的方式进行配合，这将大幅增加大长径比管材套装组坯的难度。为确保较高的界面结合强度，组坯前还需对待结合表面进行清洁、打磨，其中外管的内表面清理难度大，费时费力，极大降低了生产效率。此外，三辊斜轧复合前，还需对复合管坯进行整体加热，轧制长度较长的管时对加热炉的长度也提出更高要求，能耗大幅提高。
针对上述三辊斜轧无缝金属复合管存在的问题，开发一种低成本、高效率的制造方法对工业化批量生产无缝金属复合管具有重要意义。
发明内容
为了解决上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种无缝金属复合管直接热装轧制复合设备及方法，其利用斜轧穿孔设备，在穿孔的同时制备了用于生产无缝金属复合管的复合管坯，在一条生产线上实现了实心棒材坯料到无缝金属复合管的制备，制备过程简单方便，大幅缩短了工艺流程，提高了生产效率。
本发明提供一种无缝金属复合管直接热装轧制复合设备，其包括依次设置的加热炉、第一送料机、斜轧穿孔机、穿孔装置、中间送料机、在线补温装置、三辊斜轧机组和第二送料机；加热炉用于对实心棒材坯料进行加热，第一送料机用于将加热后实心棒材坯料输送至斜轧穿孔机，穿孔装置用于将顶杆穿入内层管并将套有内层管的顶杆送至斜轧穿孔机的穿孔位置后安装顶头，斜轧穿孔机用于使加热后实心棒材坯料进行穿孔轧制获得外层管并使外层管穿过顶头后包覆在内层管上直接热装得到复合管坯；中间送料机用于将复合管坯运送至三辊斜轧机组的进料口，三辊斜轧机组用于在线补温装置对复合管坯进行补温加热后，穿入芯棒并进行三辊斜轧复合，第二送料机用于将无缝金属复合管送至下一工序；
穿孔装置包括依次沿穿孔轴线布置的顶头、顶杆、挡管器、内层管受料槽、导轨以及穿孔小车，穿孔小车放置在导轨上；顶头和顶杆内部具有输气管道，顶头周向均匀布置有出气孔，挡管器包括底座和全自动三爪卡盘，全自动三爪卡盘固定在底座上且能够调节挡管器的孔型直径；内层管受料槽用于放置表面处理后的内层管；
将顶杆穿入内层管使内层管套装在顶杆上，该过程中，调节挡管器的孔型直径小于内层管外径，防止顶杆穿入时内层管向前滑动；
顶杆套入内层管后调节挡管器的孔型直径大于内层管外径后将套有顶杆的内层管送至斜轧穿孔机的穿孔位置后安装顶头；
所述顶头内端部的中间开设有凹孔，凹孔的侧壁上均匀设置有多个顶头凸台，顶头凸台的外表面与顶头的外表面位于同一水平面，所述顶头内端部的外表面上均匀设置有与顶头凸台数量一致且位置对应的顶头磁吸柱；所述顶杆外端部的中间设置有能够伸入凹孔的凸柱，凸柱的外表面均匀设置有多个顶杆凸台，所述顶头凸台能够伸入相邻两个顶杆凸台之间的凹槽内，相邻两个顶杆凸台之间均设置有一个与顶头磁吸柱配合的顶杆磁吸柱，所述顶头凸台插入两个顶杆凸台之间的凹槽后旋转所述顶头使顶头磁吸柱与顶杆磁吸柱接触完成顶头安装；
顶头安装完成后对加热后实心棒材坯料进行穿孔轧制获得外层管并使外层管穿过顶头并包覆在内层管上直接热装得到复合管坯，之后旋转顶头使顶头磁吸柱与顶杆磁吸柱错位后继续向上旋转顶头将顶头与顶杆分离，并将顶杆从复合管坯中抽出，该过程中，调节挡管器的孔型直径介于顶杆直径和内层管外径之间，防止穿孔时内层管向后滑动且穿孔轧制获得复合管坯后能使顶杆从复合管坯内部抽出并阻止内层管随顶杆一起抽出。
优选地，在线补温装置包括电磁感应线圈和红外测温仪，电磁感应线圈和红外测温仪均布置在三辊斜轧机组的轧制轴线上。
优选地，全自动三爪卡盘包含驱动单元、卡盘主体和三个周向间隔120°布置的卡爪，驱动单元驱动三个卡爪同步运动实现挡管器的孔型直径大小的无极调节；
根据不同内层管外径，全自动三爪卡盘能够对挡管器的孔型直径进行调节，实现不同尺寸管材的坯料制备，且实现顶杆穿入内层管、实心棒材坯料穿孔套装内层管、顶杆从复合管坯抽出过程中的限位。
优选地，所述顶头凸台与顶杆凸台均设置有三个，所述顶头凸台为长条型，所述顶杆凸台为L型。
优选地，穿孔轧制时，内层管与外层管套装后均处于高温状态，向顶杆的输气管道内通入惰性保护气体，并从顶头的出气孔喷出，对顶头和复合管坯进行冷却，并利用惰性保护气体防止穿孔轧制获得的高温状态下的外层管内表面和内层管外表面氧化。
优选地，所述顶头直径等于或大于内层管的外径，以使穿孔轧制得到的外层管能够包覆在内层管上。
另一方面，本发明还提供一种无缝金属复合管直接热装轧制复合方法，其包括如下步骤：
S1、实心棒材坯料加热：将实心棒材坯料放置于加热炉中加热到穿孔所需温度并保温，用于后续穿孔轧制制备外层管；
S2、顶杆穿入内层管：准备内层管并进行表面处理，通过送料架送入穿孔装置的内层管受料槽，利用驱动单元驱动全自动三爪卡盘的卡爪同步前移，使挡管器的孔型直径小于内层管外径以限制内层管向前滑动，连接顶杆的穿孔小车前移，将顶杆穿入内层管，穿入完成后，驱动卡爪同步后退使挡管器的孔型直径张开至内层管能够通过，随即穿孔小车继续前移，将套有内层管的顶杆送至穿孔位置，卡爪同步前移，使挡管器的孔型直径介于顶杆直径和内层管外径之间，之后将顶头凸台插入两个顶杆凸台之间的凹槽后旋转所述顶头使顶头磁吸柱与顶杆磁吸柱接触完成顶头安装；
S3、穿孔轧制并套装：将加热后的实心棒材坯料通过第一送料机运送至斜轧穿孔机的导料槽内进行穿孔轧制，之后实心棒材坯料在轧辊的作用下穿过顶头并包覆在内层管上直接热装得到复合管坯；穿孔轧制完成后，旋转顶头使顶头磁吸柱与顶杆磁吸柱错位后继续向上旋转顶头将顶头与顶杆分离，保持挡管器的孔型直径介于顶杆直径和内层管外径之间，穿孔小车后退，利用挡管器将顶杆从复合管坯中抽出，获得复合管坯，复合界面在高温下实现冶金结合；
S4、三辊斜轧强化复合：按照目标复合管的孔径，选用合适直径的芯棒并调整斜轧辊和导板的位置，通过中间送料机将复合管坯运送至三辊斜轧机组的进料口，采用在线补温装置对复合管坯进行补温加热后，穿入芯棒并进行三辊斜轧复合，获得目标尺寸的高强冶金结合无缝金属复合管，将无缝金属复合管通过第二送料机送到下一工序。
优选地，步骤S4中穿孔的同时向顶杆内通入惰性保护气体，并从顶头周向布置的出气孔喷出。
优选地，步骤S1和步骤S2中根据成品管的尺寸要求，选取合适尺寸的实心棒材坯料以及内层管。
优选地，通过改变斜轧穿孔机的压下率和顶头直径能够得到不同尺寸的外层管。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
(1)本发明利用斜轧穿孔设备，在穿孔轧制制备外层管的同时进行内层管的直接热装组坯，制备了用于生产无缝金属复合管的复合管坯，界面结合强度高，在一条生产线上实现了实心棒材坯到无缝金属复合管的制备，整体的制备过程简单方便，大幅缩短了工艺流程，提高了生产效率。
(2)本发明中挡管器的孔型直径可以实现无级调节，实现不同尺寸管材的坯料制备，同时满足顶杆穿入内层管、实心棒材坯料穿孔套装内层管、顶杆从复合管坯抽出过程的限位作用，实现一机多用。
(3)本发明通过改变斜轧穿孔机的压下率和顶头直径，可灵活生产出不同直径、壁厚和内径的外层管，搭配不同尺寸的内层管，可以用于生产不同规格的系列无缝金属复合管，实现产品尺寸的多规格。解决了内、外层管均采用成品管时，现有生产设备受内、外层管的尺寸限制而无法套装并生产特定尺寸无缝金属复合管的问题。
(4)本发明仅内层管采用成品管，外层管由斜轧穿孔在线制得，与全部采用成品管进行制坯相比，生产成本大幅降低；此外，本发明在生产过程中无需对外层管的内表面做清洁、打磨等工序，一定程度上也降低了生产成本且提高了生产效率。
(5)本发明利用穿孔轧制制得的外层管，在不下生产线的情况下与内层管组坯后进行三辊斜轧复合，坯料仍然具有较高的温度，与传统的加热炉需将复合管坯料从室温加热到可轧温度，本发明只需采用感应加热对复合管坯进行补温加热即可，能耗大幅度降低。并且感应加热可以不受管坯长度的限制，加热速度快，可以提高生产效率且降低生产成本，降低能耗有利于保护环境。
(6)本发明设备通过对顶头和顶杆的内部结构进行改进，设置有气体流道，穿孔轧制制备复合管坯时，从顶头喷出N2等惰性保护气体，起到冷却顶头和内层管头部的作用，防止顶头温度过高而失效和内层管头部温度过高而变形；更为重要的是N2等惰性保护气体可以保证穿孔轧制获得的高温状态下的外层管内表面和内层管外表面不被氧化，从而生产出界面高冶金结合强度的无缝金属复合管。
(7)本发明顶头和顶杆的连接采用机械锁紧和磁吸相结合的方式，使用时顶杆带动顶头朝着锁紧的方向旋转，不容易脱落，同时该连接方式也能实现在线的快速安装和拆卸，拆卸的顶头可以循环使用，避免了连续工作导致头部温度过高而过早失效。
附图说明
图1为本发明的工艺流程示意图；
图2为本发明中穿孔装置的结构示意图；
图3为本发明中全自动卡盘的结构示意图；
图4为本发明中顶杆穿入内层管示意图；
图5为本发明中穿孔套装示意图；
图6为本发明中顶杆从复合管坯中抽出示意图；
图7为本发明无缝金属复合管直接热装轧制复合的方法流程示意图；
图8为本发明的顶头结构示意图；
图9为本发明的顶杆结构示意图。
图中部分附图标记如下：1、加热炉；2、第一送料机；3、斜轧穿孔机；4、穿孔装置；5、中间送料机；6、在线补温装置；7、三辊斜轧机组；8、第二送料机；9、内层管；10、外层管；401、顶头；4011、顶头凸台；4012、顶头磁吸柱；4013、凹孔；402、顶杆；4021、顶杆凸台；4022、凹槽；4023、顶杆磁吸柱；4024、凸柱；403、挡管器；404、内层管受料槽；405、导轨；406、穿孔小车；4031、底座；4032、全自动三爪卡盘；40321、卡盘主体；40322、卡爪。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。
如图1-6所示，本发明提供一种无缝金属复合管制备设备包括加热炉1、第一送料机2、斜轧穿孔机3、穿孔装置4、中间送料机5、在线补温装置6、三辊斜轧机组7和第二送料机8。加热炉1用于对外层管坯料进行加热，第一送料机2用于将加热后外层管坯料输送至斜轧穿孔机，穿孔装置4用于将顶杆穿入内层管9并将套有内层管9的顶杆送至斜轧穿孔机的穿孔位置后安装顶头，斜轧穿孔机3用于使加热后实心棒材坯料进行穿孔轧制获得外层管10，与此同时外层管10穿过顶头后包覆在内层管9上直接热装得到复合管坯；中间送料机5用于将复合管坯运送至三辊斜轧机组的进料口，三辊斜轧机组7用于在线补温装置6对复合管坯进行补温加热后，穿入芯棒并进行三辊斜轧复合，第二送料机8用于将无缝金属复合管送至下一工序。利用该生产线在穿孔轧制的同时直接制备了复合管坯，在一条生产线上实现了实心棒材坯料到无缝金属复合管的制备，整体的制备过程简单方便，大幅缩短了工艺流程，提高了生产效率。
穿孔装置4包括依次沿穿孔轴线布置的顶头401、顶杆402、挡管器403、内层管受料槽404、导轨405和穿孔小车406。穿孔小车406放置在导轨405上并能够在导轨405上移动。内层管受料槽404用于放置表面处理后的内层管9。顶头401和顶杆402内部具有输气管道，并在顶头401周向均匀布置有出气孔，穿孔轧制时，高温外层管10直接套装在内层管9上，内层管9与外层管10套装后均处于高温状态，此时向顶杆402的输气管道内通入惰性保护气体，并从顶头401的出气孔喷出，对顶头401和复合管坯进行冷却，防止顶头401温度过高而失效和内层管9头部温度过高而变形；更重要的是利用惰性保护气体防止穿孔轧制获得的高温状态下的外层管内表面和内层管外表面氧化，即能够使N2等惰性保护气体充满复合管坯间隙从而可以防止待结合表面的氧化，避免了后续三辊斜轧复合过程中大量氧化皮会降低复合管界面结合强度。
挡管器403包括底座4031和全自动三爪卡盘4032，全自动三爪卡盘4032通过螺栓固定在底座4031上且能够调节挡管器403的孔型直径。底座4031外部设置有凸台。在线补温装置6包含电磁感应线圈和红外测温仪，电磁感应线圈和红外测温仪均布置在三辊斜轧机组7的轧制轴线上。全自动三爪卡盘4032包括驱动单元、卡盘主体40321和三个周向120°布置的卡爪40322，三个卡爪之间的直径即挡管器403的孔型直径可以利用三个卡爪的移动进行调节。驱动单元可以通过液压和气动等方式驱动三个卡爪40322的同步运动和挡管器的孔型直径大小的无极调节，从而在穿孔前、穿孔时及穿孔后对挡管器的孔型直径进行调节，并能够实现不同尺寸管材的穿孔前顶杆402穿入内层管9和穿孔后顶杆402从复合管坯中抽出。
如图8所示，顶头401内端部的中间开设有凹孔4013，凹孔4013的侧壁上均匀设置有多个顶头凸台4011，本实施例中为三个，顶头凸台4011的外表面与顶头401内端部的外表面位于同一水平面，顶头401内端部的外表面上均匀设置有与顶头凸台4011数量一致的顶头磁吸柱4012。顶头磁吸柱4012放入设置位置与顶头凸台4011相对应。
如图9所示，顶杆402外端部的中间设置有能够伸入凹孔4013的凸柱4024，凸柱4024的外表面均均匀设置有多个顶杆凸台4021，顶头凸台4011能够伸入相邻两个顶杆凸台4021之间的凹槽4022内，相邻两个顶杆凸台4021之间均设置有一个与顶头磁吸柱4012配合的顶杆磁吸柱4023。顶头凸台4011为长条型，顶杆凸台4021设置为L型，因此两个顶杆凸台4021之间的凹槽4022也为L型，其包括横向的第一段凹槽和竖向的第二段凹槽，安装时，顶头凸台4011首先插入竖向的第二段凹槽内，向下旋转顶头401后，顶头凸台4011进入横向的第一段凹槽，此时顶头磁吸柱4012与顶杆上的顶杆磁吸柱4023接触并吸在一起，拆卸时，向上旋转顶头401，使顶头上的顶头磁吸柱4012与顶杆上的顶杆磁吸柱4023错位，继续旋转使顶头凸台4011至竖向的第二段凹槽内，将顶头401拔出，完成顶头401的拆卸。
安装顶头401时，保持顶杆402不动，将顶头凸台4011插入相邻两个顶杆凸台4021之间的凹槽4022内，然后向下旋转顶头401，使安装在顶头401上的顶头磁吸柱4012与顶杆上的顶杆磁吸柱4023接触并吸在一起，完成顶头的安装。
拆卸顶头401时，保持顶杆402不动，向上旋转顶头401，使顶头上的顶头磁吸柱4012与顶杆上的顶杆磁吸柱4023错位，继续向上旋转将顶头401落入竖向的第二段凹槽内拔出，完成顶头401的拆卸。
将顶杆402穿入内层管9使内层管9套装在顶杆402上，该过程中，基于内层管外径，调节挡管器403的孔型直径小于内层管外径，防止顶杆402穿入时内层管9向前滑动。顶杆402套入内层管9后调节挡管器403的孔型直径大于内层管外径后将套有顶杆的内层管9送至斜轧穿孔机的穿孔位置后安装顶头401。安装时向下旋转顶头401，顶头凸台4011进入顶杆402的凹槽4022内，旋转顶头401使顶头磁吸柱4012与顶杆上的顶杆磁吸柱4023接触并吸在一起，完成顶头401与顶杆402的安装。顶头401安装完成后对加热后实心棒材坯料进行穿孔轧制获得外层管并使外层管穿过顶头并包覆在内层管上直接热装得到复合管坯(该过程也称之为穿孔轧制)，之后旋转顶头使顶头磁吸柱与顶杆磁吸柱错位后继续向上旋转顶头将顶头与顶杆分离，将顶杆402从复合管坯中抽出，该过程中，调节挡管器403的孔型直径介于顶杆直径和内层管外径之间，防止穿孔时内层管向后滑动且热装获得复合管坯后能使顶杆从复合管坯内部抽出并阻止内层管随顶杆一起抽出。另外，顶头401的直径应等于或略大于内层管9的外径，便于穿孔轧制得到的外层管10顺利直接套装包覆在内层管9上。
顶头401与顶杆402借助于机械连接件以及磁吸装置进行连接与锁紧。使用时顶杆402带动顶头401向锁紧的方向旋转，不容易脱落，同时该连接方式也能实现在线的快速安装和拆卸，拆卸的顶头可以循环使用，避免了连续工作导致头部温度过高而过早失效。
在其余实施例中，根据不同内层管外径，全自动三爪卡盘4032能够对挡管器的孔型直径进行调节，实现不同尺寸管材的坯料制备，且实现顶杆穿入内层管、实心棒材坯料穿孔套装内层管、顶杆从复合管坯抽出过程中的限位。
另一方面，本发明还提供一种无缝金属复合管制备方法，如图7所示，其包括如下步骤：
S1、实心棒材坯料加热：将实心棒材坯料放置于加热炉1中加热到穿孔所需温度并保温一段时间，用于后续穿孔轧制制备外层管。
S2、顶杆穿入内层管：准备内层管并进行表面处理，通过送料架送入穿孔装置的内层管受料槽，利用驱动单元驱动全自动三爪卡盘4032的卡爪同步前移，使挡管器的孔型直径小于内层管外径以限制内层管向前滑动，连接顶杆402的穿孔小车前移，将顶杆402穿入内层管，穿入完成后，驱动卡爪同步后退使挡管器的孔型直径张开至内层管能够通过，随即穿孔小车继续前移，将套有内层管的顶杆402送至穿孔位置，卡爪同步前移，使挡管器的孔型直径介于顶杆直径和内层管外径之间，之后安装顶头403，具体过程为将顶头凸台4011插入两个顶杆凸台4021之间的凹槽4022后旋转顶头401使顶头磁吸柱4012与顶杆磁吸柱4023接触完成顶头安装。步骤S1和步骤S2中根据成品管的尺寸要求，选取合适尺寸的实心棒材坯料以及内层管。
S3、穿孔轧制并套装：将加热后的实心棒材坯料通过第一送料机运送至斜轧穿孔机的导料槽内进行穿孔轧制，之后实心棒材坯料在轧辊的作用下穿过顶头并包覆在内层管上直接热装得到复合管坯；穿孔轧制完成后，旋转顶头使顶头磁吸柱与顶杆磁吸柱错位后继续向上旋转顶头将顶头与顶杆分离，然后保持挡管器的孔型直径介于顶杆直径和内层管外径之间，穿孔小车后退，利用挡管器将顶杆从复合管坯中抽出，获得复合管坯，复合界面在高温下实现冶金结合。
S4、三辊斜轧强化复合：按照目标复合管的孔径，选用合适直径的芯棒并调整斜轧辊和导板的位置，通过中间送料机将复合管坯运送至三辊斜轧机组的进料口，采用在线补温装置6对复合管坯进行补温加热后，穿入芯棒并进行三辊斜轧复合，获得目标尺寸的高强冶金结合无缝金属复合管，将无缝金属复合管通过第二送料机送到下一工序。步骤S4中穿孔的同时向顶杆内通入惰性保护气体，并从顶头周向布置的出气孔喷出。
具体实施例
本实施例生产了一种无缝金属复合管，其生产方法包括如下步骤：
S1、实心棒材坯料加热：根据成品管的尺寸要求，选用合适尺寸的45钢实心棒材坯料，放置于加热炉1中加热到1200℃并根据需要保温一段时间，本实施例中保温2h，之后用于后续穿孔轧制制备外层管10。
S2、顶杆穿入内层管：准备合适尺寸的内层管材坯料并进行表面处理，然后通过送料架送入穿孔装置4的内层管受料槽404，实际应用中，内层管9一般采用成品内层管，本实施例采用304不锈钢制备的内层管。通过液压、气动等方式驱动全自动三爪卡盘4032的卡爪40322同步前移，使挡管器403的孔型直径小于内层管外径以限制内层管向前滑动，然后连接顶杆402的穿孔小车406前移，将顶杆402穿入内层管，穿入完成后，驱动卡爪40322同步后退使挡管器403的孔型直径张开至内层管9能够通过，随即穿孔小车406继续前移，将套有内层管9的顶杆402送至穿孔位置，卡爪40322同步前移，使挡管器403的孔型直径介于顶杆直径和内层管外径之间，之后安装顶头401。确保穿孔时内层管9不向后滑动而影响复合管坯的制备，顶杆穿入内层管的过程如图4所示。
S3、穿孔轧制直接套装：将加热好的实心棒材坯料通过第一送料机2运送至斜轧穿孔机3的导料槽内进行穿孔轧制，穿孔轧制的同时向顶杆402内通入N2等惰性保护气体，并从顶头401周向布置的出气孔喷出。轧制过程中，内层管9与外层管10均处于高温状态，向顶杆的输气管道内通入惰性保护气体，并从顶头的出气孔喷出，对顶头和复合管坯进行冷却，并使惰性保护气体保证穿孔轧制获得的高温状态下的外层管10内表面和内层管9外表面不被氧化。实心棒材坯料在轧辊的作用下穿过顶头401并直接热装包覆在内层管9上得到复合管坯。穿孔轧制完成后，保持挡管器403的孔型直径介于顶杆402的直径和内层管9的外径之间，然后穿孔小车406后退，利用挡管器403将顶杆402从复合管坯中抽出，获得用于生产无缝金属复合管的复合管坯，复合界面在高温下实现冶金结合。顶杆从复合管坯中抽出的过程如图6所示。
S4、三辊斜轧强化复合：按照设定的目标复合管的孔径，选用合适直径的芯棒并调整好斜轧辊和导板的位置，通过中间送料机5将复合管坯运送至三辊斜轧机组7的进料口，利用在线补温装置6检测复合管坯温度并根据目标轧制温度实时对复合管坯进行补温加热后，穿入芯棒并进行三辊斜轧复合，获得目标尺寸的高强冶金结合无缝金属复合管，制得的无缝金属复合管通过第二送料机8送到下一工序，进行后续的定径及矫直等。最终获得45/304复合管，其界面结合良好，壁厚均匀，实现了高强度冶金结合。
另外在其余实施例中，通过改变斜轧穿孔机的压下率和顶头直径，可灵活生产出不同尺寸即不同直径、壁厚和内径的外层管，从而能够搭配不同尺寸的内层管，可以用于生产不同规格的系列无缝金属复合管，实现产品尺寸的多规格生产。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种无缝金属复合管直接热装轧制复合设备，其特征在于：其包括依次设置的加热炉、第一送料机、斜轧穿孔机、穿孔装置、中间送料机、在线补温装置、三辊斜轧机组和第二送料机；加热炉用于对实心棒材坯料进行加热，第一送料机用于将加热后实心棒材坯料输送至斜轧穿孔机，穿孔装置用于将顶杆穿入内层管并将套有内层管的顶杆送至斜轧穿孔机的穿孔位置后安装顶头，斜轧穿孔机用于使加热后实心棒材坯料进行穿孔轧制获得外层管并使外层管穿过顶头后包覆在内层管上直接热装得到复合管坯；中间送料机用于将复合管坯运送至三辊斜轧机组的进料口，三辊斜轧机组用于在线补温装置对复合管坯进行补温加热后，穿入芯棒并进行三辊斜轧复合，第二送料机用于将无缝金属复合管送至下一工序；
穿孔装置包括依次沿穿孔轴线布置的顶头、顶杆、挡管器、内层管受料槽、导轨以及穿孔小车，穿孔小车放置在导轨上；顶头和顶杆内部具有输气管道，顶头周向均匀布置有出气孔，挡管器包括底座和全自动三爪卡盘，全自动三爪卡盘固定在底座上且能够调节挡管器的孔型直径；内层管受料槽用于放置表面处理后的内层管；
将顶杆穿入内层管使内层管套装在顶杆上，该过程中，调节挡管器的孔型直径小于内层管外径，防止顶杆穿入时内层管向前滑动；
顶杆套入内层管后调节挡管器的孔型直径大于内层管外径后将套有顶杆的内层管送至斜轧穿孔机的穿孔位置后安装顶头；
所述顶头内端部的中间开设有凹孔，凹孔的侧壁上均匀设置有多个顶头凸台，顶头凸台的外表面与顶头的外表面位于同一水平面，所述顶头内端部的外表面上均匀设置有与顶头凸台数量一致且位置对应的顶头磁吸柱；所述顶杆外端部的中间设置有能够伸入凹孔的凸柱，凸柱的外表面均匀设置有多个顶杆凸台，所述顶头凸台能够伸入相邻两个顶杆凸台之间的凹槽内，相邻两个顶杆凸台之间均设置有一个与顶头磁吸柱配合的顶杆磁吸柱，所述顶头凸台插入两个顶杆凸台之间的凹槽后旋转所述顶头使顶头磁吸柱与顶杆磁吸柱接触完成顶头安装；
顶头安装完成后对加热后实心棒材坯料进行穿孔轧制获得外层管并使外层管穿过顶头并包覆在内层管上直接热装得到复合管坯，之后旋转顶头使顶头磁吸柱与顶杆磁吸柱错位后继续向上旋转顶头将顶头与顶杆分离，并将顶杆从复合管坯中抽出，该过程中，调节挡管器的孔型直径介于顶杆直径和内层管外径之间，防止穿孔时内层管向后滑动且穿孔轧制获得复合管坯后能使顶杆从复合管坯内部抽出并阻止内层管随顶杆一起抽出。
2.根据权利要求1所述的无缝金属复合管直接热装轧制复合设备，其特征在于：在线补温装置包括电磁感应线圈和红外测温仪，电磁感应线圈和红外测温仪均布置在三辊斜轧机组的轧制轴线上。
3.根据权利要求1所述的无缝金属复合管直接热装轧制复合设备，其特征在于：全自动三爪卡盘包含驱动单元、卡盘主体和三个周向间隔120°布置的卡爪，驱动单元驱动三个卡爪同步运动实现挡管器的孔型直径大小的无极调节；
根据不同内层管外径，全自动三爪卡盘能够对挡管器的孔型直径进行调节，实现不同尺寸管材的坯料制备，且实现顶杆穿入内层管、实心棒材坯料穿孔套装内层管、顶杆从复合管坯抽出过程中的限位。
4.根据权利要求3所述的无缝金属复合管直接热装轧制复合设备，其特征在于：所述顶头凸台与顶杆凸台均设置有三个，所述顶头凸台为长条型，所述顶杆凸台为L型。
5.根据权利要求1所述的无缝金属复合管直接热装轧制复合设备，其特征在于：穿孔轧制时，内层管与外层管套装后均处于高温状态，向顶杆的输气管道内通入惰性保护气体，并从顶头的出气孔喷出，对顶头和复合管坯进行冷却，并利用惰性保护气体防止穿孔轧制获得的高温状态下的外层管内表面和内层管外表面氧化。
6.根据权利要求1所述的无缝金属复合管直接热装轧制复合设备，其特征在于：所述顶头直径等于或大于内层管的外径，以使穿孔轧制得到的外层管能够包覆在内层管上。
7.一种基于权利要求1所述的无缝金属复合管直接热装轧制复合设备的无缝金属复合管直接热装轧制复合方法，其特征在于：其包括如下步骤：
S1、实心棒材坯料加热：将实心棒材坯料放置于加热炉中加热到穿孔所需温度并保温，用于后续穿孔轧制制备外层管；
S2、顶杆穿入内层管：准备内层管并进行表面处理，通过送料架送入穿孔装置的内层管受料槽，利用驱动单元驱动全自动三爪卡盘的卡爪同步前移，使挡管器的孔型直径小于内层管外径以限制内层管向前滑动，连接顶杆的穿孔小车前移，将顶杆穿入内层管，穿入完成后，驱动卡爪同步后退使挡管器的孔型直径张开至内层管能够通过，随即穿孔小车继续前移，将套有内层管的顶杆送至穿孔位置，卡爪同步前移，使挡管器的孔型直径介于顶杆直径和内层管外径之间，之后将顶头凸台插入两个顶杆凸台之间的凹槽后旋转所述顶头使顶头磁吸柱与顶杆磁吸柱接触完成顶头安装；
S3、穿孔轧制并套装：将加热后的实心棒材坯料通过第一送料机运送至斜轧穿孔机的导料槽内进行穿孔轧制，之后实心棒材坯料在轧辊的作用下穿过顶头并包覆在内层管上直接热装得到复合管坯；穿孔轧制完成后，旋转顶头使顶头磁吸柱与顶杆磁吸柱错位后继续向上旋转顶头将顶头与顶杆分离，保持挡管器的孔型直径介于顶杆直径和内层管外径之间，穿孔小车后退，利用挡管器将顶杆从复合管坯中抽出，获得复合管坯，复合界面在高温下实现冶金结合；
S4、三辊斜轧强化复合：按照目标复合管的孔径，选用合适直径的芯棒并调整斜轧辊和导板的位置，通过中间送料机将复合管坯运送至三辊斜轧机组的进料口，采用在线补温装置对复合管坯进行补温加热后，穿入芯棒并进行三辊斜轧复合，获得目标尺寸的高强冶金结合无缝金属复合管，将无缝金属复合管通过第二送料机送到下一工序。
8.根据权利要求7所述的无缝金属复合管直接热装轧制复合方法，其特征在于：步骤S4中穿孔的同时向顶杆内通入惰性保护气体，并从顶头周向布置的出气孔喷出。
9.根据权利要求7所述的无缝金属复合管直接热装轧制复合方法，其特征在于：步骤S1和步骤S2中根据成品管的尺寸要求，选取合适尺寸的实心棒材坯料以及内层管。
10.根据权利要求7所述的无缝金属复合管直接热装轧制复合方法，其特征在于：通过改变斜轧穿孔机的压下率和顶头直径能够得到不同尺寸的外层管。
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