钢管工艺

压力加工工艺学－钢管生产材料与冶金学院1概述1.1钢管的特性与分类：一、钢管的概念与特性钢管的概念：凡是两端开口并具有中空封闭型断面，且长度与断面周长成较大比例的钢材，统称为钢管。而比值较小的钢材称为管段或管件。钢管的特性：（1）输送流体：具有封闭的中空几何形状，可以作为液、气体及固体的输送管道；（2）做结构件：在同样重量下，钢管相对于其他钢材具有更大的截面模数，也就是说它具有更大的抗弯、抗扭能力，属于经济断面钢材、高效钢材。二、钢管的分类1按生产方式分类（1）热加工管（无缝钢管）：热轧穿孔、挤压、P.P.M（压力穿孔）、冲压法；（2）焊管（有缝钢管）：包括直缝钢管与螺旋焊管；（3）冷加工管：冷轧、冷拔和冷旋压2按产品尺寸分类（1）特厚管：D/S≤10；（2）厚壁管：D/S＝10～20（3）薄壁管：D/S＝20～40（4）极薄壁管：D/S≥403其它分类（1）用途：管道用管、结构管、石油管、热工用管等；（2）材质：普通碳素钢管、碳素结构钢管、合金钢管、轴承钢管、不锈钢管等；（3）横断面形状：圆管、异型钢管；（4）纵断面形状：等断面、变断面异型钢管示例天津钢管Φ250限动芯棒连轧管机组宝钢Φ140连轧管机组1．2钢管生产的基本方法钢管生产的一般模式为：坯料→成型→精整→一次成品→再加工→二次成品。一般以产品的要求确定生产工艺、选择生产设备，同时对工艺、设备不断改造更新以适应产品不断提高的要求。按照成型的不同可以分成无缝管生产和有缝管生产，而冷加工属于管材的二次生产。热轧无缝管：实心管坯→穿孔→延伸→定(减)径→冷却→精整。焊管：板带坯料→成型(管筒状)→焊接成管→精整。1.3钢管的技术要求与发展趋势⑴对多种腐蚀介质的高抗蚀性、对高温强度和低温韧性的要求越来越高，使得管材产品的化学成分不断变化，冶炼、加工工艺不断改进；⑵管材产品尺寸(壁厚精度)、形状精度的要求促使在线检测、自动控制技术不断进步；⑶对管材产品成本降低的要求使得其生产过程向短流程、近终成型方向发展。⑷对管材产品要求总的趋势是优质、廉价、高效、低耗。自动轧管机组生产工艺：（冷定心）加热管坯→加热→热定心→穿孔→轧管→均整定径再加热→减径→冷却→矫直→切管→热处理→检查→入库2热轧无缝钢管生产连轧管机组坯料加热热定心穿孔空减连轧切头、尾再加热高压水除鳞张力减径冷却切头、尾矫直无损探伤表面检查入库三辊轧管机组坯料加热热定心冷定心加热穿孔再加热高压水除鳞定（减）径冷却切断（或分锯）矫直热处理表面检查包装、入库三辊轧管2．1管坯的制备一、根据穿孔方式、轧管方法及制管材质的不同，一般采用以下四种坯料：(1)连铸圆坯：是目前国际上应用较多的坯料，也是衡量一个国家钢管生产技术水平的标志之一。其具有成本低、能耗少、组织性能稳定等特点，是管坯发展的主流，也是钢管实现连轧的首要条件。(2)轧坯：一般为圆坯，生产中也经常使用。(3)铸(锭)坯：主要有方(锭)坯，用于P.P.M轧制方式(或压力穿孔)。(4)锻坯：用于穿孔性能较差的合金钢与高合金钢管的生产。管坯技术标准按国家或企业的技术标准执行，包括化学成分、断面形状、几何尺寸、内部组织、机械性能等因素。二、坯料定尺长度的确定LpDpL0D0S0△L/2△L/2LLkLp0总kLLLP总0K:烧损系数0.97~0.995（合金钢取上限，碳钢取下限）000220002200220)(444)2(444SSDDSSDDSDDDFFpppppπππ总20000)()(4PPDkSSDLLLPPFkSSDLnLL0000)()(π或思考题：成品管φ146×15×5000mm，10＃钢，用φ150坯轧制，问坯长选多少？式中：LP:管坯长度；FP:管坯横断面；n：热轧管的倍齿数（根）；D0,S0:成品管外径、壁厚；L0:成品管长；△L:切头尾长（合金钢250～碳钢450mm)三、坯料的截断方式一般有四种：⑴剪断：适用于中小断面的管坯，生产效率高，费用低，但管坯易被压扁(现场，一般压扁度不超过8～10%，切斜度不超过6mm)，对于易产生裂纹的管坯(如GCr15等)，应预热200℃～300℃。⑵火焰切割：适合大断面、合金钢等管坯，操作方便，费用低，但金属损耗大(烧损、氧化)，断面质量差。⑶折断：适合Dp＞φ140mm或σb＞60Kg/mm2管坯。先在要折断处切口，然后放入折断压力机中折断，支点间距一般为(4～5)Dp。⑷锯断：适合小断面管坯，合金钢及高合金钢等；是切断质量最好的方法。四、剪切力计算FKKFKPb211maxK1:磨钝系数（鞍钢1.3）K2=τ/σb=0.6(碳钢)~0.8(合金)思考题：在1000吨剪切机上冷剪20＃管坯，最大直径是多少？（20＃：σb=490.5MPa）2．2管坯的加热及定心一、管坯加热加热目的：提高塑性，降低变形抗力，为穿孔和轧管准备良好的加工组织，改善金属的性能。坯料加热一般遵循三个原则：⑴温度准确，确保可穿性最好的温度；⑵加热均匀，纵向、横向都均匀，内外温差不大于30～50℃，最好小于15℃；⑶烧损少，并且不产生有害的化学成分变化(C↑或C↓)。加热温度的确定：（1）加热温度在Fe-C相图中的单相奥氏体区AC3线以上30～50℃，固相线以下100℃。即：在800～1300℃选取，号钢一般1200℃左右。（2）加热温度考虑坯料的化学成分a)加入Mn、Ni、Co能无限固溶于γ-Fe,奥氏体区扩大，固相线上移，加热温度可提高；b)加入W、Mo、V、Nb等高熔点元素，加热温度可提高；c)加入Mg、Al、Cu等低熔点的元素，加热温度可降低。（3）加热温度考虑坯料尺寸大小大坯料在同样条件下温度应取上限，以提高加热速度。（4）加热温度考虑工艺条件a)GCr151%C(高碳钢)，1.5%Cr(硬、耐磨)，在允许温度范围内取下限，防止脱碳；b)硅钢希望脱碳，加热温度可提高；c)超低碳不锈钢（00Cr18Ni9Ti），用于核潜艇，碳含量越低越耐腐蚀，希望脱碳，加热温度应高些。d)穿孔时要温升（50～80℃），塑性差的温升大，塑性好的温升小。加热时间的确定：τ＝Kjr·Dp（s）Dp:管坯直径（方坯以边长计），mm；Kjr：管坯单位加热时间（加热速度），s/mm(直径)；与钢种和设备有关：环形炉：碳钢：Kjr＝30～33s/mm;一般合金钢：Kjr＝36～48s/mm;不锈钢、高合金钢：Kjr＝42～60s/mm;环形加热炉（1）环形炉的结构(2)环型加热炉的优、缺点优点：1）适合加热圆形管坯，适应多种不同直径和长度的复杂坯料；2）管坯加热时间短、受热均匀、加热质量好；3）炉底转动，坯料与炉底无相对滑动，氧化铁皮不易脱落，且炉子装出料炉门在一侧，密封好，冷空气吸入少、氧化铁皮少；4）管坯放置位置灵活（可放料也可空出），便于更换管坯规格，操作灵活。5）机械化和自动化程度高。缺点1）炉子占用车间面积大；2）管坯在炉底上呈辐射状间隔布料，炉底面积的利用较差；3）炉子结构复杂，维修困难，造价高。环形炉的小时产量（吨/小时）X=A/τA:装炉量；τ：加热时间A=n·（3600－α）/θ·Gα：装出料夹角（300）θ：布料角（θ＝1.5~2.0,直径大取大值）n:装料排数G:坯料的单重αθD中思考题：计算1Cr18Ni9Ti,φ110╳1800的坯料在中径为17m炉宽4400mm的环形炉中加热，问小时产量是多少？二、管坯定心（1）管坯定心：是指在管坯前端面钻孔或冲孔。（2）定心目的：使顶头鼻部正确地对准管坯轴线，防止穿孔时穿扁；减小毛管壁厚不均；改善二次咬入条件。（3）定心方式：a：热定心：效率高，应用广；b：冷定心：效率较低，仅用于穿孔性能较差的钢材，如高合金钢、高碳钢及重要用途的钢材。（4）定心参数：二辊斜轧时1）定心孔直径：d=(0.15~0.25)Dp，大体上等于管坯在穿孔时受复杂应力作用产生的中心疏松区的直径；2）定心孔深度：a)碳素钢s=7～10mm，以减少前端壁厚不均；b)高合金钢等s=20~30mm，以改善二次咬入条件；c)对可穿性极低的钢材，可钻通。2．3无缝钢管的穿孔工艺坯料穿孔的目的：是将实心的管坯穿制成符合要求的空心毛管。根据穿孔中金属流动变形特点，可将穿孔方法分类如下。管坯穿孔圆轧坯圆连铸坯方轧坯方铸坯多角锭斜轧穿孔三辊斜轧二辊斜轧曼乃斯曼穿孔机狄舍尔穿孔机菌式穿孔机盘式穿孔机纵轧穿孔P.P.M轧机(不用多角锭)压力穿孔一、穿孔机（1）曼乃斯曼穿孔机：它是由两个相对于轧制线左右倾斜布置的主动轧辊、两个上下布置固定不动的导板及一个位于中间固定不动的顶头构成了一个“环形封闭的孔型”。实心坯料经过此“孔型”后成了中空的管体。2．3．1穿孔机的主要种类及穿孔变形区曼乃斯曼穿孔机的环形孔型图1－轧辊；2－导板；3－顶头；4－顶杆；5－管坯；6－毛管德国曼乃斯曼（Mannesmann）兄弟发明的，瑞士工程师斯蒂弗尔（R.CStiefeil）加以完善。曼乃斯曼穿孔机的特点：①对心性好，毛管壁厚较均匀，延伸系数μ=1.25～4.5；②穿孔时的变形及应力状态条件较差，毛管内外表面易产生缺陷；③轧制中旋转横锻效应大附加变形严重，能耗大；④受电机驱动条件限制，送进角较小(α＜13°，故轧制速度不快）。送进角：轧辊轴线与轧制线在包含轧制线的垂直平面上投影之间的夹角。图4－15100穿孔机设备布置简图1．受料槽；2.气动进料机；3.齿轮联轴节；4.主电机；5.减速齿轮座；6.万向连接轴；7.扣瓦装置；8.穿孔机工作机座；9.翻料沟；10.顶杆小车；11.至挡架；12.定心装置；13.升降辊；14.顶头；15穿孔机轧辊曼乃斯曼穿孔机的布置（2）狄舍尔穿孔机特点：①主动导盘的圆周线速度(2.1～2.3m/s)大于毛管的出口速度(1.1～1.2m/s)，使其生产效率提高了(从0.7提高到0.8以上)；②在送进角(原始位置α=13°，可在8～13°内调节)α15°的范围内，金属的可穿性可提高20%以上；③轧辊上下布置并采用双传动机构，较好的解决了大送进角穿孔机的主传动布置问题，使万向接轴始终在小倾角条件下工作，既运动平稳又不易磨损；④导盘比导板的寿命高4倍；⑤高穿孔速度使顶头受热负荷的时间短，因而提高了顶头的使用寿命；⑥可穿长的薄壁管；⑦导盘的造价低，约为导板的1/8。(3)双支撑的菌式穿孔机双支撑菌式穿孔机示意图特点：1）轧辊轴线除与轧制线倾斜一个送进角α外，还有一个辗轧角φ。2）导向工具可用导板或导盘。3）轧辊呈锥形，其直径沿穿孔变形区逐渐增大。1从而有利于变形区中轧辊与轧件间的速度(轴向、切向)能较好的匹配，减轻了变形区中金属的堆积，促进延伸，提高了穿孔效率和可穿性。2)减少了扭转变形和横向剪切变形，从而减少了内外表面缺陷发生的几率。(4)三辊穿孔机第一台工业三辊穿孔机于1965年投产。它与二辊斜轧穿孔区别在于：它以三个主动轧辊和一个顶头构成“封闭的环形孔型”，三个主动轧辊呈120°布置，各自与轧制线呈一送进角。特点：1）优点：①扩大了可穿钢种的范围。②改善了毛管的内外质量(无导板划伤及中心撕裂问题)。③提高了穿孔效率(比二辊高15～20%以上)。④减少了单位能耗(比二辊小33～40%)。⑤更换毛管规格方便。⑥毛管尺寸比较稳定(各毛管之间、同一毛管头尾之间尺寸差比二辊小)。2）缺点：①不能穿制薄壁管，通常Dm/δm＜14，否则会出现尾三角缺陷。②顶头寿命是薄弱环节(顶头轴向阻力较大，Q/P≈0.4～0.5，顶头鼻部的单位压力比二辊大15%左右)。③三辊穿孔时有可能出现毛管分层缺陷。（5）推轧穿孔推轧穿孔法(Press－PiercingMill，简称P.P.M)是一种直接以连铸方坯为坯料生产毛管的方法。由瑞士人A.H.Calmes于1957年开始研究发明的，1977年正式投产。特点1）优点：①可穿连铸方坯，降低成本②毛管表面质量好(主要是中心部分变形，使粗大疏松的组织得到加工而变得致密；同时在三向压