冶金行业轧管培训教材

第五章毛管轧制毛管轧制管坯穿孔毛管轧制：热轧无缝钢管的主要变形工序1.减壁：使毛管壁厚接近/达到成品管壁厚，S↓；2.减径：减少外径D↓；3.消除毛管的纵向壁厚不均、提高荒管内外表面质量、控制荒管外径和真圆度。轧管方法如下图所示：•其中斜轧法轧管的工艺设备和变形基本上与斜轧穿孔/延伸相似，故本章主要讨论毛管纵轧。5.1自动轧管机及其轧管过程瑞士人1903年发明第一套2.自动轧管机轧管过程结构：•工作机座为二辊不可逆式纵轧机；•在工作辊后设置一对高速反向旋轧的回送辊；•快速升降机构（上工作辊、下回送辊）：轧后的荒管回送到前台图5－4：环形孔型：圆孔型（2－5个）轧辊＋锥形/球形顶头。•毛管轧制：两道次（低于950°会轧破）→变形量的分配由两道顶头的直径来调整。自动轧管机轧管过程•过程：第一道后→快速提升上工作辊：打开孔型→快速提升下回送辊（40－80mm）：夹持轧后荒管，将其快速回送到轧管机前台，并翻转90°→工作辊恢复到原位，回送辊恢复到打开位置→第二道轧制→再回送到前台→翻料装置移出轧制线→均整•第二道次作用：消除第一道次的壁厚不均，特别是辊缝部位，需要翻钢再轧，还有就是消除螺旋。•第一道：1.3－1.8；第二道：1.05－1.25高Cr铸铁3.自动轧管变形过程a.变形区组成：•减径区l1（轧管准备区）：轧辊咬入毛管（一次咬入）→接触顶头为止；•减壁区l2：顶头穿入毛管（二次咬入）→外表脱离轧辊为止。b.轧管变形过程：根据变形特点分为三个阶段①压扁变形阶段：减径区四点接触→高向压缩、横向宽度↑。②减径变形阶段：壁厚↑：特别是开口处大③减壁变形阶段：开始接触顶头！辊型和顶头组成的环状间隙↓为什么自动轧管机壁厚不均？孔型开口处变形小，壁较厚，且受附加轴向拉应力的作用（横裂）；而孔型顶部变形大，壁较薄→导致横向壁厚不均。设置均整工序：壁厚不均→穿孔后：18－20％；轧管第一道后：50－60％；第二道后：20％左右；均整后：8－12％。b＞a（a＜Dm）为什么b＞a？孔型！！：带侧壁开口的圆孔型或椭圆孔型，其b＞a。a的作用：压下使钢管延伸，因此，a＜Dm。b的作用（孔型侧壁）：主要是保证毛管的正常咬入，同时有横向宽展的余地，防止产生耳子和划伤毛管。如果采用正圆孔型，即没有侧壁，b＝a，则b＜Dm，无法被孔型咬入，会啃伤毛管。b↑，椭圆度↑：易咬入、防耳子；但增加壁厚不均。延伸小可采用小椭圆度。10.轧管机工具材质工作辊---铸铁：无限冷硬铸铁、球墨铸铁、冷硬球墨铸铁回送辊---锻钢：退火后的中碳锻钢→f↑、回送↑顶头---铸钢：Cr32Ni5、Cr15Ni2等镍铬铸钢变形过程：变形量小、变形区长→主要改善质量•减径区：短、咬入荒管；•减壁区：轧辊轴线与轧制线倾斜，内表面与顶头表面间隙逐渐减小→压缩壁厚；•辗轧区：精整管壁；•归圆区：圆正荒管5.3连续式轧管机毛管套在长心棒上，多机架顺次排列，且轧辊互错90°。1.MM（MandrelMill）连轧管机：心棒随同管子自由运动→浮动芯棒2.MPM（Multi－StandPipeMill）：心棒限动、速度可控→限动芯棒限动芯棒连轧管机MPM=Multi-StandPipeMill中国第一套限动芯棒连轧管机组，引进自意大利，于1992年在天津钢管集团股份有限公司投产。经技术改造，天津钢管集团的Φ250mm限动芯棒连轧管机组已经由设计年产能力50万吨，扩大到现在的年产能力100万吨。限动芯棒连轧管机是在浮动芯棒连轧管机的基础上发展起来的。限动芯棒连轧管机于20世纪60年代中期进行了工艺试验并获得了可喜的成果。1978年世界上第一套限动芯棒连轧管机在意大利达尔明钢管厂建成投产，将连轧管工艺发展到了一个新的水准。限动芯棒连轧管机在整个轧制过程中对芯棒的运行加以控制，使其以设定的恒定速度前进，轧制过程结束时，由脱管机将荒管与芯棒分离后，荒管被移送到下道工序进一步加工；芯棒则返回，拨出轧制线后，冷却、润滑后循环使用。MPM使得钢管壁厚偏差得到改善，工具、能耗有所降低，将连轧管机轧制钢管的最大外径由194mm扩大到426mm。MPM一经问世，因其在技术、产量、质量、自动化和劳动生产率等诸方面的突出优势，引起了无缝钢管界的广泛关注并得到认同和推崇，目前已使其在除大洋州以外的五大洲得以迅速的推广应用；特别是1978年到1992年间的前15年，受当时石油产业对油井管需求旺盛的影响，促使了MPM技术的飞速发展，相继建成投产了10套限动芯棒连轧管机组，从第二套到第十套仅用了10年的时间。序号机组名称厂名国家投产年份设计年产量（/万吨）成品管规格DXS(mm)机架数365mm达尔明厂意大利197850159～365X3.5～258245mm京滨厂日本198360114～245X4.5～408273mm坦姆萨厂墨西哥198360114～273X4.5～407245mm费尔菲尔美国19836089～245X5.4～327245mm北方星钢厂美国198730114～2457245mm阿尔戈马厂加拿大19863048～178X3.6~327245mm希德尔卡厂阿根廷198835140～273X4.5~356245mm西多厂委内瑞拉1990－114～245X4.5～35－426mm伏尔加钢管厂俄罗斯199072114～245X4.5～35159～426X6.0～35.07250mm天津钢管集团中国199250114～273X4.5～357限动芯棒连轧管机（MPM机组）是二十世纪末期世界上最先进的轧管工艺。自从2003年，天津钢管集团股份有限公司投产了世界上第一套PQF（三辊限动芯棒连轧管机）机组后，PQF已经取代了MPM的位置，成为了世界上对先进轧管工艺的代名词。MPM连轧管机在PQF出现以前，都是两辊式的，即由两个轧辊为一组组成孔型,两个轧辊相互平行，相邻两个孔型的辊缝相错90°；PQF为三辊式的，即由三个轧辊为一组构成孔型，三个轧辊互成120°，相邻两个孔型的辊缝相错60°；使上一架孔型的槽底对应下一架孔型的槽顶。1.MM轧管机组特点①结构：8－9架二辊式轧机，轧辊轴线与地面成45°，相邻机架轧辊轴线互相垂直，机架采用高刚度的预应力轧机②直流电机单独传动，提高轧机转速调节响应度③后配有现代张力减径机④新的电控技术优点：•生产率高，达75万吨；•钢管质量及尺寸精度高；•可轧长33m长的荒管，减径后可达165m；•变形量大，μz可达5，可轧厚壁毛管，减小穿孔变形量；•自动化程度高；•成本低，消耗低，折旧费小，适合生产小口径无缝钢管缺点：•一次投资费用大•大直径心棒加工、储存及维修难，Φ168mm以下小口径管•不适合生产高合金钢管•脱棒问题：不适合太薄、太厚、太长的钢管生产2.MM轧管轧制特点•变形特点：壁厚均匀（后一架消除前一架）每架轧制：孔型顶部：受压→轴向延伸、圆周横向宽展；孔型侧壁：不接触心棒→受孔型顶部轴向延伸的附加拉压力作用→轴向延伸、周向拉缩故：顶部金属宽展与侧壁金属的拉缩保持一定关系时，孔型正常充满。根据塑性理论：孔型才正常充满•过充满：耳子、飞翅•欠充满：使荒管断面呈四角/八角形•随后机架也会过充满（连锁反应）•最佳：3.MM运动特点心棒：轴向仅受轧件摩擦力作用，处于全浮动状态。金属速度逐架升高，而芯棒为刚体，某一时刻只有一个速度，芯棒速度Vt＝各架金属速度的平均值，为中性面a.入口－中性面：金属速度＜心棒速度→金属后滑b.中性面－出口：前滑连轧管机轧管过程：1.咬入阶段：毛管依次进入各架轧机建立连轧过程，心棒运动速度、中性面位置随各架咬入跳跃性地增大。2.稳定轧制阶段：连轧过程建立、心棒速度及中性面处于某一稳定位置。3.抛钢阶段：毛管尾端逐架离开，金属平均速度↑、心棒运动速度跳跃性增加，中性面向出口侧移动。金属与心棒相对滑动，心棒长度方向上摩擦力分布不一，对金属变形有以下影响：1.使金属内表面受切向应力作用，利于延伸，毛管横截面↓，但不均匀。2.摩擦力使金属向心棒中性面移动，使该截面面积增加。3.心棒中性面：，摩擦力使压应力↑→轧制力↑→轧机弹跳↑→轧后断面↑；•中性面两侧：相对滑动↑→轧制力↓→轧机弹跳↓→轧后断面↓。4.竹节缺陷怎样产生的？结论心棒中性面处轧件断面大＞设定值。1.稳定轧制：毛管各截面通过心棒中性面的机率相同→轧后荒管断面尺寸一致。2.咬入、抛钢阶段：心棒中性面位置变化，毛管各截面通过中性面的几率不同→几率大的截面轧后断面尺寸大（壁厚与外径大）→连轧管时出“竹节”缺陷。1.德国和日本：管端增厚电控技术，一套附加电控装置，使前三架动态校准，使各架管子出口速度不变，减轻了“竹节”。2.前苏联：机械方法控制荒管头尾增厚，当管子通过头尾倒数2-3架时，临时加大压下量；当管子中部通过时，恢复正常，这种方法可使头尾增厚限制在0.15-0.2mm范围内。6.连轧管过程采用何种张力制度？张力轧制：助于延伸变形，减小横向变形；但易使管子抱心棒、脱棒困难。推力轧制：不利延伸、横向变形↑→荒管横向壁厚不均→荒管呈竹节形。理想：无张力、无推力的自由状态连轧。实际：心棒的存在无法使用活套协调各架间的金属秒流量；孔型内不均匀变形产生干扰性的纵向张力。故：要使各架金属秒流量恒定不变无法实现。张力制度：张力逐渐减小→过渡到推力轧制！1.1－3架采用0.5－1％张力，中间机架0.5－0％张力：保证轧制稳定又不将心棒抱得太紧2.后几架采用0－1％的推力：利用脱棒。7.心棒•材质：铬钼圆钢：C：0.3－0.4％；Cr：4－6％；Mo：1.5－0.5％；V少量。•加工：粗车、精车（去直径2－4mm）、滚压、矫直、抛光（磨床/砂轮磨机）、调质处理、最终矫直。•加工精度±0.05mm，七级表面光洁度，淬火层厚度5－10mm，HRC为55－60；可返修2－5次，总轧出量1.2万根荒管。•心棒抽出后采用水冷，为防止出现表面龟裂，冷却水温控制为70－80℃。•润滑作用：变形均匀、能耗降低、横向壁厚不均↓、改善内表面质量、寿命提高。•润滑剂要求：减摩性好、附着力强、易于涂抹、不与金属反应、资源丰富无害。润滑剂：水溶性石磨油（含水53±3％）、石磨溶液（石磨20％、高分子聚合物15％、水）、重油与石磨混合剂（10：1）。预热心棒250－300℃，涂层厚度0.2－0.3mm。5.3三辊轧管机轧管（高精度厚壁管）阿塞尔（Assel）由美国人J.Assel研制，1935年第一台在美国轴承厂安装。生产＜Ф240mm的钢管，管长8-10m。结构：工作辊安装在两个机架上，一个机架固定不动，另一台围绕轧机中心线0-25度---实现送进角的同步调整，轧辊为锥形，辗轧角固定在3-7度。优点：生产厚壁管、尺寸精度高（外径±0.5％、壁厚±5－7.5％）、表面质量好、轧机调整方便、易变规格、轧管机工具消耗少、易实现自动化。缺点：生产效率低、需采用优质管坯，薄壁管生产难→轴承管、枪炮等高精度厚壁管。咬入段AB：毛管直径略减辗轧段BC：轧辊台肩处，减壁均整段CD和规圆段DE：平整加工、减少尾三角辊身：入口锥、辊肩、平整段、出口锥变形区：咬入（减径）区、减壁区、平整区、归圆区阿塞尔轧管机：只能轧Dc/Sc≤12的较厚钢管。轧更薄的荒管时，尾部会出现“尾三角”，轧制过程无法终了→出现新的特朗斯瓦尔轧管机来克服此问题，1967年法国专利。Trasval特朗斯瓦尔克服：1967年英法联合研发，变送进角和孔喉大小的新型三辊轧管机---Trasval特朗斯瓦尔。克服尾三角的措施1.Trasval轧管机机架的入口牌坊可以绕轧制线旋转，实现了轧制中变送进角，变轧制速度，在轧到薄壁管尾时快速转动机架，使送进角减小，孔喉增大。2.此外，在此外在三个轧辊的轴承座下安放了快速回退油缸，在轧到管尾时快速将轧辊抬起，直接增大孔喉直径。两个措施都是为轧到管尾时使管壁增厚，使D/S比值下降，从而避免出现管尾三角形而后卡。特朗斯瓦尔轧机的