无缝钢管的热轧工艺设计.docx

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无缝钢管的热轧工艺设计

无缝钢管

1.无缝钢管的制造加工方法：

（1）热轧（挤压无缝钢管）：

圆管坯→加热→穿孔→三辊斜轧、连轧或挤压→脱管→定径（或减径）→冷却→矫直→水压试验（或探伤）→标记→入库

（2）冷拔（轧）无缝钢管：

圆管坯→加热→穿孔→打头→退火→酸洗→涂油（镀铜）→多道次冷拔（冷轧）→坯管→热处理→矫直→水压试验（探伤）→标记→入库

2.热轧

（1）热轧的概念:

热轧（hotrolling）是相对于冷轧而言的，冷轧是在再结晶温度以下进行的轧制，而热轧就是在再结晶温度以上进行的轧制。

（2）热轧的优缺点

优点：

a.热轧能显著降低能耗，降低成本。

热轧时金属塑性高，变形抗力低，大大减少了金属变形的能量消耗。

b.热轧能改善金属及合金的加工工艺性能，即将铸造状态的粗大晶粒破碎，显著裂纹愈合，减少或消除铸造缺陷，将铸态组织转变为变形组织，提高合金的加工性能。

c.热轧通常采用大铸锭，大压下量轧制，不仅提高了生产效率，而且为提高轧制速度、实现轧制过程的连续化和自动化创造了条件。

缺点：

a.经过热轧之后，钢材内部的非金属夹杂物（主要是硫化物和氧化物，还有硅酸盐）被压成薄片，出现分层（夹层）现象。

分层使钢材沿厚度方向受拉的性能大大恶化，并且有可能在焊缝收缩时出现层间撕裂。

焊缝收缩诱发的局部应变时常达到屈服点应变的数倍，比荷载引起的应变大得多。

b.不均匀冷却造成的残余应力。

残余应力是在没有外力作用下内部自相平衡的应力，各种截面的热轧型钢都有这类残余应力，一般型钢截面尺寸越大，残余应力也越大。

残余应力虽然是自相平衡的，但对钢构件在外力作用下的性能还是有一定影响。

如对变形、稳定性、抗疲劳等方面都可能产生不利的作用。

c.热轧不能非常精确地控制产品所需的力学性能，热轧制品的组织和性能不能够均匀。

其强度指标低于冷作硬化制品，而高于完全退火制品;塑性指标高于冷作硬化制品，而低于完全退火制品。

d.热轧产品厚度尺寸较难控制，控制精度相对较差;热轧制品的表面较冷轧制品粗糙Ra值一般在0.5～1.5μm。

因此，热轧产品一般多作为冷轧加工的坯料。

3.轧机简介

在带钢热轧机上生产厚度为1.2～8mm成卷热轧带钢的工艺。

带钢宽度600mm以下称为窄带钢；超过600mm的称为宽带钢。

第一台带钢热连轧机于1905年在美国投产，生产宽200mm的带钢。

带钢热轧机的技术经济指标优越，发展很快。

在工业发达国家，1950年以前热轧宽带钢的产量约占钢材总产量的25%,70年代已达50%左右。

热轧带钢的原料是连铸板坯或初轧板坯，厚度为130～300mm。

板坯在加热炉中加热后,送到轧机上轧成厚1.00～25.4mm的带钢，并卷成钢卷。

轧制的钢种有普通碳钢、低合金钢、不锈钢和硅钢等。

其主要用途是作冷轧带钢、焊管、冷弯和焊接型钢的原料；或用于制作各种结构件、容器等。

轧机组成：

带钢热轧机由粗轧机和精轧机组成。

粗轧机组分半连续式、3/4连续式和全连续式三种:

①半连续式有一台破鳞（去掉氧化铁皮）机架和1台带有立辊的可逆式机架；②3/4连续式则除上述机架外，还有2台串列连续布置机架；③全连续式由6～7台机架组成。

精轧机组均由5～7台连续布置的机架和卷取机组成。

带钢热轧机按轧辊辊身长度命名,辊身长度在914mm以上的称为宽带钢轧机。

精轧机工作辊辊身长度为1700mm的，称为1700mm带钢热轧机，这种轧机能生产1550mm宽的带钢卷。

带钢热轧按产品宽度和生产工艺有四种方式：

宽带钢热连轧、宽带钢可逆式热轧、窄带钢热连轧以及用行星轧机热轧带钢。

  4.减径机的工艺原理及主要问题

在无缝钢管生产的三大机组——穿孔机组、轧管机组、定减径机组中，人们一直十分关注轧管机的研究，先后开发出自动轧管机组、顶管机组、新型顶管机组（CPE）、三辊轧管机组、连轧管机组（包括浮动芯棒MM、限动芯棒MPM和半浮动芯棒连轧管机组等）、AccuRoll轧管机组、改进型三辊轧管机组。

但对于穿孔机组，仅在20世纪80年代初才提出菌式穿孔机。

而定减径机一直使用二辊式和三辊式，直到20世纪90年代初才提出三辊可调式定径机技术。

新型三辊可调式定径机技术是为满足现代钢管生产高效、优质、低耗的要求而开发的，它的开发成功也为无缝钢管的生产注入新的活力。

X力减径机技术的发展

X减工艺主要特点是边连续多机架二辊或三辊无芯棒纵轧，采用适当的孔型系使毛管外径减缩，通过机架系列中轧辊速比的调节获得预定的壁厚变化。

20世纪40年代无缝管机组被美国和西欧所用，这时的X减机都是二辊式，到了20世纪50年代，西德曼乃斯曼公司成功地奕用了三辊式X力减径机，从而代替了二辊式。

X力减径机的作用

定径的目的是在较小的总减径率和小的单机减径率条件下，将钢管轧成一定要求的尺寸精度和真圆度，并进一步提高钢管外表面质量。

经过定径后的钢管，直径偏差较小，椭圆度较小，直度较好，表面光洁。

定径机工作机架数目较少，一般为3--12架总减径率约为3%到7%，增加定径机架数可扩大产品规格，给生产带来方便，新设计车间定径机架数一般都较多。

直径小于60mm的钢管，很难由轧管机轧成，而需要经过减径工序。

静静除具有定径相同的作用外，还要求有较大的减径率，以实现大管料生产小口径钢管的目的，也可用来生产异型管。

减径机的机架数一般较多，一般为5到24架。

减径机有两种形式：

（1）一般微X力减径机，作用就是减缩管径，生产机组不能轧制或加工起来很不经济的规格；

（2）X力减径机，作用不但减缩管径的外径，而且可以减小钢管的壁厚，既减径又减壁，使机组产品进一步扩大；并可适当加大来料的重量，提高减径率轧制更长的产品。

4.1X力减径机的形式

定径机的形式很多，按辊数可分为二辊、三辊、四辊式定径机；按轧制方式分为纵轧定径机和斜轧定径机。

斜轧定径机一般多配在三辊斜轧管机组中。

斜轧回转定径机的构造与二辊或三辊斜轧穿孔机相似，只是辊型不同。

与纵轧定径相比，斜轧定径的钢管外径精度高，椭圆度小，更换规格品种方便，不需要换辊，只要调整轧辊间距即可；缺点是生产率低。

减径机的形式很多，按辊数可分为二辊、三辊、四辊式减径机。

按机架X力大小可分为两种形式：

（1）微X力减径机，减径过程中壁厚增加，横截面上的壁厚均匀性恶化，所以总减径率限制在40%到50%；

（2）X力减径机，减径时机架间存在X力，使得缩径的同时减壁，进一步扩大生产产品的规格X围，横截面壁厚均匀性也比同样减径率下的微X力减径效果好。

总减径率最大可达75%到80%,减壁量一般可达35%到40%，总延伸系数可达9以上，机架数一般可达14机架。

钢管定径、减径的工艺原理

（1）压扁，开始咬入时由于孔型形状与毛管横剖面不相适应造成局部点接触，压扁便首先在此开始，特点是只有断面形状的变化，周长、薄厚无变化，无延伸。

（2）减径，随着压扁的发展孔型壁与轧件接触面不断增加，至一定程度后在径向接触应力作用下开始减径。

特点是平均直径减小，毛管出现延伸，壁厚有所增减。

因为孔型开口处金属沿径向流动的阻力较小，这里的壁厚较槽底为大，开始出现横剖面上的壁厚不均。

对于X力减径，不但减径，而且减壁，大大延伸。

4.21X力减径的优点、缺点

X力减径的优点：

（1）可以大大地减少减径前的钢管规格，提高轧管机组生产效率。

轧管机组只生产少数规格，而经X力减径后可以得到各种规格的成品钢管。

（2）可以减少前部工序生产工具的数量、提高机组作业率。

由于管坯和荒管规格的减少，工具、备品备件和更换时间大大减少，生产更加稳定，从而增加了作业时间。

（3）可以扩大品种规格。

减径量高达80%，减壁量达45%，通过X力减径可以直接生产小口径无缝钢管。

（4）X力减径的延伸系数为6--9，可以生产长达165m的钢管。

X力减径的缺点：

X力减径的缺点是X力减径轧制中，钢管中间部分的管壁受到X力作用而减壁，头尾两端的管壁由于受不到X力或受到的X力由小变大，出现增厚段，这增厚部分超过公差，需切掉，增加了头尾的损失，所以要求一般进入X力减径机的管子来料长度要足够长，在经济上才合理。

管理计算机和过程控制机的投入使用，使X力减径机管端增厚控制CEC得以实现，这样能在更大程度上满足工艺的要求，为X力减径生产的高产、优质、低消耗开阔了更加广阔的前景。

在广泛应用的连轧管机后面配置一台X力减径机作为成型机组，即可满足连轧管机的产量要求，又可解决产品规格的要求，这样用一种或两种连轧毛管即可生产出几百种不同规格的热轧管。

这标志着钢管生产的最新发展方向，使无缝钢管生产实现大型化、高速化和连续化。

X力减径机已经在几乎各类轧管机组和中小型焊管机组上得到广泛的应用。

4.2：

三辊定径、减径机减径与二辊定径减径机相比

（1）机架间距；三辊式定径减径机机架间距比二辊式定径、减径机间距小，但机械结构复杂。

（2）单机架变形量；与二辊定径、减径机相比，三辊式定径、减径机每个轧辊轧制变形量小，管端增厚长度小、切头切尾量少、金属损耗少。

（3）钢管质量：

三辊式比二棍式定径、减径机轧辊孔型周边的速度差小，从而减少轧辊与钢管的相对滑动，轧辊较小。

沿周向每个轧辊型与钢管接触弧长较小，这使周向上所受的变形力比较均匀，金属变形时的流动趋于均匀，从而可以减少横向壁厚的不均匀程度。

三辊式定径、减径机与二辊式定径、减径机相比，生产的钢管外径圆度较好。

（4）机架布置：

三辊式定径、减径机轧辊交叉60°，使轧机结构简化，便于布置。

（5）X力的建立：

三辊式定径、减径机轧辊数目多，则轧制时对钢管的曳入性能较好，可在较短的咬入钢管长度上建立足够的X力。

（6）可调整性：

二辊式定径、减径机容易实现在线孔型尺寸的调整，以满足标准、规X对外径偏差的要求，而三辊式定径、减径机一般不能实现在线孔型尺寸的调整。

现在广泛采用的是三辊式径、减径机。

4.3：

X力径机的孔型

在X减孔型设计时，主要考虑的因素是不要产生容易出现的几种轧制缺陷，即内多边形，壁厚不均，外表面纵向轧痕及外表面折叠，根据经验，一般认为轧制缺陷支下面趋势有关随着壁厚/直径比（s/d），总减径率P∑孔型椭圆度a 的增大，内多边形的趋势增加，随着单架减径P∑的增大壁厚不均也增大，轧制薄壁管金属容易挤入辊缝形成纵向轧痕，由此人们得出结论：

薄壁管应在椭圆孔型中轧制，厚壁管应在圆孔型中轧制（在s/d，9%~12%时，必须用圆孔）所谓椭圆孔型系指ai-bi-1＞0，而圆孔型系指ai-bi-1＜0。

孔型的几何参数有：

A—孔型高度；

B—孔型宽度；

C—孔型顶部圆弧半径

按下式计算：

R=A2+B2/4A

E—偏心距，按下式计算：

E=B2-A2/4A

R—圆角半径（≈1/15Dc）一般4~10毫米；

Dc—平均直径（=A+B/2）

△—轧辊间隙（=1/2r）一般2~5毫米。

为了决定孔型尺寸，必须首先确定变形量（减径率），一般都是采用分配的方法，除了第一架和最后两架外，其他机架中直径压下量都取相等，为了保证第一架顺利咬入和考虑来管直径的波动，第一架压下量采用平均压下量的一半，为得到圆形管，成品前机架压下量也取平均压下量的一半，而在成品机架中（最后一架）一般不给压下量。

设各机架中直径相对压下量为：

δ1、δ2、δ3……δn-1、δn

式中n——工作机架数目。

假设平均压下量为δ，则

δ1=1/2δ，δ2=δ3……δn-2=δ

δn-1=1/2δ，δn=0

对于任一机架相对压下量为

δ1=Di-1-Di/Di-1×100%

Di=Ai+Bi/2

 式中Di、Di-1——为孔型平均直径；

Ai——孔型高度；

Bi——孔型宽度；

根据相对压下量公式可写出：

Di=Di-1（（1-δi）

当i=1时，Di-1为来料外径，即为斜轧延伸以后的外径Dp，则Di-1=Dp

利用此式和前述所确定的平均压下量，可写出一系列等式：

D1=Dp（1-1/2δ）≈Dp（1-δ）0.5

D2=D1（1-δ）≈Dp（1-δ）1.5

………………

Dn-1=Dn-2（1-1/2δ）δ=Dp（1-δ）n-2.5

Dn=Dn-1=Dp（1-δ）n-2

由此可得到相对压下量公式：

式中Dp——来料外径（即延伸轧制后的毛管外径）；

Dn——成品管热状态下的平均外径，可用下式求出：

Dn=（1+a）D0=（1.013~1.017）D0

式中a金属热膨胀系数；

t轧制温度；

D0常温下成品钢管的外径。

孔型尺寸的计算方法：

1、计算平均相对压下量：

2、计算各架平均直径

D1=Dp（1-1/2δ）

D2=D1（1-δ）

D3=D2（1-δ）

…………

Dn-2=Dn-3（1-δ）

Dn-1=Dn-2（1-1/2δ）

Dn=Dn-1

X力减径机与微X力减径机的不同

X力与微X在设备和变形原理上是完全一样的，只是在实际运用时，根据不同的条件和要求，选择的工艺参数（X力系数）不同而已。

X力减径一般机架数多，工艺上最大的特点是减壁减径，一般单机最大减径率大于6.0%，总减径率可达到80%以上。

但同时它的切头损失也非常大，因此X力减径机适合于荒管长度20m以上的热轧无缝钢管机组。

微X力减径的机架数相对小，过去单机最大减径率不超过3.5%，总减径率小于35%。

由于X力系数不大于0.5，只能实现等壁活减壁减劲，因此切头损失比X力减径大大减少。

同时，只要措施得当，中、厚壁管的“内六方”可控制在较好水平。

因此微X力减径机比较适用于荒管长度不大于15m的热轧无缝钢管机组。

管材热扩径方法

随着工业技术尤其是石油与化学工业的发展，大直径无缝钢管需求量逐年增加，尽管大型周期式轧管机组与顶管机组可以生产一部分大直径，但其设备庞大，一次性投资高，且生产大直径薄壁管在技术上还有一定困难。

管材热径方法主要有以下几种：

（1）斜轧热扩径在斜轧扩管机上进行。

斜轧扩管机有两个装在箱型机架内的悬臂式锥形轧辊。

轧辊中心线与轧制中心线在水平面上成60°到80°角，两个轧辊由直流电机驱动，其旋转方向相同。

锥形轧辊工作之前有一个入口锥使管子在咬入后受到一定程度的减轻，以改善咬入条件，然后碾轧管壁扩径。

机组中一般设有均整机和定径机，以消除钢管内外螺纹和改善外径和壁厚的尺寸精度，相对扩径量可达70%——130%。

斜轧扩管的特点是一次变形量大、变形速度快、产量高，适于生产各种钢种的大直径和尺寸精度较高的中、薄壁厚无缝钢管；但其缺点是机组设备庞大，投资高，且不能生产异型及变截面管。

（2）拉拔热扩径在热拉扩管机上进行。

先在管端扩一个喇叭口，其扩口直径比热扩后管直径大100mm左右，以利热扩管时内外卡环卡住管端进行水冷，然后由链条牵引拉杆并带动顶头从荒管内部通过以实现扩径减壁及长度缩短的变形过程。

拉拔式扩管一般加热三次，每次加热后扩径3-4个道次，拉拔扩径的特点是，扩管机既能热扩又能冷拔，既能热扩又能冷拔，既能热扩圆管又能热拔异型和变截面管；拉拔扩管机设备重量轻，投资少，更换设备简便；但因拉拔扩管为自由变形，扩管表面缺陷易暴漏和扩大，壁厚精度和外径精度不高。

（3）近年来还出现了一种区别于传统拉拔扩管工艺的中频感应加热液压二布推进式热阔管新工艺，用来生产大口径钢管。

其基本原理是：

置于中频线圈中的原料钢管，经中频感应加热后，靠液压缸活塞运动，推过尾部固定于油缸固定架上的锥形内膜芯棒，达到扩径的目的。

该工艺设备简单，每个机组仅有几十吨。

稳定的钢管快速的中频感应追踪加热和稳定的液压推进速度相匹配，可较好的解决了原料变形温度的可调、恒定的基本条件，达到了节能的目的和产品性能稳定效果。

变拉动芯棒扩管为推动原料管扩径，使变形后的钢管不再承受轴向力，且具有极短应力线。

钢管经中频加热扩径，相当于对管体进行正火处理，经检验分析，金相组织均匀、晶粒更加细化，力学性能好，因而它成为当前最流行的钢管大口径生产工艺。

X力减径时管端偏厚的原因

X力减径时管端偏厚的主要原因是轧件首尾轧制时都是处于过程的不稳定阶段。

首先，轧件两端总有相当于机架间距的一段长度，一直都是在无X力状态下减径；其次，前端在进入机组的前3--5机架之后，轧机间的X力才逐渐由0增加到稳定轧制的最大值，而尾部在离开最后3-5机架时轧机间的X力又从稳定轧制的最大值降到0.这样轧件相应的前端壁厚就由最后逐渐降到稳定轧制时的最薄值，尾端又由稳定轧制的最薄值逐渐曾厚到无X力减径时的最大厚度。

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影响X力减径机管端增厚的因素

影响X力减径机首尾后壁段增厚的因素主要取决于一下几个方面：

（1）机架间距，机架间距愈小厚壁端愈短；

（2）轧机的传动特性，传动速度的钢性越好恢复转速的时间越短，首尾管壁的偏厚值越小，长度越短；

（3）延伸系数和减径率越大首尾管壁的偏厚值越大，长度越长；

（4）机架间X力越大，首尾相对中间的壁厚差亦越大，缺损越高。

但从另一方面看，加大X力可以使用较厚的毛管提高机组产率。

所以实际生产中应当摸索合理的X力制度，以求的最佳的经济效果。

实践证明，进入减径机的来料长度应在18-20M以上，在经济上才是合理的。

因此X力减径机多用于连续轧管机、皮尔咯轧机和连续焊管机组。

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影响管内多边形的因素：

（1）轧辊数目：

单机架轧辊数多，则孔型深度小，减小了沿孔型宽度上钢管减径压缩的不均匀性，从而减小了顶部和辊缝处轴向流动的差异，因而减小了形成内多边形的程度。

（2）单机减径率和总减径率：

单机减径率大，意味着顶部和辊缝处的高度压缩量和金属流动差异越大，这加剧了内多边形。

总减径率越大，意味着这种不均匀变形量大，内多边形也越严重。

（3）孔型椭圆度：

椭圆度越大，则孔型中的高度压缩量分布月不均，减径后壁厚不均越大。

（4）钢管的几何因素——壁厚系数：

壁厚系数（S/D）越大，即相对直径而言管端较厚，则金属的变形和应力分布不均匀性增加，即导致内多边形越严重。

（5）X力：

X力调整不当，会加剧壁厚不均的程度。

当壁厚系数较小时，X力对横向壁厚不均匀无明显影响，但壁厚系数较大时，则X力越大，则X力越大，横向壁厚不均增大。

钢管定径机作为无缝钢管生产的主要设备，对产品的尺寸精度、质量起着至关重要的作用。

高质量、多品种、低成本、高可靠性是现代钢管生产的基本要求。

新型可调试三辊定径机使钢管定径技术上了一个新台阶，所给出的调节量与钢管外径精度的关系式可用于生产和机组的结构设计中。

由于其先进灵活的特点及工具消耗降低，若与先进的锥形辊穿孔机和三辊可调式限动芯棒连轧管机结合，将形成更加具有市场竞争力的无缝钢管生产工艺，同时，对现有定径机组的技术改造也提供了一个更加的选择方案。

5.复式减速器的种类布置