材料成形工艺学钢管轧制.ppt

,什么叫最小可轧厚度？怎样使轧机轧出更薄的产品?极薄带生产,在一定轧机上轧制某种产品时，随着带钢的逐渐变薄，压下愈来愈困难，当带钢厚度薄到某一限度后，不管如何旋紧压下螺丝或加大液压压下的压力，不管反复轧制多少道，也不可能再使产品轧薄。这时带钢的极限厚度称为最小可轧厚度。在轧制中，轧件与轧辊相互作用,轧件在轧辊作用下产生塑性变形。当然，轧件也伴有微小的弹性变形，通过轧辊后有一极小的弹性变形量恢复，增加了轧件厚度。轧机、轧辊等受轧件的反力产生弹性变形。如图所示，厚度为H的轧件经过轧辊压下h总，但轧辊弹性变形使轧件减少压下h1，同时轧件出轧辊后，弹性变形恢复又使轧件压下减少h2，结果，轧件实际压下量为：,什么叫最小可轧厚度？怎样使轧机轧出更薄的产品?极薄带生产,在一定轧机上轧制某种产品时，随着带钢的逐渐变薄，压下愈来愈困难，当带钢厚度薄到某一限度后，不管如何旋紧压下螺丝或加大液压压下的压力，不管反复轧制多少道，也不可能再使产品轧薄。这时带钢的极限厚度称为最小可轧厚度。在轧制中，轧件与轧辊相互作用,轧件在轧辊作用下产生塑性变形。当然，轧件也伴有微小的弹性变形，通过轧辊后有一极小的弹性变形量恢复，增加了轧件厚度。轧机、轧辊等受轧件的反力产生弹性变形。如图所示，厚度为H的轧件经过轧辊压下h总，但轧辊弹性变形使轧件减少压下h1，同时轧件出轧辊后，弹性变形恢复又使轧件压下减少h2，结果，轧件实际压下量为：,由上式可知，当时，轧件通过轧辊将不产生压下。这时的轧件的厚度就叫最小可轧厚度。,带钢最小可轧厚度不仅仅由轧机工作辊直径这一因素所决定，还取决于金属材料的性质、张力、润滑情况、轧辊材料等。带钢最小可轧厚度为：,公式,一般工作辊辊径与成品带材厚度的比例关系按下式来选取或确定：,要想轧制厚度更薄的带钢，采取的措施：(1)有效地减小金属在轧制过程中的实际变形抗力，适当安排软化热处理。（2）减小工作辊直径，多辊轧制。（3）采用高效率的工艺润滑剂，（4）适当采用张力轧制，(5)增加轧机的刚性，主要是要有效地减小轧辊的弹性压扁。例如，二十辊冷轧机采用直径小达10mm的碳化钨工作辊，其弹性模量E几乎是一般合金锻钢辊的30倍，可轧制厚度小达 0001mm的极薄带钢。,日本森吉米尔公司1969年,轧制1250mm宽的软钢带时，普通四辊冷轧机的最小可轧厚度为0.25mm，而用森吉米尔轧机可轧到O.06mm。,16 热轧无缝管材的主要加工形式和基本工艺过程16.1 管材生产概述一、钢管的特性及分类,天津钢管250限动芯棒连轧管机组,宝钢140连轧管机组,热轧穿孔方法一、斜轧穿孔 对称性好，壁厚均匀，由实心坯成毛管。一般用锻、轧坯。1.13度二辊斜轧穿孔,穿孔机轧辊辊型,2.狄塞尔穿孔机,3.18度二辊斜轧穿孔(菌式),斯蒂菲尔盘式穿孔机,4.三辊斜轧穿孔 二辊斜轧穿孔与三辊斜轧穿孔的比较：二辊斜轧穿孔：在压应力和拉应力交变作用下进行三辊斜轧穿孔：在压应力作用下进行,二、压力穿孔 内、外表面无刮伤，有利于钢锭中心粗大或疏松组织细化，偏心严重，生产率低，对坯料无限制。1.压力挤孔 2.推轧穿孔 压力挤孔 推轧穿孔,推轧穿孔机 ppm,2.2 轧管一、轧管设备 1.自动轧管机 生产400mm以下的管材：两个道次的轧制，第一道变形，第二道消除壁厚偏差，总延伸系数为2.3。优点：采用短芯头，调整方便。缺点：延伸系数小，回送，第二道要翻90度，壁厚偏差大。,2.连续轧管机 生产250-400mm以下的管材 7-9个机架，总延伸系数为6.0，采用连铸管坯。有两种形式：早期为：浮动芯棒，现为：限动芯棒.,1、浮动芯棒连轧管机（或全浮动芯棒连轧管机）简称MM（Mandrel Mill）。轧制过程中对芯棒速度不加以控制，芯棒由被辗轧金属的摩擦力带动自由跟随管子通过轧机，芯棒的运行速度是不受控的;轧制过程中芯棒的运行速度随着各机架的咬入、抛钢有波动，从而引起管子壁厚的波动；轧制结束后，芯棒随荒管轧出至连轧机后的输出辊道，在轧制中、薄壁管时芯棒的几乎全长都在荒管内；带有芯棒的荒管横移至脱棒线，由脱棒机将芯棒从荒管中抽出以便冷却、润滑后循环使用。其特点是轧制节奏快，每分钟可轧4 支甚至更多的钢管；但荒管的壁厚精度稍低、设有脱棒机其工艺流程较长、芯棒的长度接近于管子的长度；适合生产较小规格（外径小于177.8mm）的无缝钢管。比较有代表性的浮动芯棒连轧管机有德国米尔海姆厂的RK2 机组和我国宝钢的140 mm 机组。,2 限动芯棒连轧管机，英文缩写MPM（即Multi-Stand Pipe Mill的缩写）。是无缝钢管生产中的重要设备。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250mm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。,限动芯棒连轧管机优点1)降低了工具消耗。由于限动芯棒连轧管机的芯棒较之浮动芯棒连轧管机的芯棒要短，钢管与芯棒的接触时间短，从而提高了芯棒的使用寿命，一般使芯棒消耗降至每吨钢管1公斤左右。2)改善了钢管的质量。由于限动芯棒连轧管机具有搓轧（芯棒与钢管内表面相对运动）性质，有利于金属的延伸，加之带有微张力轧制状态，从而减小了横向变形，根本不存在浮动芯棒连轧所产生的“竹节”现象，使钢管内外表面和尺寸精度有了很大提高。3)取消了脱棒机，缩短了工艺流程，提高了钢管的终轧温度。部分品种可省去定径前的再加热工序，从而节省了能源。4)扩大了产品规格。由于采用了限动芯棒轧制，可以减小芯棒的长度，减轻了芯棒的重量，允许加大芯棒的直径，使钢管的最大外径由177.8mm 扩大到426mm 甚至更大.另外,限动芯棒连轧管机还可轧制径壁比更大(D/S40)的钢管。缺点：退芯棒延误时间，降低生产率，,3 半 浮 动 芯棒连轧管工艺是一种介于限动芯棒连轧管(MPM)和全浮动芯棒连轧管(MM)之间的连轧工艺。与全浮动芯棒连轧管工艺不同的是，半浮动芯棒连轧管工艺采用了1套芯棒限动装置，在轧制过程中，芯棒不是自由地随荒管前进，而是受到限动机构的控制，始终以恒定速度前进，当管子尾端脱离第4机架时，限动机构加速释放芯棒，芯棒随荒管轧出至连轧机后的输出辊道，带有芯棒的荒管横移至脱棒线脱棒。半浮动芯棒连轧管工艺与限动芯棒连轧管工艺最大的区别是前者在轧制过程快结束时芯棒有一个加速过程，轧完后需脱棒机将芯棒与荒管分离，而后者在轧制全过程中芯棒速度是恒定不变的，荒管与芯棒的分离是由脱管机来实现的，生产线上不再配有脱棒机,4 MINI-MPM为少机架限动芯棒连轧机 原是意大利的因西公司上世纪90年代中期为完成对南非托萨（tosa）厂cps（两步生产无缝钢管法，即只有斜轧锥形辊穿孔和张力减径两个变形工序，而没有轧管工序的生产方法，后因在生产壁厚8mm以下的钢管时因螺旋印难以消除进行增加轧管机的改造）的改造，在锥形辊穿孔机与张减机之间安装的限动芯棒连轧管机而推出的机型。由于锥形辊穿孔机的变形能力较大，就可将原由MPM承担的部分变形前移至穿孔机来完成，连轧工序的延伸可适当减小，轧管机没必要选用过多架数了，轧机的机架数由原来的78架减少至45架；与MPM相比它的最大特点是实现了用更短的芯棒轧制较长的钢管，芯棒的工作段长度比MPM短了23米；芯棒总长度可缩短5米左右。后来随着锥形辊穿孔机的广泛应用，连轧管机的架数大多为5架；或51架，1为在连轧管机前增设一架空减机。,5 三辊限动芯棒连轧管机PQF(（Premium Quality Finishing）也是限动芯棒连轧管机，只不过每个机架由三个轧辊组成孔型；采用三辊设计的孔型比传统的两辊设计的孔型圆度好，且孔型的半径差小，有利于轧件的均匀变形和轧辊的均匀磨损。轧槽底部和轧槽顶部之间的圆周速度差较小，从而能在稳定的条件下使轧制时的金属变形更加均匀。凸缘面积(不与轧辊或芯棒接触的管子面积。也就是辊缝处壁厚/外经的凸起面积)有所减小，即流向凸缘的金属量减少了。,3.高精度轧管机 A.阿塞尔轧管机：长芯棒三辊斜轧 长：1214m，最大管径270mm，壁厚偏差 6%(其它8%)。D：t=3.520,高精度轧管机阿塞尔轧管机 1937年，美国工程师在俄亥俄洲Wooster市Wayne Co.钢管厂对伍斯特尔轧机（Wooster Mill）重新进行了改造设计，他将这种改造设计后的斜轧管机以其名字命名为阿塞尔轧管机（ASSEL Mill）。,1-轧件 2-轧辊 3-芯棒,Assel轧管变形区横截面,出口,入口,变形区,Assel轧管变形区横截面,出口,入口,变形区,四种形式 1）阿塞尔轧机2）特郎斯瓦尔轧机由法国人在ASSEL 的基础上发展起来的，本质上还是阿塞尔轧机，所不同的是可在轧制过程中实现变喂入角、变轧制速度。3）快速抬辊法轧管法曼内斯曼4）带NEL(无尾切损装置)预轧法,B.狄塞尔轧管机 壁厚偏差 35%D：t=30以上，但较短，现在改进后也达16m。,accu-roll轧管机,4.顶管机 以挤孔料为毛坯，经1017道 生产一般钢管的特性指标为：长：1214m 管径21240mm，壁厚偏差 6%(其它8%)，t=2.511的薄壁钢管。优点：单位产品的设备重量轻，可用方坯。缺点：坯重轻，切头大，管径，长受限制。特殊用途：生产大直径管材：250-1500mm,5.周期式轧管机（皮尔格轧机）周期运动，延伸系数可达：15。大直径厚壁管，异形管，长度可达40m。效率低。,2.3 精轧对毛管进一步加工，确定外径。一般经过减径与定径。一、减径机 二辊或三辊式纵轧连轧机，只是连轧的是空心管体，机架数在15架以上。目前有2830机架的投产。1.微张力减径机 直径减小，壁厚增加，壁厚不均匀性也增加。2.张力减径机.直径减小，壁厚减小，壁厚不均匀性也减小。二、定径机 与减径机构造相同，一般511机架.总减径率37%，提高外径尺寸精度。,斜轧扩管,拉拔扩管,热扩管机,2.4 管材孔型轧制应用一、热轧无缝钢管流程介绍 坯料准备加热热定心高压水除磷穿孔连轧脱棒再加热高压水除磷张力减径。二、有色金属管材生产的流程介绍 挤压管坯拉伸 挤压管坯冷轧管拉伸 连铸管坯拉伸 连铸管坯冷轧管拉伸 轧管设备：A：周期式轧管机(皮尔格轧管机)B：自动轧管机 C：连续轧管机,一轧辊的运动 任一点：ng：轧辊转数，转/分 Dx：x点轧辊直径,17.1 斜轧过程的运动学,二轧件的运动由于轧辊和轧件之间存在滑动（纵轧有前、后滑）轧件轴向和切向速度为：vxx=vxxsxx sxx为x点的轴向滑动系数vyx=vyxsyx syx为x点的切向滑动系数所以有,Dpx：x点截面轧件的直径 Npx：轧件的转速 转/分所以在变形区任一截面x上轧件的转速：,(a),轧件的出口速度：,故有切向出口速度：,轧件出口速度：,三螺旋与单位压下量,1螺旋,2单位压下量 入口锥：穿孔准备区 Yx=Zxtg1 入口锥：穿孔区 出口锥：,四滑动系数：对sx,sy只能估算,实测法确定：,切向滑动系数近似等于1。Sy1轴向滑动系数，测出轧件长度Lm和实测穿孔时间tck（实测），然后计算不考虑滑动的理论穿孔时间:,tcktl 说明实测的穿孔时间长,经验式：,：送进角 dR：毛管外径及顶头直径 mm：顶头前管坯外径的压缩率 10%则代入10 f：摩擦系数 n：轧辊数目,钢锭穿孔：,坯料穿孔：,：最大相对压缩率%：轧辊圆周速度 dp,dd坯、锭直径：送进角,二辊斜轧穿孔机变形区内金属滑动的特点是轴向全后滑 Sxx1（有时在接近出口时出现前滑）而其他部位也为后滑。,轴向全后滑是由于顶头的阻力大，切向前滑是由于在入口处轧轴直径较小，线速度较低所致。,切向滑动系数Syx1，可用于工程计算，,出口轴向滑动系数，二辊斜轧（曼乃斯曼）,菌式二辊斜轧,=0.80.95,=0.50.95,比二辊斜轧穿孔机高1520%,浮动芯棒三辊斜轧管机,=0.701.30,三辊斜轧穿孔机,二辊斜轧均整,轴向出口滑动系数波动范围较大，与如下因素有关：,19.2斜轧过程中轧件的变形,二辊斜轧穿孔的孔型与变形区,一 孔型：由轧辊、导板和中间顶头构成“孔型”。,19.2,（1）轧辊：分为入口锥、出口锥和轧制带 入口锥：咬入管坯，并实现穿孔,出口锥：实现毛管减壁、平整表面、均匀壁厚、毛管规圆,轧制带：起过度作用,(2)导板：固定不动，限制毛管横变形,入口斜面：导入毛管,出口斜面：导出毛管,过渡带：两斜面的过渡，光滑过度,（3)顶头：内变形工具,顶头分为,顶头结构：,（1）顶尖（鼻尖）：改变金属的流向，减缓尖部磨损提高使用寿命。对准管坯定心孔，穿正，防止形成空腔。,图19-5 二辊斜轧穿孔变形区,（2）穿孔锥：穿孔，减壁,（3）均壁椎：毛管均整，平整毛管的内外表面，一般取为直线段。锥角等于轧辊出口锥辊面锥角。,（4）反锥：防止刮伤毛管内表面，顶头平放起平衡作用。,二变形区：,变形区分为四个部分：,（1）穿孔准备区由管坯开始咬入到顶尖。其作用：实现管坯的一次咬入 为二次咬入储存足够的剩余摩擦 管坯中心疏松。,一次咬入：轧件与轧辊接触，靠产生的摩擦力将轧件拉入变形。,二次咬入：轧件与顶头接触，轧辊与轧件间的剩余摩擦克服顶头的阻力，将金属继续拉入变形区。,（2）穿孔区：由顶尖到顶头穿孔锥结束。其作用：实现穿孔、减壁、直接承受穿孔变形。,（3）均整区：顶头均壁锥相对应的部分。其作用：平整毛管内外表面和均匀毛管壁厚。,（4）规圆区，均整区后到毛管与轧辊接触的部位。其作用：靠轧辊将椭圆形毛管旋转加工成圆形。,注意问题：,1.管坯在拽入区不与导板接触（或者管坯与轧辊接触一定的长度（3070mm）再与导板接触，否则前卡或只转不走。,2.毛管在出变形区前，要先脱离顶头和导板，再离开轧辊保证毛管规圆。,介绍斜轧机穿孔变形区的几何参数。,1.轧制线：顶杆的中心线。,2.轧机中心线：指穿孔机的中心线，有的轧制线比中心线低36mm，使轧制稳定。.,3.送进角：轧辊轴线与轧制线两条异条直线的交角。应该是轧辊轴线在包括轧制线的垂直平面上投影的夹角。,4.辊距：两轧辊轧制带之间（即孔喉处）的距离。,5.管坯总压下量：dp=dp-d 管坯直径减去辊距。总压下率：=dp/dp100%,6.导板锯两导板过渡带工作面之间锯。,7.孔型椭圆系数：=a/d,8.顶头前压下量：ddq=dp-Bdq 管坯直径减去顶头前辊距 顶头前压下率：dq=ddq/dp100%顶头前辊距：Bdq=d+2(N-0.5L3)tan,9.顶头伸前量（N）：表示顶头位置，顶尖到轧制带中心线的距离。顶杆位置：（y）：顶头后端到轧辊后端的距离。,10.毛管外扩径量：Dk=dd-dp 毛管内扩径量：dk=dm-Dt,轧件的变形可分为基本变形和附加变形。,一基本变形。,指由实心坯穿成毛管时轧件几何形状和尺寸的变化，其变化与变形区几何形状有关，而与轧件材质无关。,基本变形包括：假设由直径为Dm的管坯扎制成外径为Dm，壁厚为m的毛管。,图19-6 斜轧变形区轧件任一横剖面的接触宽度示意图,1.伸长量（由管坯穿成毛管的长度增加量）L=Lm-Lp,2.平均扩径量,3.减壁量,即为由实心管坯变成壁厚为m的毛管,产生基本变形是由于轧辊对轧件有压下量，由轧辊每接触轧件一次，则轧件承受一次变形，则每接触一次轧辊的加工量为“单位压下量”。,图19-8 临界径缩率、坯端凹度、平均单位压下率与送进角的关系,图19-8 临界径缩率、坯端凹度、平均单位压下率与送进角的关系（试验钢种Ci18Ni10Ti）送进角对坯端深度太小的影响曲线送进角对平均单位压下量的影响曲线送进角对临界径缩率的影响曲线,拽入区（穿孔准备区）,Zx-1/n 螺距,穿孔区孔喉前,穿孔区孔喉后,变形区长度的计算,考虑送进角的影响,变形区的宽度可用入口到孔喉的宽度平均值为入口锥宽度（出口锥宽度同理）,二附加变形,二辊斜轧穿孔的变形很复杂，并沿横断面分布不均。开始咬入时呈表面变形，在穿孔区管壁渐薄，工具摩擦影响较大，产生切向轴向切变形，同时还有扭曲变形，管坯塑性变形等。,1.高断面斜轧变形区。,孔腔的形成。,什么叫孔腔：心部产生的内撕裂。,由于变形量较小时，形成“双鼓变形”，则中心处受拉应力，由于反应辗压，金属横向流动和延伸，则在中心区域形成二向拉应力，而外力作用方向为压应力，而在45度方向上产生切应力，当工作应用状态到达一极限值后，则在最大切应力方向产生变形，这种交变的切变形，使中心产生疏松，撕裂形成孔腔。,为防止过早形成孔腔：,加大送进角（变形区长度缩短）,减小“孔型”椭圆度（控制横向张应力的发展）,提高临界经缩率（顶头位置合理）经缩率必须达到一定值时，才能积聚足够的摩擦力实现第二次咬入。,减少金属在变形区的加工次数（限制横向张应力的积累程度）,扭曲变形：轧件各横断面的转速npx不同。,穿孔变形区。,切向剪切变形：只内外层金属沿横向产生附加的相互剪切变形。,应尽量减小附加变形（无用变形，有害变形）可能造成裂纹、折叠和离层等缺陷。,a.保证稳定轧制条件下尽量降低2，缩短变形区长度（加大）,b.保证正常拽入的条件下顶头超前量增大，轧辊入口锥角减小,c.顶头超前量，经缩比，送进角合理搭配，能使变形均匀。,d.顶头主动旋转，提高变形均匀性，（减小轴向、切向变形）,19.3斜轧穿孔过程的咬入条件：,斜轧穿孔过程，由于有顶头存在，有两次咬入。,一次咬入：,轧件与轧辊接触而产生的摩擦力将轧件拉入变形区（此时轧件是做螺旋运动）,二次咬入：,轧件与顶头接触时，轧辊与轧件间的剩余摩擦克服顶头的阻力，将金属继续拉入变形区。,19.3,狄舍尔轧管机,阿塞尔轧管机,1-轧件 2-轧辊 3-芯棒,