【精品】钢管成形理论及工艺PPT课件.ppt

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1、1.1钢管的分类,钢管成形理论及工艺,1.1 概论,凡是两端开口并具有中空断面，而且其长度与断面周长之比较大的钢材，称为钢管。有着工业“血管”之称目前生产的钢管外径由0.14500毫米、壁厚为0.01250毫米。,钢管分类,（1）按生产方式分：钢管分为无缝管和焊管两大类，无缝钢管又可分为热轧管、冷轧管、冷拔管和挤压管等；焊管分为直缝焊管和螺旋焊管等。（2）按钢管的断面形状分：按横断面形状可分为圆管和异形管，异形管有矩形管、菱形管、椭圆管、六方管、八方管以及各种断面不对称管等；按纵断面形状可分为等断面管和变断面管，变断面管有锥形管、阶梯形管和周期断面管等。（3）按钢管的材质分：钢管分为普通碳素钢

2、管、碳素结构钢管、合金结构管、合金钢钢管、轴承钢管、不锈钢管以及为节省贵重金属和满足特殊要求的双金属复合管、镀层和涂层管等。（4）按管端形状分：根据管端状态可分为光管和车丝管（带螺纹钢管）。车丝管又可分为普通车丝管（输送水、煤气等低压用管，采用普通圆柱或圆锥管螺纹连接）和特殊螺纹管（石油、地质钻探用管，采用特殊螺纹连接，对于重要的车丝管），对一些特殊用管，为弥补螺纹对管端强度的影响，通常在车丝前先进行管端加厚（内加厚、外加厚或内外加厚）。（5）按外径（D）和壁厚（S）之比（D/S）分：根据不同的比值，将钢管分为特厚管（D/S10）、厚壁管（D/S1020）、薄壁管（D/S2040）和极薄壁管（

3、D/S40）。（6）按用途分：油井管（套管、油管及钻杆等）、管线管、锅炉管、机械结构管、液压支柱管、气瓶管、地质管、化工用管（高压化肥管、石油裂化管）、船舶用管等。,1.2钢管的技术要求,1 钢管生产的技术依据国家和行业标准规定的内容如下：（1）品种，即钢管产品的规格标准。规定了各种钢管产品应具有的断面形状，单重，几何尺寸及其允许偏差等，如表1-1、1-2所示。（2）技术条件，即钢管产品的质量标准（或性能标准）。规定了钢管产品的化学成分、力学性能、工艺性能、表面质量以及其他特殊要求。（3）验收规则和试验方法，即钢管产品的检验标准。规定了检查验收的规则和做试验时的取样部位。同时还规定了试样的形状

4、尺寸、试验条件及试验方法。（4）包装、标志和质量证明书，即钢管产品的交货标准。规定了成品管交货验收时的包装要求、标志方法及填写质量证明书等。,1.2钢管的技术要求,2 对钢管尺寸偏差的要求标准化和非标准化两种，分别有四个等级3 对钢管的长度要求（1）通常长度：钢管一般长度以通常长度交货，通常长度应符合规定，热轧管为300012000mm；冷轧管为200010500mm；热轧短尺管的长度不小于2m，冷轧短尺管的长度不小于1m。（2）定尺长度和倍尺长度：定尺长度和倍尺长度应在通常长度范围内，全长允许偏差分为三级；每个倍尺长度按规定留出切口余量：当外径159mm时，切口余量为510mm，当外径 15

5、9mm时，切口余量为510mm。,1.2钢管的技术要求,4外形（1）弯曲度 1）全长弯曲度：对钢管全长测得的弯曲度，全长弯曲度分为5级2）每米弯曲度:对钢管每米长度测得的弯曲度，每米弯曲度分为5级（2）椭圆度钢管的椭圆度分为4级，5重量钢管按实际重量交货，也可按照理论重量交货。实际重量交货可分为单根重量或每批重量两种。,1.2钢管的技术要求,钢管每米的理论重量按下面的公式计算：W=0.003.1416（D-S）式中：W钢管的理论重量，kg/m；钢的密度，kg/dm3；D钢管的公称外径，mm；S钢管的公称壁厚，mm。（1）按照理论重量交货的钢管，单根钢管理论重量与实际重量的允许偏差分为5级（2）

6、按理论重量交货的钢管，每批不小于10吨钢管的理论重量与实际重量允许偏差为7.5%或5%。,1.2钢管的技术要求,6技术条件通常，按照钢管的用途及其工作条件的不同，应对钢管尺寸的允许偏差、表面质量、化学成分、力学性能、工艺性能及其他特殊性能等提出不同的技术条件。（1）一般无缝钢管：用作输送水、气、油等各种流体管道和制造各种结构零件时，应对其力学性能如抗拉强度、屈服强度和伸长率作抽样试验。输送管一般在承压的条件下工作，还要求做水压试验和扩口、压扁、卷边等工艺性能试验。对于大型长输原油、成品油、天然气管线用钢管更是增加了碳当量、焊接性能、低温冲击韧性、苛刻腐蚀条件下应力腐蚀、腐蚀疲劳及腐蚀环境下强度

7、等要求。,1.2钢管的技术要求,（2）普通锅炉管：用于制造各种结构锅炉的过热蒸汽管和沸水管。高压锅炉管用于高压或超高压锅炉的过热蒸汽管、热交换器和用于高压设备的管道。上述热工设备用钢管都在不同的高温高压的条件工作，应保证良好的表面状态、力学性能和工艺性能。一般均要检验其力学性能，做压扁和水压试验，高压锅炉管还要求做有关晶粒度的检验以及更严格的无损检测。,1.2钢管的技术要求,（3）机械用无缝钢管：根据用途要求须有较高的尺寸精度、良好的力学性能和表面状态。如轴承管要求较高的耐磨性、组织均匀和严格的内、外径公差。除做一般的力学性能检验项目外，还要做低倍、断口、退火组织（球化组织、网状光、带状），非

8、金属夹杂物（氧化物、硫化物、点状等）、脱碳层及其硬度指标等试验。（4）化肥工业用高压无缝钢管：常在压力为22003200Mpa、工作温度为-40400和腐蚀性的环境下输送化工介质（如合成氨、甲醇、尿素等）。化肥工业用高压无缝钢管应具有较强的抗腐蚀性能、良好的表面状态和力学性能。除做力学性能、压扁和水压试验外，应根据不同的钢种作相应的晶间腐蚀试验、晶粒度和更严格的无损检测。,1.2钢管的技术要求,（5）石油、地质钻探用钢管：在高压、交变应力、腐蚀性的恶劣环境下工作，故应有高的强度级别，并能抗磨、抗扭和耐腐蚀等性能。按照钢级的不同应做抗拉强度、屈服强度、伸长率、冲击韧性及硬度等试验。对于石油油井用

9、的套管、油管和钻杆，更是详细划分了钢级、类别，以及适用于不同环境、地质情况由用户自己选择的较高要求的附加技术条件，满足不同的特殊需求。（6）化工、石油裂化、航空和其他机械行业用的各种不锈耐热耐酸管：除做力学性能与水压试验外，还要专门作晶间腐蚀试验，压扁、扩口及无损检测等试验。,1.3 钢管的主要生产方法,钢管主要生产方法有热轧（包括挤压）、焊接和冷加工三大类。冷加工是钢管的二次加工。热轧无缝钢管生产过程是将实心管坯（或钢锭）穿孔并轧制成具有要求的形状、尺寸和性能的钢管。整个过程有三个主要变形工序：1）穿孔将实心坯（锭）穿轧成空心毛管；2）轧管将毛管轧成接近要求尺寸的荒管；3）定减径将荒管不带芯

10、棒轧制成具有要求的尺寸精度和真圆度的成品管。生产中，按产品品种、规格和生产能力等条件不同而选择不同类型的轧管机。,1.3 钢管的主要生产方法,焊接钢管的生产方法是将管坯（钢板或钢带）用各种成型方法弯卷成要求的横断面形状，然后用不同的焊接方法将焊缝焊合的过程。成型和焊接是其基本工序，焊管生产方法就是按这两个工序的特点来分类的。钢管冷加工方法有冷轧、冷拔和冷旋压三种。冷旋压本质上也是冷轧。冷轧机和冷旋压机的规格用其产品规格和轧机型式表示；冷拔机规格用其允许的额定拔制力来表示。,1.3 钢管的主要生产方法,无缝钢管钢管生产中的热轧和冷轧一般以其所能生产的规格品种以及延伸机的类型表示机组的名称：包钢4

11、00mm自动轧管机组表示其产品的最大外径在400mm左右，采用自动轧管机轧管的机组宝钢140mm连轧管机组表示为其产品的最大外径为140mm，采用连轧管机进行轧管的机组。冷拔则以其允许的拔制力命名机组：LB-1000表示拔制力的额定值为1000KN的冷拔管机焊管生产一般以其所能生产的最大产品直径表示机组名称：首钢114mm焊管机组表示其产品所谓最大外径为114mm左右的焊管机组，有时在机组名称之前也加上成形方式（如直缝、螺旋、UOE等）和焊接方式（电焊、炉焊等）,1.4 钢管的生产发展趋势,生产过程向短流程、近终成形方向发展；对管材产品要求 总的趋势是优质、价廉、高效、低耗,2热轧无缝钢管生产

12、-概述,生产工艺流程包括坯料轧前准备、管坯加热、穿孔、轧制、定减径和钢管冷却、精整等几个基本工序主要变形工序有三个：穿孔、轧管和定减径，其各自的工艺目的和要求为：（1）穿孔将实心的管坯变为空心的毛管，既将轧件断面定为圆环状；其设备被称为穿孔机。对穿孔工艺的要求是：首先要保证穿出的毛管壁厚均匀，椭圆度小，几何尺寸精度高；其次是毛管的内外表面要较光滑，不得有结疤、折叠、裂纹等缺陷；第三是要有相应的穿孔速度和轧制周期，以适应整个机组的生产节奏，使毛管的终轧温度能满足轧管机的要求。,2热轧无缝钢管生产-概述,（2）轧管将厚壁的毛管变为薄壁（接近成品壁厚）的荒管，即根据后续的工序减径量和经验公式确定本工

13、序荒管的壁厚值；该设备被称为轧管机。对轧管工艺的要求是：第一是将厚壁毛管变成薄壁荒管（减壁延伸）时首先要保证荒管具有较高的壁厚均匀度；其次荒管具有良好的内外表面质量。（3）定减径（包括张力减径）大圆变小圆，简称定径；相应的设备为定（减）径机。对定减径工艺的要求是：首先在一定的总减径率和较小的单机架减径率条件下来达到定径目的，第二可实现使用一种规格管坯生产多种规格成品管的任务，第三还可进一步改善钢管的外表面质量。,2.1管坯准备,管坯类型无缝钢管用钢按制造方法、化学成分、用途、力学性能、质量和成型方法等进行分类。（1）按照使用方法，钢可分为制造机械零件和结构用钢、石油地质钻探用钢、制造各类工具用

14、的碳素钢和合金工具钢、特殊性能钢（不锈钢、耐热钢、耐酸钢、低温用钢等）。（2）按照冶炼方法，钢可分为电炉炼钢、平炉钢、吹氧转炉钢等。（3）按照化学成分，钢可分为碳钢和合金钢两大类。（4）按照浇注方法，钢可分为沸腾钢、镇静钢和半镇静钢。,2.1管坯准备,（5）管坯类型按照成形方法分为：1）钢锭2）连铸方坯3）连铸圆坯：是目前国际上无缝钢管生产中应用较多的坯料，是钢管发展的主流，是钢管实现连铸连轧的首要条件。4）锻坯：用于穿孔性能较差的合金钢与高合金钢管的生产,2.2管坯加热,将坯料加热到一定的温度范围对于保证其穿孔性能 是至关紧要。保证加热温度在规定范围内，同时沿管坯纵向和横向加热均匀，否则穿孔

15、时易造成钢管壁厚不均、穿破或引起轧卡。注意加热温度、时间和速度的控制。环形炉在热轧无缝钢管生产线中的作用是将管坯锯锯切之后的合格定尺管坯由常温（20）加热到12805，以供穿孔机组进行穿孔工序。环形炉是目前世界上用于加热圆管坯的最理想的工业炉炉型。特点是炉底呈环形，在炉底驱动装置的作用下承载管坯由入料端旋转至出料端，再由出料机从出料炉门将加热好的管坯取出。在管坯随炉底运动过程中通过炉墙、炉顶等处的烧嘴加热达到合格的出料温度，并满足温度均匀性要求。,2.2管坯加热,优点：（1）环形炉最适合加热圆管坯，并能适应各种不同直径和长度的复杂坯料组成，易于按管坯规格的变化调整加热制度。（2）管坯在炉底上间

16、隔放置，坯料能三面受热，加热时间短，温度均匀，加热质量好。（3）管坯在加热过程中随炉底一起转动，与炉底之间没有相对运动和摩擦，氧化铁皮不易脱落。炉子除装出料门外无其它开口，严密性好，冷空气吸入少，因而氧化烧损较少。（4）炉内管坯可以出空，也可以留出不装料的空炉底段，便于更换管坯规格，操作调度灵活。（5）装料、出料和炉内运转都能自动运行，操作的机械化和自动化程度高。缺点：炉子是圆形的，占用车间面积较大，平面布置上比较困难；管坯在炉底上呈辐射状间隔布料，炉底面积的利用较差，单位炉底面积的产量较低。,2.3.1穿孔-概述,1 穿孔工序概述无缝钢管的生产一般以实心坯为原料，从管坯到中空管的断面收缩率是

17、非常大的，为此变形分阶段才能完成。钢管生产的变形过程示意图,2.3.1穿孔-概述,穿孔是将实心管坯穿制成所设计的尺寸和表面光洁的毛管，根据穿孔中金属流动变形特点和穿孔机的结构，可将穿孔方法进行分类：穿孔方式,2.3.1穿孔-概述,（1）任务：管坯穿孔是热轧无缝钢管生产中最重要的变形工序之一，任务是将实心管坯穿制成所设计的尺寸和表面光洁的毛管，即空心坯，并具有相应的穿孔速度和轧制周期，以适应整个机组的生产节奏。（2）要求：要求所穿的毛管壁厚均匀、椭圆度小、几何尺寸精度高；毛管的内外表面要光滑，不能有裂纹、划伤、结疤、凹凸不平等缺陷。（3）工艺流程：管坯加热高压水除鳞热定心穿孔脱棒吹硼砂氮气保护顶

18、杆循环1）加热温度 12501280（10）2）高压水除鳞：180巴高压水喷射在管坯表面，去除氧化铁皮（1帕=10-6兆帕=10-5巴）3）穿孔：将管坯穿成空心毛管，最大出口速度达1m/s。,2.3.1穿孔-概述,（4）穿孔方法简介 无缝钢管生产中的穿孔作为金属变形的第一道工序，由于穿出的管子壁厚较厚、长度较短、内外表面质量较差，因此叫做毛管。如果在毛管上存在一些缺陷，经过后面的工序也很难消除或减轻。所以在无缝钢管生产中的穿孔工序起着十分重要的作用。管坯的穿孔方式有压力穿孔、推轧穿孔和斜轧穿孔。1）压力穿孔 压力穿孔是在压力机上穿孔，这种穿孔方式所用的原料是方坯和多边形钢锭。工作原理是首先将加

19、热好的方坯或钢锭装入圆形模中（此圆形模带有很小的锥度），然后压力机驱动带有冲头的冲杆将管坯中心冲出一个圆孔。这种穿孔方式变形量很小，一般中心被冲挤开的金属正好填满方坯和圆形模的间隙，从而得到几乎无延伸的圆形毛管，延伸系数最大不超过1.1。,2.3.1穿孔-概述,2）推轧穿孔 推轧穿孔是在推轧穿孔机上穿孔，这种穿孔方式是压力穿孔的改进。把固定的圆锥形模改成带圆孔型的一对轧辊。这对轧辊由电机带动方向旋转（两个轧辊的旋转方向相反），旋转着的轧辊将管坯咬入轧辊的孔型，而固定在孔型中的冲头便将管坯中心冲出一个圆孔。为了便于实现轧制，在坯料的尾端加上一个后推力（液压缸），因此叫做推轧穿孔。这种穿孔方式使用

20、方坯，穿出的毛管较短，变形量很小，延伸系数不大于1.1。,2.3.1穿孔-概述,推轧穿孔的优点如下：坯料中心处于全应力状态，过程是冲孔和纵轧相结合，不会产生二辊斜轧的内折缺陷，毛管内表面质量好，对坯料质量要求较低；冲头上的平均单位压力比压力穿孔小50左右，因而工具消耗较小；穿孔过程中主要是坯料的中心部分金属变形，使中心粗大而疏松的组织很好的加工而致密化，同时在压应力作用下，毛管内外表面不易产生裂纹。生产率比压力穿孔高，可达每分钟两支；以上两种穿孔多生产特殊钢种的无缝钢管，现存的机组很少，因变形量很小，毛管短且厚，因而在热轧无缝钢管机组中要设置斜轧延伸机，将毛管的外径和壁厚减小并使管子延长。另外

21、容易产生较大的壁厚不均。,2.3.1穿孔-概述,3）斜轧穿孔这种穿孔方式被广泛的应用于无缝钢管生产中，一般使用圆管坯，靠金属的塑性变形加工来形成内孔，因而没有金属的损耗。斜轧穿孔机按照轧辊的形状可分为锥形辊穿孔机、盘式穿孔机和桶形辊穿孔机。按照轧辊的数目分又可分为二辊斜轧穿孔机和三辊斜轧穿孔机。,2.3.1穿孔-概述,锥形辊穿孔机、桶形辊穿孔机是当今广泛使用的主要机组，锥形辊穿孔机的历史较短，具有更多优点。比较如下：桶形辊穿孔机的轧辊可以上下和左右进行布置，而锥形辊穿孔机的轧辊只能上下布置；桶形辊穿孔机的轧辊由两个锥形组成，锥形辊穿孔机的轧辊由一个锥形组成；桶形辊穿孔机的轧件速度变化为小大小，

22、锥形辊穿孔机的轧件速度随轧辊直径的增加而增大；毛管在孔型中的宽展，锥形辊穿孔机要小些，更有利金属轴向延伸变形，附加变形小，毛管内表面质量好，壁厚精度较桶形辊穿孔机高；锥形辊穿孔机的延伸系数比桶形辊穿孔机大，更适合穿孔薄壁毛管，使得轧管机组的机架数目可以减少。,2.3.2穿孔-斜轧穿孔的基本原理,2 斜轧穿孔的基本原理（1）轧辊的构成斜轧穿孔机不管轧辊的形状如何不同，为了保证管坯曳入和穿孔过程的实现，都由以下三部分组成：穿孔锥（轧辊入口锥）、辗轧锥（轧辊出口锥）和轧辊压缩带由入口锥到出口锥之过渡部分。,2.3.2穿孔-斜轧穿孔的基本原理,（2）二辊式穿孔机和三辊式穿孔机二辊式穿孔机主要有带导辊的

23、穿孔机、带导板的穿孔机和带导盘的穿孔机，带导辊的穿孔机一般不常用，只用于穿孔软而粘的有色金属，如铜管、钛管等。带导板的穿孔机具有孔型封闭好、接触变形区长、穿出的毛管壁厚可以更薄的特点而仍然得到重视；带导盘的穿孔机越来越得到发展。二辊式穿孔机的特点是生产率高，这是由于主动导盘对轧件产生轴向拉力作用，导致毛管轴向速度增加；最快可以达到34支分；由于导盘的轴向力作用，使管坯咬入容易一些，减少了形成管端内折的可能性，也可以提高壁厚的精度；导盘比导板有较高的耐磨性，从而减少了换工具的时间并提高了工具寿命。,2.3.2穿孔-斜轧穿孔的基本原理,三辊式穿孔机的特点是由于三个辊呈等边三角形布置，因而在变形中管

24、坯横断面的椭圆度小；由于三个辊都是驱动的，仅存在顶头上的轴向力，因而穿孔速度较快，但顶头上的轴向阻力比二辊式大；在轧制实心管坯时，由于管坯始终受到三个方向的压缩，加上椭圆度小，一般在管坯中心不会产生破裂，即形成孔腔，从而保证了毛管内表面质量。这种变形方式更适合穿孔高合金钢管。三个轧辊穿孔时坯料和顶头容易保正对中，因此毛管几何尺寸精度高，即毛管横断面壁厚偏差小。因穿孔薄壁毛管时容易形成尾三角，使毛管尾端卡在轧辊辊缝中，更适合穿孔中厚壁毛管,2.3.2穿孔-斜轧穿孔的基本原理,（3）斜轧穿孔变形过程 当今无缝钢管生产中穿孔工艺更加合理，穿孔过程实现了自动化，斜轧穿孔整个过程可以分为以下三个阶段：1

25、）不稳定过程-管坯前端金属逐渐充满变形区阶段，即管坯同轧辊开始接触（一次咬入）到前端金属出变形区，这个阶段存在一次咬入和二次咬入。2）稳定过程-这是穿孔过程主要阶段，从管坯前端金属充满变形区到管坯尾端金属开始离开变形区为止。3）不稳定过程-为管坯尾端金属逐渐离开变形区到金属全部离开轧辊为止。,2.3.2穿孔-斜轧穿孔的基本原理,整个变形区为一个较复杂的几何形状，大致可以认为，横断面是椭圆形，到中间有顶头阶段为一环形变形区。纵截面上是小底相接的两个锥体，中间插入一个弧形顶头。变形区形状决定着穿孔的变形过程，改变变形区形状（决定与工具设计和轧机调整）将导致穿孔变形过程的变化。1-轧辊；2-导板；3

26、-顶头；4-顶杆；5-管坯；6-毛管（环形封闭变形区）,2.3.2穿孔-斜轧穿孔的基本原理,狄舍尔穿孔机采用立式布置，即轧辊上下放置，如图所示，其送进角达到18度以上。由于其主动导盘的线速度大于毛管的出口速度，因此穿孔机生产效率、金属的可穿性、毛管的质量和成材率都提高了，工具的消耗减小，降低了成本,2.3.2穿孔-斜轧穿孔的基本原理,区称之为穿孔准备区，（轧制实心圆管坯区）。区的主要作用是为穿孔作准备和顺利实现二次咬入。区称为穿孔区，该区的作用是穿孔，即由实心坯变成空心的毛管，该区的长度为从金属与顶头相遇开始到顶头圆锥带为止。区称为碾轧区，该区的作用是碾轧均整、改善管壁尺寸精度和内外表面质量，

27、由于顶头母线与轧辊母线近似平行，所以压下量是很小的，主要起均整作用。区称为归圆区。该区的作用是把椭圆形的毛管，靠旋转的轧辊逐渐减小直径上的压下量到零，而把毛管转圆，该区长度很短，在这个区变形实际上是无顶头空心毛管塑性弯曲变形，变形力也很小。,2.3.3穿孔-斜轧穿孔运动学,穿孔机轧辊是同一方向旋转，且轧辊轴相对轧制轴线倾斜，相交一个角度称作前进角。当圆管坯送入轧辊中，靠轧辊和金属之间的摩擦力作用，轧辊带动圆管坯毛管反向旋转，由于前进角的存在，管坯毛管在旋转的同时向轴向移动，在变形区中管坯毛管表面上每一点都是螺旋运动，即一边旋转，一边前进。表现螺旋运动的基本参数是：切向运动速度、轴向运动速度和轧

28、辊每半转的位移值（螺距）。,2.3.4穿孔-穿孔的咬入条件,斜轧穿孔过程存在着两次咬入，第一次咬入是管坯和轧辊开始接触瞬间，由轧辊带动管坯运动而把管坯曳入变形区中，称为一次咬入。当金属进入变形区到和顶头相遇，克服顶头的轴向阻力继续进入变形区为二次咬入。,2.3.4穿孔-穿孔的咬入条件,（1）一次咬入条件一次咬入既要满足管坯旋转条件又要满足轴向前进条件。1）轴向前进条件 前进咬入条件是指管坯轴向力平衡条件，也就是曳入管坯的轴向力应大于或等于轴向阻力，其表达式为：n(Tx-Px)+P 0 式中：Tx-每个轧辊作用在管坯上的轴向摩擦力；Px-每个轧辊作用在管坯上正压力轴向分量；P-后推力(一般为零)

29、。2）一次咬入所需旋转条件：管坯旋转力矩大于或等于管坯旋转阻力矩 即每一轧辊给管坯的旋转摩擦力矩大于或等于每一轧辊正压力给管坯的旋转的阻力矩 为此，咬入角变大些、轧辊的入口锥角小些，或者通过施加管坯的推入力和加大轧辊表面的辊花深度。,2.3.4穿孔-穿孔的咬入条件,（2）二次咬入条件二次咬入中旋转条件比一次咬入增加了一项顶头顶杆系统的惯性阻力矩，其值很小。因此二次咬入旋转条件，基本和一次咬入相同。二次咬入的关键是前进条件。1）二次咬入时轴向力的平衡条件 n(Tx-Px)-Q 0 式中：Q顶头鼻部的轴向阻力，牛顿。2）二次咬入所需旋转条件 二次咬入的条件在轴向管坯的推入力要大于顶头和管坯与轧辊之

30、间的摩擦力，能实现二次咬入的前提是在管坯接触顶头前（x=自由长度）管坯至少要旋转一周。,2.3.5穿孔-穿孔工具及设计,穿孔机工具主要包括轧辊、顶头和导板（导盘），这些工具直接参与金属变形。工具的尺寸和形状要求合理，这样才能保证穿出高质量的毛管，保证穿孔过程的稳定、生产率高、低能耗、工具耐磨性高、使用寿命长的要求。（1）轧辊穿孔机轧辊形状主要有盘式辊、桶形辊和锥形辊，盘式辊很少使用，常用的是桶形辊和锥形辊。从大体的形状来看，桶形辊和锥形辊度一般是由两个锥形段组成的，即入口锥和出口锥。轧辊的特征尺寸指轧辊最大直径和辊身长，轧辊最大直径和辊身长度是根据轧辊长度、轧制速度、咬入条件、轧制产品规格、电

31、能消耗、轧辊重车次数等因素确定。轧辊直径增加，则咬入条件改善、轧制速度提高、轧辊重车次数增加、轧辊的利用率高，但同时也增加了轧制压力和电能消耗。,2.3.5穿孔-穿孔工具及设计,1）轧辊的入口锥角和出口锥角轧辊入口锥的角度大小决定管坯能否顺利咬入和积累足够的力以克服顶头阻力使管坯穿成毛管。一般情况下，入口锥角在34之间；轧辊的出口锥角在36之间，这取决于管坯的扩径量，扩径量越大，角度越大。2）轧辊的入口锥和出口锥长确定轧辊入口锥和出口锥的长度首先为了校核轧辊的长度是否满足毛管咬入和扩径的要求，其次为在生产中合理使用轧辊。,2.3.5穿孔-穿孔工具及设计,（2）导盘导盘的作用是封闭孔型。导盘设计

32、要素主要有：接触弧半径和厚度。1）导盘的轮廓导盘的轮廓一般是由两个半径即入口半径R2、出口半径R1组成，根据经验可以用以下公式确定其值的大小：入口半径：R2（0.660.70）DB 出口半径：R1（0.80.87）DB 2）导盘厚度导盘厚度由最小轧辊距离和导盘与轧辊的最小间隙决定。大小为：B（0.81.0）DB,2.3.5穿孔-穿孔工具及设计,（3）顶头 1）顶头类型：顶头的种类按冷却方式来分，有内水冷、内外水冷、不水冷顶头（穿孔过程和待轧时间内都不冷却，主要指生产合金钢用的钼基顶头）；按顶头和顶杆的连接方式来分，有自由连接和用连接头连接顶头；按水冷内孔来分，有阶梯形、锥形和弧形内孔顶头。内孔

33、与外表面之间的壁厚有等壁和不等壁两种；按顶头材质分，有碳钢、合金钢和钼基顶头；从扩径段分有2段式、3段式、4段式，扩径率小于20用2段式顶头，大于20用3或4段式顶头。2）顶头冷却：为延长顶头的使用寿命，应通过加强冷却水的压力来提高顶头在孔型中顶头的冷却，尤其是顶头的前部。使用内水冷主要是为了降低顶头内部温度，应尽可能降到最低水平，冷却水压应保证在1015 bar。,2.3.5穿孔-穿孔工具及设计,3）影响顶头寿命的因素：管坯材质，合金含量越高，变形抗力越大，顶头寿命越低；顶头化学成分和热处理工艺，热处理工艺决定顶头寿命；穿孔时间和管坯长度，穿孔时间越长，顶头温度越高，顶头越容易变形和损坏。顶

34、头在穿孔过程中，顶头承受着交变热应力、摩擦力及机械力的作用，力的大小影响顶头的寿命。顶头过分磨损会划伤毛管内表面，粘钢后产生内折。顶头一般是轧制的、锻造的或者是铸钢的。搬运顶头时应保护表面的氧化层，避免脱落，否则影响使用寿命。更换标准是当顶头头部磨损，磨损带长度超过5mm，破损面积超过30cm2；穿孔段出现裂纹；裂纹长度超过60mm，宽度在1.0mm左右；粘钢，有粘钢就该更换。剔废的顶头原则上不能重复使用，若重车，需要再次热处理。,2.3.6穿孔-定心,（1）定心方法：定心方法有两种，即热定心和冷定心。热定心是用压缩空气或液压在热状态下冲孔。特点是生产效率高，设备简单，同时由于冲头形状与顶头鼻

35、部形状相适应，能获得良好的定心孔形状。从近些年的发展来看，热定心工序有逐步被取消的趋势。冷定心是在离线状态下在机床上钻孔，冷定心仅在高合金或重要用途钢管的生产中采用。（2）三辊定心的作用和结构 由于顶杆很长且直径较小，因此顶杆的刚度较差。为了增加顶杆刚度和防止顶杆在穿孔过程中的抖动，在穿孔机的后台设置定心辊装置。老式穿孔机因毛管较短，定心辊的数目一般为34个，随着毛管长度的增加现代的穿孔机定心辊数目为67个。每一台定心辊装置有三个互为120布置定心辊组成，即上定心辊和2个下定心辊。,2.3.6穿孔-定心,在轧制过程中定心辊的作用是：1）当毛管未接近定心辊时，三个定心棍将顶杆抱住，并随顶杆而转动

36、。作用是使顶杆轴线始终保持在轧制线上，不至于因弯曲而产生甩动；2）当毛管接近定心辊时，上下定心辊同时打开一定距离，使毛管进入三个定心辊之间，毛管就在三个定心辊中旋转前进，起导向的作用；3）当一只毛管完全穿透之后，上定心辊向上抬起一个较大的距离。,2.3.7穿孔-顶头顶杆,（1）顶杆的冷却形式顶杆的冷却形式主要有两种，一种为顶杆不循环，此种方式顶杆一般为内水冷式，而顶头为外水冷式，每穿孔一次更换一个顶头或者直到一个顶头损坏才更换；另一种方式为顶杆循环使用，此种顶杆结构简单、维护方便，每组一般需要612支才能循环使用。,2.3.7穿孔-顶头顶杆,（2）顶头的使用方式顶头的使用方式主要有以下几种：1

37、）顶头与顶杆连接在一起一同进行循环的。顶头损坏后需要离线进行更换，一般情况下，一组顶杆67 支，冷却站在轧线之外，占地面积较大。2）顶头在线循环。即使用一支顶杆，每穿孔一次，顶头更换一次，一般情况下使用三个顶头，顶头循环的次序是1，2，3，再1，2，3。这种方式只更换顶头，使用方便，生产节奏快。但要求顶头的定位精确，工具加工精度高，设备运转正常，否则的话，容易发生顶头与顶杆连接不牢，顶头脱落的情况。3）一个顶头顶杆单独使用。当顶头损坏后，须在线更换顶头顶杆。,2.3.8穿孔-力能参数的计算,计算总轧制压力，首先要确定接触面积。1）变形区长度的确定变形区的长度是入口断面到出口断面的距离。2）接触

38、面宽度的确定在斜轧穿孔时，沿变形区长度，接触表面的宽度是变化的。3）平均单位压力 的计算4）轧制压力P的计算,2.3.9穿孔-孔腔形成机理,斜轧实心管坯时，在顶头接触管坯前常易出现金属中心破裂现象，当大量裂口发展成相互连接，扩大成片以后，金属连续性破坏，形成中心空洞即孔腔。管坯中心在与顶头接触前过早形成孔腔，再与顶头接触进行穿孔，裂纹不能焊合会造成大量的内折缺陷，恶化钢管内表面质量，甚至形成废品，因此在穿孔工艺中力求避免过早形成孔腔。,2.3.9穿孔-孔腔形成机理,影响孔腔形成的主要因素生产实践证明，凡是引起或促成不均匀变形，横变形或横向拉应力的发展，促进反复交变应力次数和时间增加，以及降低金

39、属断裂强度的因素，都会促进孔腔的形成。（1）变形的不均匀性（顶头前压缩量）（2）椭圆度的影响（3）单位压缩次数的影响在生产中主要指管坯从一次咬入到二次咬入过程中管坯的旋转次数，次数的增多就容易形成孔腔。为了减少压缩次数，可以增大轧辊倾角，减少轴向滑移。（4）钢的自然塑性（5）加热制度对孔腔也有很大影响。,2.3.10穿孔-常见工艺问题,（1）内折钢管内折缺陷是指在钢管内表面存在着与整体金属熔合的紧贴着的重叠层，或存在钢管的头部，或存在整根钢管内，或有规律，或无规律。有此缺陷的钢管轻者可以修磨使用，重者降级使用或报废。1）影响内折的因素A连铸坯质量与内折的关系B轧制参数调整对内折缺陷的影响C升速

40、比的影响D顶头预旋转速度的影响,2.3.10穿孔-常见工艺问题,2）内折形式根据现场取典型试样，并作金相分析，内折形式大体上表现为端部内折和通体内折，具体如下：A端部内折；B大片内折；C通体内折3）形成内折的原因：工具磨损引起的内折；铸坯质量引起的内折；轧制内折。4）解决方向通过以上分析，可以看出钢管内折的变形量过大所造成的轧制内折外，主要是铸坯质量差和轧制工具磨损引起的。因工具所致的内折可以避免，故攻关的重点应放在改善铸坯的组织结构上。主要方法有增设缓冷料架，有效释放管坯内部应力；扩大铸坯等轴晶率，缩短柱状晶长度，改善铸坯中心疏松和中间裂纹；注意轧制工具的磨损；穿孔机调整应采用大角度、低转速

41、等调整方法。,2.3.10穿孔-常见工艺问题,（2）前卡前卡，又称不咬入。是穿孔机最常见的工艺问题，处理办法有将顶头前伸量减少；减小辊距；升温。（3）中卡中卡问题不常见，多是由于电机负荷过高或管坯打滑所致。处理办法有避免顶头熔化；避免轧辊磨损严重；防止管坯温度过低引起电机过载，或管坯过烧。（4）后卡（镰刀）后卡常见的形式有两种，一种是管坯尾部刚刚穿透一个小孔，另一种是为不开花。处理的办法有将顶头前伸量增加；增加辊距。,2.3.10穿孔-常见工艺问题,（5）链带链带的产生是由于金属窜入轧辊与导盘（导板）缝隙，并且导盘的边缘磨损锋利，管坯表面的金属被切削而形成的链袋状。处理的办法有增加导盘的稳定性

42、；及时更换工具。（6）壁厚不均钢管的壁厚不均也是最常见的质量问题，主要形式有端部的壁厚不均和通体的壁厚不均。处理的办法有管坯端部要垂直；管坯的加热温度要均匀；穿孔机的轧线要居中；轧机的辊缝要对称；定径机的轧辊安装对称，机架安装到位。,2.4.1 轧管-概述,穿孔后的毛管必须进行壁厚加工，同时还要对外径进行加工，才能投入使用。毛管轧制就是对穿孔以后的毛管进行壁厚加工，实现减壁延伸，使壁厚接近或等于成品壁厚。在整个金属热变形过程中起延伸作用。,2.4.1 轧管-概述,轧管分类：1）自动式轧管机组2）连续式轧管机组3）三辊式轧管机组,2.4.2 轧管-纵轧变形,特点按照机架的形式及内变形工具的类型，

43、纵轧基本有三种形式：,2.4.2 轧管-纵轧变形,轧制所用孔型有：,2.4.2 轧管-纵轧变形,2.4.3 轧管-自动轧管机组,自动轧管机由主机、前台和后台三部分组成。主机是二辊不可逆式纵轧机，其特点是在工作辊后装设了一对高速反向旋转的回送辊，同时为满足回送钢管的需要，设有上工作辊和下回送辊快速升降机构。工作辊上车有园孔型。由穿孔机和延伸机送来的毛管，在由园孔型和顶头（圆锥形头或球形顶头）组成的环形孔型中轧制。通常轧制两道次。每轧制一道次后，将上工作辊和下回送辊提升一定高度，利用回送辊将毛管送回前台，然后将轧管恢复原工作位置，并将钢管翻转90，再同一孔型中轧制第二道次。各道次的变形量大小靠两道

44、次顶头直径差来调节。轧后钢管回送至前台后横移至均整机进行均整。其变形过程经过压扁、减径和减壁三个阶段。,2.4.3 轧管-自动轧管机组,自动轧管机的优点是生产的规格调整灵活，就钢种而言，适用范围宽，可生产低、中碳钢和低合金钢、不锈钢等；适于小批量、多品种生产。其缺点是变形能力差，两个道次的总延伸只有2.5以下；壁厚不均匀，经常出现内划道，必须用均整机消除；荒管长度短，影响成材率的提高；生产效率低（轧制节奏慢，单重小）。,2.4.4 轧管-连续轧管机组,连轧管机组一般按照芯棒的运动特点分为三种形式：全浮动、半浮动和限动芯棒连轧管机1全浮动连轧管机组在整个轧制过程中对芯棒速度不加限制，由被辗轧金属

45、的摩擦力带动芯棒通过轧机，随后用脱棒机将芯棒由钢管中抽出。2限动芯棒连轧管机组在整个轧制过程中芯棒以某一限定的速度运动，轧制后期芯棒由限动机构驱动回退，当荒管尾部离开机组时，芯棒回到起始位置，继续下一根轧制。3半浮动芯棒连轧管机组在整个轧制过程中对芯棒速度进行控制，但在轧制结束之前将芯棒放开，同全浮动轧机一样由钢管将芯棒带出轧机，由脱棒机将芯棒抽出。在对芯棒速度进行限动时，在一定程度上解决了金属流动规律性的问题，将芯棒放开后，又如同浮动芯棒一样要考虑脱棒条件的限制，因此轧制的管径不宜太大。,2.4.4 轧管-连续轧管机组-限动芯棒连轧管机（MPM）,（1）限动芯棒连轧管机的特点限动芯棒连轧管机

46、（MPM）与浮动芯棒连轧管机（MM）相比有如下特点：1）降低了工具消耗。2）改善了管子的质量。3）取消了脱棒机，缩短了工艺流程，提高了连轧管的终轧温度。4）扩大了产品规格。5）所轧管子的延伸系数可达610。6）产量高、单位投资比较低。总之，限动芯棒连轧管机代表着现代无缝钢管生产的先进技术，它集中体现了无缝钢管生产的连续性、高效率、机械化及工业自动化的发展趋势。也反映了一个国家钢铁、钢管生产的技术水平，是一个国家钢铁企业，科技水平集中体现的一个重要方面。,2.4.4 轧管-连续轧管机组-限动芯棒连轧管机（MPM）,工艺流程图,2.4.4 轧管-连续轧管机组-限动芯棒连轧管机（MPM）,轧制工具是

47、指那些与轧件直接接触的，并使轧件在高温下产生塑性变形的，具有一定几何形状的工具。（1）连轧辊（2）芯棒修复准备（3）脱管机（4）连轧辅助轧制工具,2.4.4 轧管-连续轧管机组-限动芯棒连轧管机（MPM）,MPM连轧机的孔型设计步骤A 确定该孔型系列轧制最薄钢管的规格和芯棒直径。B 确定轧机的总延伸系数。C 计算毛管规格，分配各架轧机的延伸系数。D 根据分配的延伸系数计算出轧件在各架孔型处的轧件横截面积S1。E 选定孔型基本参数和相应的尺寸参数。F 根据选定的孔型参数计算各架孔型轧件横截面积S2。,2.4.5 轧管-三辊轧管机组,2.4.5 轧管-三辊轧管机组,2.4.5 轧管-三辊轧管机组-

48、阿塞尔轧管机组,阿塞尔轧管机（ASSEL Mill）的三个轧辊在机架中呈120度角布置，与长芯棒构成一个相对封闭的环状孔型。轧辊轴线相对于轧制中心线垂直方向和水平方向均倾斜于一定角度，分别叫喂入角和辗轧角。轧辊形状呈锥形，中间段有一个凸起叫做辊肩，轧制时与长芯棒完成集中变形，实现较大的压下量，延伸系数可达2左右。,2.4.5 轧管-三辊轧管机组-阿塞尔轧管机组,变形过程 Assel轧机的变形区是由三个相同的轧辊和芯棒组成的，三个轧辊同向旋转。Assel轧管变形区横截面如图所示。轧机中心线和轧制线一致，从轧制线到三个轧辊的距离相等，一般在生产壁厚较大的钢管时采用回退式轧制方式，主要是厚壁管的脱棒

49、间隙较小，不便于抽棒。通常情况下均采用限动轧制方式进行轧制。Assel轧机的变形过程与二辊斜轧延伸机相类似，轧辊辊型也由咬入区（入口锥）、脊部（台肩）、均整区和出口区组成。,2.4.5 轧管-三辊轧管机组-阿塞尔轧管机组,毛管被轧辊一次咬入后，进入入口锥，入口锥角一般约为2.53，由于毛管内径大于芯棒直径，首先进行减径，当直径上的压下量等于毛管内径与芯棒的间隙值时，毛管内表面开始接触芯棒表面，此时一次咬入阶段结束。由于辊面台肩急剧压下，而钢管内壁受到芯棒的限制因此开始减壁，进入二次咬入阶段。一次咬入主要是减径区，该区的主要作用是建立足够的曳入力，以克服来自轧辊脊部（台肩）的轴向阻力，实现二次咬

50、入。有时为了实现二次咬入，在入口锥提前减壁。毛管到达台肩时，壁厚有较大的压下量，钢管的延伸变形主要集中在台肩完成。毛管通过台肩后进入均整区，均整区的辊面在辗轧角为5的情况下是与轧制线平行的，因此该区的变形量很小。,2.4.5 轧管-三辊轧管机组-阿塞尔轧管机组,轧机工艺参数（1）变形参数：毛管尺寸、荒管尺寸、延伸系数、辗轧角、孔喉直径和芯棒直径、插棒间隙、脱棒间隙等。（2）速度参数：喂入角、轧辊转数、芯棒限动速度等。（3）温度参数：轧制温度等。,2.4.5 轧管-三辊轧管机组-阿塞尔轧管机组,主要轧制工具1）轧辊共有三个轧辊，在机架内间隔120角布置。轧辊轴线与轧制线在不同平面上的投影分别形成