机械设计课程设计-钢管热连扎---减径工艺设计参数设计.doc

太原科技大学课程设计说明书课程设计说明书 设计题目：钢管热连扎-减径工艺设计参数设计设 计 人：指导老师：班 级：机自051401班 太原科技大学 2008年 12 月 26 日 太原科技大学材料科学与工程学院课 程 设 计 任 务 书专业班级 设计人 同组人 设计题目： 钢管热连轧-减径工艺参数的设计 设计参数： 坯料尺寸： 455 材 质： 中碳钢 成品尺寸： 302.5 机架数量： 8 设计要求： 设计应满足生产的小直径热扎无缝钢管产品的要求。产品质量达到国家标准同时力求设备工具投资少、生产工艺流程合理。 设计内容： 1、生产方案的确定 2、产品大纲的确定 3、工艺流程的设计 4、孔型的设计 5、设备选择与力能参数计算 6、技术经济指标计算 设计时间： 2008 年 12 月 8 日 至 2008 年 12 月 26 日设计人(签字) 指导教师(签字) 教研室主任（签字） 附注：本课程设计任务书由学生附入设计说明书内。钢管热连轧减径工艺参数设计吴赛荣，王胜英，刘成仕(太原科技大学，机自051401班)摘 要：主要介绍了钢管张力减径机孔型的具体设计过程, 给出了减径率分配的具体计算方法并对各孔型尺寸进行了精确计算。采用了一种较为科学的方法计算钢管各道次壁厚，对各架减径机的轧制速度，转速，轧制力，轧制力矩等力能参数进行了详细的计算。同进对这套工艺流程进行了有关的技术经济指标计算.关健字:钢管;张力减径机;孔型设计; 力能参数;经济指标 Abstract: Pipe stretch reducing mill secundum specific design process, given the distribution of reducing the rate of the specific method of calculating the size of the hole had a precise calculation. Adopted a more scientific way of calculating the pipe wall thickness of the pass, on the plane by the rolling mill speed, speed, rolling force, rolling moment, such as force and energy parameters of the detailed calculation. Into this process with the conduct of the relevant technical and economic indexes calculated. Key words: steel tube; stretch reducing mill; pass design; force and energy parameters; economic indicators目 录1.1前言61.2我国热轧无缝钢管技术装备现状及发展71.3当前使用的轧管机型式81.3.1 轧管机型式81.3.2、不同类型轧管机应用分析9第2章 生产方案的确定112.1轧机辊型的确定112.2减径生产方案的确定132.2.1减径方式：132.2.2张力减径机的特点与设计14第3章 产品大纲的确定153.1生产的产量、规格、品种153.2国内新上（微）张力减径机组主要技术参数15第4章 工艺流程设计174.1 热轧无缝钢管的生产工艺流程174.2 PQF 生产工艺184.2.2从工艺角度讲，PQF与传统的MPM 比较具有以下优点：19第5章 主要工艺设备性能及控制系统215.1 锥形辊穿孔机215.2 工艺控制系统、质量保证系统的先进性225.2.1 物料跟踪系统（MTS）225.2.2 在线检测质量保证系统225.2.3 PQF 轧机的自动辊缝控制系统（HCCS）235.3 精整设备245.4 CARTA 系统：穿孔机工艺辅助设计系统、定径机工艺辅助设计系统24第6章 减径工艺参数和轧辊孔型的设计256.1基本参数的确定256.2孔型半径的计算步骤如下：29第7章 轧制压力的计算317.1计算八机架的轧制压力317.2确定各机架的总全压力32第八章 技术经济指标计算348.1 PQF连轧机投产经济利润348.2 总数8机架的主要经济技术指标：348.2.1 锥形辊穿孔机技术参数：348.2.2 五机架PQF连轧机的技术参数：358.2.3 三架张力减径机的技术参数如下：35第1章 热轧无缝钢管现状概述1.1前言 中国经济的持续稳定增长及业已启动的城市化和工业化，促进了钢铁行业的健康、快速和稳定发展。良好的市场环境，为钢铁企业进一步发展提供了良好契机。经过近年钢铁快速发展，钢材市场供需关系，由卖方市场变为卖方市场，各企业已开始探索企业可持续性发展的有效途径。 采用先进的生产工艺装备，是提高企业竞争力的有效手段。各钢铁企业为了提高自身竞争力，根据自身资金实力，大规模的改造或新建生产线。无缝管的生产水平是衡量一个国家钢铁整体生产水平的重要指标，我国目前无缝管总体装备水平还不高；按照国家钢铁产业政策的要求，站在优化整体钢铁行业产品结构和装备水平的高度，提高无缝管生产水平和企业竞争力已势在必行。本文主要就新建热轧无缝管张力减径生产线工艺做了以下讨论。钢管减径是一种制造无缝钢管和焊接钢管的热轧工艺。由于减径过程中金属变形受孔型形状、张力系数、温度分布、机架间距、材料特性等多种复杂因素的影响，容易产生内多角形、内筋、外青线和头尾端增厚等产品质量缺陷，由此所产生的废品和头尾端增厚切损使钢管生产成本大大增加，市场竞争力下降，而由此所造成的资源消耗和浪费是十分惊人的。1.2我国热轧无缝钢管技术装备现状及发展现在我国无缝钢管技术装备种类、规格齐全。具体来看，热轧无缝钢管装备：自1953年建成投产140mm自动轧管机组以来，陆续开发、研制、设计、制造、建成投产一大批小型（50mm-100mm）穿孔机和自动、三辊、连轧、圆盘等轧管机组，并先后引进一批顶管、大型自动、扩管、三辊轧管机组，后期又引起一批先进的三辊、精密和连轧机组，现有（含在建）的热轧成品无缝钢管机组约9大类38套，即连轧管、自动轧管、周期轧管、热扩管、精密轧管、圆盘轧管、三辊轧管、顶管、挤压管和行星轧管机组，产品外径21.3mm-1100mm，设计能力504-514万吨。应该说，目前我国是世界热轧管机组的种类和规格最齐，是世界热轧无缝钢管最新、最先进机组的总汇，是世界最新装备、机组的实验地。热轧管机组中有代表性的典型现代化装备主要有连轧机组，精密轧管机组，400mm自动轧管机组，三辊轧管机组，顶管机组等，这些机组的装备水平，有的相当先进，达到国际水平。如国产的108三辊轧管机组，是1968年开始设计的国家实验机组，通过1979年实验和试轧，1980年通过部级鉴定，1984年经原冶金部批准，进行移地配套改造，1987年建成投产，2002年完成更新改造，装备水平达到当今三辊轧管机组的最高水平。整个机组可完全由计算机自动操作，亦可人工单独操作。再有，国产102顶管机组，1988年建成投产，该机组装备电气传动控制，仪器、仪表测量和调节，连锁操作控制系统，是20世纪80年代顶管机组的较高水平。在无缝钢管技术装备及生产发展前景方面,目前国还不是世界的无缝钢管生产强国，现在国产的优质、低耗、高附加值无缝钢管的品种还很少，不能满足国内市场的需求。如高强度、特殊密封扣、耐低温、耐腐蚀（硫化氢、一氧化碳等）、抗压溃等特殊油井管的缺口较大，致使油井管现在每年还需进口30万吨。此外，无缝钢管的品种、质量、消耗等方面，还难以超过设计水平。与国外先进水平相比，还存在一定的差距，尤其是在质量、使用寿命、价格比等方面，还很难具备竞争力。在机组装备上，也需进一步提升。1.3当前使用的轧管机型式 1.3.1 轧管机型式目前，我国应用的轧管机有皮尔格轧管机、自动轧管机、CPE轧管机、新型三辊轧管机、Accu Roll轧管机、MPM轧管机和PQF轧管机。 皮尔格轧管机可用钢锭作原料，宜于轧制大口径的厚壁钢管和变断面管，主要用于生产热轧大口径厚壁合金无缝管，产品规格一般为140560mm，壁厚最大可达80mm以上，生产能力为1020万吨/年。该机型还用于冷轧管机组。 自动轧管机把厚壁毛管轧成薄壁荒管，一般经23道次，轧制到成品壁厚，总延伸率约为1.82.2；主要用于生产热轧中厚壁无缝管，热轧产品规格为57426mm，生产能力为740万吨/年不等。该机型在我国的数量最多。 CPE轧管机是一种改进的顶管机，采用比传统顶管机重量更大的管坯，可生产较长的管子（可达24m），提高了收得率，但仍比其他工艺收得率低。可生产薄壁钢管，生产工艺独特，生产能力为530万吨/年。 三辊轧管机产品尺寸精度高，表面质量好，轧机调整方便，工具消耗少，易于实现自动化；但生产率较低，需采用优质钢坯，生产薄壁管比较困难。主要用于生产中小口径高精度厚壁无缝管（规格一般219mm），特别适合生产合金钢无缝管，生产能力为720万吨/年。 Accu Roll轧管机穿孔后带长芯棒的毛管在导盘轧管机上轧成薄壁管材。轧机类似二辊斜轧穿孔机，只是固定导板改成主动导盘。由于用长芯棒生产，管材内壁光滑，且无刮伤但工具费用大，延伸系数小，毛管长度短。主要用于生产外径219mm以下普通用途的碳素钢管。生产能力为720万吨/年。 MPM轧管机为二辊连轧管机，工艺和技术成熟，机组规格型号较多，可以生产大部分钢种的中薄壁无缝管，D/S（直径/壁厚）可达45，生产能力达到50万吨以上，目前在世界上已经成为连轧管的主要选择机型。PQF轧管机为三辊连轧管机，是目前理论上最为先进的连轧管机，可轧制薄壁管和难变形钢种，D/S（直径/壁厚）值可达58，生产能力可达30万吨以上，目前世界上只建有天津钢管公司一条生产线5。 其它类型轧管机有CPS轧管机和三辊行星轧管机。南非Tosa钢管厂于1989年进行技术改造，以CPS轧管机代替顶管机，最终由于技术原因，没有获得成功。三辊行星轧管机于1983年在德国Eschweiler厂投产，目前世界上只有一套此类型轧机在生产。 1.3.2、不同类型轧管机应用分析 皮尔格轧管机属于周期轧管工艺，是一种非连续式的分段纵轧工艺；自动轧管机采用的是自动轧管工艺，属于短顶头纵轧工艺。这两种轧机的发展趋势是逐步被采用长芯棒连续纵轧工艺的连轧管机所取代。 CPE轧管机、三辊轧管机和Accu Roll轧管机由于适合产量小和低投资的要求，在一段时间内，还不会被连轧管机所完全取代，但生产规模超过50万吨的轧管机将不得不采用连轧管机。 连轧管机主要有两种机型：MPM轧管机和PQF轧管机。MPM轧管机已经在世界上得到广泛应用，被认为是世界上先进的、成熟的生产技术。PQF轧机由于结合了典型二辊MPM限动芯棒技术及三辊孔型设计技术，因而比MPM限动芯棒连轧管机前进了一大步，理论上比MPM轧管机更先进，但投资也更大 小结 ：目前，我国无缝管轧机型处于多种轧管机共存的阶段，各种轧管机的应用前景，取决于企业确定的产品品种和生产规模。连轧管机由于其生产规模大、成材率高、吨材投资低和适合生产品种广，被认为是最有发展前景的轧管机。MPM轧管机和PQF轧管机的取舍，决定于企业的对产品质量的要求和自身资金状况。第2章 生产方案的确定2.1轧机辊型的确定按轧机结构形式，减径机可分为二辊式、三辊式和四辊式，如下图所示。 （a）二辊式 （b）三辊式 （c）四辊式 图2.1多辊式减径机一般的减径机通常用二辊式，张力减径机通常用三辊式。二辊式单独传动的轧辊两端受支撑且轴线与地面成45交角的减径机较常见。但目前三辊式张力减径机应用更日趋广泛，具有较多优点：减径机的机架间距大大缩小，仅为300370mm（约为轧辊直径的1.051.1倍），因而缩短了钢管在减径过程中出现的端部增厚部分的长度，减少了金属损耗。三辊式机架不用调整，轧辊在机架内安装好，同时用专用孔型车床加工，而不是单个加工。轧辊不用调整，意味着消灭了废品和二级品。有大的减径量（较二辊式大（1314），采用宽展小的孔型，既保持大范围的圆形部分，因此在大的总减径量和大减径量的情况下，材料应力最小，可以产生极薄壁管、极厚壁管，且内外表面质量良好。三辊式减径机设备复杂，但精确度高。减径机以机架数目随轧管机组形式和减径机组所需达到的总直径压缩量而定，一般为924架，三辊微张力减径机一般采用12个机架，少数采用14、10机架，个别采用8机架。为了便于轧件进入孔型，每架装有入口导管，中间机架和最后机架也装有导管。PQF轧管机代表目前国际先进的技术水平，现对三辊式限动芯棒连轧管机（PQF）的特点进行概述：（1）三辊孔型设计使孔型槽底与轧槽侧壁之间的圆周速度差异减小从而使金属变形均匀，轧管过程也更平滑更稳定，芯棒在孔型中的稳定性更高。由于环孔型上各点金属流动速差减小，故减小了槽底金属对侧壁金属的阻碍作用，从而可以消除在侧壁的波纹之类的缺陷， 而且这种均匀变形可以提高延伸系数，增加轧制薄壁管和高钢级品种的轧制能力，减少了机架数量，减轻了对轧制工具的磨损和延长工具使用寿命，使得吨钢轧制工具消耗降低。（2）辊孔型设计使凸缘区（钢管既不与轧辊也不与芯棒接触的区域）更小，约比二辊减少30% 。这也使轧制工具磨损均匀，减小材料损失。PQF连轧机轧辊机架采用三辊式封闭式孔型设计，使钢管在轧制过程中金属变形时在三个方向同时受力，金属在同一截面上的变形更加均匀。三个轧辊的120角布置保证了芯棒在孔型中的更好对中。这些均使得轧后的荒管壁厚的公差明显改善，轧辊采用单独传动和单独的伺服液压压下使三个轧辊能够同时或单独的进行调整，使得使用同一规格芯棒轧制多种壁厚规格时引起的壁厚偏差明显减少，轧制过程稳定性提高，出现工艺故障的机率降低（3）三辊式的孔型设计可以在相同芯棒下有更大的调节范围，且无大的公差影响，这样可以增大同规格芯棒的可轧壁厚范围， 减少了芯棒的规格（减少50%）降低了工具更换频率，提高了作业率，降低了成本，使生产组织更加自由。（4）三辊的刚性轧辊设计，减小了轧制时的轧辊弯矩，也就使得轧机可以轧制超薄壁管和高钢级品种。目前设计的连轧机最大轧制延伸系数可以达到4.385。实践证明，在PQF连轧机组已经可以稳定的轧制4.00mm壁厚的荒管，没有发生孔洞、轧折、拉凹等缺陷。（5）均匀变形及合理的几何孔型设计，使得可以每个轧辊一个液压缸控制压下量，实现辊缝调整模型化。从而提高了壁厚精度，减少荒管头尾与中部的壁厚差异，降低了钢管切损率，与传统的MPM二辊式连轧机组相比较，同样规格的钢管头、尾切损率可以降低30%左右。小结：三辊张力减径机的轧辊和轧件表面相对滑动小；变形率高，可降低变形功率；轧辊直径小，缩短机架之间的距离；单击减径量大，可实现较大的张力和减壁量。由于省去了导板装置，因而摩擦阻力减小，能量消耗也随之降低了。由于上述特点，三辊式轧管机适于生产低塑性变形金属、高合金钢及其它合金管材。适于生产高精度及机械加工的毛坯，如轴承钢管、机械工业结构钢管等。2.2减径生产方案的确定 2.2.1减径方式：减径方式通常分为：无张力减径、张力减径和推力减径，我们提出三种生产方案：无张力减径是在钢管直径缩小的过程中，和其他连轧机一样，机架之间要保持秒流量相等。当管子通过一个机架是，在轧管任何一侧管子既部手拉力也不受推力的情况下被减径，此时轧辊对管子的纯压缩作用所产生的管壁厚就被认为是无张力状态下发生的。如果适当调整相邻机架的速度，上述情况显然可在多机架的减径机上实现，无拉力状态下管壁增厚的影响因素复杂，目前尚无完整的理论公式。张力减径是指减径机组内每一机架的转速对前一机架而言，以较无拉力状态为高的速度旋转，从而对管子施加了拉力。这种方式不仅减小了管子的直径，而且减薄了管壁。推力减径是指如果将相邻机架轧辊的速度减小到无拉力状态所需要的相对速度之下，就会使管子上产生推力，造成管壁的额外加厚。如果推力过大，可能产生管子的弯曲。但一般来说，减径机上处于推力的情况是很少见的。通过以管上分析，三辊式减径机生产钢表面质量好，切头少，有较大的减径量和减壁量，能生产出符合规格要求的产品。可以提高机组作业率，大幅度提高轧管机组生产率。可以扩大产品规格，减径率高达90%、减壁量高达44%，使张力减径的延伸系数高达6以上。在连轧管机后配置张力减径机能完成设计的产品的具体要求，使钢管更精确，满足生产和生活的需要。张力减径的缺点是所轧制钢管沿长度上壁厚分布不均、前后端产生增厚，这增厚部分超过公差，需切掉。切头损失的相对损失耗量与原有管子长度有关，管子越长，损耗比例就越小。因此为张力减径机提供足长的荒管，是使用张力减径机的重要前提。 2.2.2张力减径机的特点与设计 由于单独传动（微）张力减径机对工艺和电气控制要求较高，所以单独传动（微）张力减径机以往在国内使用较少。随着工艺和电控技术的飞跃发展，单独传动（微）张力减径机在国内又面临着新的发展机遇：国内新上的钢管连轧线均采用了单独传动（微）张力减径机。这些单独传动（微）张力减径机用于将连轧、脱管后的荒管经再加热除鳞后进一步进行轧制，主要生产高精度的石油油（套）管等高附加值产品。（微）张力减径机的传动形式及特点：从传动形式上区分，我们常见的（微）张力减径机主要有：单独传动、集中差动传动、串联集中差动传动、混合传动、固定速比集体传动。它们的优缺点如下：传动形式单独传动集中差动传动串联集中差动传动混合传动固定速比集体传动张力分布优差较好好最差精轧机架调整优差较好好最差切头控制优差较好好最差轧制灵活性优差较好好最差产品范围最广较广广广单一操作简单较好优好好优传动刚性差优好好优电控复杂性复杂简单较复杂较复杂最简单知识产权公开技术公开技术国外专利技术国外专利技术公开技术设备投资最高低高高最低小结：从表中可看出，单独传动、串联集中差动传动、混合传动（微）张力减径机综合技术性能最佳，投资也较大，但后两者为国外公司的专利技术，无法由国内设计制造。第3章 产品大纲的确定3.1生产的产量、规格、品种 轧制钢管规格：外径42.0（30.0）160.0mm 壁厚3.5（2.5）22.0mm 生 产 管 长：815m 生 产 品 种：流体输送管、结构管、管线管、石油套管、油井管接箍料、高压锅炉用管、低中压锅炉用管、液压支柱管、气瓶管及高合金的无缝钢管等 。 产 量：设计年产量为40万吨。钢 种：中碳钢，也可为合金钢和轴承钢。3.2国内新上（微）张力减径机组主要技术参数表3.1 三台单独传动（微）张力减径机组的主要技术参数名称十机架微张力减径机十四机架微张力减径机二十二机架张力减径机最大总减径率24.9%35.5%65%最大单机架减径率3.3%3.4%5.5%轧制材质碳素钢、合金钢、不锈钢碳素钢、合金钢、P110级钢碳素钢、合金钢、不锈钢机组最大平均张力系数0.310.490.65入口毛管直径（mm）177164、107133入口毛管壁厚（mm）512.53.8716.05512.5入口毛管长度（m）7.3268.725.6833出口钢管直（mm） 1331727015912751出口钢管壁厚（mm）5.2134.0164.513出口钢管长度（m）83310.4358.5-80毛管入口速度（m/s）0.7-1.20.5-1.20.8-1.5机架数（架）101422轧辊机架传动型式内传动内传动外传动轧辊理想直（mm）450380330机架间距（mm）410360290（前6架）305（后16架）最大轧制力: （kN）300118150最大轧制力矩（KNm）351720主传动电机数台101422 型号Z355-4B 440VZ315-2 400VZ315-3A 400V 功率（kw）220100200 转速（r/min）1090/1500800/1600/20001028/1800 减速机速比13.7-19.616-18.64.1-12.1 第4章 工艺流程设计4.1 热轧无缝钢管的生产工艺流程 . 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）标记入库轧制无缝管的原料是圆管坯，圆管胚要经过切割机的切割加工成长度约为米的坯料，并经传送带送到熔炉内加热。钢坯被送入熔炉内加热，温度大约为1200摄氏度。燃料为氢气或乙炔。炉内温度控制是关键性的问题.圆管坯出炉后要经过压力穿孔机进行穿空。一般较常见的穿孔机是锥形辊穿孔机，这种穿孔机生产效率高，产品质量好，穿孔扩径量大，可穿多种钢种。穿孔后，圆管坯就先后被三辊斜轧、连轧或挤压。挤压后要脱管定径。定径机通过锥形钻头高速旋转入钢胚打孔，形成钢管。钢管内径由定径机钻头的外径长度来确定。钢管经定径后，进入冷却塔中，通过喷水冷却，钢管经冷却后，就要被矫直。钢管经矫直后由传送带送至金属探伤机（或水压实验）进行内部探伤。若钢管内部有裂纹，气泡等问题，将被探测出。钢管质检后还要通过严格的手工挑选。钢管质检后，用油漆喷上编号、规格、生产批号等。并由吊车吊入仓库中。生产工艺流程图如图4.1 图4.1 热轧生产工艺流程管坯定心 管坯加热穿 孔轧 管定 径空冷喷淋（适用厚壁管）控制冷却管坯锯切人工离线热测尺寸、表面人工热抽检穿后毛管、轧后荒管荒管除鳞IMS两通道在线热测厚管坯复验热锯取样精整工序4.2 PQF 生产工艺三个变形机组有导板锥形辊穿孔、5机架PQF限动芯棒连轧、8 机架微张力定径构成。 PQF连轧管机组具有世界先进的CARTA 系统：穿孔机工艺辅助设计系统、定径机工艺辅助设计系统，连轧工艺参数设定及在线工艺数据跟踪系统（PSS），连轧自动辊缝控制系统（HCCS），物料跟踪系统（MTS）和在线检测系统等工艺控制技术。图4.2 PQF 生产工艺流程 4.2.1 PQF 工艺的优势PQF连轧机为三辊限动芯棒连轧管机组，又称PQF（Premium Quality Finishing高效、优质、精轧管机组）机组。本机组为SMS 公司INNSE设计制造,是我公司继168 新型钢管厂后引进的第二套PQF 机组，它也是世界上最大的热连轧管机组，有多处采用新工艺、新技术。三辊连轧机有独特的轧辊压下、平衡方式，有先进的自动化控制管理系统，连轧工艺参数设定及在线工艺数据跟踪系统（PSS）、连轧自动辊缝控制系统（HCCS）均处在轧管领域的最前沿。该机组具有芯棒在线和离线预穿两种方式；在线预穿主要用于生产薄壁管，由于在线预穿可降低毛管与芯棒的接触时间，减小毛管的温降，使轧制温度较为均匀，可有效地降低了轧制载荷和工具消耗；离线预穿主要是为了减少在线预穿时间，提高轧制节奏。PQF 机架采用三辊式的孔型设计，金属在同一截面上的变形更加均匀，轧辊采用单独传动和单独的伺服压下，可以同时或单独对每一个辊进行调整，这样就可以减小壁厚的偏差，统计数字表明，三辊的壁厚精度要比两辊的高很多，有效地降低了切头尾。 4.2.2从工艺角度讲，PQF与传统的MPM 比较具有以下优点：(1）壁厚精度更高轧辊的三辊布置使金属变形更加均匀；芯棒在孔型中的对中性更好；轧辊的磨损更加均匀这些使得钢管的壁厚精度得到明显的提高。另外采用三辊可调技术（可同时或单独调整轧辊），使得用同一规格芯棒轧制多种壁厚规格时引起的壁厚偏差有明显降低。(2）可轧制变形抗力更高、变形难度更大的金属由于采用三辊轧制的工艺和机架采用圆形结构设计，使机架的刚性更高、受力均匀、单辊受力减小；另外三辊形成的孔型封闭，轧辊身长变短，使轧制时的轧辊横向刚度增大，弯曲力矩减小，轧制时辊缝处的金属的纵向拉应力降低、缺陷（拉裂、拉凹）大大减少，时轧制变形抗力更高、变形难度更大的金属的能力得到提高。 （3）可轧制更薄的钢管（更大的径壁比D/S）由于采用了三辊孔型设计，金属变形均匀、轧制稳定，轧制压力特别是峰值压力减小，使轧制过程中因不均匀变形引起的裂孔、拉凹缺陷大大减少，这时的热轧更薄壁的钢管成为可能，径壁比D/S 可达50。(4）具有更高的的效率及适应能力由于三个轧辊可同时调整或单独调整，即用一种芯棒可轧制更多规格，使得PQF 轧机不但适用于少规格、大批量生产，也适用于多品种、多规格、小批量轧制。减少因规格更换占用的生产时间。同时使轧制工具保有量减少，降低流动资金的占用。(5）温度均匀由于三辊孔型轧制及紧凑式设计，使得钢管沿横断面及全长方向上温度分布更加均匀，轧制过程温度损失更少。第5章 主要工艺设备性能及控制系统5.1 锥形辊穿孔机从 SMS Meer公司引进，该机组之所以选择锥形辊穿孔是因为轧辊直径由入口向出口方向逐渐增大，与穿孔时的金属流动速度逐渐增加相一致，从而减少了作用在管坯上的周向作用力，在轧制变形难度大的坯料时，锥形辊穿孔机的优势明显。理论和实践研究表明，锥形辊穿孔机改变了斜轧穿孔的变形，降低了变形过程中切向的剪切应力，控制旋转横锻效应，可穿制高合金钢和壁厚较薄的毛管，既可为连轧管机提供高质量的毛管，同时又可改变穿孔、轧管两工序间的延伸分配，为配置少机架连轧管机创造条件。图5.1锥形穿孔机轧辊布置图穿孔机为新式的锥形辊穿孔机，轧辊为立式布置，轧辊最大直径1500mm，导卫装置为水平布置的导板。穿孔机主传动为后台传动形式，与传统的穿孔机相比，锥形辊穿孔机的延伸率更大，产量更高，尺寸更灵活，规格范围更广。在锥形穿孔机上将实心管坯穿轧成空心毛管。穿孔机最大出口速度可达0.8m/s，穿孔机后台设有六组三辊定心辊装置（其中第一组设置于穿孔机机架的出口处），轧制时用来支持顶杆并给毛管导向，毛管尾部出穿孔机后，顶杆小车回退将顶杆从毛管内抽出。定心辊大打开，翻料钩将毛管从轧线拨出，放到旋转盘上旋转，毛管在送往连轧机的横移之前，向毛管内部喷吹氮气和硼砂，其作用一是吹刷毛管内部的氧化铁皮；一是硼砂在高温状态下生成雾状气体，充满管内，防止随后的运行过程中空气进入，使内表面产生二次氧化，经过吹刷后的毛管由高架式横移小车直接运送到连轧机预穿线。穿孔机后台设有测量系统，主要用于测量毛管表面温度、毛管的外径、毛管的长度。5.2 工艺控制系统、质量保证系统的先进性 5.2.1 物料跟踪系统（MTS）从管坯上料开始到大冷床结束，跟踪物料通过不同工序时的流水号和工艺调整参数，冷床只跟踪每批钢管的实际支数和总重量数据。若各机组测量的数据与设定的数据不相符，就会有报警提示。物料跟踪系统主要跟踪内容有：对管坯进行计数，并把数字与轧制批号、流水号、管坯重量对应起来；跟踪管坯通过加热炉；管坯出炉穿孔以后，管坯的数据记录中将增加环形炉出口管坯温度、穿孔机后毛管直径、长度、壁厚等数据；连轧后荒管的壁厚、直径、长度、温度的实际值将添加到荒管的数据记录中；从微张力定（减）径机后的测量设备中，跟踪系统取得长度、壁厚、直径、温度等参数。 5.2.2 在线检测质量保证系统在线检测的具体内容有：管坯称重，环形炉出口测温，穿孔后测径测长，芯棒润滑前测温，连轧入口测温，连轧后测厚、测长、测温；微张力定径前测温，定径后测长、测温。管坯称重的目的是控制来料超重，实现物料按支跟踪。管坯和钢管测温采用红外测温仪，目的是监测来料或出料温度是否符合工艺要求，指导炉子加热优化，确保所轧钢管的质量和性能。芯棒测温采用红外线测温仪，目的是检测芯棒温度是否在规定范围内，保证芯棒润滑满足工艺要求，提高芯棒使用寿命。穿孔后台安装两套测长、测径系统测量的毛管实际外径和长度值，工艺人员可根据测量的数据进行外径和长度的进行相应参数的调整，以便轧制出合格的毛管，实现适时监控和调整。PQF连轧管机后安装13通道在线检测系统，能对脱管机后出口的荒管进行最大壁厚、最小壁厚、平均壁厚以及外径、温度和长度进行精度为百万分之一的在线测量。热管沿管的中心线通过测量系统，在一个“O”型框架处在水平和垂直方向上得到不断的测量。每一根管离开“O”型框架后，管沿长度方向的壁厚范围和偏心度被显示在显示器上，并且以下的参数是被过程优化计算机优化计算后得出。测量参数:沿管长度方向的剖面壁厚沿管长度的壁厚偏心沿管长度的平均壁厚沿管长度的平均偏心值 (相对的和绝对的)对壁厚起作用的偏心值 (频率和振幅)通过键盘的功能键选择可以切换到各个位置,成品管沿长度方向的壁厚剖面（最近的管）,当管离开测量位置后，壁厚和偏心距显示在屏幕上,与管长度相关的偏心距曲线显示在屏幕的第二个区域。长度剖面直径、位置、温度及速度,长度剖面数据以不同的颜色，合适的背景显示,产品数据基于平均壁厚的产品数据以及相关的最大最小壁厚、壁厚偏心距和选择的公差被添加到第二个背景中。分布曲线表明与目标值相关的最大最小偏心距的壁厚的频率分布图显示在不同的屏幕上。分布频率是可以选择的。这可以通过轧制的炉批号或者产品参数进行估计，最大可以达到16种这样的分布曲线能被保存。这个消息用于评价整个轧钢过程的好坏，并认证在穿孔和连轧中可能发生的问题。微张力定径机后激光测长使用激光多普勒原理，通过的钢管由两束激光照亮，评估返回的散射光的频率的变化，对测量的速度进行积分，求钢管的长度。 5.2.3 PQF 轧机的自动辊缝控制系统（HCCS）HCCS 是一个闭环控制系统，能实现辊缝在轧钢过程中的自动调整，体现了带位置传感器的液压缸快速而准确定位的优势。每个机架对应每一个辊都有一个单独的液压缸控制，每一个液压缸都带有一个伺服阀。 伺服液压缸的优势： （1）能从位置传感器反馈的数值与设定值比较，计算出差值，改变伺服阀的输入和输出从而达到辊缝与设定值相等。 （2）每一个缸上带有一个压力传感器，可以计算出轧制力。 （3）系统将使用来自压力传感器的轧制力计算补偿伺服阀的开闭。 （4）液压缸的位置在轧制过程中可以自动地校正，实现负荷的冲击补偿，以便得到壁厚均匀的钢管。（5）能实现轧制过程的的头尾消尖，降低头尾的增厚，达到降低切头尾的效果。（6）当轧制力超出过载设定值时，就会报警，设备会自动跳停，并且液压压下缸的辊缝会自动打开到安全位置；如果轧制力达到最大限值，辊缝会迅速打开，将事故降低到最小程度。5.3 精整设备 钢管的精整包括：冷却、矫直、内表面风吹铁皮、切头、切定尺、改尺、打毛刺、管端定径、内表面检查及修磨、测量钢管几何尺寸、喷漆、涂油、标记、打印、液压试验等工序。5.4 CARTA 系统：穿孔机工艺辅助设计系统、定径机工艺辅助设计系统穿孔机工艺辅助设计系统：主要是穿孔机的顶头等轧制工具的的设计模块和存储工具设计参数以及工艺参数设定的数据库，可以帮助工艺人员进行工具设计数据的管理和优化，便于数据的分析，为更好的实现系统管理提供了方便。定径机工艺辅助设计系统：是设计、优化、管理轧辊孔型和轧制过程数据的辅助工具，其中包括轧辊孔型设计、工艺参数的设定。第6章 减径工艺参数和轧辊孔型的设计6.1基本参数的确定 1、确定机架的数目：根据设计要求采用8机架轧机。 2、确定芯棒直径在确定芯棒直径时，要考虑到满足脱棒间隙和插棒间隙，我们以生产的钢管长度为9米，取插棒间隙为8mm，则芯棒的尺寸： 直径：D=D-=50-10-8=32mm 长度：L=10m3、延伸率及其分配总的延伸率 U= =3.3在8机架连轧管机中，延伸率的分配遵循头两架较大，以后逐渐递减，到末架几乎为零。延伸率过大会使壁厚不均和竹节严重。其延伸率分配见下表： 表6.1 机架号 1 2 3 4 5 6 7 8延伸率1.342 1.4051.3381.2461.1201.0700.982 0.856 根据每机架延伸率的分配，可以算出各个机架的减壁量，并由上表可得： 3.3 4、减径率及其分配 目前,张力减径时减径率的分配均按上述原则进行.但研究表明,在张力减径机上单机架减径率按逐渐下降的分配原则是合理的.因为这种分配方法可使各机架轧辊孔型磨损均匀、负荷相等。单机架的最大减径率根据钢管的品种确定.于单机架减径率相关的因素有:壁厚变化值、壁厚系数和张力系数等.另外,它还受钢管横断面稳定性的限制.钢管失去了稳定性会引起某处变细、弯曲和其他缺陷。单机架减径率的最高值称为临界值.总减径率须根据管料、成品管尺寸和其精度要求及机架数目来确定.与总减径率相关的因素与单机架减径率同.张力减径时,由于有轴向张力存在,壁厚不均的程度大为减少,从而可大大增加单机架数目. 减径率的分配是把总减径率合理地分配到各机架上.一般地说,在机架数目确定的条件下,总减径率愈大,单机架的减径率愈大.单机架减径率的最大值多处于中间各机架内,依此来决定开始各架升起和尾部各架降落的减径率.一般单机架减径率最好是均匀升降.按上述分配原则,张力减径时,按机架间张力的变化将机架分为始轧、中轧和终轧三部分.一般使张力升起到最大值的始轧机架数多为12架,而使张力下降至零的终轧机架数多为23架.减径率的分配原则是:始轧机架逐渐增加,中间机架均匀分配,终轧机架逐渐减小,至成品为零或接近于零.分配方案如下表。表6.2 张力减径机减径率的分配方案 条件 机 架 号123 4 中间机架n-5n-4n-3 n-2 n-1 n0.2 0.5 0.33 0.4 0.67 0.5 0.6 1.0 0.8 0.83 1.0 1.0 1.01.0 1.01.01.00.80.830.66 0.8 0.5 0.6 0.5 0.6 0.33 0.4 0.25 0.25 =01.20.120.5 0.4 0.5 1.0 0.67 1.0 1.0 1.0 1.0 1.01.01.01.01.01.01.0 1.0 0.66 0.8 0.5 0.6 0.25 0.33 0.25 张力减径可按相对压缩量在各机架均匀分配的方法计算。除第一机架和最后两架外，其余各机架减径率都相同。为保证咬入顺利，第一机架取平均减径率之半，成品前架亦取平均减径之半，以保证精确的几何尺寸，最后一架不给减径量。 令各架减径率分别为：、 平均减径率由下式计算：=6.534% 式中：分别为减径前后钢管直径，毫米。 则： 荒管直径：=50 、壁厚=5 、总的减径率=33.3%用上式的条件是； 3% 则=1； 8% 则=3。A 确定机组的机架数目，根据下列条件确定： 3% 建张机架数=0 6% 建张机架数=1 9%建张机架数=3成品机组的机架树数目，根据下列条件确定： 2.5% 取=12； 5.5% 取=23； 9% 取=45。确定了建张机组和成品机组的机架数目，则基本机组的机架数目 可由下式求出； B 计算建张机组的单机架减径量 建张机组的单架减径量可以如下确定： =8%；=6%；=9%。C 确定基本系列的成品机组的单架减径量 成品机组的减径量分配原则如下： 最末机架 =0 倒数第二架 =2%3%； 其它成品机架 =+2%3%。 故可以确定建张机架数 =2； 成品机组机架数 =3； 基本机组机架数 =8-2-3=3 。 5、总减壁量及其分配 总的减壁量 ： =-=5-2.5=2.5mm 确定减径工艺参数时，除根据减径率确定减径前的