（机械电子工程专业论文）斜轧穿孔机力能参数的分析及试验研究.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 无缝钢管在国民经济建设中具有重要作用，被广泛使用于石油开采、钻探、 航天等领域中。该产品质量与生产其的关键设备一穿孔机密切相关，穿孔机性能 直接影响着无缝钢管的产品质量和品种规格。由于穿孔机的构造复杂，导致工作 状态、受力情况的分析也很复杂，目前国内外对斜轧穿孔时力的特性研究很不充 分，理论计算出的轧制压力和轧制力矩与实际测试的结果相差很大。只有通过试 验测试研究，才能够有效提高钢管质量和降低投资生产成本。鉴于此，论文在对 斜轧穿孔机在斜轧穿孔时的轧制力进行了深入的分析之后，通过在线测试对0 3 5 0 穿孔机的轧制压力和轧制扭矩进行了研究。研究工作主要在以下几个方面进行： 论文以应用最广泛的二辊斜轧穿孔机为例，对轧机穿孔的结构功能特点和工 作过程进行了详实的分析研究。着重分析了穿孔过程中穿孔机重要工作部件的受 力情况，得出了影响穿孔机正常工作和轧制优良性能钢管的关键因素是穿孔时的 轧制压力和轧制力矩。 论文对0 3 5 0 穿孔机的轧制压力和轧制扭矩进行在线测试和分析研究，以大量 的实际测试数据为依据，利用统计学原理对理论计算和实际测试结果进行了分析 比较，进而对其他科研工作者给出的斜轧穿孔时的力的理论计算公式进行了修正， 提出了相对比较合理的计算二辊斜轧穿孔机穿孔时力的经验公式。为今后设计、 制造二辊斜轧穿孔机提供了比较简明合理的参考计算方法。 论文研究提出了0 3 5 0 穿孔机的轧制压力和轧制扭矩的测试系统方案。通过实 际实施应用，得出了可信度较好的测试结果。此测试系统方案和一些具体的测试 方法，具有一定的普遍性和先进性，对穿孔机的理论设计和现场生产具有较大的 指导意义，可供同类测试参考借鉴。 关键词：无缝钢管，穿孔机，轧制压力，轧制扭矩，在线测试 重鏖查堂堕主堂焦堡奎壁! 童重墨 a b s t r a c t t h es e a m l e s ss t e e lt u b eh a si m p o r t a n ta c t i o ni nt h ec o u n t r y se c o n o m y c o n s t r u c t i o n i th a sb e e nu s e di nm a n yf i e l ds u c ha so i le x p l o i t a t i o n ，d r i l l i n ga n ds p a c e f l i g h t t h e p r o d u c tq u a l i t y i s n e a r l y c o r r e l a t i v ew i t ht h ek e yf a c i l i t y p i e r c e lt h ep i e r e r s p e r f o r m a n c ei m p a c t so nt h es e a m l e s ss t e e lt u b e sq u a l i t ya n ds t a r d a r ds t r a i g h t l y a n d n o w , t h er e s e a r c ho fr o l l i n g f o r c ec h a r a c t e ri sn o ts u f f i c i e n ta th o m ea n da b r o a d ， b e c a u s eo ft h ep i e r c e r sc o n f o r m m i o ni sc o m p l e x ，t h e nl e a d i n gt ow o r k i n gs t a t ea n dt h e a n a l y s i so fs u f f e r i n gf o r c ea r ec o m p l e x s ot h er o l l i n gp r e s s u r ea n dr o l l i n gm o m e n t o f a c a d e m i cc o u n t i n gi sf a rf r o mt h ep r a t i c a lt e s t i n g i no r d e rt oi n c r e a s et h es e a m l e s ss t e e l t u b e sq u a l i t ya n dd e p r e s si n v e s t i n gc o s t ，i to n l yd e p e n d so ne x a m i n a t i o nt e s tr e s e a r c h h e r e i nt h e p a p e ra n a l y z e d t h es h e wr o l l i n g p i e r c e r sr o l l i n gp r e s s u r e a n d r o l l i n g m o m e n ta tt h er o l l i n g t h e nt h ep a p e rr e s e a r c h e dt h e0 3 5 0p i e r c e rr o l l i n gp r e s s u r ea n d r o l l i n gw r e s tm o m e n tt h r o u g h t e s to i l - l i n e s ot h er e s e a r c hm o s t l yc a r r i e do nh e r e i n a f t e r s e v e r a la s p e c t ： t h ep a p e ru s e dt h et w os h e wr o l l e rp i e r c e ra st h ee x a m p l eb e c a u s ei te m p l o y e d w i d l y t h e n r e s e a r c h e dt h e p i e r c e r sc o n f i g u r a t i o n c h a r a c t e ra n dw o r k i n gp r o c e s s ， a n a l y z e d t h es u f f e r i n gf o r c ea b o u ti m p o r t a n tp a r t so f p i e r c e ra tr o l i n g i te d u c e dt h ek e y p a r a m e t e r t h a ta f f e c t e do i lt h ep i e r c e rw o r k i n gs t a t ea n d p r o d u c tq u a l i t y t h e s ea r et h e r o i l i n gp r e s s u r ea n dr o l l i n gw r e s t m o m e n t t h ep a p e rh a sc a r r i e do nt e s to n - l i n ea n dr e s e a r c h e dt h e0 3 5 0p i e r c e r sr o i l i n g p r e s s u r ea n dr o l l i n gm o m e n t ，b a s i n go n a g r e a td e a lo fp r a c t i c a lt e s t i n gd a t a , u s i n gt h e s t a t i s t i c st h e o r ya n dc o m p a r i n gt ot h ea c a d e m i cc o u n t i n gr e s u l ta n dt h ep r a c t i c a l t h e n a m e n d e dt h ea c a d e m i cc o u n t i n gf o r m u l ai na l l u s i o nt ot h eo t h e r so f f e r e d a n db r i n g e d f o r w a r dt h er e l a t i v e l yl o g i c a le x p e r i e n c ef o r m u l af o rc o u n t i n gr o l l i n gf o r c e t h ep a p e r o f f e r e d r e l a t i v e l yf o r m u l a f o r p i e r c e r sd e s i g n i n g a n df a b r i c a t i o ni nt h ef u t u r e t h e p a p e r r e s e a r c h e da n d p u tf o r w a r d t h et e s ts y s t e mp r o j e c ta b o u t0 3 5 0 p i e r c e r s r o l l i n gp r e s s u r ea n dr o l l i n gm o m e n t e d u c e dp r e f e r a b l ya n dr e l i a b i l i t yt e s t i n gr e s u l t t h r o u g hp r a c t i c a l t e s t t h et e s t s y s t e mp r o j e c t a n ds u c hm a t e r i a lt e s tm e a n sa r e u n i v e r s a l i t ya n da d v a n c e m e n tb ya l lm e a n s i th a sb i g g i s hg u i d a n c em e a n i n gt ot h e p i e r c e ra c a d e m i cd e s i g na n dp r o d u c t i o n i tm a y u s ef o rr e f e r e n c et os i m i l a rt e s t k e y w o r d s ：s e a m l e s ss t e e lt u b e ；p i e r c e r ；r o l l i n gp r e s s u r e ；r o l l i n gm o m e n t ；t e s t i n go n 1 i n e i i 重庆火学硕士学位论文 1 绪论 1 1 引言 钢管工业的发展开始于自行车制造业的兴起。二战后火电锅炉的制造，化学 工业的发展以及石油、天然气的钻采和输送等，都有力的推动着钢管业在品种、 质量和产量上的发展。钢管比其它轧制钢材与人类生活关系更密切，从自行车、 日用家具、供水供气设备，到石油化工，地下资源的开发，国防和航天技术所用 导弹、火箭等等，都离不开钢管。钢管是经济建设中重要的原材料之一，世界各 国都十分重视钢管生产的发展。 1 2 国内外研究现状分析 1 2 1 国内生产技术及机组现状 据不完全统计，目前国内有无缝钢管机组1 4 0 余套f 包括冶金部重点企业、地 方骨干企业、地方企业、乡镇企业所建机组及试验机组等) 。冶金系统骨干企业、 地方企业的无缝钢管机组约6 0 套，其中自动轧管机组4 3 套( 9 4 0 0 ，1 4 0 ，1 1 4 m m 机 组各1 套；, p 1 0 0 m m 机组5 套；q 0 7 6 m m 和( p 1 0 0 m m 冷拔机组3 5 套) ；三辊轧管机组4 套( ( p 1 0 8 、9 0 、7 6 、1 8 0 r a m 机组各1 套) ；9 1 0 0 m m 狄塞尔机组( 带导盘) l 套：阿克 罗尔机组2 套( q 1 1 4 、2 5 0 r a m 机组各1 套) ；顶管机组2 套( ( | 0 1 3 3 m m 和1 1 4 m m c p e 机组各1 套) ；3 1 5 m - n 挤压管机组1 套；爷6 3 0 m m 热扩管机组l 套：周期轧管机组 2 套( ( p 3 1 8 ，2 1 6 m m 机组各1 套) ；连轧管机组3 套( 9 7 6 ，1 4 0 ，2 5 0 m m 机组各1 套) 。 在这些机组中，长芯棒轧管机组约l o 套扣 1 1 2 2 生产中存在的主要问题 机组技术装各水平普遍落后改革开放十多年来，国内无缝钢管生产技术 有较大的发展，引进了一些较先进的机组，如宝钢无缝钢管厂的q ) 1 4 0 m m 连轧管 机组，天津钢管公司的9 2 5 0 m m 连轧管机组，成都无缝钢管厂的q d 2 5 0 r n m 阿克罗 尔轧管机组等。使国内钢管产量与质量都有较大的提高。但目前绝大多数机组仍 为四五十年代水平，远落后于国外工业发达国家 2 6 1 。 产量、品种、质量与需求不相适应近年来，国内钢管产量约占全国钢材产 量的9 ，其中无缝钢管产量约占全国钢材产量的4 。工业发达国家的钢管产量 占钢材总产量1 0 以上，其中原联邦德国、意大利、独联体等国达到1 4 1 6 ， 且其无缝钢管约占钢管总产量的5 0 。从产量上看，国内低于发达国家水平【1 3 】。 在品种、规格、质量方面，存在着品种规格结构不合理状态：一般用途无缝钢管占 大多数，而石油钴采用管、油气集输管、高压锅炉管、高压注水管、化工用管等 重庆大学硕士学位论文 品种规格少，产量低，生产能力薄弱，供需矛盾突出。大直径石油管与高压锅炉 管生产刚起步，生产能力严重不足。其他品种的无缝钢管也存在品种规格不全， 质量欠佳，以冷代热的不合理状态。近年来，国内平均每年进口无缝钢管1 0 0 万 t f 多数是石油用管、高压锅炉用管、化工用管等) ，有时进1 2 1 量超过当年国内的生 产量。以石油管为例，石油部1 9 9 9 年需石油管约9 6 万t ，到2 0 0 2 年约需1 2 6 万t 。 而现有生产石油管的厂家仅鞍钢、包钢、成都无缝钢管厂、上钢一厂和宝钢等企 业，年生产能力为3 4 8 万t 。其中宝钢为2 1 3 万t ，且大部分为小直径管，供需矛 盾很突出。天津q ，2 5 0 m m 大无缝机组的投产( 年产量5 0 万t ，其中石油管3 0 万t ) ， 将对石油管的供求矛盾有一定的缓和，但缺1 5 1 仍然较大，石油部所需的油井管大 部分还将依靠进口。又如高压锅炉管，特别是直径大于1 5 9 n m a 的高压锅炉管，国 内生产尚少，而国内引进的3 0 0 m w 和6 0 0 m w 发电机组需要的大直径高压锅炉管 ( ( p 2 1 9 7 6 0 m m ，少部分( p 9 1 4 m m ) 国内不能生产，全部依靠进口。由于当前国内无 缝钢管机组普遍落后，存在一定的差距，因此导致国内无缝钢管生产处于产量不 高、质量普遍较差、各种消耗较高的状态。 1 2 3 理论研究分析 无缝钢管的生产在国外的发展比较迅速，故穿孔机的研制与开发工作做到较 好。主要有美国、日本、德国、俄罗斯、意大利等。 在穿孔机穿孔时的变形过程理论研究方面，美国艾特标准工程公司的研发人 员在德国曼内斯曼兄弟在研究的基础上对穿孔变形过程区进行了深入的探讨、分 析和补充，根据变形区的实际特点，把变形区按其作用分为四个区，给出了在四 个区的变形情况、工作特点和在穿孔时起的作用。日本学者f r u c h t e rt a c k i s u 等【9 i 则研究了一系列斜轧穿孔变形过程特性和摩擦力、毛管尺寸解关系，建立了穿孔 变形区理论。意大利的研究人员则对穿孔机机架负荷应力进行分析，找出了机架 上应力作用值，有利于改进机架的设计【3 】。 在二辊斜轧穿孔过程运动学方面m 】，美国钢铁公司、巴布科克一威尔科克斯 公司和扬斯顿钢管薄板公司等进行了详尽的研究，其给出了斜轧穿孔过程的运动 学模型，明确的提出斜轧穿孔机的轧辊是同一方向旋转，且轧辊轴线相对于轧制 线倾斜前进角旺。当管坯送入轧辊间，靠金属与轧辊间的摩擦力作用，带动管坯一 毛管反向转动，同时由于前进角旺的存在，因此管坯一毛管在旋转的同时向其轴 向移动。变形区的管坯一毛管表面的每一点都是螺旋运动，这是斜轧穿孔与其它 斜轧过程的运动学条件。同时又提出了金属对轧辊的滑动理论，通过大量的实验 结果证明，在斜轧穿孔时，大多情况下为后滑，这为顶头的设计提供了可靠的实 验依据 1 9 】。 二辊斜轧穿孔过程咬入条件，关系到管坯能否进行穿孔。德国的曼内斯曼公 2 重庆大学硕士学位论文 l 绪论 司的研发人员在曼内斯曼兄弟研究的基础上，进行了更深入的研究。得出斜轧过 程的咬入条件应和其它方面相互联系起来研究，特别是要和毛管的质量紧密联系 起来考虑，因为这两方面往往是相互矛盾的。解决这两方面的矛盾，最好的办法 是加一个外界条件，在穿孔方向上附加一个轴向力( 后推力或前张力) 或在管坯 旋转方向上附加一个转动力矩f 强迫管坯或顶头旋转) 有利于克服轴向阻力和切向 旋转阻力矩【i 。在管坯后面加一个后推力在工业生产中已经实现，主驱动顶头也 正在进行试验。美国的钢铁公司在这方面也进行了大量的研究”。 由于国内的工业发展相对落后，国内的研究工作者在穿孔机方面的深入研究 的学者不是很多，这其中有重庆大学的张才安教授，太原重型机器设计研究所的 王步升、陈绍庚专家，北京钢铁设计总院的李长穆教授等，他们在国外发表的研 究成果的基础上，借鉴吸收，对国内的无缝钢管的发展起到了重要的作用。太原 重型机械学院的黄庆学、肖宏、申光宪提出了用边界元法分析轧制力和摩擦力， 给出了一种新的求解轧制力和摩擦力分布的方法，利用测量手段对轧制过程中的 轧件进行测量，然后再利用边界元法对轧辊进行分析，从而求解出轧制中轧制力 和摩擦力。这种方法避开了求解轧制力对轧件进行弹塑性分析，也解决了用测力 销测量带来的困难，使轧制问题的分析求解得到了简化并提高了求解精度【3 0 】。天 津钢管公司的陈洪琪对轧辊的设计进行探索研究，重庆大学的张才安教授在研究 导板的设计。上海大学的戴一周永东、屠挺生对穿孔机机架负荷应力进行边界分 析找出了机架上应力的摄大峰值，确定了强度校核，扩大了在同一机组上轧制大 规格钢管的可行性，为边界元法应用于工程研究提供了实践及理论依据 1 8 】。 1 3 研究意义 鉴于我国目前供需情况，改进生产无缝钢管的关键设备斜轧穿孔机对我 国无缝钢管的生产非常重要，因为穿孔是生产无缝钢管的重要变形工序。在穿孔 变形时，影响穿孔过程的因素很多，这其中包括：轧辊、顶头、导板、入口锥角 和出l i 锥角、过渡带等等的设计。在斜轧穿孔过程中参与金属变形的工具有轧辊、 导板和顶头等。斜轧穿孔中的作用力就是在变形时作用在工具上的力，因此穿孔 机的作用力不外乎是作用在轧辊、导板和顶头上的力。斜轧穿孔的作用力是轧机 设计和生产的原始数据，因而精确地确定其值对轧机设计和拟定工艺都很重要， 由于力参数确定不够精确往往使得设备强度设计的过大而造成浪费，或设计的过 分薄弱而造成设备事故，甚至不能正常进行生产，在生产中常会遇到这样的问题， 因此精确地确定穿孔时力参数是设计和生产中都有待解决的关键问题。 目前，对斜轧穿孔作用力的研究很不充分，而实际测定资料也不多。关于计 算穿孔时作用力的公式，美国、德国、意大利、日本的大公司都在进行研究，以 重庆大学硕士学位论文 德国和俄罗斯的研究成果较多，在国外文献资料上发表了一些，但都不能应用 。 实际，因为和实际差别太大。其中以a g e l e j i 公式和a h i l e ：i b 公式应用较为 广泛，但这些公式都是把复杂的斜轧变形做了许多的简化和假定而导出的，而且 把研究纵轧的一些规律硬套在斜轧过程中从而出现了谬误，和实际测定资料相比， 数据相差有时达i 倍以上。近年来为了实际过程的应用，多采用实际测定资料或 在实际测定资料的基础上总结的半经验公式。 鉴于上述分析与总结的不足，论文研究设计了测试方案，对穿孔机穿孔过程 的进行了在线测试工作。然后通过测试数据进行分析，提出了0 3 5 0 穿孔机轧制压 力和轧制扭矩的修正公式。 1 4 研究内容 国民经济的建设对无缝钢管产品的品种、质量有了更高的要求，本论文在分 析国内外无缝钢管生产情况的基础上，明确的提出了无缝钢管生产的主要工序 穿孔的重要作用，斜轧穿孔机的结构性能的优越与否，对穿孔完成的质量非 常重要。作者在论文中简要的论述了二辊斜轧穿孔设备的组成结构、工作特点， 对于改善穿孔情况，在结构上提出优化产品质量的自动化系统的改进措施。 论文主要对穿孔过程进行了详细认真地分析研究，由于斜轧穿孔机在穿孔时 的工作状况复杂，受力和变形情况复杂， 故国内外的研究学者在分析穿孔过程时， 除基本变形外，还存在较大的附加变形。 对于影响不大的截面变形等忽略不计， 对于部分作用力的大小、接触面积的大小近似取值，因此应用给出的轧制力的计 算公式进行理论计算与实际情况有很大的偏差。 论文从斜轧穿孔变形过程开始，分析管坯在穿孔过程的运动学特点，即在变 形区中管坯表面上每一点都作螺旋运动，一面旋转一面前进；分析了穿孔过程的 咬入条件，对其他学者给出的咬入条件计算公式进行了分析，由于他们对咬入条 件的分析是在最正常的工况下，没有充分考虑轧机调整不当、轧辊串动、穿孔中 心线不正，管坯弯曲等情况：同时，由于穿孔机的型号不同也有一定的偏差；因 此对咬入条件做了定性的分析，提出较为合理的计算公式。斜轧穿孔机的作用力 是穿孔机设计和生产的原始数据，因而精确地确定其值对轧机设计和拟定工艺都 很重要，作者根据其他学者提出的计算公式，分析其给出公式时依靠了大量的假 定条件，近似计算等，因此定性的给出理论上的计算结果与实际中的工作时的偏 差。论文通过在生产现场对正常工作的穿孔机进行了穿孔时轧制压力与轧制扭据 的测试，得到了大量的实测数据和曲线。通过对测试数据和理论计算结果的对比 分析，采用线性回归方法得到轧制压力和轧制扭据的计算公式，这是对其他学者 提出的计算公式进行的修正，是适合实际生产情况的经验公式。 4 重庆大学硕士学位论文 1 5 本草小结 本章简要回顾了无缝钢管的发展历程，分析了论文研究的背景，阐述了穿孔 过程和影响穿孔质量的不利因素，得出了影响无缝钢管质量的根本因素在于穿孔 机的轧制压力和轧制扭矩；对穿孔机设计与生产的研究进展状况进行了分析，并 综合与集成了现有研究存在的弊端与不足，指出了论文研究开展的重要性，就课 题来源作了必要说明；指明了论文研究的方向，并明确了本论文的研究目的和研 究内容。 5 重庆大学硕士学位论文 2 斜轧穿孔机的组成特点分析 2 斜轧穿孔机的组成特点分析 2 1 引言 无缝钢管的生产开始于德国曼内斯曼兄弟1 8 8 6 年发明的二辊斜轧穿孔机。用 穿孔机将实心坯穿成空心坯，为制造无缝钢管创造了条件。1 8 9 1 1 8 9 2 年周期轧 管机和顶管机相继出现，使空心坯扎成无缝钢管成为现实。与其它轧材的生产过 程相比，无缝钢管的生产过程具有工艺方法多、生产工序多、设备样化等特点。 其变形过程分为两步工序，一为将实心坯穿成空心坯，一为将空心坯扎成钢管。 空心坯的制造方法有两种：一是斜轧穿孔法，二是压力穿孔法。斜轧穿孔法是无 缝钢管生产中应用最广泛的方法，而二辊斜轧又是广泛流行的型式。无缝钢管的 轧制通常分为穿孔、延伸、减径三个阶段。穿孔阶段很重要，一是要求穿孔提供 较高尺寸精度的毛管，因下游延伸机对穿孔毛管的尺寸公差无法改进：二是能毫无 问题地穿轧连铸坯，因连铸坯的低成本将增强无缝钢管的竞争力。斜轧穿孔工艺 经过不断的发展，完全能满足穿孔阶段的要求。迄今，斜轧穿孑l 工艺在无缝钢管 生产中用得最为广泛。斜轧穿孔工艺的最新发展，己为穿孔毛管带来了远比以前 大得多的加工灵活性，且具有更大的生产潜力。由此，促进了无缝钢管多规格、 小批量、小规模生产的成本降低1 2 1 。 在斜轧穿孔工艺中，具有双锥形的轧辊以同一方向旋转，与轧制线构成喂八 角。坯料由轧辊带动沿纵轴旋转。由于轧辊是倾斜布置的，故轧制中坯料会纵向 前行，并同时缩减外径和断面。在纵向前行期间，坯料被设置在轧辊间的穿孔顶 头强制穿孔，其后，穿孔毛管的壁厚得以进一步缩减而外径却得到扩大。坯料在 旋转时的减径会使轧件产生有利的应力状态【2 0 】。这种状态一方面会降低顶头上的 负荷，另一方面又使顶头在轧件中部得到准确定心，并使穿孔毛管获得均匀的壁 厚。这种应力状态的缺点是在坯料与顶头接触前，会使坯料中心过早撕开，但通 过对变形工具和辊缝的准确控制得到遏制。在轧制中，工作辊间的辊缝将被固定 导板或从动导盘包围，这些导卫装置会防止轧件径向偏移。通过这种对轧件的封 闭式机械导卫以及将顶杆置于变形区外，就能在斜轧穿孔期间的整个轧件长度上 获得稳定的高精度壁厚公差。 6 重庆大学硕士学位论文 2 斜轧穿孔机的组成特点分析 2 2 穿孔机类型 f r 斜轧穿孔l 盘式穿孔机穿孔 管坯穿孔j 推轧穿孔t 辊式穿孔机穿孔 主三萎f 卧式 耋兰盘 ll 立式( 带导盘) li 穿制杯形坯 区别不同类型的现代斜轧穿孔机的重要特点就在于其轧辊的布置及轧件导卫 装置的不同 i i 。 轧辊布置一般而言，使用两辊布置的穿孔机时，穿孔毛管的壁厚均匀度高， 工具寿命长，几何形状灵活度大。锥形辊穿孔机与桶形辊穿孔机间有一定差别， 此种差别就在于轧辊的设定角不同和各自独特的轧辊形式。同桶形辊穿孔机相比， 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。在轧制变 形难度大的坯料时，锥形辊穿孔机的优势明显。理论与实践研究表明，锥形辊穿 孔机的轧件受材料应力的影响小。当主应变 e p 车l 件的几何形状) 与桶形辊穿孔机相 同时，锥形辊穿孔机的剪切应变非常小。桶形辊穿孔机能达到的延伸率相对较低， 它一般在规格范围较小或与其配套的主延伸机的延伸率设定得较高的情况下使 用。桶形辊穿孔机的结构比较简单，因而其投资成本也相对较低。还有一种三辊 穿孔机，三个轧辊的布置使应力产生在坯料的中心，使其具有更高的压应力，因 而它完全不同于二辊穿孔机。在三辊穿孔机中，穿孔机顶头上的负荷较高，轧件 上的应力较低，故在轧制具有临界特性的材料时优势尤为显著【2 9 】。 导卫系统二辊穿孔机可配备各种导卫装置。当无实际变形时，导卫装置 能在轧辊间限制轧件的径向偏移。固定导板与旋转导盘( 狄塞尔导盘、之间存在差 别。导盘在穿孔时能适应轧件的外径变化，通常是轧制壁厚与外径比值偏小的穿 孔毛管时使用1 2 。采用导板导卫，能防止过大的材料应力。狄塞尔导盘能在轴向 支撑轧件的前移，它的优点在于轧件的出口速度较高，因而轧机的产量较高。同 导板相比，狄塞尔导盘摩擦力小，工作面积大，故其使用寿命长，工具成本低。 三辊穿孔机没有导卫装置，因为三个轧辊的布置本身就能稳定地支撑轧件，若增 加导卫装置将增大实旖难度。在穿制薄壁毛管时，若没有导卫装置，轧件的横向 变形更会导致穿孔毛管的径向扩展，这种现象在薄壁毛管的端头最易发生，其结 果是限制了三辊穿孔机穿制薄壁毛管。但三辊穿孔机可方便地穿制合金钢和高合 7 重庆大学硕十学位论文 2 斜轧穿孔机的组成特点分析 金钢毛管1 。 工作范围定义斜轧穿孔机工作范围的最主要的技术参数有：延伸系 数；穿孔毛管的径壁比；扩径率( 从实心坯到毛管的直径增大) 。锥形辊穿孔机的 工作范围较大，扩径率最大为4 0 0 ，延伸系数最大为5 6 ，径壁比超过3 0 ，桶形 辊穿孔机的延伸系数仅为3 7 4 ，0 2 3 结构特点 机架为满足穿孔毛管的壁厚精度要求，在机架设计时必须特别注意虽小回 弹和最大弯曲强度的问题。立式布置的轧辊及列于两边的轴承均安装在转鼓上， 锥形辊穿孔机就采用此种布置。轧辊借助机架顶盖进行更换，为缩短更换时间， 顶盖设计为液压摆出或移开式，这样的方式可减少厂房的高度。 出料系统高精度的壁厚公差要求穿孔机在出料阶段要有封闭式的导卫。 现有的顶杆支撑装置通过传感器在液压控制下精确定位，并且对变形过程中的同 心性有直接影响。因此，这类支撑装置都紧邻轧辊，直接与穿孔机机架装成一个 整体。 止推座、项杆与顶头顶头止推座为移动式。止推座的传动方式取决于 所需的最小空转时间，它可设计为链条式、钢绳式或齿条式。顶杆为内冷式。顶 头安装在顶杆上的方式要适应于穿孔毛管的长度或要达到的循环时间，以及顶头 上的热负荷。根据顶头的热负荷情况可进行轧制问外冷、高压水内冷等。对产量 很高及生产能力很大的轧机，要配备更换顶头和顶杆的装置。顶头的几何形状及 磨损行为对轧制后的穿孔毛管精度和质量影响极大。若穿孔顶头材料选择恰当并 进行适当的热处理，即使轧制高强度材料及超长毛管时，都能确保其具有较长的 使用寿命j 。 优化产品质量的自动化系统 a 壁j 匣精度穿孔毛管可以达到的壁厚精度取决于壁厚本身的绝对值及径 壁比。对穿孔毛管质量而言，最重要的性能参数是同心度。同心度在斜轧穿孔阶 段意义重大，因为在后续的变形阶段，其纠偏作用是有限的。大直径成品管的偏 心会造成产品成本的增加，因壁厚超差的管子报废率相当高，其中部分平均壁厚 超差不大的管子还得重轧。在现代斜轧穿孔机中，平均同心度值通常为2 5 。 轧件的几何形状与精确的同心度的重现性极为依赖工艺的控制程度1 2 4 1 。 b 操作系统 斜轧穿孔机是由安装在计算机( p c ) 中并与主控自动系统( p l c ) 相连的操作系统进行设定和作业的。用于穿孔机及其辅助设备，生产多种产品规 格的设定数据储存在数据库中，轧机操作人员可方便地调用。此外，数据库中还 储存有工具数据、轧制工序和轧制结果。斜轧穿孔区域内，与控制设备及上下游 8 重庆大学硕士学位论文 2 斜轧穿孔机的组成特点分析 设备信息相通的原料跟踪系统能储存每支坯料在生产控制下的工艺数据和设定数 据。两级系统的接口将把生产计划及生产监控系统连接在一起。这样，操作系统 就成为确保工艺可靠和质量优良的基础，从而成为斜轧穿孔机工艺控制所必需的 先决条件吲。 c 计量装置坯料的重量可在斜轧穿孔机前测定，在斜轧穿孔机上生产的 穿孔毛管的外径和长度将在机后直接记录下来并显示在操作系统上。穿孔毛管的 平均壁厚将通过测得的几何数据和坯料重量计算而得，并将计算结果同公称值进 行比较。在公称值与实际值之间出现临界偏差的情况下，系统会向操作人员发出 报警信息，以便在必要时调整轧机设定值。为测量整支穿孔毛管的壁厚，记录轧 件断面壁厚，尤其是断面的同心度，可在适当部位设置多频道测量系统，即以放 射原理进行工作的壁厚测量系统。因在轧件前行期间，顶杆仍留在穿孔毛管内， 故不能直接设置在斜轧穿孔机的后面。然而，若设在主延伸机的前面，就可使用 适宜的评估方法( 傅里叶分析法) ，对在斜轧穿孔机上生产的产品质量作出明确的评 价。在目前用超声波检测的壁厚测量系统l a s u s 中，穿孔毛管的壁厚可以直接在 斜轧穿孔机后测得。此种在线壁厚测量装置使轧件的几何尺寸精度大大提高，工 具尺寸的变化对穿孔毛管几何形状的影响可以快速而明确地定量，从而使工具能 得到迅速有效的优化1 2 ”。轧制期间过大的壁厚偏差将被即时识别，其有关影响因 素如坯料温度不均、工具设定不正确、工具磨损等均可得到修正。本文所述的测 量穿孔毛管几何形状的装置己研制成功。 d 技术系统最近，s m sm e e ：公司开发了一种技术系统，该系统为技术人 员和操作人员进行生产优化作业提供工具、计算程序和专家知识。借助此系统， 轧机技术人员就能计算出轧机设定值和穿孔机顶头几何尺寸。设定值和工具数据 储存在技术系统终端，储存的数据又可供车间和操作人员使用。操作人员可随时 在斜轧穿孔机的控制台上操作工艺优化系统。在与穿孔毛管公称尺寸发生偏差时， 可快速、方便而精确地计算出新的优化设定值。连续测得的同心度值采用统计方 法进行记录和评估，若出现不允许的高值时，系统就会发出报警信息。 e 在新建和技术改造中采用斜轧穿子l 机目前最大的斜轧穿孑l 机，其 轧辊直径大于1 4 0 0 m m ，采用狄塞尔导盘，由s m sm e e r 设计“1 。该轧机年生产能 力为5 0 万t ，产品范围从普通钢到不锈钢等。用现代化斜轧穿孔机改造过时设备， 能获得巨大的成本效益和高质量的产品。引人注目的是用斜轧穿孔机取代压力穿 孔机，而压力穿孔机在2 0 世纪7 0 年代还被考虑为斜轧穿孔机的替代机型，以用 于轧制连铸方坯。然而压力穿孔机无法使穿孔毛管达到必需的壁厚公差精度；r n 其延伸率小，所以还需要增加一个延伸阶段 2 ”。1 9 9 9 年，美国的一条连轧管生产 线进行了改造，用1 台带狄塞尔导盘的现代斜轧穿孔机取代了原有的l 台压力穿 9 重庆大学硕士学位论文 2 斜轧穿孔机的组成特点分析 孔机和1 台延伸机，结果是新生产的管予精度大大提高，压力穿孔工艺所特有的 表面缺陷消除，工具消耗和能耗降低。另一个使用斜轧技术提高现有轧管机竞争 力的成功例证是在一套顶管设备中取代压力穿孔机和延伸机，即1 9 9 8 年对奥地利 的一套老式项管设备的改造。其结果是： - 坯料重量从5 0 0 k g 增加到6 3 5 k g ； 毛管最大长度从l7 m 增加到2 2 m ； 冲厚壁管长度增加而使吨管加工费用降低( 油田用管丝扣和接箍的个数减少) ； 、原料损失减小； 壁厚公差提高； - 、温控改善： 顶管机负荷减轻； 减少一个变形阶段； 人工费用降低。 f 无缝管生产的新技术高效率的斜轧穿孔机能有效地降低主延伸段的 投资和生产成本，但其基点是轧件的延伸率大、穿孔毛管的长度大f 可达1 2 m ) ，此 两项均可用锥形辊穿孔机来实现。目前在主延伸阶段，只要较小的延伸量，就能 够在终轧阶段满足通常的规格范围产品轧制，由此需要的机架数更少。如南非的 m p m 连轧管机组 25 1 ，采用锥形辊穿孔机十四机架连轧管机和张力减径机组合，就 能低成本地生产q a 3 3 1 6 8 m m 钢管，年生产能力达到7 5 万t 。据预测，今后国内 每年需要使用大直径无缝钢管1 0 0 万t 以上，而目前这种大直径无缝钢管的国内生 产能力不到5 0 万t 。随着国内海洋石油开采业、西部沙漠油田开采业的发展，对 油田使用的石油套管、输送石油天然气用的管道钢管的需求量越来越大，而且对 钢管的质量要求也越来越高；要求海洋钻井用套管、海底管道用钢管具有高压溃性、 高气密性和抗腐蚀性；要求无缝钢管的尺寸精度更高，所套丝扣的质量更严；要求所 用无缝钢管能适用于不同地理环境下的石油及天然气的开采和输送。由于目前国 内各无缝钢管厂存在设备及生产工艺方面的问题，尚不能大批量生产石油及天然 气工业急需的具有特殊使用性能的大直径无缝钢管。上述具有各种不同特殊性能 的无缝钢管基本从国外进口，为此国内每年需耗几亿美元的外汇t 1 3 l 。 2 4 热轧无缝钢管的工艺流程 无缝钢管热轧的生产工艺流程如图2 1 所示i f 0 1 , 1 0 重鏖查堂婴主堂垡笙茎 ! 型塾窒! ! 塑塑塑壁堑i ! ! ! 堑 图2 1 热轧钢管工艺流程 f i g 2 1 7f l o w c h a r to f r o l l i n gp i p e 2 5 二辊斜轧穿孔的新工艺 二辊斜轧穿孔机自发明以来，根本性的技术改革并不多，管坯金属的应力状 态条件并没有本质的改变。进十多年来，为了强化穿孔过程、改善毛管质量和提 高工具寿命，进行了一些技术的改进，其中主要有以下几项：大送进角穿孔、顶 锥穿孔、轴向出料和顶杆循环使用、采用机架上铰链、导板支座液压移动和连接 轴头快速开脱等装置、采用工艺润滑等l l “。 2 6 本章小结 本章介绍了现代化无缝钢管生产的重要工序穿孔的设备穿孔机的种类和 无缝钢管生产的基本过程，突出论述二辊斜轧穿孑l 机的结构特点与功能，指出这 样的结构特点与产品质量的关系。着重的论述了斜轧穿孔机的技术改进及优化产 品质量的自动化系统，高效率的斜轧穿孔机能有效地降低主延伸段的投资和生产 成本。 重庆大学硕士学位论文3 管坯的斜轧穿孔过程分析 3 管坯的斜轧穿孔过程分析 管坯穿孔是热轧无缝钢管生产中的最重要的变形： 序，它的任务是将实心坯 穿制成空心毛管。按照穿孔机的结构和穿孔过程的变形特点，可将现有的穿孔方 法分类如下：管坯穿孔分为：斜轧穿孔、推轧穿孔、压力穿孔。其中斜轧穿孔有 三类如图3 1 ( 依次为菌式穿孔机穿孔、盘式穿孔机穿孔、辊式穿孔机穿孔) 。目 前应用最广泛的是辊式斜轧穿孔机l ”。 ( a ) 盘式 0 3 ) 菌式( c ) 辊式 图3 1 三种型式的斜轧穿孔机 f i 9 3 1t h et h r e et y p eo fi n c l i n e dr o l lp i e r c e r 3 1 二辊斜轧穿子l 机及穿孔过程 3 1 1 二辊斜轧穿子l 机 二辊斜轧穿孔机是德国曼乃斯曼兄弟于1 8 8 3 年发明，1 8 8 6 年用于工业生产的 曼乃斯曼穿孔法，它是目前应用最广泛的穿孔方法叽二辊斜轧穿孔机是轧件在两 个相对于轧制线倾斜放置的主动轧辊、两个固定不动的导板( 或随动导辊) 和 个位于中间的随动顶头组成的一个“环形封闭孔型”内进行轧制。如图3 2 所示： 1 2 氧 l j i争 重庆大学硕士学位论文 3 管坯的斜轧穿孔过程分析 “i k a 一爿 泓 鞠k 严一隽卜 巧脍 【jr ：仫n 图3 2 二辊斜轧穿孔示意图 f i 9 32 t h es k e t c hm a po f t w o r o l l e rp i e r c e r 1 轧辊：2 - - 导板；3 - - 顶头；4 - - 顶杆；5 一管坯：6 一毛管 一般的二辊斜轧穿孔机，轧辊左右放置，导板上下放置，这种轧机称为卧式 穿孔机。新的二辊斜轧穿孔机的轧辊上下放置，并可将导板换成导盘左右放置， 这种轧机称为二辊立式穿孔机( 又称狄舍尔穿孔机) 。图3 3 为1 0 0 穿孔机没备布 置图 8 1 。 l 2 f i , t1 3 2i f i 1 7jf 1 jl m fi - l li i 孤f h k r 卤 山i 出i 3t h e1 0 i e e rf a c l i t yd i s o s a l s ss k e c hm a p ：一冀；、2一推型磐；3一主连轴节；4一主电机：5一联合齿轮座；6-。万向接轴；7导板： 8作磐譬；9-翻料钩；10项杆小车；11-锁闸架；12一定心轴；13一升降轨道；14二最 头：一轧辊 13 重庆大学硕士学位论文3 管坯的斜轧穿孔过程分析 它由以f 四部分组成： 主传动它将电机输出的动力传送的轧辊上。它由主电机连轴节、联合 齿轮座等组成。 穿孔机工作机座它由机座、上盖、轧辊箱、轧辊倾角调整装置、轧辊 侧压进机构、上下导板座及上导板调整机构等组成。工作机座是使管坯产生塑性 变形，并承受全部轧制力的主要设备。 穿孔机前台 它由受料槽、气动推料器和扣瓦装置等组成。用来输送并 正确地将导管喂入穿孔机轧辊间轧制。 穿孔机后台由顶杆小车、锁闸架、定心辊、升降辊和翻钢钩等组成。 其作用是准确地控制穿孔中心线( 轧制线) ，并保证顺利将毛管引出轧辊，送往轧 机。 3 1 2 二辊斜轧穿子l 机的工具 轧辊 它是主传动外变形工具，其辊身通常分为入口锥、出口锥和轧制带 ( 又称压缩带) 三段。各段的功用是：入口锥是曳入管坯并实现管坯穿孔；i i1 3 锥 是实现毛管减壁、平整毛管表面、均匀毛管壁厚和完成毛管归圆：轧制带是起到 从入口锥到出1 3 锥之间过渡的作用。 导板 它是固定不动的外变形工具，不仅起到管坯和毛管的导向作用，使 轧制线稳定，而更重要的是封闭孔型外环、限制毛管横向变形。通常导板的纵断 面形状与轧辊相类似，可分为入1 3 斜面、出1 ：3 斜面和过渡带三段。其中入口斜面 是导入管坯；出1 3 斜面是导出毛管并限制毛管的扩径；过渡带为两斜面间过渡用。 顶头 它是穿孔机的内变形工具，工作时顶头靠顶杆的支撑在变形区轴向 位置固定不变。实践证明管坯由实心变成空心毛管过程中，轧件的外径变化不大， 而内径由零扩大到要求值的变形主要靠顶头的穿孔锥来完成。 3 2 斜轧穿子l 的变形过程 3 2 1 穿子l 变形区组成瞳1 穿孔变形区由轧辊、导板和顶头等工具构成了一个横断面呈椭环形、纵断面 是小底相接的两个锥体形。按在穿孔机过程中作用变形区可划分四部分：穿孔准备 区、穿孔区、平整区和归圆区【8 】等。如图3 4 所示： a 穿孔准备区是指从管坯开始与轧辊接触起，管坯在轧辊给予的摩擦力带 1 4 重庆大学硕士学位论文 3 管坯的斜轧穿孔过程分析 图34 斜轧穿孔的变形区 f i g 3 4t h et r a n s f i g u r a t i o no fi n c l i n e dr o i l i n g i 一穿孔准备区；i i 一穿孔区：i i i 一平整区；一归圆区 动下作螺旋运动进入变形区，至管坯前端与顶头鼻部相遇之间的区域( 图3 4i ) 。 它的作用是：实现管坯的一次咬入；为管坯继续进入变形区积累足够大的剩余摩 擦力，及克服顶头阻力，实现二次咬入；使管坯中心处于特殊的应力状态，造成 有利于顶头切入管坯的组织状态；附带的作用是使管坯的前端形成一个漏斗装的 凹穴，便于顶头对中定心。 b穿孔区是指对应于顶头鼻部和穿孔锥部分的区域( 图3 4 i i ) 。它的主要 任务是进行管坯穿孔和毛管减壁。穿孔变形主要在此区域内完成。故顶头的鼻部 和穿孔锥的工作条件最恶劣。 c平整区是指顶头平整段所对应的变形区部分( 图3 4 i i i ) 。在此区域内由 于轧辊出口锥母线与顶头平整段母线接近平行，因此毛管管壁通过此区域起到平 整毛管内外表面和均匀毛管壁厚的作用。 d归圆区是指毛管脱离顶头后仅与轧辊接触的部分( 图3 4 i v ) 。它的作用 是靠轧辊将椭圆圆形断面毛管螺旋加工成圆形。 3 2 1 2 斜轧穿子l 过程 轧制过程是一个独特的连轧过程，管坯毛管咬