斜轧扩管机的工艺特征.doc

中国冶金装备网中国冶金人的网站斜轧扩管机的工艺特征摘要：斜轧扩管机是无缝钢管生产系统中比较重要的一种机型，主要适用于生产大口径中薄壁钢管。本文采用空间解析和有限元模拟的结果，对斜轧扩管机的送进角、主变形和附加变形进行了分析，可为同类机组的品种开发、工艺优化、设备改造和设备设计提供依据。分析结果表明：(1)斜轧扩管机的轧辊调整与普通斜轧管机不同，但与普通斜轧管机一样具有送进角；(2)辗轧角和轧辊平移是斜轧扩管机形成送进角的必要条件，辗轧角越大、轧辊平移距离越大，则送进角越大；(3)斜轧扩管机的减壁变形主要转化为扩径变形，纵向变形很小；(4)斜轧扩管机的附加变形远小于普通二辊斜轧的附加变形，而且扭转变形很小。 关键词：斜轧扩管机，送进角，主变形，附加变形Technological Characteristic of Rotary Expanding MillLV Qinggong PENG Longzhou ZHOU Lifeng GU Ruiling ZHAO Jinfeng(Sinomet Technologies Co., Ltd. University of Science & Technology Beijing, Beijing 100029, China)Abstract: The rotary expanding mill, which is mainly applicable to the rolling of seamless steel tubes with large diameter and thin wall thickness, is one kind of important equipment in the system of seamless steel tube production. Based on the results of geometry resolution and FEM simulation, this paper analyzes the feed angle, main deformation and additional deformation of the rotary expanding mill, which will be helpful to the product development, process optimization, equipment revamping and equipment design of the same kind plants. The analyzed results show that: (1)Although the roll setting of rotary expanding mill is deferent from the common cross rolling mill, the feed angle exists in the rotary expanding mill just as the common cross rolling mill; (2)Toe angle and parallel displacement of the rolls are the necessary conditions for the formation of feed angle of rotary expanding mill, with the form of the bigger the toe angle and parallel displacement, the bigger the feed angle; (3)For the rotary expanding mill, the wall thickness reduction is mainly transformed to the expanding deformation, resulting in a very small longitudinal elongation; (4)The additional deformation of rotary expanding mill is far less than that of the common 2-roll cross rolling mill, and the torsion deformation is very small.Keywords: Rotary Expanding Mill, Feed Angle, Main Deformation, Additional Deformation1 前言斜轧扩管机是无缝钢管生产系统中比较重要的一种机型，其扩径率通常为35%65%，最大可达80%，其所轧钢管的径壁比可达80。所以，斜轧扩管主要适用于生产大口径中薄壁钢管，是生产直径为426720mm大口径无缝钢管的主要生产方式之一。国际上已有几家钢管厂采用斜轧扩径法（也称盘式扩径法或旋转扩径法）生产大口径无缝钢管。美国的USS/Kobe-Lorain厂，由自动轧管机供坯，产品外径406.4660.4mm，壁厚810mm，最大长度13m，生产能力15万t/a。捷克的VFChomutov厂，在两台周期轧管机后各配一台斜轧扩管机，最大管径分别是530mm和720mm，生产能力为10万t/a。意大利达尔明钢管厂的斜轧扩管机组于1993年投产，由MPM供坯，产品规格为355.6711.2mm，采用了液压小舱工艺软件包等最新技术，使得产品质量、成材率、工具消耗等指标得到了优化。2007年，我国天津钢管集团股份有限公司投产了一套斜轧扩管机组，产品规格为325720mm，设计年产量8万t/a。这是我国投产的第一套斜轧扩管机组，采用了德国Meer公司的斜轧扩径技术，由国内设计制造。为了更好地发挥该机组的工艺和设备优势，开发新品种，并为设备改造和开发提供依据，我们结合外方提供的技术资料，对斜轧扩管机的工艺特征进行了研究。本文重点描述斜轧扩管机的送进角、主变形和附加变形。2送进角的形成与变化特点 图1所示为斜轧扩管机的轧制工具和变形区示意图，图2所示为从轧机入口方向观察的斜轧扩管机示意图。可以看出，斜轧扩管机的轧辊是卧式布置的，而且辗轧角很大。根据该轧机的结构，轧辊的轴线与水平面是平行的，左右两个轧辊分别向上和向下平行移动一个距离，轧辊的压下则靠轴向位移。按照这种轧辊调整方法，我们看不出送进角的形成，而普通斜轧管机的轧辊要沿垂直轧辊轴线的直线旋转以形成送进角。图1 斜轧扩管工具及变形区示意图图2 斜轧扩管机示意图斜轧扩管是斜轧过程，如果没有送进角，斜轧过程是不能实现的。所以，斜轧扩管一定是有送进角的，不过需要采用特殊的视角才能发现它。我们采用空间解析方法论证了斜轧扩管机送进角的存在1，并推导了送进角的计算公式，见式（1）。 （1）式中，表示送进角，h表示轧辊上下平行移动的距离，表示辗轧角，H表示轧辊轴上某点到轧制中心线的距离。 （a）h=80mm，=f() （b）=60，=f(h)图3 h、和H对送进角的影响 图3所示为送进角的变化特点。可以看出，（1）随着h和的增大，送进角增大，而且h和任何一项为零时，送进角为零，说明h和是斜轧扩管机形成送进角的必要条件；（2）H增大使得送进角减小；（3）按照设计参数，h=80mm且=60时，送进角为57，完全符合大口径钢管斜轧时用小送进角的特征；（4）在斜轧扩管机的设计中，h、和H合理配合才能形成适当的送进角。3 主变形的特征斜轧扩管时的主变形是指扩管时钢管尺寸的变化，因此，主变形也称必要变形，即扩管时要求发生的变形。钢管斜轧扩管时主变形的定义见式（2）： （2）式中，、分别表示钢管轴向、径向和周向的主变形，、分别表示母管横截面上的面积、壁厚和平均周长，、分别表示变形区中某横截面上的面积、壁厚和平均周长。根据体积不变定律，三个方向的主变形之和应为零，见式（3）： （3）我们采用有限元模拟软件ANSYS对斜轧扩管变形进行了模拟，计算了斜轧扩管过程中三个主变形沿斜轧扩管变形区的变化。图4所示为三个主变形沿扩管变形区的变化特征，图中纵坐标为附加变形，横坐标为离轧辊进口端的距离x。1咬入段 2扩管段 3辗轧段 4转圆段图4 主变形沿变形区分布可以看出，斜轧扩管的延伸变形很小，减壁变形主要转化为扩径变形。考察Assel轧管机2和二辊斜轧延伸机3这两种普通的斜轧机可以知道，普通斜轧管机与斜轧扩管机明显不同，其减壁变形主要转化为延伸变形，周向变形比较小，也即钢管直径的变化较小。由此可知，斜轧扩管机重在扩径，具有鲜明的扩径变形特点。4 附加变形的特征附加变形是指扭转变形、周向剪切变形和纵向剪切变形。附加变形是伴随主变形同时发生的，对钢管缺陷、工具磨损和能耗不利，所以希望附加变形越小越好。附加变形的定义见式（4）： （4） 式中：扭转变形；周向剪切变形； 纵向剪切变形； 扭转剪切角；周向剪切角；纵向剪切角； 钢管半径； 钢管壁厚。图5所示为附加变形的示意图，图6所示为斜轧扩管变形过程中三个附加变形沿变形区的变化情况。 a)扭转变形 b)周向剪切变形 c)纵向剪切变形图5 附加变形示意图图6 附加变形沿变形区的变化由图6可以看出，斜轧扩管的扭转变形比较小，纵向剪切变形和周向剪切变形相当，都比扭转变形大。斜轧扩管的扭转变形相对于纵向剪切变形和周向剪切变形来说非常小，可以认为是无扭转变形。可以采用附加变形系数K来比较斜轧扩管机与普通斜轧管机的附加变形。钢管斜轧时的总综合变形可用式（5）表示： （5）其中综合主应变用式（6）表示： （6）附加变形系数K即为和的比值。当K=1时，表示没有附加变形；当K1时，表示存在附加变形，且K值越大，附加变形越严重。计算可得，斜轧扩管时的K值约为1.6，而二辊锥形辊斜轧延伸机轧制时的K值为4.01，二辊鼓形辊斜轧延伸机轧制时的K值为7.263。这就说明，斜轧扩管工艺具有小附加变形的特点，有利于产品质量、工具磨损和能耗指标。5 结论(1)斜轧扩管机的轧辊调整与普通斜轧管机不同，但与普通斜轧管机一样具有送进角； (2)辗轧角和轧辊平移是斜轧扩管机形成送进角的必要条件，辗轧角越大、轧辊平移距离越大，则送进角越大； (3)斜轧扩管的主变形体现为：减壁变形主要转化为扩径变形，纵向变形很小，体现