(金属轧制工艺学)第五篇 管材的生产和工艺

轧制理论与工艺Rolling Theory and Technology,陈泽军Tel-Mail： 重庆大学 材料科学与工程学院材料加工工程系,第五篇 管材的生产工艺和理论Section 5 Pipe Production and Technology,主要内容,管材分类、技术要求与发展趋势热轧无缝钢管生产管材冷加工焊管生产工艺总结,2018/2/16,2,2018/2/16,3,管材定义与特征,定义：凡是两端开口并具有中空断面，而且长度与外径（断面周长或边长）之比较大的钢材，都可以称为钢管。当长度与断面周长之比较小时，可称为管段或管形配件，它们都属于管材产品的范畴。钢管的特征：具有封闭的环形横断面（圆、扁、方和异型）；两端开口；管长与外径之比L/D较大。钢管占钢材总产量的10-15%，我国8-10%。,2018/2/16,4,管材产品使用特点,管材最主要的特点是中空的柱状体。不仅用于输送流体和粉状固体、交换热能、制造机械零件和容器，它还是一种经济钢材。用钢管制造建筑结构网架、支柱、桩管和机械支架，可以减轻重量，节省金属2040%，用钢管制造公路桥梁不但可节省钢材、简化施工，而且可大大减少涂保护层的面积，节约投资和维护费用。所以，任何其他类型的钢材都不能完全代替钢管，但钢管可以代替部分型材和棒材。钢管的发展开始于自行车制造业的兴起。19世纪初期石油的开发，两次世界大战期间舰船、锅炉、飞机的制造，第二次世界大战后火电锅炉的制造，核能、航天、化学工业的发展以及石油天然气的钻采和运输等，都有力地推动着钢管工业在品种、产量和质量上的发展。,2018/2/16,5,管材分类,管材按生产分为两大类：,2018/2/16,6,管材分类,无缝管：无缝钢管以轧制方法生产为主；高合金钢种用挤压方式生产；有色金属无缝管以挤压方式生产为主。焊接管：焊接管生产连续性强，效率高，成本低，单位产品投资少，在管材产量中的比重不断增加。各主要工业国家焊接钢管占钢管总量的50-70%，我国占55%。,钢管制造工艺流程,2018/2/16,7,2018/2/16,8,管材分类,管材按断面分为两大类：,2018/2/16,9,管材用途分类,输送管道：输送流体（气、液）和固体水、煤气、石油、天然气、蒸汽；农业灌溉用管结构管：自行车、航空、汽车、轴承、变压器、轴承用管热交换管：锅炉沸水及蒸汽管化工管：化肥用高压管、不锈耐酸管、裂化管石油管：套管、钻杆、油管、管接头其他：仪表（手表壳）、医疗器械（针头）、容器用（高压气）管，电缆,2018/2/16,10,管材分类,按管端形状分类,(a) 光管；(b)车丝管；(c)加厚管,2018/2/16,11,管材分类,按外径D和壁厚S之比（D/S）分类,2018/2/16,12,钢管,无缝钢管：无缝钢管是用钢锭或实心管坯经穿孔制成毛管，然后经热轧、冷轧或冷拨制成。无缝管的规格用外径*壁厚毫米数表示。焊接钢管：用钢带或钢板弯曲变形为圆形、方形等形状后再焊接成的、表面有接缝的钢管。按焊接方法不同可分为电弧焊管、高频或低频电阻焊管、气焊管、炉焊管、邦迪管等。,2018/2/16,13,钢管的材质分类,按钢管的材质分类,2018/2/16,14,管材的技术要求与发展趋势,对多种腐蚀介质的高抗蚀性、对高温强度和低温韧性的要求越来越高，使得管材产品的化学成分不断变化，冶炼、加工工艺不断改进；管材产品尺寸(壁厚精度)、形状精度的要求促使在线检测、自动控制技术不断进步；对管材产品成本降低的要求使得其生产过程向短流程、近终成型方向发展。对管材产品要求总的趋势是优质、廉价、高效、低耗。,管材冷加工,冷加工是获得高精度、高表面光洁度、高性能管材的重要方法。包括冷轧、冷拔、冷张力减径和冷旋压等。,钢管产品规格范围,2018/2/16,16,热轧无缝钢管生产,无缝钢管的规格,2018/2/16,17,热轧无缝钢管生产,无缝钢管生产有100多年的历史。德国人曼尼斯曼兄弟于1885年首先发明二辊斜轧穿孔机；1891年又发明周期轧管机；1903年瑞士人施蒂费尔（R.C.Stiefel）发明自动轧管机（也称顶头式轧管机），以后又出现了连续式轧管机和顶管机等各种延伸机，开始形成近代无缝钢管工业。20世纪30年代由于采用了三辊轧管机、挤压机、周期式冷轧管机，改善了钢管的品种质量。,2018/2/16,18,热轧无缝钢管生产,20世纪60年代由于连轧管机的改进，三辊穿孔机的出现，特别是应用张力减径机和连铸坯的成功，提高了生产效率，增强了无缝管与焊管竞争的能力。20世纪70年代无缝管与焊管正并驾齐驱，世界钢管产量以每年 5以上的速度递增。中国1953年后重视发展无缝钢管工业，已初步形成轧制各种大、中、小型管材的生产体系。,2018/2/16,19,钢管主要生产工序,热轧无缝钢管主要生产工序：管坯准备及检查管坯加热穿孔轧管荒管再加热定（减）径热处理成品管矫直精整检验(无损、理化、台检) 入库冷轧（拔）无缝钢管主要生产工序：坯料准备酸洗润滑冷轧（拔）热处理矫直精整检验,热轧无缝钢管,无缝钢管生产的实质：将实心的管坯或钢锭穿孔并轧制成空心的钢管。 热轧无缝钢管的生产工艺过程：管坯的轧前准备钢管的轧制钢管精整,2018/2/16,20,2018/2/16,21,无缝钢管生产工 艺,无缝钢管生产工 艺,热轧无缝钢管的轧制环节的基本的三个变形工序为：穿孔、轧管、定（减）径。穿孔：将经过加热的实心管坯，采用特殊的方法穿孔，根据使用目的不同，做出厚壁中空毛管；穿孔方法：斜轧穿孔、用水压机挤压穿孔。斜轧穿孔的主要方法有二辊、三辊和锥轧穿孔。,2018/2/16,22,穿孔,2018/2/16,23,穿孔,曼乃斯曼穿孔机它是由两个相对于轧制线左右倾斜布置的主动轧辊、两个上下布置固定不动的导板及一个位于中间固定不动的顶头构成了一个“环形封闭的孔型”。实心坯料经过此“孔型”后成了中空的管体。,2018/2/16,24,曼乃斯曼穿孔机示意图,曼乃斯曼穿孔机示意图,穿孔过程,穿孔过程示意图,二辊斜轧圆坯内撕裂示意图,穿孔,穿孔,锥形辊菌式二辊斜轧穿孔轧辊轴线除与轧制线倾斜一个送进角外，还有一个辗轧角。导向工具可用导板或导盘。轧辊呈锥形，其直径沿穿孔变形区逐渐增大。有利于变形区中轧辊与轧件间的速度(轴向、切向) 能较好的匹配，减轻了变形区中金属的堆积，促进延伸，提高了穿孔效率和可穿性。,2018/2/16,28,减少了扭转变形和横向剪切变形，从而减少了内外表面缺陷发生的几率。,锥形辊菌式二辊斜轧穿孔,锥形辊穿孔,锥形辊穿孔机具有以下优点：（1）穿孔效率高，锥形辊穿孔机穿孔速度高，穿孔周期短，产量高，适合与轧管机配套使用。（2）能很好地穿轧连铸坯及难变形的金属：由于锥形工作辊及其辗轧角的作用，改变了金属的变形及运动学条件，抑制了金属变形过程中的旋转锻造效应。因此，可穿出内外表面质量好、同心度和壁厚均匀性高的毛管。（3）可实现大延伸、大扩径量穿孔：延伸系数可达4以上，扩径量可达30%，有利于减少管坯规格，扩大产品规格范围。,穿孔,2018/2/16,31,2018/2/16,32,热轧无缝钢管生产,轧管,轧管,自动轧管机,自动轧管机操作示意图,轧管,连续轧管机,连续轧管机操作示意图,浮动芯棒连轧管机机组工艺示意图,轧管,三辊（阿塞尔）轧管机组生产工艺示意图,三辊轧管机组生产流程,三辊轧管机组生产流程,三辊轧管机轧管（高精度厚壁管）,由美国人J. Assel研制，1935年第一台在美国轴承厂安装。生产240mm的钢管，管长8-10m。结构：工作辊安装在两个机架上，一个机架固定不动，另一台围绕轧机中心线0-25度-实现送进角的同步调整，轧辊为锥形，辗轧角固定在3-7度。,三辊轧管机轧管（高精度厚壁管）,Assel轧管机结构示意图,ASSEL轧管机的轧辊在轧管机机架中呈120布置，轧制过程中轧辊主动且同向旋转。孔型中心线与轧制中心线重合。轧辊安装在转鼓里，通过转鼓锁紧装置来调整轧辊的孔喉值和辗轧角的大小。,三辊轧管机轧管（高精度厚壁管）,优点：生产厚壁管、尺寸精度高（外径0.5%、壁厚5-7.5%）、表面质量好、轧机调整方便、易变规格、轧管机工具消耗少、易实现自动化。缺点：生产效率低、需采用优质管坯，薄壁管生产难轴承管、枪炮等高精度厚壁管。,狄塞尔轧管机,狄塞尔轧管机,狄塞尔轧管机1929年首先问世于美国，主动旋转导盘的二辊斜轧轧管机，主要用于生产高精度薄壁管，外径与壁厚比可达30，壁厚公差可控制在3%5%。,主要缺点是：允许延伸率小于2.0，生产率低，轧制钢管短，一直发展不大。,Accu-Roll轧管机,Accu-Roll轧管机是将狄塞尔轧管机鼓形轧辊改成锥形轧辊，增大了轧辊辗轧角，加长了辊身长度、采用主动的大直径导盘，轧辊安装在转鼓里，辗轧角可调。并将浮动芯棒轧制方式改为限动芯棒轧制方式，从而减小了金属滑移，增加了均壁钢管的重轧次数，提高了钢管壁厚精度。,Accu-Roll 轧管机结构示意图1芯棒；2导盘；3菌式轧辊；4毛管,轧管,顶管机,顶管机,轧管,周期轧管机组生产工艺其变形特点是锻压式，运动特点是往复式前进，变形量大、横（周）向性能较好，可用钢锭生产大直径钢管，适于大直径高压管道、容器和机加工用管。一般设计产量为万5-20万t。,环形加热炉,环形加热炉,无缝钢管穿孔机,锥形穿孔机,轧管机,主要工艺流程（坯料锯切工序）,主要工艺流程（环形炉加热工序）,主要工艺流程（穿孔工序）,主要工艺流程（轧管工序）,主要工艺流程（定径工序）,主要工艺流程（冷床工序）,主要工艺流程（矫直工序）,主要工艺流程（切管吹灰工序）,主要工艺流程（漏磁探伤工序）,主要工艺流程（表面检查和测长称重）,主要工艺流程（打包入库）,挤压钢管的生产工艺,挤压变形的特点是变形量大，三向都是压应力，特别适于生产高、中合金和难变形的钢种钢管，其设备形式分为：立式和卧式，正向挤和反向挤。设备复杂、庞大，工艺要求复杂、严格，要求坯料尺寸准确（需平头、剥皮、钻孔），生产厚壁管的长度难于达到要求（10m）。一般设计产量为万1-5万t。,压力挤孔,压力挤孔,2018/2/16,63,正向挤压,立式正向挤压钢管的示意图,反向挤压,立式反向挤压钢管的示意图,挤压管生产,2018/2/16,66,挤压管生产流程,管材冷加工,冷轧是指在常温下，经过冷拉、冷弯、冷拔等冷加工，把钢板或钢带加工成各种型式的钢材。冷轧精密无缝钢管是用于精密机械结构、液压设备或钢筋套筒的尺寸精度高和表面光洁度好的一种无缝钢管。,2018/2/16,67,我国管材冷加工发展,管材冷加工,冷轧无缝钢管,2018/2/16,70,冷轧无缝钢管是以热轧或热挤压法生产的钢管为坯料进行冷轧、冷拔的制管方法。精度高、强度好、表面光洁度好、尺寸范围广。,2018/2/16,71,冷拔无缝钢管生产工艺流程图,冷拔无缝钢管生产工艺,2018/2/16,72,焊管生产工艺,高频直缝电阻焊钢管 (High-frequency Electrical Resistance Welded Steel Pipe, ERW)热轧卷板经过成型机成型后，利用高频电流的集肤效应和邻近效应，使管坯边缘加热熔化，在挤压辊的作用下进行压力焊接来实现