锥形辊穿孔机的辊转速控制

锥形辊穿孔机的辊转速控制

0辊斜轧圆形辊穿孔机的应用近年来，中国石油管道产量迅速增长。目前,油井管国产化率已达到80%以上。为了进一步提高油井管国产化率,减少耐腐蚀油井管的进口,应解决包括13Cr和超级13Cr铁基和镍基合金油井管的国内生产问题,这是钢管行业当前的一项重要工作。耐腐蚀铁基和镍基合金管材的生产属于难变形钢和合金无缝管材的生产范畴。而难变形钢和合金无缝管材生产的关键在于穿孔工序。关于难变形钢和合金管坯在二辊斜轧桶形辊穿孔机上的穿孔问题,包括毛管的主要工艺质量问题、产生的原因和消除的措施等,文献已进行了论述。目前,二辊斜轧锥形辊穿孔机受到人们的推崇,并在实际生产中得到应用。一般认为,二辊斜轧锥形辊穿孔机适合于难变形钢和合金管坯的穿孔。笔者在此指出,要把难变形钢和合金管坯穿成合格的毛管,锥形辊穿孔机也要和桶形辊穿孔机一样,在合理确定穿孔机的各种调整参数的时候,要重视对穿孔机轧辊转速的控制。本文对该问题进行讨论。1毛管分层缺陷难变形钢和合金管坯在二辊斜轧桶形辊穿孔机上穿孔,毛管的主要质量问题是分层缺陷。分层缺陷,亦称离层、夹层或环形破裂。在毛管的横截面上,分层缺陷是一种环形或弧形裂纹,裂纹两侧和前端没有异常夹杂物存在。分层缺陷有的靠近外表面(叫外分层缺陷),有的靠近内表面(叫内分层缺陷),严重的分层缺陷把毛管分成3层。在毛管的纵向,弧形裂纹的位置随金属的扭转而变化;有分层缺陷的毛管从穿孔机出来后,可以看到毛管上有1条呈螺旋状的黑线;冷却后,敲击有分层缺陷的毛管,可以听到嘶哑的响声。毛管出现分层缺陷,即为废品。除了分层缺陷之外,文献还指出难变形钢和合金管坯在二辊斜轧锥形辊穿孔机上穿孔时毛管有内表面缺陷。其实,这和文献所说的难变形钢和合金管坯在二辊斜轧桶形辊穿孔机上穿孔时毛管裂碎一样,都是加热温度过高所致。难变形钢和合金的过烧温度较低,如果加热温度过高,加上斜轧穿孔激烈变形产生的“温升”,而这种“温升”又不像自由锻造那样可以人为地进行控制,致使金属处于过烧状态。毛管与顶头接触的内表面温度最高,所以这种裂纹起源于毛管的内表面并向外表面扩展,毛管的尾部热量积累的最多,所以这种裂纹在毛管的尾部最严重,甚至出现裂碎现象。文献指出的毛管内表面缺陷,不可能是金属内异常夹杂物造成的,因为夹杂物在钢中的分布是不均匀的,夹杂物引起的裂纹在钢中的位置是不确定的,不可能只集中在毛管的内表面;也不可能是内折缺陷,因为毛管在产生分层缺陷的时候,通常不形成孔腔和产生内折缺陷。另外,难变形钢和合金管坯无论是在桶形辊穿孔机上还是在锥形辊穿孔机上穿孔,管坯二次咬入都比较困难,经常在顶头前打滑、轧卡。造成这种情况的原因是:顶头伸出量过大,顶头前的压下量较小;难变形钢和合金的变形抗力较大,顶头前金属没有形成疏松状态;管坯咬入时轧辊的转速较大,使管坯前进的轴向曳入摩擦力较小等。还有,难变形钢和合金管坯在二辊斜轧穿孔时,有时毛管外表面还出现横裂,这是因为难变形钢和合金再结晶温度较高,毛管的终轧温度较低造成的。这种裂纹与斜轧穿孔的变形方式没有关系。因为难变形钢和合金在自由锻造方坯时出现角部裂纹;轧制圆钢时也出现横裂或蛇皮裂;锻件模锻时出现边角部裂纹。虽然变形方式不同,但这些裂纹的性质和毛管外表面的横裂是一样的。毛管分层缺陷、毛管内表面裂纹和管坯二次咬入困难,这3个问题是难变形钢和合金的热加工特点(变形抗力大、加工塑性低和热加工温度范围窄)在二辊斜轧穿孔(包括桶形辊和锥形辊)这种变形方式中的反映和表现。提高顶头前的压下量,合理准确地控制加热温度,管坯二次咬入困难和毛管内表面裂纹这两个问题可以得到解决,管坯能顺利穿成毛管。但是,毛管上如果有分层缺陷,仍然是废品。所以,分层缺陷就成为毛管的主要质量问题。那么,难变形钢和合金管坯在二辊斜轧锥形辊穿孔机上穿孔,毛管是否还会出现分层缺陷,毛管的主要质量问题是否还是分层缺陷。文献研究了难变形钢和合金管坯在二辊斜轧锥形辊穿孔机上的穿孔问题,通过一系列实验指出,采用大辗轧角和大喂入角穿孔法,可以消除毛管的分层缺陷。这个结果说明,难变形钢和合金管坯在二辊斜轧锥形辊穿孔机上穿孔,不是因为轧辊的形状由桶形改为锥形后毛管就不会出现分层缺陷,而是仍然出现分层缺陷,其主要质量问题还是分层缺陷,但可以通过采取各种工艺措施来消除。2u3000辊穿孔机的转速对毛管分层缺陷的影响无论是二辊斜轧桶形辊穿孔机还是二辊斜轧锥形辊穿孔机,就轧辊转速在穿孔工艺中的作用,人们已经得到以下两点共识:(1)在一定的工艺条件下,穿孔机轧辊转速高,毛管离开轧辊的速度就快,管坯穿孔的速度就快。尽管提高穿孔机轧辊转速将导致滑移增加,但是通过对穿孔机轧辊转速的控制,并与管坯出炉、轧管等上下工序的速度相匹配,能保证较高的轧制节奏,能保证较高的产量。(2)降低轧辊转速有利于管坯一次和二次咬入,因为降低轧辊转速可以增大轧辊与金属间的摩擦因数,增大轧辊作用在管坯上的轴向曳入摩擦力;降低轧辊转速还有利于变形深透,有利于管坯中心发生塑性变形并形成疏松,有利于减小顶头的轴向阻力。但是,轧辊转速对毛管质量的影响,往往没有引起人们的注意,不被人们所重视。实际上,在二辊斜轧桶形辊穿孔机上,轧辊转速对难变形钢和合金管坯及毛管破裂的影响是有明显的规律性的:在轧辊转速较低时,管坯容易形成孔腔;随着轧辊转速提高,管坯形成孔腔的临界变形量也提高,孔腔现象减轻;在轧辊转速较高时,毛管容易形成分层缺陷,且随着轧辊转速提高,毛管形成分层缺陷的临界变形量降低,分层缺陷严重。在轧辊转速由低向高变化的整个过程中,存在一个开始出现分层缺陷的临界轧辊转速;或者说,在轧辊转速由高向低变化的整个过程中,存在一个开始消除分层缺陷的临界轧辊转速。在以轧辊转速为横坐标和以变形量为纵坐标的直角坐标系中,管坯出现孔腔的临界变形量和毛管出现分层缺陷的临界变形量是随着轧辊转速的变化,呈“人”字形分布的。如果控制轧辊转速低于该管坯的临界轧辊转速,则毛管就不会出现分层缺陷。上述在二辊斜轧桶形辊穿孔机上,轧辊转速对难变形钢和合金管坯与毛管破裂的影响规律,在二辊斜轧锥形辊穿孔机上是否适用,其回答是肯定的。因为管坯没有变化,即变形抗力和加工塑性没有变化。其区别在于,轧辊的形状由桶形变为锥形。锥形辊的直径,在相同的工艺条件下,比桶形辊的直径稍大,变形的深透性较好。因此,消除毛管分层缺陷的临界轧辊转速,锥形辊穿孔机要比桶形辊穿孔机稍高,也就是说,锥形辊穿孔机可以在稍高一些的轧辊转速下消除毛管分层缺陷,而桶形辊穿孔机则在稍低一些的轧辊转速下才能消除毛管分层缺陷;上述“人”字形分布在坐标系中向右平移。这可能就是锥形辊穿孔机适合于难变形钢和合金管坯穿孔的表现及原因所在。应当指出,上述轧辊转速对管坯和毛管破裂的影响规律,仅适合于变形抗力较大的难变形钢和合金,对于变形抗力较小的碳钢、低合金钢,提高轧辊转速,毛管并不产生分层缺陷,且有利于减轻管坯中心形成疏松的程度。有的钢管厂用提高轧辊转速的办法来减少碳钢、低合金钢的内折缺陷,就是这个道理。3犯罪人员的法规制和发挥产品工艺的作用有一种观点认为采用大辗轧角就可以实现难变形钢和合金管坯在二辊斜轧锥形辊穿孔机上的正常穿孔,就可以消除毛管的分层缺陷。关于大辗轧角问题,需要进行分析。锥形辊穿孔机之所以有辗轧角这个参数,是由于轧辊的形状是锥形和要保证穿孔变形区正常的形状这两个因素决定的。轧辊的形状由桶形改成锥形,可使金属的流动更加合理,可以减少扭转变形,提高延伸系数;要保证穿孔变形区正常的形状,是为了实现正常穿孔。所以,锥形辊穿孔机要实现正常穿孔,就自然出现了辗轧角,而且必须有个辗轧角,没有辗轧角就不能保证变形区的正常形状,就不能实现正常穿孔。也可以讲,在保证变形区正常形状的前提下,辗轧角为零,锥形辊实际就是桶形辊了;反过来讲,在保证变形区正常形状的前提下,给桶形辊制造一个辗轧角,桶形辊实际就变成锥形辊了。辗轧角并不神秘。辗轧角是不能随意增大的。增大辗轧角,要受到转鼓和牌坊空间的限制,还要受到天车和厂房高度的限制;增大辗轧角,还要保持穿孔变形区的正常形状,意味着要准备和更换许多直径逐渐增大的轧辊及其转鼓。对于同一个轧辊,如果通过连接轴的倾斜或其他办法来适当的调整锥形辊的角度,那么,穿孔变形区的正常形状也要随之发生相应的变化。后来制造的锥形辊穿孔机,辗轧角不是可调的而是固定的,可能就是这个道理。文献的实验结果指出,在辗轧角为5°、10°、15°和喂入角为12°、14°、16°的条件下,对25Cr-35Ni-3Mo合金管坯穿孔,只有在辗轧角为10°和喂入角为14°以上的条件下,才能消除毛管的分层缺陷;对25Cr-50Ni-6Mo合金管坯穿孔,只有在辗轧角为10°和喂入角为16°(或者辗轧角为15°,喂入角为14°)以上的条件下,才能消除毛管的分层缺陷;对20Cr-50Ni-9Mo合金管坯穿孔,只有在辗轧角为15°和喂入角为16°以上的条件下,才能消除毛管的分层缺陷。这些结果说明:不是任意一个辗轧角都可以消除毛管的分层缺陷,对于一定的合金,存在一个临界辗轧角,只有辗轧角大于这个临界辗轧角以后,才能消除毛管的分层缺陷;只依靠单独增大辗轧角是不能消除毛管分层缺陷的;辗轧角增大后,还要增大喂入角,只有两者共同作用,才能消除毛管的分层缺陷。如果只依靠单独增大辗轧角来消除上述合金的毛管分层缺陷,辗轧角肯定在15°以上,并且还要增大很多。对比以下情况:20Cr-30Ni-6W-3Mo-1Nb合金管坯,辗轧角0°(桶形辊穿孔机),喂入角为7.5°(正常值),轧辊转速由200r/min降低到150r/min以后,消除了毛管的分层缺陷。可以看出,20Cr-50Ni-9Mo合金和这个合金热加工性能相近,后者降低轧辊转速的效果等于前者增大辗轧角和喂入角,并同时调整两个参数的作用;前者只依靠增大辗轧角不能消除毛管的分层缺陷,而后者只依靠降低轧辊转速就可以消除毛管的分层缺陷,说明降低轧辊转速要比增大辗轧角对消除毛管分层缺陷的效果更好。辗轧角的选择既要考虑工艺的需要,又要考虑设备的允许条件。每一种合金有一个临界辗轧角,为了消除毛管的分层缺陷,辗轧角应大于轧制和可能轧制的合金中最大的临界辗轧角,但实际上这是办不到的。目前,锥形辊穿孔机的辗轧角有的固定为10°～15°,在这种辗轧角下,某些合金毛管的分层缺陷是不能消除的。锥形辊穿孔机要消除毛管的分层缺陷,必须要调整其他工艺参数,与辗轧角配合,共同作用,其中,首先是降低轧辊转速。降低轧辊转速会使产量下降。但是,在没有消除毛管分层缺陷之前,是谈不上提高产量的,难变形钢和合金管坯价格昂贵,尤其应该如此。4调整穿孔机的参数分析有一种观点认为锥形辊穿孔机减少了扭转变形,可以得到与挤压制管类似的金属流动,于是消除了难变形钢和合金毛管的分层缺陷,得到了合格的毛管。实际的情况不是这样。管坯在二辊斜轧穿孔机上穿孔时,金属要发生扭转变形。在桶形辊穿孔机上,入口锥轧辊的直径逐渐增加,金属扭转的方向与管坯旋转的方向相同;出口锥轧辊的直径逐渐减小,金属扭转的方向与毛管旋转的方向相反。如果在管坯上刻1条纵向直线,将管坯穿成毛管,该直线将变成与毛管旋转方向相反的螺旋线。在锥形辊穿孔机上,入口锥轧辊的直径逐渐增加,金属扭转的方向与管坯旋转的方向相同;出口锥轧辊的直径仍然逐渐增加,金属扭转的方向与毛管的旋转方向仍然相同;如果在管坯上刻1条纵向直线,将管坯穿成毛管,该直线可能变成与毛管的旋转方向相同的螺旋线,也可能仍然是1条纵向直线,即没有发生扭转变形。实验室的结果也证明锥形辊穿孔机比桶形辊穿孔机金属的扭转变形小。由于斜轧穿孔金属发生的扭转变形,不仅由轧辊的直径和转速所决定,还受毛管的规格和顶头的尺寸及状态所制约,所以,在一定的工艺条件下,管坯在锥形辊穿孔机上穿孔,毛管可以得到与挤压制管类似的金属流动;同理,在一定的工艺条件下(顶头与管坯同方向主动旋转),管坯在桶形辊穿孔机上穿孔,也可以得到与挤压制管类似的金属流动。如果能达到上述的工艺条件,对毛管的质量是有利的。但是,并不是在所有的工艺条件下,毛管都能得到与挤压制管类似的金属流动。在实际生产中,调整穿孔机的参数,主要是控制毛管的规格和质量,但是,在控制质量方面,很难同时做到控制金属的流动。金属发生扭转变形,在毛管各层金属中间产生附加切应力。这种附加切应力,对毛管的质量是不利的,但是它并不是难变形钢和合金毛管分层缺陷产生的原因,因为在没有分层缺陷的毛管上也存在扭转变形;在有扭转变形的毛管上,并不是都产生分层缺陷。毛管分层缺陷产生的原因,是因为难变形钢和合金变形抗力较大,变形不深透,表层金属变形严重;表层激烈变形的金属,必然要向横向、切向和纵向流动,发生扭转,趋向于周长增长和鼓胀、皱曲,于是在表层变形区和中心变形区的过渡区域,产生附加拉应力和切应力;经过一定的辗轧过程或者表层金属流动受阻,当这种附加拉应力和切应力超过金属的强度和塑性所能承受的程度时,金属便开裂。所以,难变形钢和合金毛管的分层缺陷,是毛管表层变形区和中心变形区“区域”间的不均匀变形产生的附加拉应力和切应力所致,而不是通常所说的斜轧穿孔扭转变形那种“连续”的不均匀变形所造成的。这就是说,即使斜轧穿孔减少了扭转变形,甚至得到与挤压制管类似的金属流动,难变形钢和合金毛管的分层缺陷仍然可能出现。这种“区域”间的不均匀变形产生的附加应力,使金属开裂形成分层的情况,在三辊斜轧穿孔、自由锻造和挤压变形时也可能发生。在三辊斜轧穿孔机上轧制Cr18Ni9Ti不锈钢锥形试样,其他工艺条件相同,轧辊转速300r/min时出现分层,而轧辊转速240r/min时正常;轧制Cr18Ni10Ti不锈钢锥形试样,轧辊圆周速度3.0