大口径厚壁管热挤压凹模锥角及铸坯尺寸确定方法与流程

本发明属于难变形合金钢大口径厚壁无缝钢管热挤压加工成形设计领域，具体涉及一种大口径厚壁管热挤压成形过程中凹模锥角及铸坯尺寸的确定方法。

背景技术：

高合金钢、特种合金钢和难变形合金钢材料的大口径厚壁无缝管是火电、核电、石油化工等行业的关键零件。随着我国大型超临界火电机组、核电机组、石油化工、航空航天、船舶、高铁和军工等行业的快速发展，对大口径厚壁无缝管的需求日益增加，性能要求也日益严苛。专利号：ZL201310025737.4，专利名称“一种厚壁无缝钢管短流程铸挤连续成形的方法”采用高温脱模空心铸坯直接进行挤压生产，其生产流程为：合金熔化—钢液精炼—冒口浇铸环坯—热挤压—热处理—精密整形步骤，该技术流程节约了能源，节省了设备投资，提高了材料利用率和生产效率。在热挤压阶段，挤压凹模锥角的确定是依据工业生产经验；铸坯尺寸的确定是依据金属变形过程中体积不变原理，根据挤压成品的体积计算得出铸坯尺寸。按照上述方法所得凹模锥角，在挤压变形过程的中“死区”无法控制，会产生挤压缩尾，影响金属流动，使得成品管的力学性能和组织分布不均；同时，在确定铸坯尺寸时则因忽略挤压过程凹模锥角区、成品管精整及表面处理时切掉的金属体积，导致按照现有方法计算所得铸坯在加工后，成品管尺寸达不到尺寸要求，造成了材料的浪费。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种大口径厚壁管热挤压凹模锥角及铸坯尺寸确定方法，可以有效解决现有技术在铸坯尺寸确定上存在的缺陷。

本发明的目的是这样实现的，其特征是按照如下步骤设计：

(1)如图1所示，根据大口径厚壁管热挤压的挤压比λ确定凹模锥角α大小，即：

$\mathrm{\α}=-163\exp (-\frac{\mathrm{\λ}}{1.35})+77.98---\left(1\right)$

(2)因为在热挤压过程中，成品管和铸坯内径尺寸一致，所以根据挤压比λ确定铸坯壁厚b的尺寸，即：

$b=\sqrt{\mathrm{\λ}(B^2+2{\mathrm{Br}}_0)+r_0^2}-r_0---\left(2\right)$

式中，B为大口径厚壁管成品的壁厚；2r₀为大口径厚壁管成品的内径。

(3)如图2所示，根据大口径厚壁管成品的尺寸：内径为2r₀，壁厚为B，长度为H，挤压比为λ、凹模锥角α及铸坯壁厚b，确定铸坯长度h，即：

本发明优点及积极效果为：利用本发明的设计方法，可以利用挤压比λ快速推导出无死区最佳凹模锥角大小，提高挤压成品管性能和质量；利用挤压比和成品管的壁厚确定铸坯壁厚，利用挤压成品管的尺寸、挤压比和凹模锥角大小确定铸坯高度，提高了设计效率，为铸坯尺寸的设计提供严谨的理论依据。本发明的设计方法不仅为大口径厚壁管铸坯设计提供了最优节材方案，也为成品性能的改善和提高提供了基础。

附图说明

图1为凹模锥角α示意图。

图2为大口径厚壁成品管结构示意图。

图3为大口径厚壁管铸坯结构示意图。

图中：1—芯棒；2—凹模；α—凹模锥角；B—大口径厚壁成品管壁厚；2r₀—大口径厚壁成品管内径；H—大口径厚壁成品管长度；b—铸坯壁厚；h—铸坯长度。

具体实施方式

如图1、2及3所示，已知成品管尺寸为：内径2r₀＝520mm、壁厚B＝100mm、长度H＝12000mm，热挤压工艺中挤压比λ＝9。

①按照公式(1)确定凹模锥角α：

$\mathrm{\α}=-163\exp (-\frac{\mathrm{\λ}}{1.35})+77.98---\left(1\right)$

把λ＝9代入上式(1)，计算得α＝77.8°。

②按照公式(2)确定铸坯壁厚b：

$b=\sqrt{\mathrm{\λ}(B^2+2{\mathrm{Br}}_0)+r_0^2}-r_0---\left(2\right)$

把λ＝9、r₀＝260mm、B＝100mm代入公式(2)，计算得b＝531mm

③按照公式(3)确定铸坯高度h：

把tanα＝-0.964、B＝100mm、H＝12000mm、r₀＝260mm、b＝531mm代入(3)，计算得h＝1040mm。

最终确定凹模锥角α＝77.8°，铸坯的内径2r₀＝520mm、铸坯壁厚b＝531mm、铸坯度长h＝1040mm。