一种生产薄壁无缝钢管的穿孔轧制方法及专用设备与流程

技术领域：

本发明涉及轧钢工艺技术领域，具体地讲是一种生产薄壁无缝钢管的穿孔轧制方法及专用设备，主要用于无缝钢管制造。

背景技术：
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无缝钢管的生产任务是将实心的管坯加工制造成所需要的各种外径和壁厚规格的无缝钢管。以连轧钢管生产方式为例，其热轧生产工艺过程一般为：

步骤1：将实心的管坯加热到适合变形的温度；

步骤2：通过穿孔机是将加热好的实心的管坯变成空心的毛管；

步骤3：通过连轧管机将毛管进行延伸轧制，减薄其壁厚；

步骤4：最后通过定径机或张力减径机获得所需要的外径规格的钢管。

在上述步骤2中，使用锥形辊穿孔机将加热好的实心的管坯变成空心的毛管是一种重要的方法。锥形穿孔机的变形工具由一对主动旋转的锥形轧辊2、一个顶头3和一对导板5组成。锥形轧辊2一般上下布置，导板5左右布置，按这种布置方法，锥形轧辊轴线与轧制中心线在竖直平面内有一个夹角，称之为辗轧角α；锥形轧辊轴线与轧制中心线在水平平面内有一个夹角，称之为咬入角β。锥形轧辊2作为外变形工具，其作用是依靠摩擦力将管坯1曳入孔型，带动管坯1边旋转边前进；顶头3作为内变形工具，承担管坯1的穿孔及毛管4内壁辗轧；导板5作用是限制毛管4的横向变形。锥形辊穿孔机的变形原理是，管坯1接触锥形轧辊2后进入穿孔准备区l1，管坯1继续旋转前进，进入穿孔区l2、扩径辗轧区l3，管坯在l2区和l3区内完成穿孔、扩径、均壁辗轧的过程后，进入毛管规圆区l4进行规圆，变成合格的毛管4。

通过上述穿孔工艺过程，锥形辊穿孔机完成了将直径为dp的实心的管坯穿成直径为dm、壁厚sm为空心的毛管。在锥形辊穿孔机的变形参数中有几个重要的参数（锥形轧辊2一般上下布置，导板5左右布置）：

辗轧角α，指锥形轧辊轴线与轧制中心线在竖直平面内的夹角；

咬入角β，指锥形轧辊轴线与轧制中心线在水平平面内夹角；

毛管扩径率δ，δ=（dm-dp）/dp×100%；

穿孔延伸系数，。

日本专利cn88101659a在1988年公开了专利《无缝钢管的穿孔和制造方法》，更近一步地介绍锥形辊穿孔机的技术要点。其技术内容如下：8⁰≤β≤20⁰；5⁰≤α≤35⁰；15⁰≤β+α≤50⁰；同时管坯的直径dp、毛管的直径dm和毛管的壁厚sm由下列关系所确定：1.5≤-ψr/ψθ≤4.5。其中ψr=，ψθ=。该穿孔机可实现穿孔延伸系数在4.0以上、或穿孔扩径率δ在15%以上、或毛管壁厚sm与毛管直径dm的比值在6.5%以下。发明该技术的目的是增加穿孔机的变形能力，缩短无缝钢管生产的工艺流程。

《钢管》1999年第5期钢管史话对锥形辊穿孔机的发展历史也进行了介绍，stiefel第一次提出申请关于锥形辊穿孔机的专利是1897年，后来锥形辊穿孔机就销声匿迹了。直到1981年曼内斯曼钢管公司在原有的φ340自动轧管机前安装了一台锥形辊穿孔机代替了两台stiefel穿孔机（带固定导板的桶形辊穿孔机）；1982年日本住友海南钢管厂在φ114连轧管机前的锥形辊穿孔机投产，标志着锥形辊穿孔机得到“再生”。锥形辊穿孔机增加了变形能力，增大穿孔机毛管的外径与壁厚的比值，使穿孔机的壁厚规格更加接近成品要求，穿孔机的穿孔扩径率δ可达到40%，穿孔延伸系数可达到6，但文献并未公开其产品的详细质量情况及具体工艺设计方法（见《穿孔工艺的发展和锥辊式穿孔机的复出》，金如崧著，发表于《钢管》2003年4月第2期）。

从上述已有技术看出，锥形辊穿孔机变形能力较大，同时适合高合金管坯的穿孔生产等优点，但并未全面公开辗轧角α与毛管扩径率δ和穿孔延伸系数的具体匹配关系，更没有更为详细具体的设计方法。从上个世纪八十年代始锥形辊穿孔机得到了迅猛的发展，其设备参数也基本固化下来，锥形轧辊的辗轧角α=15⁰，锥形轧辊的咬入角9⁰≤β≤12⁰范围内可调。实践中发现，在这种设备参数下穿孔机过大的穿孔扩径率δ会降低毛管的壁厚精度和内外表面质量，相关专业书籍中也有以下叙述：“二辊式锥形辊斜轧穿孔机的最大扩径率可以达到40％左右。但过大的扩径率不仅会给孔型调整带来困难，还会降低毛管的壁厚精度和表明质量，因此，要获得质量好的毛管，选用扩径率10%—15%左右为好”。从国内几家大型无缝钢管厂的锥形辊穿孔机扩径率统计看，也基本上在30%范围之内。

通过对以上现有技术的分析不难看出，，故穿孔扩径率δ决定了管坯直径，同时决定了穿孔延伸系数的大小。管坯直径和穿孔延伸系数是两个比较重要的参数。管坯直径对管坯时间影响较大，管坯直径越小加热时间越短，生产效率越高；生产实践发现，穿孔延伸系数对毛管的质量影响较大，延伸系数越大，毛管质量越差，主要表现在毛管尾部经常会产生偏壁、铁耳子等。

现有的锥形辊穿孔机采用的穿孔扩径率统计见下表：

在已有技术中，在锥形轧辊的辗轧角α=15⁰，锥形轧辊的咬入角9⁰≤β≤12⁰条件下，穿孔扩径率δ≤30%，出现了薄壁管毛管质量差的问题，主要表现在毛管尾部经常会产生偏壁、铁耳子等缺陷。

技术实现要素：
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本发明的目的是克服上述已有技术不足，而提供一种生产薄壁无缝钢管的穿孔轧制方法。

本发明的另一目的是提供一种实现生产薄壁无缝钢管的穿孔轧制方法的专用设备。

本发明主要解决现有的技术毛管尾部经常会产生偏壁、铁耳子等问题；用于提高薄壁管的生产效率。

发明内容：

本发明的技术方案是：一种生产薄壁无缝钢管的穿孔轧制方法，管坯从接触锥形轧辊到毛管离开锥形轧辊,依次进入穿孔准备区l1、穿孔区l2、扩径辗轧区l3、毛管规圆区l4，其特殊之处在于，所述的穿孔区l2和扩径辗轧区l3两个区中，对应顶头外形分为三个变形区，分别是一次穿孔区l21、扩径区l22、均壁辗轧区l23,对应的顶头锥面角分别为γ3、γ2、γ1，顶头锥面角γ3=γ1-（2-2.5°）；锥形轧辊入口锥长度为lr，锥形轧辊入口锥角为λ1；锥形轧辊出口锥长度为lc，锥形轧辊出口锥角为λ2，λ2=6°；所述锥形轧辊的辗轧角α=15⁰，锥形轧辊的咬入角9⁰≤β≤12⁰条件下，穿孔扩径率δ满足30%＜δ≤45%。

实现本发明的一种生产薄壁无缝钢管的穿孔轧制方法的专用设备，是锥形辊穿孔机的变形工具，由一对主动旋转的锥形轧辊、一个顶头和一对导板组成；锥形轧辊上下布置，导板左右布置；其特殊之处在于，所述的锥形轧辊上分为四个区，穿孔准备区l1、穿孔区l2、扩径辗轧区l3和毛管规圆区l4；所述的穿孔区l2和扩径辗轧区l3两个区中，对应顶头外形分为三个变形区，分别是一次穿孔区l21、扩径区l22、均壁辗轧区l23,对应的顶头锥面角分别为γ3、γ2、γ1，一次穿孔区l21范围内的顶头锥面角γ3值小于均壁辗轧区l23范围内的顶头锥面角γ1，γ3=γ1-（2-2.5°）；锥形轧辊入口锥长度为lr，锥形轧辊入口锥角为λ1；锥形轧辊出口锥长度为lc,锥形轧辊出口锥角为λ2，λ2=6°。

本发明所述的一种生产薄壁无缝钢管的穿孔轧制方法及专用设备与已有技术相比具有突出的实质性特点和显著进步：

1、锥形轧辊出口锥角为λ2的设计；已有技术中λ2=3.9°-4.6°，本发明中λ2=6°；增大λ2值可以在已有的轧辊出口锥长度范围内，满足毛管变形区长度的要求，不造成设备的巨大改造；

2、关于顶头锥面角γ3、γ2、γ1的设计；已有技术中γ1按照轧辊出口锥角λ2加上一个空间补偿角；γ2=γ1+（0°-2.5°），γ3=γ2；本发明中γ3=γ1-（2-2.5°），其目的是通过减少γ3，减少一次穿孔区l21的圆弧半径，进而减少lr与lc交接孔喉处的轧辊与顶头的间隙，进而尽快减少毛管的壁厚，使金属在扩径区l22、均壁辗轧区l23中变形平缓，并充分辗轧，提高毛管质量；

3、本发明的30%＜δ≤45%，在毛管直径dm和毛管壁厚sm不变的情况下，按照公式δ=（dm-dp）/dp×100%计算，所采取的管坯直径dp大幅度减小，减小了管坯的直径，进而减少了管坯的加热时间，提高钢管的生产节奏；按照公式计算，穿孔延伸系数大幅度减小，避免穿孔过程中的超延伸现象，提高了钢管的尾部质量，避免了毛管尾部铁耳子的形成，提高钢管的质量水平。

附图说明：

图1是现有的锥形辊穿孔机设备结构示意图；

图2是图1的主视图；

图3是图1的俯视图；

图4是图1的侧视图；

图5是本发明的变形原理图。

具体实施方式：

为了更好地理解与实施，下面结合附图给出具体实施例详细说明本发明；所举实施例仅用于解释本发明，并非用于限制本发明的范围。

实施例1，参见图1、2、3、4、5，采用现有的技术将一对主动旋转的锥形轧辊2、一个顶头3和一对导板5安装成锥形辊穿孔机的变形工具，锥形轧辊2上下布置，导板5左右布置；锥形轧辊2作为外变形工具，其作用是依靠摩擦力将管坯1曳入孔型，带动管坯1边旋转边前进，顶头3作为内变形工具，承担管坯1的穿孔及毛管4内壁辗轧，导板5作用是限制毛管4的横向变形；锥形轧辊2上分为四个区，穿孔准备区l1、穿孔区l2、扩径辗轧区l3和毛管规圆区l4；所述的穿孔区l2和扩径辗轧区l3两个区中，对应顶头3外形分为三个变形区，分别是一次穿孔区l21、扩径区l22、均壁辗轧区l23,对应的顶头锥面角分别为γ3、γ2、γ1，一次穿孔区l21范围内的顶头锥面角γ3值小于均壁辗轧区l23范围内的顶头锥面角γ1，γ3=γ1-（2-2.5°）；锥形轧辊入口锥长度为lr，锥形轧辊入口锥角为λ1；锥形轧辊出口锥长度为lc,锥形轧辊出口锥角为λ2，λ2=6°；形成本发明的生产薄壁无缝钢管的穿孔轧制的专用设备。

采用上述专用设备生产薄壁无缝钢管，其穿孔轧制方法如下：管坯1接触轧辊2后进入一次咬入穿孔准备区l1，管坯继续旋转前进，进入穿孔区l2，管坯在l2区内完成穿孔，然后进入扩径辗轧区l3，扩径、均壁辗轧过程后，进入毛管规圆区l4进行规圆，最后变成合格的毛管4；通过上述穿孔工艺过程，锥形辊穿孔机完成了将直径为dp的实心的管坯穿成直径为dm、壁厚为sm的空心毛管；在锥形轧辊的辗轧角α=15⁰，锥形轧辊的咬入角9⁰≤β≤12⁰条件下，穿孔扩径率δ满足30%＜δ≤45%。

实施例2，采用实施例1的设备，在锥形轧辊的辗轧角α=15⁰，锥形轧辊的咬入角9⁰≤β≤12⁰条件下，以生产毛管直径dm=524mm，毛管壁厚sm=23mm为例；

按照已有技术，穿孔扩径率δ在5-30%范围内取值，δ=17.5%；已有技术中，锥形轧辊出口锥角λ2=3.9°；γ1按照锥形轧辊出口锥角λ2加上一个空间补偿角，γ1=λ2+0.6⁰=4.4⁰；γ2=γ1+（0°—2.5°）=4.4⁰；γ3=γ2=4.4⁰；

按照本发明的技术，穿孔扩径率δ在30-45%范围内取值，δ=37.5%；锥形轧辊出口锥角λ2=6°；γ1按照锥形轧辊出口锥角λ2加上一个空间补偿角，γ1=λ2+0.5⁰=6.6⁰；γ2=γ1+（0°—2.5°）=8.8⁰；γ3=γ1-（2—2.5°）=6.6⁰-（2—2.5°）=4.5⁰；

按现有的技术，δ=17.5%，管坯直径为dp=dm/（1+δ）=524/（1+17.5%）=445.9（mm），圆整成标准管坯规格，dp=450mm；穿孔延伸系数：

；

按本发明的技术，穿孔扩径率δ在30-45%范围内取值，δ=37.5%，则管坯直径为dp=dm/（1+δ）=524/（1+37.5%）=381.1（mm），圆整成标准管坯规格，dp=380mm。穿孔延伸系数：

；

由于管坯直径从450mm减小到380mm，管坯加热时间由396分钟缩减为285分钟，生产节奏由31支/小时管增加为52支/小时，产能提高。毛管尾部质量明显改善，很少发现毛管尾部铁耳子等。

实施例3，采用实施例1的设备，在锥形轧辊的辗轧角α=15⁰，锥形轧辊的咬入角9⁰≤β≤12⁰条件下，以生产毛管直径dm=430mm，毛管壁厚sm=23mm为例；

按照已有技术，穿孔扩径率δ在5-30%范围内取值，δ=13.1%。已有技术中，锥形轧辊出口锥角λ2=3.9°；γ1按照锥形轧辊出口锥角λ2加上一个空间补偿角，γ1=λ2+0.6⁰=4.4⁰；γ2=γ1+（0°—2.5°）=4.4⁰；γ3=γ2=4.4⁰；

按照本发明的技术，穿孔扩径率δ在30-45%范围内取值，δ=43.3%；锥形轧辊出口锥角λ2=6°；γ1按照锥形轧辊出口锥角λ2加上一个空间补偿角，γ1=λ2+0.5⁰=6.6⁰；γ2=γ1+（0°—2.5°）=8.8⁰；γ3=γ1-（2—2.5°）=6.6⁰-（2—2.5°）=4.5⁰；

按照已有技术穿孔扩径率δ在5-30%范围内取值，δ=13.1%，则管坯直径为dp=dm/（1+δ）=430/（1+13.1%）=380.2（mm），圆整成标准管坯规格，dp=380mm。穿孔延伸系数：

；

按照本发明的技术，穿孔扩径率δ在35-45%范围内取值，δ=43.3%，则管坯直径为dp=dm/（1+δ）=430/（1+43.3%）=300.1（mm），圆整成标准管坯规格，dp=300mm。穿孔延伸系数：

；

由于管坯直径从380mm减小到300mm，管坯加热时间由285分钟缩减为200分钟，生产节奏由52支/小时管增加到85支/小时，产能大幅度提高。毛管尾部质量明显改善，很少发现毛管尾部铁耳子等。