专利名称：塑变法生产无缝钢管的方法及其设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种生产无缝钢管的方法及其设备，具体地说，涉及一种利用冷坯材晶粒裂变产生热量使坯材局部达到塑变温度而挤出成型的无缝钢管生产方法及其设备。
目前无缝钢管生产采用热轧方法，需要加热设备，不仅消耗大量热、电能，而且必需多道次变形，最后经二次加热进行热处理，因而占生产场地大，生产成本高，此外，所生产管材规格在管径比壁厚之值大于30范围都是空白。
本发明人在已获授权的90102686号专利(下称90’专利)中首先提出了利用磨擦作用生热、挤压生产无缝钢管的方法，这种方法顶压坯料反向成型，其效率还不够高，成型小管径管材时则受到限制本发明的目的在于提供一种使用冷坯料的高效率、高精度地生产无缝钢管、达到大的管径对壁厚比的管材规格之方法和设备。
本发明的另一目的在于提供一种利用冷坯料的可生产任意长的、可达到大的管径对壁厚比的无缝钢管的方法和设备。
本发明的又一目的在于提供一种移动式连续生产任意长无缝钢管设备。
本发明的再一目的在于提供生产异型内腔和外壁的无缝钢管的设备。
钢板反复弯折可使其断裂，同时在弯折局部产生相当高的温度，这是因为钢材晶粒先是互相滑移，然后撕裂，能量转变为热能形式的缘故。控制冷坯外表与内部晶粒滑移速度差，晶粒碎裂让释放的热使该局部区域温度达到塑变温度，可允许坯材变形成型所需规格的管材。所述速度差愈大，撕裂粗大晶粒释能愈快，达到的温度区变得愈窄。这种晶粒滑移是通过给作相对运动的坯料外表以阻力来达到，本发明的方法是基于此原则而形成的。本发明包括以下步骤将管材冷坯料作为顶杆顶入由内、外阻力环组成的成型模；使内和/或外阻力环由旋转动力机驱动旋转；坯料受阻力环阻滞而在2-3秒时间内在受阻滞局部发生晶粒滑移及碎裂并生热；控制顶推力及阻力环转速造成坯料与阻力环之间的速度差使发热局部达到材料塑变温度；一旦达到此温度，该部分坯料由顶杆变成真正的坯料，变形的坯料材质经由内、外阻力环间挤出成型为无缝钢管。
本发明方法钢管的全部成型工作仅在成型模的小区域内短时中完成，因此如果需要使用保护气氛及热处理，均可在很小的空间内很方便、经济地进行。
在以上步骤中，如果坯料逐段地连续供应，成型无缝钢管就可以连续挤出，由于内、外阻力环处坯材受到层层地、逐步地晶粒滑移及进行晶粒重组，因此坯料接缝对成型管材的晶粒结构均匀没有影响。先后二段坯料接合处可做成带或不带锥度的牙嵌式接合面，这种接合方式可使坯料经受得住阻力环的阻滞而不致被带动旋转，从而减小撕裂晶粒的作用。
本发明的方法特别适用铸造管坯料，因为铸造管坯料晶粒粗大，更有利于被撕裂、滑移，产生热量。
在实质意义上讲，本专利的方法和本发明人在先发明的磨擦法(90’专利)有很大区别，由于工作原则不同导致结构上、工作状态上的差异。
在挤出结构上本发明是贯通式挤出，而90’专利为反向外翻式挤出，此结果出自于二个发明原则不一样。本发明依靠推顶力和坯料、阻力环之间的阻滞造成材料晶粒滑移、破裂和重组，并不要求大量磨擦生热，所述阻滞的合适程度以坯料、阻力环之间的速度差以及推顶力的配合来掌握，使工作部位处在材料塑变温度区内，超过此合适程度，材料大范围内处于软化状态将是90’专利的工作状态，这种状态下材料不从模具正向成型，而是如90’专利那样反向外翻挤出成型。90’专利的方法其效率大不如本发明的方法。
研究表明，本发明方法使用的线速度可以是3-10M/sec，比较好的是4-7.5M/sec，推顶力选用材料最佳塑变温度下的强度(高温强度)的5-15倍来折算，最好不超过12倍，这种搭配有较好效果。
本发明的设备包括成型总成部；热处理环；成型总成驱动部；支撑轴及推力部。
成型总成部由以内、外阻力环组成的成型模构成，受驱动部带动内和/或外阻力环旋转，造成内、外阻力环间相对运动；如以出管方为前方，则热处理环位于成型总成部之前，是一个水套，由支撑轴中的孔供给可调的冷却水用于冷却成型管材；支撑轴在成型总成部后方，支撑坯料受推力部推顶进入成型总成部成型。
以上设备的各部分中成型总成部是核心，它是占很小空间的部分，因此本发明虽属轧钢机，但整套设备重量轻、体积小，可以全部安排在一个车辆底盘上，构成一个移动式无缝钢管挤出机。在逐段连续供应坯料时便成为移动式连续生产任意长无缝钢管挤出机。
本发明方法是由冷坯管料直接一次挤出成形无缝钢管，因此相比于传统热轧法它不需预热及二次加热，省却了由此所需耗用的能量，并且因为本法所需动能也小，所以本发明方法是一种省能的方法。
其次，在传统热、冷轧工艺中需要多道次轧制变形，特别是铸造坯料，都是粗大铸造组织，更需很多道次变形，最后经正火才能达到要求晶粒等级。本发明则一次成型，晶粒细化，所以本发明方法工艺简单，尤其适合铸造的管坯料，可以一次破碎粗大晶粒。
第三，本发明方法塑变、挤出在小小模具内完成，设备既小且少，所占生产面积小。
第四，本发明方法生产无缝钢管可做到极大的管径对管壁之比，此值在目前传统方法中小于30，而本法中可达到100，甚至可达200。
第五，用本发明方法可以生产出目前使用的技术做不出的产品规格。用本发明方法生产无缝管，其规格原则上没有限制。
第六，本法生产的无缝钢管精度高、成本低，容易在成型总成部处设置良好的保护气氛及对成型管随即作热处理，手续简便，即使是易氧化金属，成品材保证质量好。
第七，本法可以做到生产任意长无缝钢管。
第八，由于只成型总成部要求重心稳定，通过重心稳定设计，不作地面固定安装就可运行，所以，能够实现无缝钢管挤出机可移动化，在铺设石油输送管道等现场可连续地现挤现铺，省去成品运输、节省焊接等费用，特别考虑到成品钢管运输费要比材料费高2倍，这点是很大的优点，此外减免焊接工作可提高石油输送管路的质量。
第九，研究表明，本发明方法中塑变温度保持稳定，即较狭窄，对于热轧工艺难以加工或不能轧制的有狭窄塑变温度区域的钢钟，如Cr25Ni20之类高温石油裂化管(像聚乙烯裂化炉用炉管)目前采用铸管再加工成2米长办法，此种工艺对于小于70mm的管径是十分困难的，本方法则不受此限制，相反，条件正好适合。
第十，用本发明方法可以生产出内腔异形的管子，此管用作裂化炉管时增加和石油接触面积，能有效增加产量，由于还增加了管子高温刚度，提高了炉管使用寿命。
以下结合附图详细说明实施例，这些附图是附
图1是本发明方法的流程图。
附图2是使用本发明方法的一个实施例的设备布置图。
附图3(a)～(c)是本发明设备中成型总成部的构成结构示意图。
附图4是坯料接合结构示例的图。图4(a)是其正视剖面图，图4(b)是其侧视图。
附图5是本发明移动式无缝钢管制管机的结构示意图。
图2是本发明第一实施例的设备布置图。图中1为成品管拉出机构及随动锯，2为传动磨擦轮，3为电动机，4为减速机构，5为热处理环，6为成型总成部，7为支撑轴，8为主牌坊，9为推力油缸部，10为联接板，11为过渡牌坊，12为机座，13为进水管，14为支撑牌坊，15为自动送料油缸部，16为自动送料箱。
冷坯料管由自动送料油缸部15从自动送料箱16推入由过渡牌坊11支撑牌坊14及主牌坊8支撑的支撑轴7上，坯料由推力油缸部9推顶进入装有内、外阻力环组成的成型模的成型总成部6，关于内、外阻力环将在下面描述，成型总成部6的外阻力环由驱动电机3经减速机构后驱动到1000RPM，电机3可以是可调速的交流或直流电机或力矩电机，由带调速器的电源供电，对于本例使用坯料为碳素钢的铸钢管尺寸为外径φ118-122mm、壁厚8-10mm来生产φ100mm、壁厚1mm的成品管情况下，配用电机功率35-55KW已足够。坯料头部受内、外阻力环阻滞，尾部受推力油缸部9以10Kg/mm2压力推顶，在该头部位形成晶体内外速度差，晶粒迅速被撕裂、滑移、生热，局部温度升高到在本例为950-1000℃，处于材料的塑变温区，坯料遂被变形在推力作用下由内、外阻力环之间挤出成型为成品管，随即在热处理环5处在不超过2秒钟内通水冷却，再向后拉出，坯料进尺速度不小于1.6mm/sec，拉管预应力不大于高温塑性强度的20％。以上过程在达到最佳塑变温度所定的时间应为2～3秒。
关于进料，在现有的热轧生产技术中也要使用，图2中示出的是三个牌坊(主牌坊8、过渡牌坊11、支撑牌坊14)，打开支撑牌坊14，坯料被推进支撑牌坊以内，关闭支撑牌坊后，打开过渡牌坊11，坯料被继续推入过渡牌坊以内，关闭过渡牌坊后，打开主牌坊8，坯料进入主牌坊前方，由推力油缸系统9推顶入成型总成部6。后续坯料均按此程序进行。使用更多牌坊在结构上复杂了，但在运行中稳定性要好，其中取舍对一个设备工程师根据任务要求可以决定，此处不再赘述。
图3是成型总成部构成的示意图。其中图3(a)为内、外阻力环均为静态结构的示意；图3(b)为外阻力环是动态结构、内阻力环是静态结构的示意；图3(c)为内、外阻力环均为动态结构时的结构示意。图中20为静态结构外阻力环，21为外套，22为外阻力环底板，23为外加速阻力环，24为飞碟式球形外动态阻力环，25为静态内阻力环，26为内加速动态阻力环，27为内阻力环底板，28为碟状环的轴伸，29为飞碟式球形内动态阻力环。
图3(a)中所示外阻力环20为具有平端面的圆环，其中一个端面上设进料口(a点)，另一端为出管口(b点)，进料口孔径不小于坯料外径，圆环内腔面从a点到b点为收缩的喇叭形圆弧曲面(a b段)，ab段圆弧之曲率半径为r外，b点所处之内径为成品管外径，为增加阻力环强度可增设b点以下的bc段，此为扩大段，孔径大于成品管外径，以便于管子挤出，所示内阻力环25也是具有平端面的圆环(或圆柱)，其中一个端面为进料口(a’点)，另一端为出管口(b’点)，分别与外阻力环相对，从进料口到出管口形成收缩锥面或喇叭形圆弧曲面，b’点所处之外径为成品管内径，进料口的外径为坯料内径，在铸造误差范围内相等于成品管内径或略小数毫米。内阻力环在本图所示方案中是静止不转的。当a’b’段圆弧曲率半径很大时就成为直线段，内阻力环此段曲面由圆弧曲面变成锥面。当坯料被顶入阻力环，外径尖角处到达工作区(ab段)，因和外阻力环存在相对运动受到阻滞，达到塑变温度，坯料受挤经bc段挤出，bb’间距构成成品管管壁厚度。bc(b’c’)段是扩大段，并非必需，设此扩大段仅有助于增强阻力环强度。
图3(b)是第一实施例使用的阻力环结构，即其内阻力环为静态，外阻力环使用了一种被称为″动态″的结构。所谓动态结构是这样的有均为平端面圆环状的一外加速阻力环23和一个底板22，其间夹有至少三个碟状阻力环24，外周上有外套21固定。碟状环24是一个半径为r外的球在其中心平面上下由二个平行平面截取而得的一段碟状物，在碟状环上下平面上各凸出一个轴伸28，所述轴伸28分别位于外加速阻力环23和底板22对应平面上的凹槽内，使碟状环24可以绕二个轴伸28连线形成的轴线旋转，同时，又可在所述环凹槽内移动但不能脱出。碟状环24的球面和外加速阻力环工作面在一个通过碟状环中心的纵截面内共同构成一个曲率半径为r外的同一个圆弧，所述r外和坯料壁厚8的比值在1-5之间比较好，最好在1.2-2之间。所述至少三个碟状环24在凹槽一周上排列应使相邻两环之间有0.3-1mm的间隙，互相不妨碍旋转，类似于轴承滚道中的滚珠。所述外加速阻力环23的另一端面上有是进料口的孔，孔径不小于坯料外径；所述碟状环球面最高点相当于图3(a)中的b点，它处在相当于成品管的外径上，属出管口，而所述底板22的孔径则不小于成品管外径。至于内阻力环则和图3(a)中所示相同，要求也相同。
以上所谓加速阻力环名称源出于坯料在此处进入塑变状态的加速阶段，坯料变形，逐渐收缩，最后经碟状环24后成型为成品管。
使用动态阻力环结构可以使成品管表面质量更好。
图3(c)则为内、外阻力环均采用动态结构的情况，适用于内、外阻力环均旋转，但相互转向相反以免减弱阻滞力量。关于动态结构无论用于外阻力环或是用在内阻力环都是相似的，26、27分别是对应于标号23、22的内加速阻力环和内底板，关于碟状环29当成品管内径较小时，可以就是一个，反之内和外阻力环一样设至少三个碟状环同时有相当于外阻力环中的外套21的内套(图3(c)中未示出)。在此情况下允许坯料内径小于成品管内径。内阻力环旋转的方案实现起来结构上比较复杂而已。
由于阻力环将承受高温及强力，应选用耐高温及具有高温下高强度的材料来制造，结合考虑材料的可加工性。可采用的材料有含M.大于60％的钼基合金，例如钼-钛合金，表面氮化，或者是氮化硅和碳纤维复合材料。
本发明第二实施例是关于连续生产任意长无缝钢管的实例，本例中关键的问题是坯料的接续。图4是一种坯料头和尾的形状例子的示意图。其中图4(a)为正视剖面图，图4(b)是其侧视图。每段坯料的头端外周面上等距离地开设带锥度的槽，而尾端内周面上等距离地开设带锥度的槽，因此后段坯料的头端正好能嵌入配合于前段坯料的尾端，作如此牙嵌式接合的前后二段坯料不会有相对转动。此等接合部进入成型总成部时坯料是晶粒内外逐层螺旋状地作滑移及重组，在成品管材中晶粒重组完毕，完全成为均匀一致的緻密晶粒构造，找不到接缝的痕迹。
实际上，用本发明方法定尺生产无缝钢管也可以是逐段连续供应坯料连续挤出，由图2所示随动锯1按需要长度切断得到。
图4的结构是示例性的，只要坯料前后二段不会相对旋转的结构均是可行的。
本发明第三实施例是对于坯料为钢锭或铸锭的例子。由于本发明方法使用管坯料，因此锭料应先转变为管料。本发明人发明、已获得授权的90’专利中所示方法及设备可用来完成此项工作，因此将该专利文件内容作为本发明说明书内容的一部分，为避免重复，此处从略。由于上述方法同样不使用目前热轧或热挤压方法需要的预热炉等，因此前述说明本发明的优点在本例中依旧保留。
本发明第四实施例是一种移动式无缝钢管制管机方案示意图。用本发明方法的无缝钢管生产设备从以上概述和实施例可知，它虽属重型机器范畴，但却并无庞大设备群，也不占巨大生产场地面积，仅仅是一台由少数几个部分组成的制管机，重量轻，占面积小，还有重要的点是只有成型总成部要求重心稳定，经研究表明，经过重心稳定设计，本发明的设备不作地面固定安装就可开车运行，因此这就有可能做成一种移动式无缝钢管制管机，图5是其结构布置示意图。这是一种载重量15吨以上的载重车30，底盘平板31上设置前述本发明设备中的电动机3、减速机构4、热处理环5、成型总成部6、支撑轴7、主牌坊及过渡牌坊支撑牌坊8、11、14、推力油缸部9等各部分，根据车辆及生产钢管的规格等具体条件决定是否加设自动进料油缸部15。各油缸部的液压动力由车辆动力提供，电动机3的电源或由装设在另一电源车上的发电机经由调速控制器供电，或直接由车辆动力代替电动机3及减速机构4，这是设计人员根据本发明公开内容的精神容易作出判断的设计事务。对于小管径制管机，将电源设在一起由本车辆动力驱动和以上方案并无实质上不同。
图5所示的实施例是一种生产外径φ108mm壁厚5-6mm成品管的例子，使用15吨的载重车辆。设备布置总长度不超过12米。
这种车辆底盘平板设支承脚32，在作制管运行时支承于地面，将它收起，车辆即可开走。移动式无缝钢管制管机的意义在于制管可在使用管子的现场进行，运输的只是较大壁厚的坯料，运输成本低，此外，只要铺设的管线是直线段，管子均可连续制出，中间不需焊缝，工程费用低，管线质量好。
本例中虽然是以制作φ108的钢管为例来描述的，实际上即使对于制作大型钢管(例如φ350)，使用本发明方法，其设备总重不超过25吨，总长仍不超过12米，这样的情况做成移动式制管机也是不成问题的。
本发明第五实施例是生产异形内腔无缝钢管的例子。由以上本发明的描述可知，当内阻力环为静止不转时，制出的成品管外径表面是圆柱面，而内腔表面则取决于内阻力环工作面的形状，因此只要将内阻力环工作面做成所需异形表面，就可做出相应异形内腔面的无缝钢管，这是现有热轧、热挤法均不可能做到的。异形内腔无缝钢管在实用中是有益的，例如在石油裂化管中异形内腔将使反应面积增大，从而提高效率，增加产量。
对内阻力环旋转、外阻力环静止的方案上述异形面将可做在成品管外表面上，这是显而易见的，不再详述。
以上所有的叙述中关于驱动电机的调速、推力油缸(推力及进尺)的液压控制、各个牌坊的结构及其控制、温度的检测和控制、水冷却成品管的控制等对实施本发明是重要、有用的，但在已有技术中这些均是成熟的，在本说明书中无需详述了。
本发明以实施例来加以说明，但不应仅限于实施例，本领域的技术人员可能对此作出变更，而这些变更仍属由所附权利要求书表明的精神和实质范围内。
权利要求
1.一种生产无缝钢管的塑变方法，其特征是将管材冷坯料以坯材塑变温度下的高温强度5-15倍的推顶力推顶入由内、外阻力环构成的成型模中；所述内和/或外阻力环由旋转动力机驱动旋转；坯料受与坯料有线速度为3-10M/sec的相对运动的阻力环阻滞下，材料晶粒产生滑移及破裂生热，达到材料塑变温度；坯料变形，在内、外阻力环之间挤出成型，形成无缝钢管。
2.根据权利要求1的生产无缝钢管的塑变方法，其特征是所述线速度最好是4-7.5M/sec，所述推顶力倍数最好是不超过12倍
3.根据权利要求1或2的生产无缝钢管的塑变方法，其特征是所述坯料头部作牙嵌式接合，供生产任意长无缝钢管。
4.一种以塑变法生产无缝钢管的设备，包括成型总成部(6)、成型总成驱动部(3、4)、支撑轴(7)及其支承牌坊(8、11、14)、推力部(9)，其特征是所述成型总成部由内、外阻力环组成；所述外阻力环由所述成型总成驱动部驱动旋转；所述内阻力环固着于所述支撑轴轴头；所述支撑轴由至少三个所述牌坊支承，供坯料管套在其上；所述坯料管由所述推力部施加轴向推力推顶入所述成型总成部；所述坯料在铸造误差范围内等于成品管内径。
5.根据权利要求4的生产无缝钢管的设备，其特征是所述外阻力环(20)为具有平端面的圆环，一端面上设进料口，另一端面为出管口，圆环内腔面从进料口到出管口为收缩的喇叭形，出管口内径为成品管外径，进料口内径不小于坯料外径，所述喇叭形面为圆弧曲面，圆弧曲率半径为r外；所述内阻力环(25)为具有平端面的圆环或圆锥柱，一端为进料口，另一端为出管口，分别与外阻力环的进料口和出管口相对，从进料口到出管口形成收缩锥面或喇叭形面，出管口外径为成品管内径，进料口外径为坯料内径。
6.根据权利要求5的生产无缝钢管的设备，其特征是所述外阻力环由平端面圆环状外加速阻力环(23)和平端面圆环状底板(22)中间夹持至少三个碟状环(24)组成，它们的外周有外套(21)固定；所述碟状环是半径为r外的球被平行于其中心平面的二个平面截得的碟状物，二端面上有轴伸(28)，伸入形成于所述外加速阻力环(23)及底板(22)相应端面上的凹槽中，所述碟状环可绕二轴伸连线形成的轴线旋转并可沿所述凹槽移动，所述外加速阻力环另一端面上的孔为进料口，其孔径不小于坯料外径，从进料口到所述碟状环球面构成收缩的喇叭形圆弧曲面，所述圆弧曲面圆弧以碟状环心为圆心用r外形成，碟状环球面最高点所处内圆周的直径相应于成品管外径，为出管口；所述底板内孔径不小于出管口内径。
7.根据权利要求5或6的生产无缝钢管的设备，其特征是所述r外＝(1－5)×坯料壁厚。
8.根据权利要求5或6的生产无缝钢管的设备，其特征是所述r外＝(1.2－2)×坯料壁厚。
9.根据权利要求4-8中任一个的生产无缝钢管的设备，其特征是在所述成型总成部朝出管方向的一侧设热处理环，从支撑轴中孔供给可调的冷却水。
10.根据权利要求5-8中任一个的生产无缝钢管的设备，其特征是所述内阻力环喇叭形工作面为圆弧曲面以外的异形面。
11.根据权利要求4-8中任一个的生产无缝钢管的设备，其特征是所述设备装载于载重车辆底盘平板上构成移动式无缝钢管制管机。
12.根据权利要求9的生产无缝钢管的设备，其特征是所述设备装载于载重车辆底盘平板上构成移动式无缝钢管制管机。
13.根据权利要求10的生产无缝钢管的设备，其特征是所述设备装载于载重车辆底盘平板上构成移动式无缝钢管制管机。
14.根据权利要求4-8中任一个的生产无缝钢管的设备，其特征是所述内、外阻力环由钼基合金，特别是钼-钛合金做成，表面氮化；或者由氮化硅和碳素纤维复合材料做成。
15.根据权利要求4的生产无缝钢管的设备，其特征是所述支撑轴连同固着于其上的内阻力环被驱动相反于所述外阻力环的方向旋转；坯料内径允许小于成品管内径。
16.根据权利要求15的生产无缝钢管的设备，其特征是所述外阻力环由平端面圆环状外加速阻力环(23)和平端面圆环状底板(22)中间夹持至少三个碟状环(24)组成，它们的外周有外套(21)固定；所述碟状环是半径为r外的球被平行于其中心平面的二个平面截得的碟状物，二端面上有轴伸(28)，伸入形成于所述外加速阻力环(23)及底板(22)相应端面上的凹槽中，所述碟状环可绕二轴伸连线形成的轴线旋转并可沿所述凹槽移动，所述外加速阻力环另一端面上的孔为进料口，其孔径不小于坯料外径，从进料口到所述碟状环球面构成收缩的喇叭形圆弧曲面，所述圆弧曲面圆弧以碟状环球心为圆心用r外为半径形成，碟状环球面最高点所处内圆周的直径相应于成品管外径，是出管口；所述底板内孔径不小于出管口内径；所述内阻力环有相似于上述外阻力环的结构，由内加速阻力环(26)和底板(27)夹持一个碟状环或至少三个碟状环(29)加固定内套组成。
全文摘要
一种制造无缝钢管新方法，冷管材坯料通过成型模旋转的内、外阻力环间时局部受阻滞由晶粒滑移、破裂生热而塑变，从而挤出成型。本法工艺简单；节能；成品管的外径对壁厚比值达100以上；可生产任意长及内腔异形的管。本法的设备包括作为核心的含有成型模的成型总成部、以及驱动部、支撑牌坊、推力部。设备总重量轻；其构成数量少；占地小。
文档编号B21D31/00GK1141827SQ9510870
公开日1997年2月5日 申请日期1995年8月3日 优先权日1995年8月3日
发明者马景云 申请人:马景云