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        鋼管定(減)徑工藝技術(shù)(Ⅰ)
        ——《熱軋無(wú)縫鋼管實(shí)用技術(shù)》

        2020-09-02 03:54:34成海濤,李赤波,李曉
        鋼管 2020年2期
        關(guān)鍵詞:孔型軋輥機(jī)架

        鋼管定(減)徑的目的是將直徑較大的荒管通過(guò)定(減)徑機(jī)孔型,軋制成直徑較小的成品鋼管,并保證鋼管的外徑和壁厚符合質(zhì)量要求。

        1 鋼管定(減)徑機(jī)的類(lèi)型及特點(diǎn)

        1.1 鋼管定(減)徑機(jī)的分類(lèi)

        鋼管定(減)徑機(jī)可按以下四種方式進(jìn)行分類(lèi)。

        (1) 按軋制方式,可分為斜軋定徑機(jī)和縱軋定(減)徑機(jī)。

        (2) 按張力大小,可分為無(wú)張力定徑機(jī)和張力減徑機(jī)。當(dāng)平均張力系數(shù)小于0.5,稱(chēng)之為微張力減徑機(jī)。

        (3) 按結(jié)構(gòu)型式,可分為二輥式、三輥式和四輥式定(減)徑機(jī)。

        (4) 按傳動(dòng)方式,可分為單輥傳動(dòng)、單架傳動(dòng)、集中傳動(dòng)、集中傳動(dòng)+單獨(dú)差速傳動(dòng)和集中傳動(dòng)+集中差速傳動(dòng)定(減)徑機(jī)。

        1.2 鋼管定(減)徑機(jī)的特點(diǎn)

        1.2.1 斜軋定徑機(jī)和縱軋定(減)徑機(jī)的特點(diǎn)

        斜軋定徑機(jī)為單機(jī)架兩輥式或三輥式定徑機(jī),三輥式使用較多。它是利用荒管在變形區(qū)中的壓下和旋轉(zhuǎn)來(lái)達(dá)到定徑和轉(zhuǎn)圓的目的。減徑量在10 mm 左右。適用于長(zhǎng)度較短,中、厚管壁的鋼管定徑,定徑后的鋼管外徑精度可達(dá)±0.5%。

        縱軋定(減)徑機(jī)的軋制過(guò)程是空心荒管在一組機(jī)架中的連軋過(guò)程,由2 個(gè)或3 個(gè)軋輥構(gòu)成定(減)徑孔型。無(wú)張力定徑機(jī)的機(jī)架數(shù)一般為3~7 架,單機(jī)架減徑率≤3%,總減徑率≤25%。也有使用1個(gè)機(jī)架的,采用往復(fù)翻轉(zhuǎn)軋制的方式進(jìn)行大直徑厚壁鋼管的定徑。微張力減徑機(jī)的機(jī)架數(shù)一般為8~14 架,單機(jī)架減徑率≤3.5%,總減徑率≤45%。張力減徑機(jī)的機(jī)架數(shù)一般在16 架以上,最多達(dá)28架,單機(jī)架減徑率在6%~12%,總減徑率可高達(dá)90%左右。

        1.2.2 二輥式和三輥式縱軋定(減)徑機(jī)的特點(diǎn)

        二輥式縱軋定(減)徑機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,孔型易于加工,輥縫調(diào)整比較方便。但孔型頂部與邊部的速差較大,不利于鋼管表面質(zhì)量的提高。并且,孔型側(cè)壁處凸緣面積較大,定(減)徑后的鋼管外徑和壁厚精度相對(duì)較低。

        三輥式縱軋定(減)徑機(jī)的孔型由3 個(gè)互為120°布置的軋輥組成,軋槽較淺。與二輥式縱軋定(減)徑機(jī)相比,三輥式縱軋定(減)徑機(jī)具有以下8 個(gè)特點(diǎn)。

        (1) 單輥軋制力小。在相同的單機(jī)架減徑量前提下,三輥式縱軋定(減)徑機(jī)的單個(gè)軋輥與荒管接觸的面積比二輥式縱軋定(減)徑機(jī)小,每一個(gè)軋輥的軋制力小,為緊湊型機(jī)架設(shè)計(jì)創(chuàng)造了條件。

        (2) 機(jī)架間距小。因軋輥直徑小,機(jī)架小,帶來(lái)機(jī)架間距小。

        (3) 容易建立起張力。三輥式縱軋定(減)徑機(jī)增加了軋槽與荒管的接觸面積。加之,單機(jī)架減徑率大,可采用更大的張力系數(shù)。

        (4) 鋼管尺寸精度高。三輥式縱軋定(減)徑機(jī)的孔型封閉性更好,孔型側(cè)壁處的凸緣面積小,配合施加更大的張力系數(shù),使得金屬變形更加均勻,不容易產(chǎn)生“內(nèi)方”,有利于鋼管尺寸精度的提高。

        (5) 表面質(zhì)量好。三輥式縱軋定(減)徑機(jī)軋槽淺,孔型頂部和邊部的速差小,降低了因孔型側(cè)壁結(jié)瘤而帶來(lái)的鋼管表面質(zhì)量缺陷,鋼管外表面更加光潔。

        (6) 軋制的鋼種范圍大。單個(gè)軋輥的軋制力小,機(jī)架剛性好,為軋制變形抗力更高,變形難度更大的鋼管創(chuàng)造了條件,適應(yīng)的鋼種更多。

        (7) 切頭尾少。因機(jī)架間距小,與二輥式縱軋定(減)徑機(jī)相比,在相同的張力系數(shù)和變形條件下,“張力頭”短,減小了鋼管的頭尾切損,提高了成材率。

        (8) 結(jié)構(gòu)復(fù)雜,孔型加工需要專(zhuān)用的加工機(jī)床。并且,輥縫調(diào)整的范圍也非常有限。

        1.2.3 無(wú)張力定徑機(jī)和張力減徑機(jī)的特點(diǎn)

        無(wú)張力定徑工藝是指荒管定徑時(shí),不事先人為設(shè)定相鄰機(jī)架之間的軋輥速差,使其不產(chǎn)生張力的一種定徑工藝。但在實(shí)際生產(chǎn)中,因軋制過(guò)程會(huì)受到軋制工藝參數(shù)、設(shè)備運(yùn)行狀況、荒管尺寸偏差和孔型形狀的影響,要長(zhǎng)期并穩(wěn)定地保持機(jī)架間的金屬秒體積流量相等、而相鄰機(jī)架之間完全沒(méi)有張力是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。因此,真正的完全無(wú)張力定徑過(guò)程是不存在的,只是張力較小、時(shí)有時(shí)無(wú)且不斷波動(dòng)而已。無(wú)張力定徑機(jī)的減徑量較小。

        微張力減徑和張力減徑工藝是指在工藝設(shè)計(jì)時(shí),人為設(shè)定相鄰機(jī)架的軋輥轉(zhuǎn)速,有意造成速度差,使相鄰機(jī)架之間的鋼管產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的張力,鋼管在帶有張力的條件下進(jìn)行減徑的工藝。微張力減徑工藝和張力減徑工藝的不同之處在于所施加的張力系數(shù)大小不一樣,后者要大于前者。微張力減徑機(jī)的減徑量比無(wú)張力定徑機(jī)的減徑量大,但比張力減徑機(jī)的減徑量小。

        與無(wú)張力定徑工藝相比,張力減徑工藝具有以下特點(diǎn):

        (1) 提高鋼管的尺寸精度。張力(微張力)減徑時(shí),相鄰機(jī)架之間存在設(shè)定且比較穩(wěn)定的張力,促進(jìn)了金屬的縱向流動(dòng),抑制了金屬的橫向?qū)捳梗沟米冃胃泳鶆?,鋼管不容易產(chǎn)生“內(nèi)四方”或“內(nèi)六方”。

        (2) 減薄荒管壁厚。較大的張力系數(shù)有利于減壁變形,生產(chǎn)出更薄的鋼管。隨著張力的增加,減壁效果更加明顯。

        (3) 擴(kuò)大產(chǎn)品規(guī)格。單機(jī)架的減徑率和總減徑率較大,可用同一荒管直徑,生產(chǎn)更多規(guī)格的成品鋼管。

        (4) 提高機(jī)組產(chǎn)量。生產(chǎn)同一規(guī)格的成品鋼管,可采用更大直徑的荒管,增加管坯單位長(zhǎng)度質(zhì)量和孔型的共用性,提高機(jī)時(shí)產(chǎn)量,減少換輥時(shí)間。

        1.2.4 軋輥傳動(dòng)方式的特點(diǎn)

        (1) 軋輥單獨(dú)傳動(dòng)的定(減)徑機(jī)是指每一個(gè)軋輥由一臺(tái)電機(jī)傳動(dòng),它主要用于大直徑(Φ340 mm以上)軋管機(jī)組。

        (2) 機(jī)架單獨(dú)傳動(dòng)的定(減)徑機(jī)表示每一個(gè)機(jī)架由一臺(tái)電機(jī)傳動(dòng),機(jī)架之間沒(méi)有相互關(guān)聯(lián)的調(diào)速和傳動(dòng)系統(tǒng)。

        單輥和單架傳動(dòng)的定(減)徑機(jī),具有結(jié)構(gòu)十分簡(jiǎn)單、調(diào)速特別靈活的優(yōu)點(diǎn),但速度剛性差。

        (3) 機(jī)架集中傳動(dòng)的定(減)徑機(jī)表示多個(gè)機(jī)架由一臺(tái)電機(jī)傳動(dòng)。機(jī)架之間通過(guò)齒輪分配箱傳動(dòng),有一種固定的速度與張力關(guān)系。這種傳動(dòng)形式的定(減)徑機(jī),結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,并且速度剛性好,但調(diào)速不太方便。

        (4) 集體傳動(dòng)+單獨(dú)差速傳動(dòng)的定(減)徑機(jī)為復(fù)合傳動(dòng)形式。它具有集中傳動(dòng)定(減)徑機(jī)的速度剛性好和單獨(dú)傳動(dòng)定(減)徑機(jī)的調(diào)速范圍寬且靈活的優(yōu)點(diǎn),但結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。

        (5) 集體傳動(dòng)+集體差速傳動(dòng)的定(減)徑機(jī),它與集體傳動(dòng)+單獨(dú)差速傳動(dòng)的形式不同,由一臺(tái)疊加電機(jī)通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)向各機(jī)架進(jìn)行速度疊加。這種傳動(dòng)方式簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu),其速度剛性和調(diào)速的靈活性都比較好。

        2 鋼管定(減)徑機(jī)的金屬變形特點(diǎn)

        2.1 斜軋定徑時(shí)金屬的變形特點(diǎn)

        斜軋定徑時(shí),荒管隨軋輥邊旋轉(zhuǎn)邊前進(jìn)通過(guò)定徑孔型,其外徑受到軋輥的輾壓而減小。二輥斜軋定徑時(shí),鋼管的變形過(guò)程是一個(gè)從圓到橢圓再到圓的過(guò)程,與二輥斜軋管時(shí)的變形過(guò)程相比,除了沒(méi)有芯棒參與減壁變形之外,其他基本相同。三輥斜軋定徑時(shí),鋼管的變形過(guò)程是一個(gè)從圓到三角形再到圓的過(guò)程,除無(wú)減壁變形之外,也與三輥斜軋管基本相同。因斜軋定徑時(shí)沒(méi)有芯棒,管壁不會(huì)減薄。在減徑量較大時(shí),還會(huì)出現(xiàn)比較明顯的增壁現(xiàn)象。鋼管外徑精度(可達(dá)±0.5%)是靠調(diào)整軋輥間距來(lái)保證的。孔型調(diào)整的方法與斜軋管機(jī)一樣。

        2.2 無(wú)張力縱軋定徑時(shí)的金屬變形特點(diǎn)

        荒管在無(wú)張力的情況下進(jìn)行縱軋定徑時(shí),金屬除發(fā)生縱向延伸外,還存在著徑向和橫向變形而帶來(lái)鋼管壁厚的變化。決定鋼管壁厚變化的主要因素既與材料本身有關(guān),還與D0/D 值、S0/D0值(D0、S0分別為定徑前的荒管直徑和壁厚、D 為定徑后的鋼管直徑)和孔型形狀有關(guān)。無(wú)張力縱軋定徑時(shí),鋼管壁厚的變化曲線(xiàn)如圖1 所示。

        從圖1 可以看出:對(duì)于S0/D0∧0.1 的薄壁鋼管,在任何減徑量下,其管壁都發(fā)生增厚;對(duì)于S0/D0∨0.35 的厚壁鋼管,在任何減徑量下,其管壁都發(fā)生減薄;S0/D0在0.10~0.35,鋼管的壁厚會(huì)隨減徑量大小的變化而變化(增厚或減?。?/p>

        圖1 的曲線(xiàn)還表明,減徑量的大小對(duì)鋼管壁厚增厚的變化趨勢(shì)影響十分明顯。在一定范圍內(nèi),鋼管的增壁量隨減徑量的增大而增大,但增厚的趨勢(shì)逐漸減弱。當(dāng)達(dá)到某一減徑量,增壁量達(dá)到最大值。如果繼續(xù)增大減徑量,管壁不再繼續(xù)增厚,反而會(huì)出現(xiàn)減薄的現(xiàn)象。

        圖1 無(wú)張力縱軋定徑時(shí)鋼管壁厚變化曲線(xiàn)

        縱軋定徑機(jī)的孔型大多是帶側(cè)壁開(kāi)口角的橢圓形孔型,荒管在無(wú)張力或小張力系數(shù)的條件下定徑時(shí),徑向壓下的金屬一部分沿縱向延伸,使管體增長(zhǎng),另一部分沿徑向流動(dòng),使管壁增厚。但在輥縫和孔頂處的管壁增厚的程度存在差別,即輥縫附近的管壁增厚量要大于輥?lái)敻浇墓鼙谠龊窳?。?dāng)管壁增厚量隨著減徑量的增大而增大,輥縫和輥?lái)斨車(chē)倪@種不均勻管壁增厚的程度會(huì)十分嚴(yán)重。在相鄰兩個(gè)軋輥的輥縫和孔頂交互變化著對(duì)荒管進(jìn)行定徑時(shí),不均勻的管壁增厚會(huì)造成鋼管內(nèi)孔變成“內(nèi)四方”(兩輥定、減徑機(jī))或“內(nèi)六方”(三輥定、減徑機(jī))。鋼管“內(nèi)方”形狀如圖2 所示。

        圖2 鋼管“內(nèi)方”形狀示意

        2.3 張力減徑時(shí)的金屬變形特點(diǎn)

        通過(guò)設(shè)定相鄰機(jī)架的軋輥速差,使相鄰機(jī)架之間的荒管產(chǎn)生張力,變形區(qū)中的金屬變成“一拉兩壓”的應(yīng)力狀態(tài)。拉應(yīng)力的存在,可以促進(jìn)金屬縱向延伸,抑制橫向?qū)捳梗绊懝鼙诎l(fā)生改變。管壁變化的結(jié)果主要與張力系數(shù)、孔型形狀、荒管尺寸和減徑率等因素有關(guān)。如果相鄰機(jī)架間的張力系數(shù)較小,不足以達(dá)到使管壁發(fā)生拉薄變形的程度(如微張力減徑時(shí)的情況),金屬在發(fā)生縱向延伸的同時(shí),會(huì)產(chǎn)生管壁的不均勻增厚。并且,減徑量越大,增壁量也越大。管壁的這種不均勻增厚與無(wú)張力定徑時(shí)有些相似,荒管內(nèi)孔也會(huì)變成“內(nèi)四方”或“內(nèi)六方”,只是程度輕微一些。這也是微張力定(減)徑機(jī)的機(jī)架數(shù)不能太多(一般不超過(guò)14 機(jī)架),單機(jī)架減徑量和總減徑量不能太大的主要原因。隨著張力系數(shù)的增加,管壁增厚的趨勢(shì)減弱,并逐漸從增壁過(guò)渡到減壁?!皟?nèi)方”情況得到改善。在相同的變形工藝條件下,張力系數(shù)越大,“內(nèi)方”的程度越輕微。但一旦拉應(yīng)力超過(guò)了材料的斷裂應(yīng)力,管壁會(huì)被拉破。因此,人們習(xí)慣用張力系數(shù)來(lái)描述張力大小對(duì)金屬流動(dòng)的影響,尤其是對(duì)鋼管壁厚變化的影響。

        在張力減徑條件下,S0/D0值(S0、D0分別為定徑前的荒管壁厚和直徑)和張力系數(shù)對(duì)鋼管壁厚變化的試驗(yàn)結(jié)果表明:其一,當(dāng)S0/D0值越小(薄壁鋼管),金屬的橫向流動(dòng)越均勻,鋼管壁厚沿圓周的變化相對(duì)一致,鋼管幾乎不出現(xiàn)“內(nèi)方”;當(dāng)S0/D0值在0.20 以上(中、厚壁鋼管),鋼管的“內(nèi)方”比較明顯。其二,當(dāng)S0/D0值為0.05~0.10 時(shí),張力的大小對(duì)金屬的橫向不均勻流動(dòng)無(wú)明顯影響,但當(dāng)S0/D0值較大,金屬的橫向不均勻流動(dòng)隨張力的增大而減小。

        張力減徑時(shí),鋼管前、后兩端都會(huì)產(chǎn)生增厚現(xiàn)象(“張力頭”),這是因?yàn)殇摴芮岸藦牡趇 機(jī)架軋出,還沒(méi)被第i+1 機(jī)架咬入時(shí),處在兩個(gè)機(jī)架之間的管端沒(méi)有建立起張力,此段長(zhǎng)度(1 個(gè)機(jī)架間距)的管端在無(wú)張力的條件下減徑,管壁會(huì)增厚(第一增厚段);即使管端進(jìn)入第i+1 機(jī)架后,在第i 機(jī)架和第i+1 機(jī)架之間的管端也只受到第i+1 機(jī)架的張力,它比其他機(jī)架之間的張力小,此段的管壁也有增厚,只是比第一增厚段的增厚量?。ǖ诙龊穸危?。如果張力較大,增厚還會(huì)波及到更多機(jī)架,增厚段繼續(xù)增加,出現(xiàn)第三增厚段,甚至第四增厚段。但畢竟張力是在不斷建立、增大到穩(wěn)定的過(guò)程之中,各增厚段的管壁增厚量會(huì)隨之逐漸減小。另外,從入口到出口,各機(jī)架都有延伸變形,導(dǎo)致第i+1 機(jī)架的增厚段長(zhǎng)度要大于第i 機(jī)架的增厚段長(zhǎng)度(原則上相差第i 機(jī)架的延伸量)。由此可見(jiàn),張力建立是一個(gè)從無(wú)到有,從小到大,最后達(dá)到正常值的過(guò)渡過(guò)程,相應(yīng)的管端壁厚隨軋制的進(jìn)行,也是一個(gè)從增厚較大到增厚較小,再到設(shè)定壁厚的過(guò)渡過(guò)程。成品鋼管的管端壁厚會(huì)出現(xiàn)開(kāi)始增厚較多,進(jìn)而增厚較少,再到不增厚,最后直至減薄的多段“臺(tái)階”形狀。鋼管尾端增厚的原因和過(guò)程與前端相似。

        張力減徑機(jī)的“張力頭”可能長(zhǎng)達(dá)2 000 mm,如果荒管太短,切除“張力頭”后,成材率會(huì)很低。因此,張力減徑機(jī)一般用于連軋管機(jī)組。微張力減徑機(jī)的“張力頭”可控制在500 mm 以?xún)?nèi),一般用于荒管長(zhǎng)度不大的精密軋管機(jī)組、阿塞爾軋管機(jī)組和頂管機(jī)組。

        當(dāng)鋼管頭端通過(guò)某機(jī)架,迅速提高該機(jī)架的軋輥轉(zhuǎn)速,當(dāng)鋼管尾端通過(guò)某機(jī)架,迅速降低該機(jī)架的軋輥轉(zhuǎn)速,以此來(lái)快速增加兩個(gè)機(jī)架間的張力,減少達(dá)到正常張力的機(jī)架數(shù),能有效控制鋼管端頭除第一增厚段之外的其他增厚段的增厚量,縮短其管端增厚段的總長(zhǎng)度,減小切頭損失。

        (待 續(xù))

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