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#二辊斜轧管机的发展及用于小口径热轧无缝钢管生产
二辊斜轧管机发展及用于小直径热轧无缝钢管生产的可行性
邱永泰
(衡阳钢管公司)
摘要:
二辊斜轧管机为我国热轧无缝钢管生产的两大主力机型之一。
介绍了二辊斜轧管机的特点、工艺改进及技术发展动向;探讨了导盘与导板、辗轧角、扩径轧管与减径轧管、芯棒润滑与循环等工艺问题。
同时,对采用二辊斜轧延伸机组生产Φ60mm以下“小直径热轧无缝钢管”,以改变我国小直径无缝钢管目前存在的“以冷代热”的不合理产品结构的可行性进行了分析。
关键词:
二辊斜轧管机;工艺改进;技术发展;小直径无缝钢管
0引言
轧管机(也称延伸机)是热轧无缝钢管机组中的核心变形轧机,其主要作用是:
通过减壁—延伸变形(伴随减径或扩径的切向变形),改善穿孔毛管的内外表面质量和尺寸精度,得到更薄、更长的轧制荒管。
轧管机分为纵轧管机与斜轧管机两大类型。
斜轧管机与纵轧管机相比,其主要优点有:
产量低、投资小、生产灵活;
斜轧管机的运动学特点是:
轧辊轴线与轧制中心线有一空间交角——前进角(送进角),因此在轧制过程中,钢管是做“螺旋前进”运动。
斜轧管机的主要变形特征是:
钢管在变形区内的径向(压下)主变形是由多次变形叠加形成——钢管螺旋前进每半转(二辊)或1/3转(三辊)受到一次径向压缩变形。
斜轧管机的变形过程一般由减径段、减壁段、均壁段和归圆段组成。
斜轧管机首先分为二辊斜轧管机、三辊斜轧管机和行星轧管机等。
三辊斜轧管机诞生于上世纪三十年代,到六十年代末,通过采用机架回转或“快开”等手段,减少了“尾三角”效应,能够轧制较薄的荒管后,三辊斜轧管机得到了较快发展,主要用于生产以轴承钢管为代表的中、厚壁机械加工用管。
到了八十年代初,又出现以三辊减径机替代原有的二辊减径机+回转定径机,使三辊斜轧管机组的成品管规格范围大大向下延伸,生产率也有了明显提高。
与现有的二辊斜轧管机相比,三辊斜轧管机具有变形效率高(单位能耗低)、变形量较大(延伸系数达到1.7~3.3,轧管机的减径量达到20mm左右,减径率达17~20%)、工具消耗费用低(不用导板,芯棒消耗也低,但轧辊消耗要高),且芯棒对润滑的要求低等。
三辊斜轧管机的不足也是很突出的,主要有:
1)不易生产薄壁管
三辊斜轧管机组主要适用于中、厚壁管生产。
由于轧制薄壁管时,钢管壁厚精度恶化,“内螺纹”加重,以及轧制过程中的工艺故障显著增加等原因,三辊斜轧管机组大多生产D/S≤25的中、厚壁无缝钢管;
2)壁厚精度差
所谓三辊斜轧管机的壁厚精度可达到±5.0%,实际上,这只是轧制厚壁管的数据。
天津钢管集团有限公司关于三种轧管机壁厚精度的分析一文[1]中的对比结果(见下表:
1),基本反应了在轧制较薄管时,这几种轧管机的壁厚精度的实际情况。
理论分析和现场实验研究表明:
在三辊斜轧管机的变形过程中,虽然减径变形过程有明显的“纠偏”能力,但主要的减壁变形过程却没有“纠偏”能力。
因此其壁厚精度肯定不如减径、减壁变形过程都有显著“纠偏”能力的二辊斜轧管机。
上世纪80年代,原苏联的二个钢管厂同期开发改造了四台三辊均整机,都以失败而告终。
“根据车里雅宾斯克钢管厂多年实践证明,三辊均整机并不能减小钢管的横向厚壁不均,相反,还有可能促使偏心的增加。
其原因就是轧辊数目与钢管上的棱数不是整倍数”[2]。
德国科克斯公司将三辊行星轧管机改进为四辊行星轧管机,并声称取得成功,这也证实了上述分析。
3)轧制薄壁管时,尾部增厚端使成材率约降低1.5%
三辊斜轧管机在轧制D/S≥12.0(对带有预减径装置的轧机,D/S≥15.0)薄壁管时,须使用“快开”来避免因“尾三角”造成“后卡”故障,致使钢管尾部有长度80mm左右(按毛管算)的增厚端,从而使成材率约降低1.5%;
4)“内螺纹”较为严重
资料介绍,国外三辊斜轧管机组的“内螺纹”高度为≤0.25mm,最好也只能达到≤0.20mm。
目前,国内大部分三辊斜轧管机组的“内螺纹”高度在0.30mm上下。
好的机组达到0.25~0.30mm,基本得到用户认可。
而国内的不少二辊斜轧管机(精密轧管机组和二辊斜轧延伸机组)“内螺纹”高度已达到≤0.20mm。
5)变形条件差
三辊斜轧管机的切向、扭转、弯折(变形区的横断面二辊是菱形,主要是对角的两次弯折,三辊主要是三角形三次弯折)等附加变形均大于二辊斜轧管机,因此变形条件更差,产生相关缺陷的倾向性更大(尤其是轧制薄壁管),对低塑性难变形钢种的可轧性也就差。
6)轧机调整麻烦,难以进行等、扩径轧制,以及轧制出口速度低等
为了使轧制过程稳定和减小“内螺纹”,都须要保持三个轧辊的前进角、辗轧角、“孔喉”半径的“同步”,特别是还有轴向位置的一致。
在现场要调好“同步”非常麻烦,真要调整达到一定的“同步”要求,往往需要2~3个小时。
新型三辊斜轧管机换辊采用更换整个机架,这样就有条件在线外仔细调好“同步”。
三辊斜轧管机的“内扩展值”(轧后荒管内径与芯棒直径差)一般小于5.0mm,而轧机入口的减径量(插棒间隙+2×减壁量)一般在20mm左右,因此三辊斜轧管机的减径量(毛管外径-荒管外径)通常≥15.0mm,因此在正常工艺条件下是不可能实现等径、扩径轧制。
由于受“内切圆”限制,三辊斜轧管机的轧辊直径很小,好处是变形抗力小,缺点是轧制出口速度低,加上轧制荒管的长度也短,所以生产率低。
二辊斜轧管机有带导盘的狄赛尔(圆盘延伸)轧管机和精密(A-R)轧管机;不带导盘(用导板)的二辊斜轧延伸管机和二穿延伸机;还有斜轧扩管机与斜轧减径机等。
当前,二辊斜轧管机组与连轧管机组已成为我国热轧无缝钢管生产的两大主力机型。
实践证明:
二辊斜轧管机的轧制工艺对产品质量、可轧制规格、能耗、工具消耗以及成本等都有极大的影响。
例如二辊斜轧管机采用不同的工艺,主电机负荷可相差40%以上。
因此应当重视对斜轧管机的工艺与相关技术进行深入地研究和改进,为斜轧管机组不断提高产品质量、扩大品种规格、提高生产率,特别是在节能降耗等方面作出贡献。
以下不仅将对二辊斜轧管机现状作介绍和讨论,并介绍二辊斜轧管机的技术改进与动向。
同时对采用二辊斜轧延伸机组生产∮60mm以下“小口径热轧无缝钢管”,以改变我国小口径热轧无缝钢管现存的不合理的“以冷代热”产品结构的可行性进行论述。
1常用的二辊斜轧管机及几个工艺问题
二辊斜轧管机包括使用导盘的狄赛尔轧管机(二辊圆盘延伸机)、精密轧管机和不使用导盘(用导板替代导盘)的二辊斜轧延伸机和二次“穿孔”延伸机(以下简称二穿延伸机)等。
均整机在一定意义上也应属二辊斜轧管机。
狄赛尔轧管机是最古老的轧管机之一,1990年烟台钢管厂新建的精密轧管机是在狄赛尔轧管机的基础上,将全浮芯棒改进为限动芯棒、并增加了辗轧角。
机组投产后,取得一定效果,随后得到较快发展。
由于导盘存在不少弊病和为了简化轧管机的结构,二次穿孔、特别是二辊斜轧延伸机也开始得到发展。
前几年,我国的二辊斜轧管机已有“遍地开花”之势。
二辊斜轧管机的最大特点是:
变形过程中,减径、减壁变形过程都有显著的“纠偏”能力(而所有纵轧管机和三辊斜轧管机的减壁变形过程都没有“纠偏”能力),因此其壁厚精度是所有轧管机中最高的——不愧为精密轧管机。
与三辊斜轧管机相比,二辊斜轧管机还有可轧制薄壁钢管(D/S已超过39.0)、轧制出口速度高、轧制荒管长度长及生产率大的特点。
同时轧制荒管的外径也可在一定范围内灵活控制——可进行扩径、等径和减径轧制。
二辊斜轧管机的最大缺点是纵向变形阻力过大,致使变形区金属轴向流动困难(延伸变形小),切向流动容易(横向变形大),不仅造成“变形效率”很低。
并且还造成二辊斜轧管机的钢管内表面质量差(“内螺纹”、“麻面”缺陷);延伸系数小、轧制薄壁管困难;工具寿命低等各种问题。
因此如何显著降低二辊斜轧管机的“纵向变形阻力”成为其工艺研究、改进的首要、核心课题。
此课题上已取得可喜的成果,可以使主电机负荷降低30~40%;大生产批量轧制薄壁管时,在轧管延伸系数超过1.35的前提下,荒管的D/S超过39.0;导板、导盘寿命显著提高;特别是内表面质量大大改善——“内螺纹”基本消除、“麻面”也显著改善等。
1.1精密轧管机(包括圆盘延伸机)
精密轧管机与圆盘延伸机都是采用导盘的二辊斜轧管机,前者轧辊带有辗轧角,后者不带有辗轧角。
精密轧管机是目前国内拥有量最大的轧管机。
机组规格从∮90~∮273mm,生产外径60~340mm,壁厚4.0~50.0mm的结构管、流体管、油井用管、输送管及机械加工用管等的热轧无缝钢管。
90机组的生产能力已达6.0万吨/年、219、273机组的生产能力为20~30万吨/年。
大生产中,先进的精密轧管机组已能达到的变形能力指标为:
减壁量为6.0~9.0mm,减壁率40~50%,D/S≤39.0,延伸系数≤2.00。
但是目前在大生产中,大多数厂还普遍存在以下问题:
1)变形效率低。
现有精密轧管机所配主电机的单位功率约为0.031KW/吨管能力,单位变形体积秒流量的变形功约为0.90KWh/s.cm3,均为三辊斜轧管机的二倍以上,比纵轧管机(特别是顶管机)就高得更多[3]。
2)内表面质量一般较差。
精密轧管机轧制的钢管曾有严重的“内螺纹”和“麻面”问题。
一些厂改进工艺后,“内螺纹”问题已得到解决——高度已达到≤0.20mm,而“麻面”虽有显著改善,但总没有连轧管机和顶管机那样“光滑”。
3)工具寿命低。
大多数精密轧管机的导盘在使用过程中都易产生边部“掉块”问题,使每个导盘只能轧制钢管1000~2000支(个别厂甚至不到400支管),吨管导盘的成本高达到20元左右。
精密轧管机的轧辊寿命虽比三辊斜轧管机要高,但仍然较低。
4)轧制薄壁管头、尾平均壁厚差大。
由于轧制的出口速度低,在轧制薄壁管时,钢管头、尾的平均壁厚往往相差0.40~0.70mm。
因此,虽然精密轧管机生产的钢管的横向壁厚精度很高,却由于纵向壁厚精度低,造成整个钢管的壁厚精度也相应降低。
5)变形量小、轧制薄壁管困难。
现有的大多数精密轧管机的减壁量≤6.0mm,延伸系数≤1.80。
由于轧制薄壁管时出现“多棱形”、“破头、尾”以及“轧折”、“凹坑”等工艺故障或缺陷,大生产时,轧制荒管的D/S≤35.0。
1.2二穿延伸机与二辊斜轧延伸机
二穿延伸机和二辊斜轧延伸机的发展,首先是为了得到壁厚较薄和壁厚精度高、内表面表面质量较好的钢管,在穿孔机后增加二穿延伸机。
如原只有穿孔机供冷拔毛管的机组,为了更经济的(以较少的冷拔道次)方法生产市场“需求”的薄壁管或是精密管,便在原穿孔机后增加了二穿延伸机,取得了较好的效果。
二穿延伸机在设备结构上与均整机相同。
在工艺方面,其顶头形状初期与穿孔顶头类似,后来的发展已与锥柱型均整顶头类似。
二穿延伸机最大的特点是可进行大扩径延伸轧制,其最大扩径率现已达到60%左右。
但是二穿延伸机轧后荒管的内表面质量很差,其后不增加一道精轧管机精轧或不经冷拔拔制,是难以满足成品管的表面质量要求。
为了进一步改善内表面质量和壁厚精度,以能通过定减径机直接生产热轧成品管,并结合精密轧管机导盘存在的不足,就产生了二辊斜轧延伸机——从设备上看,就是把二穿延伸机的顶头和顶杆系统换成限动芯棒系统。
二辊斜轧延伸机也可以说是在精密轧管机的基础上,把导盘换成导板。
开始二辊斜轧延伸机与精密轧管机存在同样的内表面质量与轧制薄壁管困难等问题,特别是导板的寿命非常低。
经过在工艺上对辊型和导板设计的改进后,在产品质量、薄壁管D/S等技术指标上,均与精密轧管机达到至少同等的水平,并且导板的优势也突出的显现出来,因此二辊斜轧延伸机开始得到较快发展,其生产的成品外径从∮50mm直到∮508mm,新的720二辊斜轧延伸机组也正在建设中。
编者认为,今后将会有不少的精密轧管机会逐步改为二辊斜轧延伸机。
同时在生产∮25~60mm热轧无缝钢管取代大部分冷拔管方面,二辊斜轧延伸机会具有强大的生命力
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