熱軋不銹鋼無縫管的穿孔工藝方法介紹

 穿孔是不銹鋼無縫管生產(chǎn)的重要工序之一，對不銹鋼無縫管的管坯成本、品種規(guī)格及成品質(zhì)量有很大影響。根據(jù)穿孔機的結(jié)構(gòu)和穿孔過程變形特點的不同，穿孔機可分為兩大類：一類為斜軋穿孔機，又根據(jù)軋輥形狀及導(dǎo)衛(wèi)裝置的不同而演變出多種類型，如曼乃斯曼穿孔機、狄塞爾穿孔機等；另一類是壓力擠孔機和推軋穿孔機（PPM穿孔機）。目前應(yīng)用最廣的是二輥斜軋穿孔機。

一、斜軋穿孔

 自1885年發(fā)明二輥斜軋穿孔機以來，斜軋穿孔至今仍是最廣泛應(yīng)用的穿孔設(shè)備。主要斜軋穿孔機的類型有：桶形輥穿孔機、狄塞爾穿孔機、錐形輥穿孔機及三輥穿孔機。

1. 桶形輥穿孔機

 二輥斜軋穿孔機由德國的曼乃斯曼（R.&M.Mannesmann)兄弟發(fā)明，經(jīng)瑞士工程師斯蒂弗爾（R.C Stiefeil)加以完善。它的工作運動情況如圖3-1所示，左右兩個軋輥同向旋轉(zhuǎn)，上下垂直布置的兩個導(dǎo)板固定不動，中間一個隨動頂頭，軋輥軸線和軋制線相交成一個傾斜角。軋輥左右布置，導(dǎo)板上下布置的為臥式穿孔機，相反為立式穿孔機。二輥斜軋穿孔方法的優(yōu)點是對心性好，毛管的壁厚較均勻；一次延伸系數(shù)較大，一般在1.25~4.5之間，可以直接從實心圓坯穿制成較薄的毛管。主要缺點是這種加工方法變形復(fù)雜，容易在毛管內(nèi)外表面產(chǎn)生和擴大缺陷，所以對管坯質(zhì)量要求較高，一般皆采用鍛、軋坯。由于對不銹鋼無縫管表面質(zhì)量要求的不斷提高，合金鋼比重的不斷增長，尤其是連鑄圓坯的推廣使用，現(xiàn)在這種喂入角小于13°的二輥斜軋機，已不能滿足無縫鋼管生產(chǎn)中對生產(chǎn)率和不銹鋼無縫管質(zhì)量的要求，因而新結(jié)構(gòu)的斜軋穿孔機相繼出現(xiàn)。

 2. 狄塞爾穿孔機

 狄塞爾穿孔機是主動旋轉(zhuǎn)導(dǎo)盤二輥桶形輥斜軋穿孔機，如圖3-2所示，1972年開始見于聯(lián)邦德國，是在二輥桶形輥穿孔機基礎(chǔ)上演變而來的。軋輥上下布置，每個軋輥由單獨的主電機通過萬向連接軸直接驅(qū)動；左右兩側(cè)的導(dǎo)板被兩主動旋轉(zhuǎn)導(dǎo)盤所替代，因?qū)ПP是傳動的，導(dǎo)盤旋轉(zhuǎn)的切線速度在變形區(qū)壓縮帶比軋輥切線速度在軋制軸線上的分量大20%~25%,給軋件施加一個軸向送進(jìn)力，以減少軋件的軸向阻力?？缀頇E圓度可調(diào)近1.0,這樣使最大延伸系數(shù)達(dá)到5.0,軸向金屬滑動系數(shù)增加，毛管內(nèi)外表面質(zhì)量大為改善，從而提高了生產(chǎn)率，降低了單位能耗。狄塞爾穿孔機出口速度達(dá)1.2m/s,導(dǎo)盤磨損小，使用壽命長，不必經(jīng)常更換，有利于作業(yè)率的提高。

  圍繞提高穿孔效率和穿孔毛管精度，進(jìn)行了一系列的技術(shù)改進(jìn)。如頂桿采用線外循環(huán)冷卻，在機架出口，向一側(cè)循環(huán)運送冷卻，冷卻后送回穿孔軋制線，由于是線外脫出穿孔毛管送往下道工序，避免了頂桿小車的往復(fù)運動，縮短穿孔周期，提高了效率。如機后采用多組定心抱輥，增加頂桿的穩(wěn)定性，提高壁厚精度。

3. 錐形輥穿孔機

  20世紀(jì)80年代又在狄塞爾穿孔機結(jié)構(gòu)特點的基礎(chǔ)上，出現(xiàn)了主動旋轉(zhuǎn)導(dǎo)盤、大喂入角的錐形輥兩輥斜軋穿孔機，如圖3-3所示。它與狄塞爾穿孔機最大的不同是軋輥的形狀由桶形改為錐形，這種輥形對斜軋穿孔機的適應(yīng)性來說，優(yōu)于桶形輥。因為在這種穿孔機上，錐形輥的直徑沿穿孔變形區(qū)是逐漸增加的，因此，在很大程度上減少管坯變形過程中的切向剪切應(yīng)力，抑制旋轉(zhuǎn)橫鍛效應(yīng)，改善了毛管內(nèi)外表面質(zhì)量，使得許多難穿的高合金鋼管坯都可以在這種軋機上順利軋制。錐形輥穿孔機穿孔效率高，有報道稱最大出口速度可達(dá)1.5m/s,有利于高生產(chǎn)率機組選用；軋輥軸線與軋制線間除了有10°左右的喂入角α外，還有一個15°左右的輾軋角γ,這樣可使該類型穿孔軸向滑動系數(shù)達(dá)到了0.9,最大延伸系數(shù)可達(dá)6.0,在變形量的分配上，可承擔(dān)較大變形，從而減少了軋管機的變形；穿孔擴徑量達(dá)到30%~40%,這就不僅可提供薄壁毛管，還可以減少管坯規(guī)格范圍，簡化生產(chǎn)管理。錐形輥穿孔機既有配備導(dǎo)盤的，也有配備導(dǎo)板的，目前已建、在建新的軋管機組上兩種配置均有使用。

 狄塞爾穿孔機和錐形輥穿孔機都是當(dāng)代廣為采用的新型穿孔機，穿孔效率高及產(chǎn)品精度高，適于連鑄坯穿孔。其中錐形輥穿孔機具有更大的發(fā)展前途。

二、壓力穿孔

  管坯壓力穿孔常在立式水壓機或液壓機（穿孔機）上進(jìn)行，圖3-4為壓力穿孔（也稱壓力沖孔）操作過程示意圖。壓力穿孔于1891年問世，它是將方形或多邊形鋼錠放在擠壓缸中，擠成中空杯體，延伸系數(shù)為1.0~1.1,穿孔比（空心坯長度與內(nèi)徑比）不大于7~10。

  與二輥斜軋相比，這種加工方法的坯料中心處于不等軸全向壓應(yīng)力狀態(tài)，外表面承受著較大的徑向壓力，因內(nèi)、外表面在加工過程中不會產(chǎn)生缺陷，對來料沒有苛刻要求，可用于鋼錠、連鑄方坯和低塑性材料的穿孔。此法加工主要是中心變形，特別有利于鋼錠中心的粗大疏松組織致密化，雖然最大延伸系數(shù)只有1.1,但中心部分的變形效果相當(dāng)于外部加工效果的5倍。主要缺點是生產(chǎn)率低，成材率低，偏心率較大。

三、對穿孔毛管的質(zhì)量要求

1. 對穿孔工藝要求

 管坯穿孔是熱軋不銹鋼無縫管生產(chǎn)中最重要的變形工序之一，它將實心的管坯變?yōu)榭招呐?，穿孔后的空心坯通常被稱作毛管。我們可以視穿孔工序為定型工序，即將軋件的橫截面定為圓環(huán)狀的工序。穿孔后毛管質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到下道工序的工藝是否能正常執(zhí)行以及最終產(chǎn)品質(zhì)量的高低。為此對穿孔工藝提出如下幾點要求：首先要保證穿制的毛管壁厚均勻，螺旋線較淺、橢圓度小，幾何尺寸精度高，當(dāng)毛管尺寸偏小、芯棒同毛管間隙過小時，毛管的溫降快，軋制過程中容易產(chǎn)生壁厚不均、拉凹、孔洞等缺陷；其次，毛管的內(nèi)外表面要光滑，不得有結(jié)疤、折疊、劃傷、裂紋、凹凸不平等缺陷；最后要有相應(yīng)的穿孔速度和軋制周期，以適應(yīng)整個機組的生產(chǎn)節(jié)奏，使毛管溫度比較均勻、終軋溫度能夠滿足軋管機的工藝要求。

2. 確保毛管質(zhì)量的技術(shù)措施

 為了滿足上述工藝要求，除了確定正確的穿孔工藝參數(shù)（包括管坯加熱溫度、穿孔溫度、穿孔速度、軋輥轉(zhuǎn)速和喂入角的大?。┘罢{(diào)整參數(shù)（輥距、導(dǎo)板／導(dǎo)盤距、頂頭前伸量）外，穿孔機組還應(yīng)用了如下技術(shù)：

  a. 穿孔機架：軋輥垂直布置，使得更換和檢查導(dǎo)盤／導(dǎo)板的時間很短，可確保毛管外表面質(zhì)量；

  b. 出口部分：頂頭／頂桿從毛管中抽出后頂頭或頂頭／頂桿的冷卻在線外進(jìn)行。設(shè)置頂頭或頂頭／頂桿線外冷卻循環(huán)系統(tǒng)，可縮短周期時間，更容易檢查、更換頂頭，另外如采用線外用回轉(zhuǎn)式冷卻裝置進(jìn)行頂桿（帶頂頭）冷卻，還可確保頂桿的直度較好，為毛管的壁厚均勻提供了保證；頂頭的循環(huán)使用，因冷卻時間充分，使冷卻效果得到保證，從而可以提高頂頭的使用壽命，確保毛管內(nèi)表面的光滑；

 c. 頂桿及毛管導(dǎo)向：有多組定心輥，第一組定心輥裝在機架內(nèi)，使其盡量靠近穿孔變形區(qū)，以減小頂頭／頂桿的懸臂長度、提高頂桿的剛度，可更好地限制頂桿／頂頭及軋件在穿孔過程中的徑向抖動，確保穿出的毛管壁厚均勻；

 d. 采用頂桿預(yù)旋轉(zhuǎn)技術(shù)，頂頭能自動對正管坯的中心，以提高毛管頭部的壁厚精度，并可降低二次咬入時因頂頭／頂桿轉(zhuǎn)動慣量的阻力轉(zhuǎn)矩而發(fā)生不咬入（前卡）故障的概率。

3. 特殊的工藝要求

  為滿足連軋管工藝的特殊性，對于專供連續(xù)軋管機使用的毛管，還有兩項重要的質(zhì)量指標(biāo)要求：一是毛管尾部的橢圓度要小，因為毛管尾部橢圓度過大將影響軋管前穿芯棒的順利進(jìn)行，輕者刮掉芯棒表面的潤滑劑，使軋制過程中震動較大，降低荒管的壁厚精度和芯棒的使用壽命并損傷設(shè)備，重者芯棒可能會頂彎毛管，致使生產(chǎn)中斷，這就要求在調(diào)整時注意保證穿孔過程即將結(jié)束時，毛管尾部的歸圓效果；二是毛管尾部不得存在尾部鐮刀（非環(huán)狀連續(xù)體部分的俗稱，見圖3-5)缺陷，當(dāng)毛管尾部存在尾部鐮刀缺陷時，穿芯棒過程中容易將毛管尾部不連續(xù)的部分金屬碰掉，一旦這些溫度較低的金屬被帶到毛管中，軋制時將硌傷軋件而產(chǎn)生孔洞管，若這些較硬的金屬掉在軋輥上，將硌傷軋輥輥面而造成鋼管外表面缺陷等嚴(yán)重的質(zhì)量事故。

  如果是向限動芯棒連續(xù)軋管機提供毛管，還須向毛管內(nèi)噴吹氮氣和硼砂，以起到去除毛管內(nèi)表面的氧化鐵皮、減小芯棒與軋件間的摩擦力、防止軋制過程中抖動的作用。其過程為：抽出頂桿后的毛管，送到吹硼砂站，由一特制的噴嘴向毛管內(nèi)部噴入硼砂和氮氣，吹掉毛管內(nèi)部的氧化鐵皮，清除原來的氧化物（硼砂使管內(nèi)壁的氧化層脫氧，高溫下的硼砂呈熔融態(tài)，均勻地附著在毛管內(nèi)表面上可起到潤滑劑的作用，氮氣能保持毛管內(nèi)表面不再被氧化）；另外，硼砂在高溫狀態(tài)下生成霧狀氣體，充滿管內(nèi)，以防止在隨后的運動中空氣進(jìn)入，減少內(nèi)表面產(chǎn)生二次氧化的可能。這就要求軋管前盡量避免毛管的軸向移動，以防止毛管內(nèi)表面產(chǎn)生二次氧化，從而確保軋制過程的穩(wěn)定和軋出荒管的質(zhì)量。

  限動芯棒連續(xù)軋管機組是否能正常運轉(zhuǎn)，是否能生產(chǎn)出高質(zhì)量的不銹鋼無縫管，與毛管的各項質(zhì)量指標(biāo)（包括溫度的均勻性、外徑／壁厚幾何尺寸的精度、內(nèi)外表面的光滑程度等）有很大關(guān)系特別是與毛管尾部的質(zhì)量狀況（內(nèi)徑尺寸偏差和是否存在尾部鐮刀）以及為清除毛管內(nèi)表面氧化物、防止毛管內(nèi)表面二次氧化所采取的上述工藝措施的效果是密切相關(guān)的。