无缝钢管连续斜轧工艺与设备分析

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　　摘  要：所谓的无缝钢管连续斜轧工艺是指，通过在多组钢管的轧辊上完成穿孔和斜轧的生产工艺，目前，在无缝钢管的制作上优势非常显著。文章通过对无缝钢管连续斜轧工艺与相关设备进行分析，并通过试验的方式，对设备的应用效果进行检测，希望对提高无缝钢管的产量有所帮助。
　　关键词：无缝钢管;斜轧工艺;斜轧设备;荒管;轧辊
　　中图分类号：TG335 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）16-0111-02
　　Abstract： The seamless steel pipe continuous cross rolling process refers to the production process of piercing and cross rolling on the rolls of multiple groups of steel tubes. At present， the advantages in the production of seamless steel tubes are very significant. In this paper， through the analysis of the continuous cross rolling process and related equipment of seamless steel pipe， and through the test， the application effect of the equipment is tested， which will be helpful to improve the output of seamless steel pipe.
　　 Keywords： seamless steel pipe; cross rolling process; cross rolling equipment; waste pipe; roll
　　引言
　　无缝钢管连续斜轧工艺简化无缝钢管制作流程的尝试，虽然传统无缝钢管制作方法十分可靠，且技术成熟性较高，但传统制作工艺制作出的无缝钢管，变形能力较差且加工温度相对较窄，这对钢管的应用造成了极为不利的影响，致使制作成本大幅度提升，为了简化流程，降低成本，对无缝钢管连续斜轧工艺进行探索，具有十分重要的意义。
　　1 斜轧与纵轧变形的工艺对比
　　纵轧指的是在轧制钢管时，变形金属与轧件流动方向长时间保持一致的轧制工艺，简言之，就是变形金属会借助变形孔进行流动，流动的方向为轧管机出口。斜轧是指变形金属在沿着变形孔流动的过程中，会具有一定的斜向角度，这种轧制工艺相较于传统无缝钢管制作工艺，简化了一定的工艺流程，具有十分显著的应用效果[1]。
　　2 金属斜连轧工艺的原理
　　金属斜连穿轧工艺模型由以下部分组成：一是锥形轧辊3个;二是实心管坯;三是桶形轧辊3个;四是顶头芯棒。然后对实心管坯进行穿孔和轧制，最终完成轧制延伸、穿孔等流程。这种工艺的特点为三辊穿孔轧管，具有非常复杂的变形情况，实现三辊斜轧穿孔功能是其主要的目的，在管坯围绕着中心线转动的过程中，在多种作用的影响下，例如：轧辊作用、顶头作用，继而完成管坯中心的穿孔，之后，会与轧管产生连轧的关系，继而达到简化无缝钢管制作步骤的目的，所减少的步骤为减径和减壁工艺，最终完成荒管的制作，以此来满足金属斜连轧穿管材的需要。
　　3 建立数学模型
　　由于无缝钢管连续斜轧工艺属于一种全新的工艺，因此通过数学模型的建立并使用，可以对其应用效果进行分析，有利于促进该工艺的优化和发展。
　　3.1 建立坐标体系
　　建立坐标体系是构建模型的首要步骤，基于无缝钢管连续斜轧工艺中，轧辊分布的特征，本文所选择的坐标体系分别为S0：x-y-z和r-θ-z。其中S0：x-y-z代表的坐标体系是在斜连轧系统固定的静态坐标，而r-θ-z则代表在轧件上固定的坐标体系。兩个坐标的z轴位于同一个位置，可以重合，在x、y都为0时，θ的角度同样为0。
　　首先可以对穿孔桶形的轧辊局部坐标体系进行设定，设定结果为S1：x1-y1-z1;桶形圆心点是该坐标的原点。然后将S2：x2-y2-z2，设定为顶头坐标系，顶尖内部是该坐标的原点。最后进行台肩坐标系的设定，结果为S3：x3-y3-z3;辊肩的最小直径是该坐标的原点。
　　3.2 建立方程
　　由于无缝钢管斜连轧工艺中的轧件具有不可压缩性的特点，简言之，轧件的体积不会发生任何改变，因此，可以将轧件散度视为0。所以在进行工具面的选择时，可以将流面函数作为主要的选择，有利于确保所构建的运动许可速度场，可以适用于多种条件。
　　在斜连轧阶段，钢管会同时受到多组轧辊的影响，如果想要对连续轧制的特征进行保持，必须要与连轧的稳态方程相契合，稳态方程主要是指穿孔与轧制的变形与金属变形秒流量必须要保持一致，简言之，就是可以对钢材的可缩性进行控制，确保金属流入量等于金属流出量，与体积不可压缩条件相符。
　　由于斜连轧的具有非常复杂的变形过程，因此，与之相匹配的方程也十分复杂，为了便于后续计算，在建立数学模型的过程中，需要在不同的坐标系上建立不同的辊面方程，然后通过转换坐标，将方程组转换为坐标表达式[2]。之后，让柱坐标和静态坐标进行转换，最后把上述三个坐标系的方程合为一个坐标表达式，从而列出以下式子：一是R01（θ，z）;二是R02（θ，z）;三是R03（θ，z）。
　　3.3 建立函数
　　三辊斜连轧穿管材的过程中，管坯需要经过穿过两个段，主要是指穿孔段和轧管段，因此下文将一个完整的斜连轧穿过程，分为两个段进行分析。
　　应基于穿孔段函数的基本理论，将其穿孔过程分为两个部分。第一，在轧辊咬入管坯，但没有与顶头进行接触前;第二，管坯在接触顶头后，穿孔开始，穿孔结束的时间为，毛管与轧辊相脱离的时间。 　　在轧辊咬入管坯后，且没有接触顶头，前辊接缝的中性的分布方向为z方向分布，而轧件变形区的分布方向为沿120°分布。继而得到公式：W1=Q/2（RR（θ，Z）/rRθ1）2。
　　在上述公式中，通过轧机时的流量由Q表示，而RR表示的内容为轧辊咬入桶形，尚未接触顶头前的轧件表面函数。
　　4 三辊斜连轧工艺关键零部件研究
　　为了使三辊斜连轧工艺满足设计要求，本文将理论计算结果作为依据，对斜轧工艺设备的基本参数进行明确，并设计了一款无缝钢管连续斜轧设备。该设备的主要组成部分为两个轧辊组，毛坯材料自进入后，会经受一系列工序的处理，继而完成连续斜轧的各项工艺流程[3]。为了提高轧辊送进角以及调节碾轧角的可行性，本次设计对特朗斯瓦尔轧机的结构进行了借鉴，通过对两组结构进行串联，促使定位由定位止口负责，并使用螺栓相连接，同时在导轨上安装穿孔段和轧制段，从而构成主机。
　　4.1 设计回转调整机构
　　无缝钢管连续斜轧工艺对设备提出了更高的要求，具体表现在送进角和碾轧角的调整方面。在设计过程中，应该对回转调整机构、压下丝杠等零部件进行控制和调整，从而实现对斜轧工艺各项参数的调整。例如：送进角、碾轧角等。回转调整机构是无缝钢管连接斜轧设备的重要组成部分，其功能为调整送进角，并促使回转机架沿着轧制中心线来回转动，以保证设备中轧辊送进角的合理性。与此同时，锁止功能也是该设备的功能之一。在一个完整的无缝钢管连续斜轧设备中，需要调整的回转机架共有2个，需要对其进行独立调整，因此，在设计设备的过程中，最好要对这一点进行考虑，设计两个完全相同的机构，以满足要求。
　　回转调整机构由以下部分构成：一是连接架;二是丝杠;三是铜螺母;四是连杆;五是滑块;六是回转调整座。回转调整机构在机架的固定方式为回转调整座固定，而连接架则通过压下机构与支座性连接，丝杠在调整过程中，可以促使回转机绕着机架中心进行回转，也可以利用电能驱动回转机运动，以达成自动控制。
　　4.2 设计压下机构
　　在无缝钢管连续斜轧工艺设备中，孔喉直径是一项非常重要的参数，对其进行设计，并保证设计合理性十分关键，斜连轧试验机的固定机架上总共有6个压下机构，并且这些压下机构的结构完全一致。压下机构的组成部分包括1：丝杠、2：铜螺母、3：连接件、4：压力传感器、5：连接支座、6：球面支座。
　　5 无缝钢管连续斜轧工艺设备试验分析
　　目前，这种基于三辊连轧的无缝钢管连续斜轧工艺设备，已经进行了大量的试验，这种工艺作为一种新型的无缝钢管制作工艺，在试验过程中，选择试验材料为钢圆棒料，该材料的管径为4cm、长度为60cm、顶头直径为3.1cm，芯棒直径约为0.3cm。首先，需要将圆棒料的温度加热到1160℃，到达温度点后，迅速将其取出，并放到试验台的导槽之中，并通过人工的方式，将其放置于轧机中，继而管坯会受到穿孔段的咬入，然后借助運动产生的摩擦力，将材料送入到设备内部，继而达成了穿孔与轧制的不断变形，直接就可以得到荒管。荒管形成后，将其取出，经过反复的试验后，试验结果表明，这项制作工艺十分有效可行。通过这种方式制作出的荒管，其外径尺寸为3.8cm，管壁厚度为3mm，钢管长度误差仅为500。
　　为了对轧制段的变形情况进行仔细的观察，在试验过程中，对工艺参数进行了一定的调整，具体表现在使斜连轧工艺末端终止穿孔，从而实现轧卡。通过观察得知，尚未进入的轧制段的钢管，其表面粗糙度较高，且具有明显的螺旋线，而在进轧制段后，钢管的质量十分良好，且管壁厚度均匀。
　　6 结论
　　综上所述，本文通过对无缝钢管连续轧工艺的优点和作用原理进行分析和阐述，并通过建立数学模型的方式，对工艺进行分析。最后，利用试验的方法，对无缝钢管连续轧工艺设备的性能进行测试，结果表明，这项工艺和设备均具有较高的可行性。
　　参考文献：
　　[1]双远华，王付杰，王清华.无缝钢管连续斜轧工艺与设备的探索[J].机械工程学报，2017，53（10）：18-24.
　　[2]瓮艳，秦建平.用于钢管连续加热的贯通式加热炉设计[J].山西冶金，2015，32（02）：49-51.
　　[3]金如菘.连续轧管机的发展──《无缝钢管百年史话》（8）[J].钢管，2015（03）：53-56.
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