管坯预旋转设备改善管坯穿孔条件

管坯预旋转设备改善管坯穿孔条件

邓继刚

四川省冶金设计研究院

摘要：基于管坯穿孔金属受力情况和运动规律，降低穿孔轧辊冲击负荷，分散轧辊受力功能，在穿孔机前台新增预旋转托管预旋转管坯，改善穿孔条件，提高穿孔管质量，扩大穿孔管规格，增加轧薄能力，降低穿孔机电机冲击，节约能源。

关键词：穿孔金属运动规律、预旋转管坯、提高穿孔管质量

1、工程概况

某公司大口径斜轧无缝钢管生产线主要生产高压锅炉管、高压化肥管、液压支柱管和气瓶管等，主要工艺设备为环形加热炉、二辊卧式斜轧穿孔机、二辊卧式斜轧均整机、定径机、冷床。

穿孔机用连轧坯坯料直径Φ400～Φ750mm，长度2000～4500mm，最大根重9800kg。穿孔机出口毛管直径Φ550.0～Φ812.8mm，壁厚50～120mm，长度4000～11500mm。

二辊卧式斜轧穿孔主要包括进口台（推坯装置、管坯预旋转装置）、主机座、主传动、出口台一段（三辊导向装置、升降辊道）、出口台二段（顶杆止推小车、闭锁装置、导轨装置），轧辊左右布置，导板上下布置。

2、传统穿孔机存在的问题

1883年德国曼内斯曼兄弟发明无缝钢管斜轧穿孔机，将实心圆坯直接斜轧穿孔成无缝钢管。

大直径管坯增加管坯重量和转动惯量，提高管坯咬入过程中主电机冲击负荷，增大了设备结构形变，加剧了设备振动。管坯咬入困难、壁厚不均性加大、椭圆度下降。毛管表面附加变形增加导致的轧后管头变形、开裂、管头切废增长、只能生产厚壁钢管、表面容易出现横裂纵裂、折叠和分层等缺陷。部分企业采用机械切头尾、内镗外车、修磨等机方式去除缺陷或减小壁厚，造成了人工、原料和电力能源极大浪费。本项目穿孔机前台新增管坯预旋转装置，提高穿孔机穿孔质量，增大穿孔机轧薄能力。

3、原理分析

二辊斜轧穿孔机变形区由两个左右布置，相对于轧制线倾斜轧辊、两个上下固定导板和一个中间轴向固定顶头组成，孔型为非封闭式孔型，横截面似环形，管坯在其约束下塑性变形穿孔成无缝钢管。

整支管坯斜轧穿孔金属流动为：轧件前进，接触轧辊，轧辊压缩管坯将管坯曳入穿孔准备区（一次咬入），管坯螺旋前进接触顶头，轧辊将管坯曳入穿孔区（二次咬入），管坯螺旋前进经过穿孔平整区，归圆区后脱离轧辊进入稳定轧制，管坯后端金属接触轧辊逐渐通过变形区脱离轧辊，完成整支管坯穿孔轧制。

穿孔机作用于管坯的力主要有轧辊、导板、顶头对管坯的压力和摩擦力、推料机推管坯的推力，推料机阻止管坯旋转的摩擦力。

管坯咬入时管坯旋转动力矩有轧辊带动管坯旋转的摩擦力矩。管坯旋转阻力矩有轧辊正压力力矩、推料机对管坯后端产生的摩擦阻力矩和管坯旋转的惯性矩。旋转条件是指管坯旋转方向的力矩平衡条件，即管坯旋转力矩应大于或等于管坯旋转阻力矩。管坯旋转力矩大于等于管坯旋转阻力矩时，管坯才能咬入。

管坯轴向前进力有轧辊给管坯摩擦力的轴向分力和推料机推管坯的推力。管坯轴向阻力有轧辊给管坯正压力的轴向分力和顶头对轧件的轴向阻力。管坯轴向前进力大于等于管坯轴向阻力时，管坯才能咬入。

穿孔机轧辊轴线与管坯轴线成一个倾角，轧辊带动圆管坯旋转，管坯表面上每一点都是作旋转前进的螺旋运动。管坯表面上任意点圆周线速度V及其轴向分量Vx、对管坯切向分量Vy，由轧辊转速n、轧辊送进角α和此点处轧辊辊径D、轴向滑动系数Sx，切向滑动系数Sy表达式为：

V=Dn[1]                （1）

Vx=DnsinαSx[1]         （2）

Vy=DncosαSy[1]         （3）

轧辊圆周速度的轴向分量Vx使管坯前进，而其对管坯的切向分量Vy使管坯旋转。从而轧件在轧辊作用下产生螺旋运动。

大直径管坯必须采用大直径轧辊，由（3）式可知管坯切向分速度增大，管坯咬入前切向分速度为零，咬入时轧辊对管坯摩擦力加速管坯咬入前切向分速度，加大了主轧辊的峰值负荷。

为了低穿孔过程冲击，改善穿孔管的质量降，必须降低主轧辊的峰值负荷，将轧辊提供的力分撒到其它设备上。管坯旋转功能从轧辊上剥离，在咬入前旋转管坯，即能降低主轧辊的峰值负荷。

4、设备设计

传统穿孔机前台为受料槽，管坯运输到受料槽后，上盖板关闭，由液压油缸驱动的推钢机推入轧辊进行轧制，传统穿孔机前台设备平面布置见图1。

管坯预旋转穿孔机前台设备只新增管坯旋转托管一对，其它设备保持传动不变。管坯输送到旋转托管上，电机驱动托管旋转，托管带动上面的管坯旋转。管坯旋转速度连续可调，采用变频调速电机。为了增大托管与管坯接触面积，增强旋转托管传递给管坯摩擦力，选用7m全长无缝钢管制作托辊。管坯预旋转穿孔机前台设备平面布置见图2。

图1  传统穿孔机前台设备平面布置图图      2 管坯预旋转穿孔机前台设备平面布置图

5、试穿产品检测

穿孔机试穿毛管几何尺寸检测表见1。

表1                                 试制产品质量检验记录表（仅穿孔机穿孔轧制）

年   月   日

检测人：                                                                      记录人：

表格数据表明，生产钢管的几何尺寸完全满足国内外相关标准要求，穿孔管尺寸、表面质量有明显的提升，达到了设计预期要求。

6、结束语

二辊斜轧穿孔机组前台新增管坯预旋转装置后，降低了轧制冲击负荷，改善了穿孔质量，穿出毛管外形尺寸，机械性能质量完全达到国内外相关标准要求，产品获得国内外用户的一致好评，为企业增效做出了贡献。

本机组所有设备全部国产，本机组的投产，标志着我国大口径无缝钢管生产设备制造达到国际先进水平，为我国钢管生产工艺和装备做出了改进，可以推广。

参考文献：李连诗《钢管塑性变形原理》上册。北京：冶金工业出版社，1985