热轧钢管生产技术

钢管生产技术要求管坯对管坯的质量要求：对管坯质量要求的严格程度与钢管品种、用途和穿孔方法有关。对普通用途钢管的管坯质量要求可放宽些，而对重要用途钢管和高合金钢管的管坯质量要求必须严格。应力状态条件较好或变形量较小的穿孔方法，在不影响钢管性能的条件下，对管坯表面质量和内部质量的要求可以略为低些。应力状态条件较差的二辊斜轧穿孔，如果穿孔变形量较大，则对管坯表面质量和内部质量都要严格要求。总之，管坯技术条件是以保证钢管质量和生产过程顺利进行为依据来确定的，并将随穿孔方法不同而有所变化，随钢管的技术条件提高而提高。各种管坯的技术条件可查阅标准和技术协议。例如一般自动轧管机组对管坯的要求如下：（1）管坯直径Dp偏差见表1。管坯任何部位的弯曲度≤6mm/m，管坯端面切斜度≤6～8mm，管坯端面压扁度≤8%Dp；（2）管坯表面不得有裂纹、发纹、结疤、鳞层、折迭、非金属夹杂和缩孔的残余。不允许有高度或深度超过0.5mm的小沟纹、麻点、耳子及高度超过1mm的双面耳子。管坯缺陷清理深度不超过0.05Dp；（3）管坯低倍组织：不允许有≥1级的缩孔残余、气泡、反皮、白点和裂缝。对于一般碳素结构钢管坯，其一般疏松≤3级、中心疏松≤3级、偏析≤3级、皮下气泡≤2。表格1管坯直径公差管坯直径Dp，单位：mm公差范围，mmФ80~90＋0.8，－1.3Ф100～115＋1.0，－1.7Ф120～150＋1.2，－2.0Ф160～200＋1.5，－2.5Ф210～230＋1.5％，－1.5％Ф250＋2.0％，－2.0％160管坯：合格范围157.5～161.5管坯检查和表面清理由于冶炼、铸锭等因素带来的缺陷，不仅在轧制过程中不能完全消除因而残留在管坯上，而且在轧坯过程中还会产生新的缺陷，所以要完全避免管坯缺陷是不可能的。因此，须对管坯进行严格检查和彻底清理表面缺陷，这是确保钢管质量和提高成材率的重要措施。为了暴露管坯表面缺陷，以便于检查，通常先采用酸洗、剥皮等方法去除管坯表面氧化铁皮。现代热轧钢管车间多采用无损探伤检查（常用超声波自动探伤仪）来代替人工检查，这不但显著地提高了工作效率、改善劳动条件，而且提高了检查的质量。表面清理的方法有砂轮磨修、火焰清理、风铲清理和机械剥皮等。现代热轧管车间主要采用以下清理方法：（1）中、低碳钢多采用高效率的表面火焰清理法，其工艺是逐根检查或无损探伤———火焰清理———喷丸清除残渣并使表面光洁；（2）高碳钢和合金钢采用砂轮磨修；（3）重要用途钢管和高合金管坯采用整根剥皮———检查———局部磨修。虽然剥皮清理金属消耗大、成本高，但由于能提高钢管质量和成材率，故经济上还是合算的。由于对钢管的技术要求不断提高，国外有些工厂对全部管坯进行剥皮清理（外径车去2~6mm)，以保证钢管质量。管坯切断当管坯供应长度大于生产计划要求长度时，须设置管坯切断工序。生产所需的管坯长度按下式计算：pshcccccpFKSSDLLnL))((式中pL——生产所需要的钢坯长度，mm；pF——管坯横断面积，mm2cn——每根热轧管的倍尺数（一根热轧管切成cn根成品管）；ccSD——成品管外径与壁厚，mm；cL——成品管定尺长度，mm；L——切头切尾（包括切口）长度，mm。一般L＝200～500mm，shK——考虑管坯加热时烧损的系数，其值与钢种、炉子型式和加热操作有关。通常环形炉shK＝0.98~0.99，斜底连续式加热炉shK＝0.97~0.98。对于Ф139.7×7.72×12000的钢管，切头切尾取700mm，烧损系数取0.98。则：Lp＝〔3.14×（1×12000＋700）×（139.7－7.72）×7.72〕/（0.98×3.14×80×80）≈2144加热制度管坯加热制度内容包括加热温度jrt、加热时间jr和加热速度等工艺参数的确定。管坯加热温度的确定：加热温度是指管坯的出炉温度。决定斜轧穿孔时管坯加热温度的基本依据是：保证毛管的穿出温度cht在该钢种的塑性最好的温度范围内。碳素钢的塑性最好的温度一般是低于固相线100~150℃。但对合金钢和高合金钢，依靠相图确定是困难的，尤其是研制新的钢号钢管时，用热扭转法或用测定临界压缩率的方法来确定各种合金钢最好塑性的温度范围，并以此范围作为该钢种的穿出温度cht范围。加热温度确定确定管坯加热温度还须考虑以下因素：（1）防止产生过烧缺陷，各种钢种的过烧温度见表2。对于过热敏感性大的合金钢，在允许范围内加热温度和穿出温度取下限，以防止出现分层和内折缺陷；（2）须考虑管坯的质量状况。例如，压缩比小的管坯，其低倍组织较差、非金属夹杂物聚集程度大，易产生过热，其加热温度和穿出温度应比同钢种正常情况略低些。同理a相级别大的1Cr18Ni9Ti钢管坯，加热温度也应略低于正常情况；（3）须考虑终轧温度对钢管组织性能的影响。对于亚共折钢的终轧温度不应低于GS线（Ac3）；对于过共析钢的终轧温度应低于ES线（Acm）而高于SK线（Ac1）；（4）加热温度确定时应考虑成品管的规格。一般轧制厚壁管时轧件在轧制过程中温降较小，加热温度可稍低些。而薄壁管加热温度应稍高些；（5）加热温度确定时要考虑到顶头材质和型式。用钼基顶头穿制不锈钢时，由于顶头不用水冷，加热温度要比用水冷顶头穿孔时低80～90℃。用水冷顶头穿孔时加热温度要高些。加热速度确定管坯加热过程一般分为低温和高温两个阶段。低温阶段是加热一些合金钢和高合金钢的关键，这是因为这些钢在低温阶段导热性差、塑性低，若采用过快的加热速度会产生加热裂纹甚至破碎。其原因是：（1）过快的加热速度将使管坯内外温差增加，导致金属体积膨胀不一致而产生较大的应力。显然，管坯直径愈大；导热性愈差；加热速度愈快，产生的温差应力也愈大；（2）管坯因前道工序加工不良（如冷却不当等），在管坯内部存在着残余应力，尤其是加热冷锭时钢锭内部存在较大的铸造应力，使产生裂纹的敏感性增加；（3）钢加热到300～500℃范围将出现“蓝脆”现象，显著降低钢的塑性和强度；（4）当加热到Ac1时钢将产生相变，金属体积变化不一致而产生组织应力。在低温阶段这些应力的迭加，将有可能破坏金属的连续性而产生加热裂纹。因此在低温阶段应采用较低的加热速度，这虽然使加热时间增加，但由于温度低不会过多增加金属氧化和产生其它加热缺陷。高温阶段是指金属被加热到700～800℃以上时，金属的塑性显著提高，故可采用较快的加热速度，以提高炉子的加热能力、减少氧化和脱碳等加热缺陷。高温阶段的主要问题是如何保证管坯加热均匀、改善金属的组织结构，减少氧化、脱碳和防止过热、过烧。其中加热温度均匀是生产工艺中很关键的问题。管坯加热不均将带来毛管壁厚不均、内外表面缺陷以及轧制过程不能顺利进行，如出现不咬入、轧卡等生产故障。因此，在加热阶段结束，要有一定的保温时间（均热），这对加热大直径管坯尤为重要。加热制度加热时间：管坯加热时间可以按经验式估算：pjrjrDKjr——加热时间，min；jrK——单位管坯直径的加热时间（即加热速度），min/cm直径（边长）；pD——管坯直径（方坯以边长计），cm。表2管坯（轧坯）单位加热时间钢种Kjr值（min/cm直径或边长）环形炉斜底炉碳素钢、低合金结构钢5～6.56～7合金结构钢6～77～8中合金钢6.5～88～9轴承钢6～810～11不锈钢、高合金钢7～1010～11表格2常用钢材管坯加热制度钢号穿孔延伸系数ch穿孔温度℃加热速度Min/cm出炉温度℃10、2030、35、20Mn45、DZ1230～12701220～12601200～12405～6.55～6.55～6.540CrMoA、40CrNi30CrMnSiA38CrMoAlACr5Mo≤2.51190～122012CrMoA、15CrNiMoV≤2.52.51190～12301220～12506～840CrNiMoA、38CrNiMoV0CrNi3Mo、45CrMnNiMo≤2.52.51190～12301220～12506～8GCr15≤2.52.51080～11101120～11506.0～7.5Cr18Ni16Ti，0Cr18Ni12Ti0Cr18NiAlTiCr18Ni12Ti170～12108～101150～1280Cr18Ni12Mo2TiCr18Ni12Mo3TiCr25Ti1160～12001040～10808～106～81120～1140980～10000Cr13、1Cr13、2Cr130Cr171120～11606～81090～1110定径前钢管再加热温度一般在900～1100℃之间。由于定减径后出来的是热轧成品钢管，因此在确定再加热温度时要考虑到产品的组织性能和表面质量，同时还应考虑钢管的轧后冷却方式，故各种产品的再加热温度不尽相同。当采用步进式再加热炉加热钢管时，加热时间jr可按下式估算：SDSDjr2.2式中Ｄ——被加热钢管外径，ｍｍ；Ｓ——被加热钢管壁厚，ｍｍ。当热装温度为７００℃时，应将上式计算的结果减少30％左右。斜轧穿孔穿孔变形区为了使穿孔时能顺利咬入管坯和顺利抛出毛管，在进行工具设计和轧机调整时，要保证：（1）管坯在穿孔准备区内不与导板接触，或者至少管坯先与轧辊接触形成一定的变形区长度（约30～70mm）后再与导板接触，以保证二次咬入的实现；（2）毛管离开变形区的程序为毛管先脱离顶头，再脱离导板，最后离开轧辊。调整参数（1）轧制线管坯——毛管中心运行轨迹为穿孔轧制线。实际上穿孔机顶杆的轴线即为轧制线，可通过调整定心辊来实现。（2）送进角（又称前进角）二辊卧式斜轧穿孔机的送进角是指轧辊轴线与轧制线在包含轧制线的垂直平面上投影的夹角。二辊立式斜轧穿孔机的送进角是上述两线在水平面上投影的夹角。其它斜轧机按此概念类推。送进角是斜轧中最积极的工艺参数。（3）机器中心线即穿孔机本身的中心线。有的机组上为使穿孔过程稳定，以及考虑到下导板更换方便等因素，将轧制线调整得比机器中心线低3～6mm，使管坯贴紧下导板。（4）轧辊间距Bck指两轧辊的轧制带之间（即孔喉处）的轧辊间距。（5）导板间距Lck指两导板过渡带工作面间距。（6）穿孔机孔型椭圆度系数ckckBL（7）管坯总直径压下量pD和总压缩率ckppBDD%100ppDD（8）顶头前压下量dqD和顶头前压缩率dqdqpdqBDD13tan)5.0(2LCBBckdq%100pdqdqDD斜轧穿孔速度的计算毛管出口速度：xgchxchnDVsin60ygchychnDVcos60ymchpchDDncosyxmchDnZtan式中：xchV——毛管轴向出口速度（又称穿孔速度），mm/s；ychV——毛管切向出口速度，mm/s；pchn——毛管出口转速，rpm；chZ——毛管出口1/n螺距，mm；x——轴向滑动系数，又称轧制效率或穿孔效率；y——切向滑动系数；Dm、Dch——毛管外径及出口截面处轧辊直径，mm。当已知轴向出口速度后，可根据秒体积流量不变原则，求出变形区任一截面上的管坯――毛管的轴向速度xxV和1/n螺距xZ为xchmxxpxVFVFxpxmgchxchpxmxxFFnDVFFVsin60tanpxxxxpxxchmxDDnFDFZ如果忽略扭转的影响pchpxnn，则tanmypxxmxDnFFZ式中：mF——毛管断面积，mm2；pxF——变形区内任一截面上管坯—毛管断面积，mm2。滑移系数的确定：在穿孔和其它斜轧过程中，变形区中的金属滑动情况是很复杂的，目前对x和y值只能估算。根据实测，切向滑移系数y接近于1，因此工程计算中取y≈1。轴向滑动系数（穿孔效率）x值可用实测法确定，也可用经验公式估算。用实测法测出穿孔后毛管长度Lm和实际纯穿孔时间Tck（从管坯被咬入轧辊开始到毛管尾部脱离时的时间间隔）。然后按下式计算x值：cklixsin60gchmlinDlL式中：li