WSP250热轧钢管工程锥形穿孔机的安装--《工业建筑》2009年S1期
WSP250热轧钢管工程锥形穿孔机的安装
【摘要】：WSP250工程属于热轧无缝管生产机组中的中型机组,锥形穿孔机是本轧制工艺生产线上的关键设备之一,到目前为止是公司安装的最大锥形穿孔机。通过对WSP250工程锥形穿孔机安装工艺全过程原始数据的收集,并进行分析和总结,为今后的类似工程提供参考和借鉴。
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【关键词】：
【分类号】：TG333.8【正文快照】：
WSP250热轧钢管工程由某有限公司与某投资商合资兴建,可行性研究报告初步概算为5·2亿元,工程开工后实际需要资金达7~8亿元,超出了工程概算,业主资金缺口较大。WSP250热轧钢管工程主要生产石油油管、石油套管、石油钻管、管线管、锅炉管、液压管、结构管等产品,年产合格的?73
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无缝钢管菌式穿孔机顶头设计24 无缝钢管穿孔机
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1 绪论1.1钢管钢管是经济断面钢材品种这一，在国民经济各部门的用途十分广泛。根据欧9统汁全世界钢管产量从1988年的最高峰7 400万t，一直呈下降趋势，1995年产量大约为5 500万t,8年间减产约四分之一。在钢管产量中无缝钢管约220万t，占40%;焊管约330万t，占60 %;日等一些国家焊管占钢管比例较高，约75%左右在市场萎缩生产能力过剩，竞争更加激烈的情况下，工业发达国家在压缩生产能力的同时，把重点转移到采用新技术对老厂进行改造，扩大品种、提高质量、降低消耗和企业兼并组建跨国集团，以求增加竞争优势。而发展中国家为了自身利益，减少进口 ,建设了许多钢管机组，成为近年来钢管建设的特点。无缝钢管[2](Seamless Steel Tube)是一种具有中空截面、周边没有接缝的长条钢材。钢管具有中空截面，大量用作输送流体的管道，如输送石油、天然气、煤气、水及某些固体物料的管道等。钢管与圆钢等实心钢材相比，在抗弯抗扭强度相同时，重量较轻，是一种经济截面钢材，广泛用于制造结构件和机械零件，如石油钻杆、汽车传动轴、自行车架以及建筑施工中用的钢脚手架等。用钢管制造环形零件，可提高材料利用率，简化制造工序，节约材料和加工工时，如滚动轴承套圈、千斤顶套等，目前已广泛用钢管来制造。钢管还是各种常规武器不可缺少的材料，枪管、炮筒等都要钢管来制造。钢管按横截面积形状的不同可分为圆管和异型管。由于在周长相等的条件下，圆面积最大，用圆形管可以输送更多的流体。此外，圆环截面在承受内部或外部径向压力时，受力较均匀，因此，绝大多数钢管是圆管。但是，圆管也有一定的局限性，如在受平面弯曲的条件下，圆管就不如方、矩形管抗弯强度大，一些农机具骨架、钢木家具等就常用方、矩形管。根据不同用途还需有其他截面形状的异型钢管。目前，全世界生产钢管的共计有110多个国家的1850多个公司下的5100多个生产厂，其中生产石油管的有44个国家的170多个公司下的260多个厂。[4]2000年，无缝钢管全国表观消费量为418.0万吨，其中国内供应量的382.1万吨，占国内总需求的91.4%。进口为35.9万吨，占国内总需求的8.59%。同年石油管消费量大约为91万吨。进口约25.2万吨。进口管占国内总消费量的大约70%，其中进口管占国内总消费量的27.69%，石油管进口量约占无缝钢管总进口量的大约70%。从日本进口的石油管占总进口量一半以上。中国最大的石油套管生产基地――天津钢管公司2000年的钢管产品出来为52.20万吨，其中石油套管产量为36.41万吨。套管占全国石油产量的一半以上。在产量和销售量上都占中国套管市场的第一位。从国际和国内两个市场来看，无缝钢管（包括石油专用管）的现有生产能力均已大于需求。所以，今后的重点应放在充分发挥现有机组的能力，开发出高强度等级、高抗击毁、高抗腐蚀的石油管、高压锅炉管和气瓶管等产品。也是国家针对当前我国钢铁市场进行优化产品结构的内容。这也是增加在国内外产品竞争力、扩大市场份额的关键所在。就是说，提高国内钢管企业的市场竞争力是加和WTO以后国内企业长期的任务和成功发展的关键。1.2无缝钢管的制造工艺1.热轧（挤压无缝钢管）：圆管坯→加热→穿孔→三辊斜轧、连轧或挤压→脱管→定径（或减径）→冷却→矫直→水压试验（或探伤）→标记→入库轧制无缝管的原料是圆管坯，圆管胚要经过切割机的切割加工成长度约为1米的坯料，并经传送带送到熔炉内加热。钢坯被送入熔炉内加热，温度大约为1200摄氏度。燃料为氢气或乙炔。炉内温度控制是关键性的问题.圆管坯出炉后要经过压力穿孔机进行穿空。一般较常见的穿孔机是锥形辊穿孔机，这种穿孔机生产效率高，产品质量好，穿孔扩径量大，可穿多种钢种。穿孔后，圆管坯就先后被三辊斜轧、连轧或挤压。挤压后要脱管定径。定径机通过锥形钻头高速旋转入钢胚打孔，形成钢管。钢管内径由定径机钻头的外径长度来确定。钢管经定径后，进入冷却塔中，通过喷水冷却，钢管经冷却后，就要被矫直。钢管经矫直后由传送带送至金属探伤机（或水压实验）进行内部探伤。若钢管内部有裂纹，气泡等问题，将被探测出。钢管质检后还要通过严格的手工挑选。钢管质检后，用油漆喷上编号、规格、生产批号等。并由吊车吊入仓库中。2.冷拔（轧）无缝钢管：圆管坯→加热→穿孔→打头→退火→酸洗→涂油（镀铜）→多道次冷拔（冷轧）→坯管→热处理→矫直→水压试验（探伤）→标记→入库。冷拔（轧）无缝钢管的轧制方法较热轧（挤压无缝钢管）复杂。它们的生产工艺流程前三步基本相同。不同之处从第四个步骤开始，圆管坯经打空后，要打头，退火。退火后要用专门的酸性液体进行酸洗。酸洗后，涂油。然后紧接着是经过多道次冷拔（冷轧）再坯管，专门的热处理。热处理后，就要被矫直。钢管经矫直后由传送带送至金属探伤机（或水压实验）进行内部探伤。若钢管内部有裂纹，气泡等问题，将被探测出。钢管质检后还要通过严格的手工挑选。钢管质检后，用油漆喷上编号、规格、生产批号等。并由吊车吊入仓库中。 无缝管生产分类――热轧管、冷轧管、冷拔管、挤压管、顶管1.3选题背景暨顶头的重要性无缝钢管生产过程中，穿孔工艺被广泛应用而且非常经济，顶头也是穿孔工序重要的内变形工具,对毛管内表质量和壁厚都有重要影响，但穿孔机顶头是无缝钢管生产中消耗量最大的关键工具之一，由于穿孔顶头的工作条件恶劣,因而使得它的使用寿命不高。因而本课题在此背景下提出一些针对顶头设计及改善顶头质量的方法，希望能够对穿孔工具的改善提供帮助。2 穿孔穿孔是将实心的管坯穿制成空心的毛管、其设各被称为穿孔机。对穿孔工艺[3]的要求是:(1)要保证穿出的毛管壁厚均匀,椭圆度小,几何尺寸精度高;（2）毛管的内外表面较光滑,不得有结乇 折叠、裂纹等缺陷;(3)要有相应的穿孔速度和轧制周期,以适应整个机组的生产节奏,使毛管的终轧温度能满足轧管机的要求。穿孔是无缝钢管生产的重要工序之一，对无缝钢管的管坯成本、品种规格及成品质量有很大影响。根据穿孔机的结构和穿孔过程变形特点的不同，穿孔机可分为两大类：一类为斜轧穿孔机，又根据轧辊形状及导卫装置的不同而演变出多种类型．如曼乃斯曼穿孔机、狄塞尔穿孔机等。另一类是压力挤孔机和推轧穿孔机(PPM穿孔机)。目前应用最广泛的是二辊斜轧穿孔机。2.1穿孔方法简介在无缝钢管生产过程中，穿孔工艺被广泛应用而且非常经济。1886年德国的曼内斯曼兄弟申请了用斜辊穿孔机生产管状断面产品的专利，描述了金属变形时内部力的作用和使用两个或多个呈锥形的轧辊进行穿孔，因此被称作曼内斯曼穿孔过程。由R．C 斯蒂菲尔发明的导板使得穿孔后的毛管长度得到增加。后来狄舍尔发明了导盘，使穿孔效率得到更大提高。在1970年出现了锥形辊的穿孔机 ，它比以前的穿孔机在金属的变形上有明显的改进。无缝钢管生产中的穿孔工序是将实心的管坯穿成空心的毛管。穿孔作为金属变形的第一道工序，由于穿出的管子壁厚较厚、长度较短、内外表面质量较差，因此叫做毛管。如果在毛管上存在一些缺陷，经过后面的工序也很难消除或减轻。所以在无缝钢管生产中的穿孔工序起着十分重要的作用。管坯的穿孔方式有压力穿孔、推轧穿孔和斜轧穿孔。（1）压力穿孔压力穿孔是在压力机上穿孔，这种穿孔方式所用的原料是方坯和多边形钢锭。工作原理是首先将加热好的方坯或钢锭装入圆形模中 （此圆形模带有很小的锥度），然后压力机驱动带有冲头的冲杆将管坯中心冲出一个圆孔。这种穿孔方式变形量很小，一般中心被冲挤开的金属正好填满方坯和圆形模的间隙，从而得到几乎无延伸的圆形毛管，延伸系数最大不超过1.1。（2）推轧穿孔推轧穿孔是在推轧穿孔机上穿孔，这种穿孔方式是压力穿孔的改进。把固定的圆锥形模改成带圆孔型的一对轧辊。这对轧辊由电机带动方向旋转（两个轧辊的旋转方向相反），旋转着的轧辊将管坯咬入轧辊的孔型，而固定在孔型中的冲头便将管坯中心冲出一个圆孔。为了便于实现轧制，在坯料的尾端加上一个后推力（液压缸），因此叫做推轧穿孔。这种穿孔方式使用方坯，穿出的毛管较短，变形量很小，延伸系数不大于1.1。推轧穿孔的优点如下：坯料中心处于全应力状态，过程是冲孔和纵轧相结合，不会产生二辊斜轧的内折缺陷，毛管内表面质量好，对坯料质量要求较低；冲头上的平均单位压力比压力穿孔小50％左右，因而工具消耗较小； 穿孔过程中主要是坯料的中心部分金属变形，使中心粗大而疏松的组织很好的加工而致密化，同时在压应力作用下，毛管内外表面不易产生裂纹;生产率比压力穿孔高，可达每分钟两支；以上两种穿孔多生产特殊钢种的无缝钢管，现存的机组很少，因变形量很小，毛管短且厚，因而在热轧无缝钢管机组中要设置斜轧延伸机，将毛管的外径和壁厚减小并使管子延长。另外容易产生较大的壁厚不均。（3）斜轧穿孔这种穿孔方式被广泛的应用于无缝钢管生产中，一般使用圆管坯，靠金属的塑性变形加工来形成内孔，因而没有金属的损耗。斜轧穿孔机按照轧辊的形状可分为锥形辊穿孔机、盘式穿孔机和桶形辊穿孔机。按照轧辊的数目分又可分为二辊斜轧穿孔机和三辊斜轧穿孔机。锥形辊穿孔机、桶形辊穿孔机是当今广泛使用的主要机组，锥形辊穿孔机的历史较短，具有更多优点。比较如下：桶形辊穿孔机的轧辊可以上下和左右进行布置，而锥形辊穿孔机的轧辊只能上下布置；桶形辊穿孔机的轧辊由两个锥形组成，锥形辊穿孔机的轧辊由一个锥形组成；桶形辊穿孔机的轧件速度变化为小－大－小，锥形辊穿孔机的轧件速度随轧辊直径的增加从小逐步增大；毛管在孔型中的宽展，锥形辊穿孔机要小些，更有利金属轴向延伸变形，附加变形小,毛管内表面质量好，壁厚精度较桶形辊穿孔机高；锥形辊穿孔机的延伸系数比桶形辊穿孔机大，更适合穿孔薄壁毛管，使得轧管机组的机架数目可以减少。2.2穿孔区工艺流程一、穿孔工序的任务和要求1、任务 管坯穿孔是热轧无缝钢管生产中最重要要的变形工序之一。它的任务是将实心管坯穿制成所设计的尺寸和表面光洁的毛管，即空心坯，并具有相应的穿孔速度和轧制周期，以适应整个机组的生产节奏。2、要求 要求所穿的毛管壁厚均匀，椭园度小，几何尺寸精度高，其次，毛管的内外表面要光滑，不能有裂纹、划伤、结疤，凸凹不平等缺陷。二、穿孔工序流程框图管坯加热──→高压水除鳞──→热定心──→穿孔──→脱棒──→吹硼砂、氮气保护──→顶杆循环───────────────────────↑2.3斜轧穿孔的基本原理在斜轧穿孔工艺中，具有双锥形的轧辊以同一方向旋转，与轧制线构成喂入角。坯料由轧辊带动沿纵轴旋转。由于轧辊是倾斜布置的，故轧制中坯料会纵向前行，并同时缩减外径和断面。在纵向前行期间，坯料被设置在轧辊间的穿孔顶头强制穿孔，其后，穿孔毛管的壁厚得以进一步缩减而外径却得到扩大。坯料在旋转时的减径会使轧件产生有利的应力状态。这种状态一方面会降低顶头上的负荷，另一方面又使顶头在轧件中部得到准确定心，并使穿孔毛管获得均匀的壁厚。这种应力状态的缺点是在坯料与顶头接触前，会使坯料中心过早撕开，但通过对变形工具和辊缝的准确控制得到遏制。在轧制中，工作辊间的辊缝将被固定导板或从动导盘包围，这些导卫装置会防止轧件径向偏移。通过这种对轧件的封闭式机械导卫以及将顶杆置于变形区外，就能在斜轧穿孔期间的整个轧件长度上获得稳定的高精度壁厚公差。穿孔机类型：区别不同类型的现代斜轧穿孔机的重要特点就在于其轧辊的布置及轧件导卫装置的不同。轧辊布置：一般而言，使用两辊布置的穿孔机时，穿孔毛管的壁厚均匀度高，工具寿命长，几何形状灵活度大。锥形辊穿孔机与桶形辊穿孔机间有一定差别，此种差别就在于轧辊的设定角不同和各有独特的轧辊形式。同桶形辊穿孔机相比，锥形辊穿孔机的延伸率更大，产量更高，尺寸更灵活，规格范围更广。在轧制变形难度大的坯料时，锥形辊穿孔机的优势明显。理论与实践研究表明，锥形辊穿孔机的轧件受材料应力的影响小。当主应变( 即轧件的几何形状) 与桶形辊穿孔机相同时，锥形辊穿孔机的剪切应变非常小。桶形辊穿孔机能达到的延伸率相对较低，它一般在规格范围较小或与其配套的主延伸机的延伸率设定得较高的情况下使用。桶形辊穿孔机的结构比较简单，因而其投资成本也相对较低。还有一种三辊穿孔机，3 个轧辊的布置使应力产生在坯料的中心，使其具有更高的压应力，因而它完全不同于二辊穿孔机。在三辊穿孔机中，穿孔机顶头上的负荷较高，轧件上的应力较低，故在轧制具有临界特性的材料时优势尤为显著。 导卫系统：二辊穿孔机可配备各种导卫装置。当无实际变形时，导卫装置能在轧辊间限制轧件的径向偏移。固定导板与旋转导盘( 狄塞尔导盘) 之间存在差别。导盘在穿孔时能适应轧件的外径变化，通常是轧制壁厚与外径比值偏小的穿孔毛管时使用。采用导板导卫，能防止过大的材料应力。狄塞尔导盘能在轴向支撑轧件的前移，它的优点在于轧件的出口速度较高，因而轧机的产量较高。同导板相比，狄塞尔导盘摩擦力小，工作面积大，故其使用寿命长，工具成本低。三辊穿孔机没有导卫装置，因为3 个轧辊的布置本身就能稳定地支撑轧件，若增加导卫装置将增大实施难度。在穿制薄壁毛管时，若没有导卫装置，轧件的横向变形更会导致穿孔毛管的径向扩展，这种现象在薄壁毛管的端头最易发生，其结果是限制了三辊穿孔机穿制薄壁毛管。但三辊穿孔机可方便地穿制合金钢和高合金钢毛管。1．轧辊的构成斜轧穿孔机不管轧辊的形状如何不同，为了保证管坯曳入和穿孔过程的实现，都由以下三部分组成：穿孔锥（轧辊入口锥）、辗轧锥（轧辊出口锥）和轧辊压缩带――由入口锥到出口锥之过渡部分。如图2-1所示。无缝钢管菌式穿孔机顶头设计24_无缝钢管穿孔机图2-1 穿孔机的轧辊示意图2．二辊式穿孔机和三辊式穿孔机二辊式穿孔机主要有带导辊的穿孔机、带导板的穿孔机和带导盘的穿孔机，带导辊的穿孔机一般不常用，只用于穿孔软而粘的有色金属，如铜管、钛管等。带导板的穿孔机具有孔型封闭好、接触变形区长、穿出的毛管壁厚可以更薄的特点而仍然得到重视；带导盘的穿孔机越来越得到发展。二辊式穿孔机的特点是生产率高，这是由于主动导盘对轧件产生轴向拉力作用，导致毛管轴向速度增加；最快可以达到3～4支／分；由于导盘的轴向力作用，使管坯咬入容易一些，减少了形成管端内折的可能性，也可以提高壁厚的精度；导盘比导板有较高的耐磨性，从而减少了换工具的时间并提高了工具寿命。三辊式穿孔机的特点是由于三个辊呈等边三角形布置，因而在变形中管坯横断面的椭圆度小；由于三个辊都是驱动的，仅存在顶头上的轴向力，因而穿孔速度较快，但顶头上的轴向阻力比二辊式大；在轧制实心管坯时，由于管坯始终受到三个方向的压缩，加上椭圆度小，一般在管坯中心不会产生破裂，即形成孔腔，从而保证了毛管内表面质量。这种变形方式更适合穿孔高合金钢管。三个轧辊穿孔时坯料和顶头容易保正对中，因此毛管几何尺寸精度高，即毛管横断面壁厚偏差小。因穿孔薄壁毛管时容易形成尾三角，使毛管尾端卡在轧辊辊缝中，更适合穿孔中厚壁毛管。3．斜轧穿孔变形过程当今无缝钢管生产中穿孔工艺更加合理，穿孔过程实现了自动化，斜轧穿孔整个过程可以分为三个阶段（1）不稳定过程----管坯前端金属逐渐充满变形区阶段，即管坯同轧辊开始接触（一次咬入）到前端金属出变形区，这个阶段存在一次咬入和二次咬入。（2）稳定过程----这是穿孔过程主要阶段，从管坯前端金属充满变形区到管坯尾端金属开始离开变形区为止。（3）不稳定过程----为管坯尾端金属逐渐离开变形区到金属全部离开轧辊为止。 稳定过程和不稳定过程有着明显的差别，这在生产中很容易观察到的。如一只毛管上头尾尺寸和中间尺寸就有差别，一般是毛管前端直径大，尾端直径小，而中间部分是一致的。头尾尺寸偏差大是不稳定过程特征之一。造成头部直径大的原因是：前端金属在逐渐充满变形区中，金属同轧辊接触面上的摩擦力是逐渐增加的，到完全充满变形区才达到最大值，特别是当管坯前端与顶头相遇时，由于受到顶头的轴向阻力，金属向轴向延伸受到阻力，使得轴向延伸变形减小，而横向变形增加，加上没有外端限制，从而导致前端直径大。尾端直径小，是因为管坯尾端被顶头开始穿透时，顶头阻力明显下降，易于延伸变形，同时横向展轧小，所以外径小。生产中出现的前卡、后卡也是不稳定特征之一，虽然三个过程有所区别，但它们都在同一个变形区内实现的。变形区是由轧辊、顶头、导盘（导板）构成。如图所示。从图中可以看出，整个变形区为一个较复杂的几何形状，大致可以认为，横断面是椭圆形，到中间有顶头阶段为一环形变形区。纵截面上是小底相接的两个锥体，中间插入一个弧形顶头。变形区形状决定着穿孔的变形过程，改变变形区形状（决定与工具设计和轧机调整）将导致穿孔变形过程的变化。穿孔变形区大[5]致可分为四个区段，如图所示 。图2-2 孔型图Ⅰ区称之为穿孔准备区，（轧制实心圆管坯区）。Ⅰ区的主要作用是为穿孔作准备和顺利实现二次咬入。这个区段的变形特点是：由于轧辊入口锥表面有锥度，沿穿孔方向前进的管坯逐渐在直径上受到压缩，被压缩的部分金属一部分向横向流动，其坯料波面有圆形变成椭圆形，一部分金属轴向延伸，主要使表层金属发生形变，因此在坯料前端形成一个“喇叭口”状的凹陷。此凹陷和定心孔保证了顶头鼻部对准坯料的中心，从而可减小毛管前端的壁厚不均。图2-3 穿孔变形区中四个区段Ⅱ区称为穿孔区，该区的作用是穿孔，即由实心坯变成空心的毛管，该区的长度为从金属与顶头相遇开始到顶头圆锥带为止。这个区段变形特点主要是壁厚压下,由于轧辊表面与顶头表面之间距离是逐渐减小的，因此毛管壁厚是一边旋转，一边压下，因此是连轧过程，这个区段的变形参数以直径相对压下量来表示，直径上被压下的金属，同样可向横向流动（扩径）和纵向流动（延伸），但横向变形受到导盘的阻止作用，纵向延伸变形是主要的。导盘的作用不仅可以限制横向变形而且还可以拉动金属向轴向延伸，由于横向变形的结果，横截面呈椭圆形。 Ⅲ区称为碾轧区，该区的作用是碾轧均整、改善管壁尺寸精度和内外表面质量，由于顶头母线与轧辊母线近似平行，所以压下量是很小的，主要起均整作用。轧件横截面在此区段也是椭圆形，并逐渐减小。Ⅳ区称为归圆区。该区的作用是把椭圆形的毛管，靠旋转的轧辊逐渐减小直径上的压下量到零，而把毛管转圆，该区长度很短，在这个区变形实际上是无顶头空心毛管塑性弯曲变形，变形力也很小。变形过程中四个区段是相互联系的，而且是同时进行的，金属横截面变形过程是由圆变椭圆再归圆的过程，如图 所示。径大于1 400mm，采用狄塞尔导盘，由SMS Meer 设计。该轧机年生产能力为50 万t，产品范围从普通钢到不锈钢等。用现代化斜轧穿孔机改造过时设备，能获得巨大的成本效益和高质量的产品。引人注目的是用斜轧穿孔机取代压力穿孔机，而压力穿孔机在20 世纪70 年代还被考虑为斜轧穿孔机的替代机型，以用于轧制连铸方坯。然而压力穿孔机无法使穿孔毛管达到必需的壁厚公差精度；又因其延伸率小，所以还需要增加一个延伸阶段。1999 年，美国的一条连轧管生产线进行了改造，用1 台带狄塞尔导盘的现代斜轧穿孔机取代了原有的1 台压力穿孔机和1 台延伸机，结果是新生产的管子精度大大提高，压力穿孔工艺所特有的表面缺陷消除，工具消耗和能耗降低。另一个使用斜轧技术提高现有轧管机竞争力的成功例证是在一套顶管设备中取代压力穿孔机和延伸机，即1998 年对奥地利的一套老式顶管设备的改造。其结果是：?坯料重量从500kg 增加到635kg；?毛管最大长度从17m 增加到22m；?中厚壁管长度增加而使吨管加工费用降低( 油田用管丝扣和接箍的个数减少) ；?原料损失减小；?壁厚公差提高；?温控改善；?顶管机负荷减轻；?减少一个变形阶段；?人工费用降低。2.4穿孔工具穿孔机工具主要包括轧辊、顶头和导板（导盘）。这些工具直接参与金属变形，除此之外，还包括顶杆、毛管定位叉、导管、导槽等部件。工具的尺寸和形状要求合理，这样才能保证穿出高质量的毛管，保证穿孔过程的稳定、生产率高、低能耗、工具耐磨性高、使用寿命长的要求。3 顶头3.1顶头（1）顶头类型：顶头的种类按冷却方式来分，有内水冷、内外水冷、不水冷顶头（穿孔过程和待轧时间内都不冷却，主要指生产合金钢用的钼基顶头）；按顶头和顶杆的连接方式来分，有自由连接和用连接头连接顶头；按水冷内孔来分，有阶梯形、锥形和弧形内孔顶头。内孔与外表面之间的壁厚有等壁和不等壁两种；按顶头材质分，有碳钢、合金钢和钼基顶头；从扩径段分有2段式、3段式、4段式，扩径率小于20％用2段式顶头，大于20％用3或4段式顶头。（2）顶头冷却：为延长顶头的使用寿命，应通过加强冷却水的压力来提高顶头在孔型中顶头的冷却，尤其是顶头的前部。使用内水冷主要是为了降低顶头内部温度，应尽可能降到最低水平，冷却水压应保证在10～15 bar。（3）影响顶头寿命的因素：管坯材质，合金含量越高，变形抗力越大，顶头寿命越低；顶头化学成分和热处理工艺，热处理工艺决定顶头寿命；穿孔时间和管坯长度，穿孔时间越长，顶头温度越高，顶头越容易变形和损坏。顶头在穿孔过程中，顶头承受着交变热应力、摩擦力及机械力的作用，力的大小影响顶头的寿命。顶头过分磨损会划伤毛管内表面，粘钢后产生内折。顶头一般是轧制的、锻造的或者是铸钢的。搬运顶头时应保护表面的氧化层，避免脱落，否则影响使用寿命。更换标准是当顶头头部磨损，磨损带长度超过5mm，破损面积超过30cm2；穿孔段出现裂纹；裂纹长度超过60mm，宽度在1.0mm左右；粘钢，有粘钢就该更换。剔废的顶头原则上不能重复使用，若重车，需要再次热处理。[1]计算过程：以2段式顶头举例说明设计过程，设计的前提是必须已知轧辊的尺寸和管坯直径、毛管直径、毛管壁厚及咬入角。――确定轧制带处（HP）的辊距（E）辊距（E）的大小取决于材料的钢级；管坯的直径；毛管壁厚。下面是一些常见钢中的辊距值（E）：碳钢E =（0.84 ～0.9）DB = （84 ～90）%，常用（86 C 89）% 低合金钢E =（ 85 ～ 90） %，常用（87 ～ 90）%高合金钢E = （88 ～ 91）%，常用（88 ～ 90）%――确定轧辊的入口长度（Le）和出口长度（La），计算它们是为了验证其长度是否超过轧机的设计长度，公式见前面轧辊设计部分。 如果计算的结果是入口长度（Le）和出口长度（La）比轧辊现有的相应部分大的话，就得加大轧辊间距(E)或者增加入口锥角和出口锥角。――确定顶头直径（Dd）无缝钢管菌式穿孔机顶头设计24_无缝钢管穿孔机式中CH―毛管与顶头的间隙值，目前仍以经验值或经验公式为主。――确定顶头平滑段的长度（LGT2）平滑段的作用是均匀壁厚的偏差，长度至少要保证毛管能够转一周并加上保险系数。即式中SF―平滑系数，取值为1.2 ～2，通常为1.5。γ―咬入角，度。 LGT2必须小于顶头过HP处的长度，否则的话减小系数值。 平滑段的角度近似等于轧辊的出口锥角。――确定顶头穿孔段末端的直径（DR）――计算顶头前伸量Ld1顶头前伸量的大小影响着穿孔的过程和毛管的质量，生产中应避免在顶头的前部形成空腔 ，这样有利于减轻毛管内表面的缺陷。但起决定性的是影响内表面缺陷的因素，有顶头前直径减径率和管坯接触顶头前转动的次数。换句话说，顶头前直径减径率的参考极限值如下：碳钢ρ=（0.04～0.1）DB=（4～10）%，常用（6～9）%；低合金钢ρ=（4～8）%，常用（6~8）% ；高合金钢ρ=（4～7）%，常用（5～6.5）% 。――自由段长度 （GL），即管坯接触轧辊到顶头前的长度，必须保证管坯转一周。式中GF取1～1.5。 如果轧辊直径与管坯直径的比值较大的话，GF可取 0.8 ～ 1。所以顶头位置（Ld1）为：11顶头前伸量的值至少要大于40mm,，系数GF影响顶头位置和顶头前的压下量。 ――确定顶头长度（Ld）顶头再HP后长度（Ld2）计算公式如下：所以顶头长（Ld）为――确定顶头鼻部的直径（F）一般情况下 F = （0.25 ～ 0.30）Dd （Dd & 80 mm）F = （0.18～0.25）Dd （大顶头）但不能小于16毫米。――确定顶头圆弧半径（Rd），公式如下： 其中圆弧段的长度的求法是：圆弧半径为：圆弧半径值Rd的范围在300～ 900 mm之间。2段式顶头的圆弧半径值不要取上限值。实例：已知给定条件，计算2段式顶头的基本参数。 ――给定――计算辊距E =177.2 mm （选择直径压下率为 88.6 % DB，) 入口锥长度12出口锥长度顶头与毛管的间隙：CH=10mm 桶形辊―― CH（锥形辊取值比桶形辊大）平滑段长度故取确定平滑段开始处的直径自由工作段长度（咬入段）选择GF=1.05顶头前伸量13顶头在HP点后的长度顶头长核查顶头前伸量核查实际的咬入系数，F=0.2*165=33mm14――直径压下率――径壁比 图3-1 基本参数关系壁厚图3-2 基本参数关系3.2斜轧穿孔的顶头设计3.2.1顶头形状构成顶头是穿孔工序重要的内变形工具,对毛管内表质量和壁厚都有重要影响。常见的斜轧穿孔球面顶头,其构成一般包括四部分[1]: (1)穿轧锥是主要进行加工的部分;(2)均壁锥的主要作用是均整毛管壁厚,一般取为直线段,并且应与轧辊相应工作母线间成等距缝隙;(3)反锥是在顶头末端略带一定反向锥度,以免划伤毛管的内表面,对于在穿孔时15无缝钢管菌式穿孔机顶头设计24_无缝钢管穿孔机自由松动配合的顶头其反锥较长,目的是使其单独放置在导板上时轴线保持水平;(4)鼻尖的作用是改变金属的流向,在顶头尖部形成间隙不与炽热的金属直接相接,有利于减缓尖部磨损,以提高使用寿命。3.2.2鼻部尺寸的确定鼻部直径应大体等于穿孔准各区中管坯中心疏松区直径,并与管坯定心孔尺寸相对应(略小于定心孔直径) 为简化顶头和定心规格,一组顶头应采用同一的戏值。同时,为减少阻力和改善二次咬人条件,d0值不宜过大,即大直径的顶部鼻部直径也不大于φ35mm。3.2.3顶头穿孔锥尺寸的确定顶头穿孔锥的作用是担负管坯穿孔和毛管减壁,穿孔锥长度L1要选择适当,过短或过长都会使顶头阻力增大,过长还易引起轧卡故障。通常L1/Dt值为1～2.5,大直径顶头取小的数值,采用大喂人角穿孔时,L1值应比正常使用顶头的L1值大20%～3O%,这样可减少顶头磨损和烧坏的情况,提高顶头寿命。3.2.4均壁锥的设计一般来说,顶头均壁锥应和轧辊出口锥值相等,以保证穿孔后的毛管壁厚均匀。但由于喂入角的影响,实际轧辊出口锥与轧制线交角大于轧辊出口锥角,因此为弥补喂入角的影响,在顶头均壁锥角设计时应适当加大均壁锥角,以保证所轧毛管的质量。均壁锥(碾轧锥)长度L2应保证毛管任一点金属都在变形区均壁锥段至少受到一次以上的加工,确保均壁效果3.2.5顶头反锥尺寸的确定反锥长L3和半径R3随顶头类型而定,一般非更换式顶头的L3值为5~15m,更换式顶头由于要利用反锥起平衡作用,故L3取30～50mm。顶头后端直径一般至少比顶头直径小5%,否则顶头不易从毛管中脱出。3.2.6顶头材质顶头材质性能日益提高,因此关于顶头合理轮廓曲线的研究又引起了人们的兴趣。顶头材料要求具有良好的高温强度和耐磨性、良好的导热性、耐激冷、激热性。目前常用的有3Cr2W8、⒛CrNi3A,穿制高温强度高的材料时多采用钼基合金Mo-0.5Ti-0.02C。3.2.7二辊锥形穿孔机用顶头在二辊穿孔时，顶头前管坯中心部分承受着拉、压应力的反复作用及剪切应力的共同作用。当这些应力超过金属的强度极限时，管坯中心会被撕裂形成孔腔。在Φ108mm机组中厚壁管产品中，合金钢及低变形性能材料所占比例较大，为了解决穿孔毛管的内表面质量问题，采用了较大的送进角和辗轧角，以抑制轧件二次咬入前的孔腔现象。由于锥形穿孔时，送进角及辗轧角越大，切向剪切力越小，当送进角与辗轧角选择适宜后，切向剪切可完全避免。但是，当送进角或辗轧角分别增加时，顶头所受阻力增加，顶头磨损加剧。这正是顶头形状与尺寸设计时应当考虑的。顶头由半径为R 的圆弧段、圆锥段（辗轧段）和反锥段组成，见图，顶头前端采用平头设计，顶头圆弧长度较大，可使穿孔减壁的过程缓和，以减小变形过程的顶头阻力，降低顶头磨损。顶头辗轧锥长度设计为大于一个管坯螺距（约80mm），毛管任一截面都在变形区顶头辗轧段轧制2次，保证了毛管的均壁和平整，辗轧段锥角较轧辊出口锥角稍大，这主要考虑由于送进角影响使轧辊实际工作锥角增大，辗轧段实际上只分配很小的减壁值。反锥段长度根据经验进行选取，并考虑到与顶杆的装配方式，一般取10mm即可。图3-3 顶头设计图4 提高穿孔机顶头寿命的途径穿孔机顶头是无缝钢管生产中消耗量最大的关键工具之一。由于穿孔顶头的工作条件恶劣,因而使得它的使用寿命不高,分析认为从以下方面考虑,可以有效地提高穿孔机顶头寿命。4.1穿孔顶头材质改进目前,国内生产普通碳素钢管应用较多的顶头材料为3Cr2W8V和20Cr2Ni4W钢，在使用前,顶头进行挂氧化膜处理；生产不锈钢管常用相基合金顶头,其高温氧化严重,需要不断地进行高温润滑。实践发现采用新型复合顶头,即以3Cr2W8V钢为主体,制成空心顶头,后在顶头鼻部堆焊耐热合金,构成新型复合顶头。效果较好，此外采用15Cr2Ni3MoW材质代替20CrNi3材质,采用38CrNiMoV钢代替20CrNi3钢效果很好。4.2改善顶头结构和冷却润滑条件顶头壁厚要合理。当顶头壁过薄时,其强度经受不住这种频次的复合应力而导致脆性开裂。但过厚,顶头内部水冷效果就会明显减弱,而导致顶头表面温度过高,出粘钢、啃肉失效。顶头合理壁厚为顶头最大直径的0.18-0.22。此外,顶头鼻部形状和辗轧段过渡的凹形部位的喷水孔,不仅改善了头部和工作段的冷却条件,而且能不断更新氧化膜,将被穿孔的高温金属与顶头金属隔开,起隔热和润滑作用。另外，确保冷却水压保持在1.0～1.5MPa以上其冷却效果好,可延长顶头使用寿命。4.3利用稀土铝合金化提高穿孔顶头的使用寿命有关研究表明,钢中加入少量的稀土元素,可以提高钢的高温强度、塑性、耐磨性和疲劳寿命,以及提高钢的抗氧化性和耐蚀性。采用钢包包底冲入法,加入0.1%稀土能够显著地细化晶粒,有效地去除钢中气体和有害元素P、S,净化钢液;同时稀土还可以有效地改善钢中夹杂物形态，制作的钻头钢性能较好。4.4顶头的热处理热处理工艺要达到两个目的:①顶头基体组织为粒状贝氏体和少量马氏体。②高温氧化处理使顶头的表面形成深灰色的完整、光滑致密的氧化膜,并且与顶头基体有良好的粘附性4.5轧制工艺对顶头使用寿命的影响在轧制工艺及顶头形状设计上应注意提高轧制速度,减少顶头与管坯接触时间。根据失效的主要方面适当调整热穿管工艺参数。改进内腔冷却形状,适当增加轧制区壁厚,对顶头使用寿命更好。5 结束语近20年来，我国无缝钢管生产飞速发展，取得了举世瞩目的成就，钢管产量增长4.49倍，钢管品种结构方面的矛盾已得到基本缓解，产品质量已基本满足国内市场需求；2003年全国无缝钢管产量达699.5万t，出口56.1万t，进口53.1万t，成为世界上无缝钢管生产、消费第1大国和净出口国。目前，世界上无缝钢管生产领域的各种先进机型，我国都已拥有并掌握了其技术诀窍，能生产各种管材，主要品种（如油井管）的产量已处于世界领先地位，生产技术指标正努力赶超世界先进水平。在无缝钢管生产过程中，穿孔工艺被广泛应用而且非常经济，顶头也是穿孔工序重要的内变形工具,对毛管内表质量和壁厚都有重要影响，但穿孔机顶头是无缝钢管生产中消耗量最大的关键工具之一，由于穿孔顶头的工作条件恶劣,因而使得它的使用寿命不高。所以本文在此提出一些针对顶头设计及改善顶头质量的方法，希望能够对穿孔工具的改善提供帮助并预祝我国冶金工业蓬勃发展早日成为无缝钢管的生产强国。参考文献[1]李群. 钢管生产 .冶金工业出版社 .2008年[2]高秀华.钢管生产知识问答.日[3]金如裕.世纪之交话无缝一《无缝钢管百年史话》(续释12一1).钢管，2004[4]江永静,成海涛.我国无缝钢管生产现状、差距及发展建议.中国冶金.第11期[5]曾幼宗.斜扎穿孔工艺的有限元法分析.钢管 2004年6月 第33卷 第3期无缝钢管菌式穿孔机顶头设计24_无缝钢管穿孔机致 谢大学生活即将结束，十几年求学生涯走到今天，无数的风风雨雨、愁苦与欢欣都已经成了美好的回忆。三年来，既体会过成功的喜悦，也有过未完成的遗憾，然而给我印象最深的却是师生之间、同学之间的融融情谊。在此，我向所有帮助过我的人们表示深深的谢意。本论文是在我的导师柴书彦老师的悉心指导下完成的。从论文选题到论文最终完成，每一个环节，柴老师都付出了辛勤的汗水和心血。他不厌其烦的帮助我修改论文，提出了许多中肯的意见。柴老师渊博的学识，严谨的治学态度，兢兢业业的工作精神深深地激励着我，是我终生学习的楷模。柴老师在学习上对我严格要求，谆谆教诲使我受益匪浅;在生活中也对我虚寒问暖，关怀备至。在论文完成之际，谨向柴老师致以崇高的敬意和由衷地感谢。最后，衷心感谢论文的评阅老师、专家和答辩委员会的诸位委员，感谢你们所付出的辛勤劳动。21欢迎您转载分享：
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