第五章 毛管軋制

5.1 限動(dòng)芯棒連軋管機(jī)（MPM）5.1.1工藝描述5.1.1.1 限動(dòng)芯棒連軋管機(jī)的特點(diǎn)

限動(dòng)芯棒連軋管機(jī)是在全浮動(dòng)芯棒連軋管機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。在軋制過(guò)程中，芯棒的運(yùn)動(dòng)受到限動(dòng)力的作用，始終以一個(gè)恒定的速度前進(jìn)，其速度低于或等于第一機(jī)架軋機(jī)的軋制速度，各機(jī)架均處于一個(gè)穩(wěn)定的限動(dòng)軋制狀態(tài)。在靠近軋機(jī)的最后一架處，管子從芯棒上由脫管機(jī)脫出，芯棒快速返回從而結(jié)束軋制過(guò)程．

限動(dòng)芯棒連軋管機(jī)（MPM）與浮動(dòng)芯棒連軋管機(jī)（MM）相比有如下特點(diǎn)：

1降低了工具消耗。由于限動(dòng)芯棒連軋管機(jī)的芯棒較之浮動(dòng)芯棒連軋管機(jī)的芯棒要短，厚壁無(wú)縫鋼管與芯棒的接觸時(shí)間短，從而提高了芯棒的使用壽命，一般可使芯棒消耗降至每噸厚壁無(wú)縫鋼管lkg左右。

2改善了管子的質(zhì)量．由于限動(dòng)芯棒連軋管具有搓軋性質(zhì)，有利于金屬的延伸，加之帶有微張力軋制狀態(tài)，從而減小了橫向變形，根本不存在浮動(dòng)芯棒連軋所產(chǎn)生的“竹節(jié)”現(xiàn)象，使管子內(nèi)外表面質(zhì)量和尺寸精度有了很大的提高。

3取消了脫棒機(jī)，縮短了工藝流程，提高了連軋管的終軋溫度。如果不考慮在線熱處理新工藝應(yīng)用的條件，完全可以省去定、減徑前的再加熱爐，從而節(jié)省了能源。試驗(yàn)資料表明，軋制壓力和電能消耗比浮動(dòng)芯棒連軋管機(jī)低1/3。

4擴(kuò)大了產(chǎn)品規(guī)格。由于采用了限動(dòng)芯棒軋制，可以減小芯棒的長(zhǎng)度，允許加大芯棒的直徑，為多規(guī)格產(chǎn)品的生產(chǎn)創(chuàng)造了條件，使生產(chǎn)厚壁無(wú)縫鋼管的最大直徑由177.8mm擴(kuò)大到了365mm，甚至更大。另外，限動(dòng)芯棒連軋機(jī)還能軋制更厚或更薄的管子。

5所軋管子的延伸系數(shù)可達(dá)6～10．可以采用較厚的毛管，為使用連鑄坯為原料創(chuàng)造了條件。

6產(chǎn)量高、單位投資比較低。雖然限動(dòng)芯棒連軋機(jī)的生產(chǎn)率比較低（每分鐘只能生產(chǎn)2～2.5根，浮動(dòng)芯棒連軋機(jī)為4～4.5根／分），但它所軋的管子直徑大、管壁厚，因此限動(dòng)芯棒連軋管機(jī)的年設(shè)計(jì)產(chǎn)量一般比較高，為50萬(wàn)噸左右，發(fā)揮潛力為60～80萬(wàn)噸／年。雖然一次性投資比較高，但平均產(chǎn)量的投資還要比浮動(dòng)連軋管機(jī)降低20～30%。

總之，限動(dòng)芯棒連軋管機(jī)代表著現(xiàn)代無(wú)縫厚壁無(wú)縫鋼管生產(chǎn)的先進(jìn)技術(shù)，它集中體現(xiàn)了無(wú)縫厚壁無(wú)縫鋼管生產(chǎn)的連續(xù)性、高效率、機(jī)械化及工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展趨勢(shì)。也反映了一個(gè)國(guó)家鋼鐵、厚壁無(wú)縫鋼管生產(chǎn)的技術(shù)水平，是一個(gè)國(guó)家鋼鐵企業(yè)，科技水平集中體現(xiàn)的一個(gè)重要方面。

5.1.1.2 工藝任務(wù)和目的：

穿孔后的毛管為厚壁管，一般壁厚與直徑之比在0.1-0.25之間，在幾何尺寸上有如下特點(diǎn)：

1壁厚大：這樣的厚壁無(wú)縫鋼管還不能在實(shí)際中應(yīng)用。

2表面質(zhì)量不能滿足成品要求。

連軋?jiān)谡麄€(gè)金屬熱變形過(guò)程中起主要延伸作用。它的任務(wù)是將穿孔后的毛管經(jīng)減徑減壁變形軋制成外徑、壁厚符合要求的荒管的過(guò)程，在保證產(chǎn)品幾何尺寸精度方面連軋管機(jī)應(yīng)達(dá)到如下工藝目的：

1毛管延伸，將厚壁毛管變成薄壁荒管．

2要求連軋后的荒管具有較高的壁厚均勻度。

3要求連軋后的荒管具有良好的內(nèi)外表面質(zhì)量。

上述1的要求是任何類型的軋管機(jī)組所必須達(dá)到的，2, 3則是限動(dòng)芯林連軋管機(jī)所特有的，即比早期的其它類型機(jī)組在2, 3所述的質(zhì)量要好得多。限動(dòng)芯棒工藝的采用就是為了消除浮動(dòng)芯棒連軋管機(jī)產(chǎn)生“竹節(jié)”現(xiàn)象而引起的產(chǎn)品壁厚不均，盡管采用限動(dòng)芯棒工藝在工藝設(shè)計(jì)、設(shè)備結(jié)構(gòu)上要比浮動(dòng)升棒復(fù)雜得多，芯棒循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)備和占地比主機(jī)系統(tǒng)還要大，這些完全是為了保證產(chǎn)品質(zhì)量，即壁厚均勻度而設(shè)計(jì)的。芯棒循環(huán)系統(tǒng)和潤(rùn)滑保護(hù)系統(tǒng)占用了大量的位置和設(shè)備，目的在于軋制時(shí)使產(chǎn)品有一良好的內(nèi)表面質(zhì)量。所以說(shuō)一切高設(shè)備裝備水平的設(shè)置和先進(jìn)設(shè)備的采用均是為滿足工藝目的服務(wù)的。

5.1.2 MPM連軋管機(jī)的設(shè)備結(jié)構(gòu)、平面布置及相關(guān)技術(shù)參數(shù)5.1.2.1 設(shè)備結(jié)構(gòu)與平面布置情況

φ250 MPM連軋管機(jī)分為七架軋機(jī)，機(jī)架軋輥軸線與水平面成450，相鄰機(jī)架互成90

（如圖5-1），每個(gè)連軋機(jī)架由鑄鋼牌坊包括軋輥軸、支撐軸承座和軋輥，用于軸承座調(diào)整的壓下和壓上機(jī)構(gòu)（由一個(gè)交流1-5架或直流6-7架電機(jī)傳動(dòng)），半聯(lián)軸器、軸承座鎖緊機(jī)構(gòu)，安裝在牌坊上的管線、測(cè)壓頭（每個(gè)機(jī)架2個(gè)，裝在壓下機(jī)構(gòu)兩個(gè)壓下絲杠上）及位置傳感器（每個(gè)機(jī)架1個(gè)）組成。

四個(gè)三輥式芯棒自動(dòng)對(duì)中裝置——芯棒支撐架，帶有隨芯棒規(guī)格進(jìn)行調(diào)整的調(diào)整裝置。

毛管定位叉，在軋機(jī)入口處，帶垂直升降裝置，液壓操作。

焊接的軋機(jī)底座分為三件，用以支撐連軋機(jī)架，與水平呈450定位。28個(gè)裝在底座上的機(jī)架鎖定裝置。一套斜楔系統(tǒng)用于機(jī)架之間的聯(lián)結(jié)。14個(gè)帶齒輪聯(lián)軸器的接軸，有大小兩個(gè)型號(hào)，分別用于1-3架和4-7架，并將軋輥軸加工成扁平的，以便換輥或軋機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)快速將軋輥軸與軋輥分開(kāi)。另外7個(gè)液壓缸安裝在底座上，當(dāng)更換工具時(shí)用來(lái)推出和拉回軸承座及軋輥部件。

14個(gè)換輥小車用于接受軋輥，用液壓缸與垂直平面鉸接，全套包括使換輥車平行軋機(jī)中心線移動(dòng)的液壓缸。

7個(gè)雙輸出軸減速箱，裝在主電機(jī)的底座上，在主電機(jī)和齒輪箱之間有齒輪聯(lián)軸器。

MPM連軋管機(jī)組平面布置情況，如圖5-2

角，軋輥中心線與水平面成45角

最大出口速度：6m/s

最小出口速度：1.5m/s

最大入口速度：2m/s

最小入口速度：0.7m/s

2 軋制力：1-3架4-7架

最大正常軋制力（噸）480 240

最大異常軋制力（噸）550 300

最大正常軋制力矩（噸·米）70 19

最大異常軋制力矩（噸·米）81 22

3 機(jī)架中心間距：

夾送輥--1架1850㎜

1-2架1395㎜

2-3架1815㎜

3-4架1310㎜

4-5架1645㎜

5-6架1225㎜

6-7架1645㎜

7-1架總長(zhǎng)9035 ㎜

連軋脫管間距10500㎜

4 芯棒支承架位置：

第一架支承架：連軋第三機(jī)架入口處夾送輥—1架4152.5 距芯棒頭部4152.5

第二架支承架：連軋第五機(jī)架入口處1—2架3040 距芯棒頭部9172.5

第三架支承架：連軋第七機(jī)架入口處2---3架2870 距芯棒頭部10062.5

第四架支承架：連軋第七機(jī)架出口處3—4架1032.5 距芯棒頭部11095

5 機(jī)架傳動(dòng)：1-4機(jī)架馬達(dá)數(shù)：每個(gè)機(jī)架2個(gè)

5-7機(jī)架馬達(dá)數(shù)：每個(gè)機(jī)架1個(gè)

每臺(tái)馬達(dá)功率DC：1400Kw

速度：350/400——1000rpm

最大過(guò)載：8秒200% + 每40秒1秒270%

總裝機(jī)功率：15400Kw

機(jī)架變速比：1機(jī)架13.03

2機(jī)架8.958

3機(jī)架6.188

4-5機(jī)架4.0

6-7機(jī)架3.4

6 芯棒限動(dòng)系統(tǒng)

芯棒最大直徑338.9㎜

最小直徑127.8㎜

工作段長(zhǎng)度15000㎜

芯棒全長(zhǎng)22500㎜

在線一組芯棒最多支數(shù)8支

芯棒最大重量10.887 噸

限動(dòng)速度最大1.5m/s

回程速度最大4.5m/s

齒條最大行程（插入和限動(dòng)）20500㎜

脫管機(jī)第一架中心線距芯棒前端的最小距離735㎜

在最大插入行程時(shí)，最長(zhǎng)毛管尾端與齒條前端的距離11500㎜

限動(dòng)力最大300噸

傳動(dòng)馬達(dá)數(shù)8個(gè)

每個(gè)馬達(dá)功率DC：384KW

馬達(dá)速度0/460~1530rpm

總裝機(jī)功率3072KW

7 脫管機(jī)

軋輥名義輥徑兩種550㎜800㎜

機(jī)架間距700㎜

工作機(jī)架數(shù)3-5架

機(jī)架傳動(dòng)馬達(dá)數(shù)1 臺(tái)

馬達(dá)功率DC：1400KW

速度350/400~1000rpm

機(jī)架傳輸速比1機(jī)架3.095

2機(jī)架3.047

3機(jī)架3.047

4機(jī)架3.0

5機(jī)架3.0

5.1.3 MPM連軋管機(jī)組的工作原理和工藝控制5.1.3.1 MPM生產(chǎn)工藝流程描述

為了獲得良好內(nèi)外表面質(zhì)量的荒管，同時(shí)減少對(duì)軋制工具的磨損和防止抱棒，連軋前應(yīng)除去毛管內(nèi)外表面的氧化鐵皮，并對(duì)芯棒表面和毛管內(nèi)表面做適當(dāng)潤(rùn)滑。

經(jīng)穿孔延伸的毛管，抽出頂桿后被送至硼砂站，由一特制的噴嘴向毛管內(nèi)部噴入硼砂，其作用是：一、吹刷毛管內(nèi)部的氧化鐵皮；二、硼砂在高溫狀態(tài)下生成霧狀氣體，充滿毛管內(nèi)部，防止其在隨后的運(yùn)動(dòng)中發(fā)生內(nèi)表面二次氧化，附著在毛管內(nèi)表面的燃燒產(chǎn)物也可起到相當(dāng)好的潤(rùn)滑作用。吹硼砂后毛管由回轉(zhuǎn)臂送至連軋管機(jī)芯棒預(yù)穿線。

在預(yù)穿線，毛管定位后，測(cè)量過(guò)表面溫度并涂過(guò)石墨潤(rùn)滑劑的芯棒，由預(yù)穿鏈將其插入毛管內(nèi)。由1號(hào)回轉(zhuǎn)臂將預(yù)穿到位的芯棒和毛管一起翻到主軋線，與此同時(shí)，從軋線返回的前一根軋后芯棒由2號(hào)回轉(zhuǎn)臂送至返回輥道。

在主軋線上，芯棒的尾柄卡在限動(dòng)齒條夾持頭上，通過(guò)齒輪與齒條傳動(dòng)系統(tǒng)，將芯棒前端推至連軋機(jī)架間的一個(gè)預(yù)設(shè)定位置上。再由夾送輥將毛管夾住送到軋機(jī)進(jìn)行軋制，此時(shí)芯棒的最大限動(dòng)速度為1.5m/s。在毛管進(jìn)入連軋機(jī)前還需要通過(guò)壓力為130-180巴的高壓水除鱗裝置，以去除毛管外表面的氧化鐵皮，同時(shí)測(cè)量入口毛管的溫度。軋制完畢芯棒快速退回，此時(shí)，芯棒返回速度最大為4.5m/s。退回的芯棒被另一個(gè)預(yù)穿著毛管的芯棒所替換，以進(jìn)行下一根管子的軋制。被換下的芯棒通過(guò)返回輥道和設(shè)在輥道中間的冷卻巷道噴水冷卻，用過(guò)的芯棒外表面溫度高達(dá)700C左右，先將其冷卻至140C左右，再由返回輥道到冷卻站步進(jìn)梁，冷卻站共有3個(gè)站，每個(gè)站都有8組旋轉(zhuǎn)盤，在1#、2#站用10個(gè)大氣壓的高壓水進(jìn)行冷卻。為了防止芯棒彎曲，冷卻過(guò)程中用旋轉(zhuǎn)盤帶動(dòng)芯棒旋轉(zhuǎn)，有必要時(shí)可以對(duì)芯棒進(jìn)行分段冷卻，冷卻至70-130C（或重新預(yù)熱到此溫度）的芯棒，經(jīng)輥道和運(yùn)輸鏈到潤(rùn)滑站噴涂石墨進(jìn)行循環(huán)使用。經(jīng)噴涂石墨后的芯棒，由運(yùn)輸鏈送至預(yù)穿前設(shè)定位置。如更換新芯棒時(shí)，需在芯棒預(yù)熱爐內(nèi)將其預(yù)熱到100±30C后再出爐，經(jīng)潤(rùn)滑后再投入使用。用過(guò)的舊芯棒分別在冷卻站兩側(cè)臺(tái)架上剔除和收集。

從MPM出來(lái)的荒管隨即進(jìn)入3-5架三輥式脫管機(jī)。連軋完畢時(shí)毛管尾部由脫管機(jī)拉出連軋機(jī)最后一架，芯棒快速退回零位。在脫管機(jī)出口處有激光裝置，用來(lái)測(cè)量出口厚壁無(wú)縫鋼管速度和長(zhǎng)度。同時(shí)，通過(guò)一套兩通道熱測(cè)壁厚裝置（已拆除），直接測(cè)量熱態(tài)荒管的壁厚，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)和控制荒管壁厚精度。軋后荒管用光學(xué)高溫計(jì)逐根測(cè)量表面溫度。

毛管在相互交叉的7機(jī)架連軋機(jī)上進(jìn)行軋制，根據(jù)規(guī)格的大小采用了φ181㎜、φ235㎜、φ291㎜三種孔型系列，經(jīng)過(guò)改造后又增加了φ247㎜、φ310㎜、φ356㎜三個(gè)孔型系。最大軋制速度為181孔型5.6m/s，最短軋制周期27s。（181、235、247）5.0 m/s，291孔型4.5 m/s，310、356孔型4.0 m/s

圖5-3 MPM連軋管機(jī)組工藝流程圖

5.1.3.2 連軋管軋制原理

連軋管金屬流動(dòng)的基本方程式

連軋管時(shí)，管子內(nèi)表面在孔型頂部處與芯棒接觸，而在側(cè)壁處則不與芯棒接觸。孔型頂部的金屬由于受軋輥的外壓力和芯棒的壓力作用延伸，并在軸向延伸的同時(shí)產(chǎn)生圓周方向的寬展，而孔型側(cè)壁的金屬在孔型頂部金屬延伸時(shí)也被拉伸，并相應(yīng)在縱向產(chǎn)生拉縮。此時(shí)，如若孔型頂部的金屬寬展和孔型側(cè)壁的拉縮數(shù)量比例不當(dāng)，則導(dǎo)致過(guò)分充滿或欠充現(xiàn)象。

孔型過(guò)充滿時(shí)，則會(huì)出現(xiàn)耳子，如過(guò)充滿特別顯著時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生飛翅，造成軋卡故障，并且某一機(jī)架出現(xiàn)鐵耳子以后隨后機(jī)架的壓下量過(guò)大，再產(chǎn)生新的耳子，這種惡性循環(huán)一直延續(xù)到成品機(jī)架。耳子會(huì)導(dǎo)致折迭缺陷或尺寸超差。

孔型欠滿時(shí)，會(huì)使隨后的機(jī)架，及至到成品機(jī)架孔型欠滿，使成品管圓度和尺寸精度達(dá)不到要求。

為了使孔型頂部金屬展寬與側(cè)壁金屬拉縮較為協(xié)調(diào)，使孔型正常充滿，從金屬塑性變形角度，建立連軋管金屬流動(dòng)的基本方程。

1基本方程式

孔型中軋管的變形方式可分為兩個(gè)區(qū)域：孔型頂部區(qū)和側(cè)壁開(kāi)口區(qū)。孔型頂部區(qū)金屬受徑向內(nèi)外壓力，且向壓力和軸向壓力，處于三向應(yīng)力狀態(tài)，金屬減壁延伸，并向側(cè)壁開(kāi)口方向流動(dòng)，（展寬）。側(cè)壁開(kāi)口區(qū)金屬?gòu)较蚴芡饬Γ邢驂毫洼S向壓力（附加）被拉縮。要使孔型正常充滿，則應(yīng)

—孔型頂部金屬的橫斷面積，

—孔型側(cè)壁金屬的軸面拉應(yīng)力，

—孔型正常充滿時(shí)側(cè)壁金屬的橫斷面積，

2連軋基本方程

金屬在軋制過(guò)程中，厚壁無(wú)縫鋼管在各機(jī)架間應(yīng)遵守金屬秒體積流量相等的連軋基本方程——流量方程

Δ1 =Δ2 = ······=Δ7

上兩式中：Δ——各機(jī)架的金屬秒流量體積

F——各機(jī)架的厚壁無(wú)縫鋼管橫斷面積

V——各機(jī)架的厚壁無(wú)縫鋼管出口速度?

5.1.3.3 連軋管變形過(guò)程分析

予穿芯棒后的毛管在連續(xù)軋管機(jī)中軋制，對(duì)每個(gè)機(jī)架孔型來(lái)說(shuō)，變形區(qū)分為減徑區(qū)和減壁區(qū)兩個(gè)區(qū)域，如圖5-4：

圖5-4

被送入軋輥孔型中的環(huán)形毛管，首先是四個(gè)點(diǎn)先與軋輥孔型接觸，如圖5-5：

圖5-5

然后，在軋輥的曳入力作用下，依次進(jìn)入減徑區(qū)和減壁區(qū)二時(shí)限塑性變形。整個(gè)變形過(guò)程分三個(gè)階段：第一階段為壓扁變形，第二階段為減徑變形，第三階段為減壁變形。

在減徑區(qū)中，由于毛管是空心體，開(kāi)始時(shí)僅幾點(diǎn)接觸，軋管孔型接觸面很小，所以厚壁無(wú)縫鋼管首先發(fā)生壓扁變形，即管壁發(fā)生塑性彎曲變形。此時(shí)厚壁無(wú)縫鋼管周長(zhǎng)或橫斷面積不變，只是被軋輥孔型壓縮處高度減小，而不與孔型接觸的厚壁無(wú)縫鋼管其徑向尺寸加大。隨著管子逐漸進(jìn)入變形區(qū)，壓扁程度加大，同時(shí)，管子與孔型的接觸面積增加，將接觸面積增至一定程度后，孔型槽壁對(duì)管壁的支撐作用加大，管子除繼續(xù)發(fā)生壓扁變形外，將同時(shí)發(fā)生減徑變形，直到毛管整個(gè)外圓完全與孔型壁接觸時(shí)，壓扁變形階段結(jié)束，變形全部轉(zhuǎn)入第二階段——減徑。

在減徑變形階段，管子平均直徑和平均周長(zhǎng)減小，金屬縱向延伸，管壁有所增厚。管壁增厚相當(dāng)于橫向變形。由于變形區(qū)中管子橫斷面上各處的金屬的應(yīng)力狀態(tài)不同，因而增厚變形不同。孔型頂部（槽底）管壁外側(cè)受孔型徑向壓力，且金屬外流受槽壁限制，管壁增厚只能向管子內(nèi)表面發(fā)展，故增厚較小，孔型開(kāi)口處（輥縫處附近）金屬處于自由鐓粗狀態(tài)，金屬可向管內(nèi)外壁流動(dòng)，故增厚較多，其他部位介乎于上述兩者之間，逐漸過(guò)渡。

在孔型中，由壓扁變形過(guò)渡到減徑變形的位置，與許多工藝因素，如孔型形狀，管子金屬的變形抗力，軋輥直徑和管子（直）徑壁（厚）比等有關(guān)。寬高比大的孔型壓扁變形大些，厚壁管（徑壁比小的）壓扁變形小些。

從管子內(nèi)表面接觸芯棒起，到荒管理開(kāi)變形區(qū)為止，是減壁變形階段，此時(shí)壁厚迅速減壁，同時(shí)也有少量的減徑變形，因而獲得較大的眼神。在此區(qū)中，管壁壓下變形主要發(fā)生在孔型頂部（槽底），孔型開(kāi)口處管壁金屬得不到加工，或只由于孔型頂部金屬眼神延伸對(duì)開(kāi)口處金屬施加以橫向附加拉應(yīng)力而使其壁厚稍許減薄，結(jié)果導(dǎo)致荒管橫向壁厚不均勻性增加，并使開(kāi)口處管壁金屬受軸向附加拉應(yīng)力作用，如果拉應(yīng)力過(guò)大會(huì)導(dǎo)致荒管兩側(cè)周期性橫裂。經(jīng)軋制后的荒管，其橫斷面已成橢圓形，在進(jìn)行隨后道次的軋制時(shí)，管子首先與孔型頂部（槽底）接觸，但其變形仍按壓扁、減徑和減壁三個(gè)階段進(jìn)行。

5.1.3.4 連軋機(jī)速度制度

1 芯棒速度制度

芯棒速度一般約為0.7~1.5m/s，芯棒速度過(guò)小，使芯棒負(fù)荷大，磨損增加，壽命低。速度過(guò)高，則芯棒過(guò)長(zhǎng)，局部升溫高也不利于提高壽命。

2 軋輥轉(zhuǎn)速計(jì)算

1）軋輥工作直徑

軋輥工作直徑為軋輥圓周速度與厚壁無(wú)縫鋼管速度相等的直徑：

Dk（I）= D（I）+ ΔS（I）- φd（I）

式中：Dk（I）——I機(jī)架軋輥工作直徑

D（I）——I機(jī)架軋輥肩部直徑

ΔS（I）——I機(jī)架軋輥輥縫設(shè)定值

d（I）——I機(jī)架軋輥孔型直徑

φ——經(jīng)驗(yàn)系數(shù)

2）軋輥轉(zhuǎn)速計(jì)算

n(i) = 60C/[π·A(I)·Dk(I)]

式中：C ——秒流量

A(I)——I機(jī)架厚壁無(wú)縫鋼管橫斷面積

3馬達(dá)轉(zhuǎn)速

式中：i(I)——I機(jī)架減速比

4 厚壁無(wú)縫鋼管速度計(jì)算

1）計(jì)算延伸率

：I機(jī)架延伸率

A(I)——I機(jī)架厚壁無(wú)縫鋼管橫斷面積

2）厚壁無(wú)縫鋼管速度計(jì)算：

式中：：MPM入口管的橫斷面積

C：秒流量

限動(dòng)芯棒連軋管的運(yùn)動(dòng)學(xué)特點(diǎn)

1 限動(dòng)芯棒連軋管的軋件出口速度

帶長(zhǎng)芯棒的連軋管過(guò)程可看成是不同輥徑的差速軋制過(guò)程。芯棒看成是半徑無(wú)窮大的軋輥，當(dāng)芯棒參與連軋系統(tǒng)工作時(shí)，芯棒相當(dāng)于速度按某一特定的主動(dòng)軋輥參與變形，形成在變形區(qū)內(nèi)產(chǎn)生差速軋制。

限動(dòng)芯棒連軋管時(shí)，芯棒速度Vm是恒定的，而且芯棒速度小于第一機(jī)架的軋輥圓周速度。為此，對(duì)芯棒而言所有機(jī)架均是導(dǎo)前機(jī)架，芯棒對(duì)金屬的摩擦力的方向是與軋制方向相反的。此時(shí)，各機(jī)架的軋件出口速度是恒定的。

Vix =（Vif+Vmfm）/（f+fm）

式中：Vix ——第i機(jī)架的軋件出口速度

Vi——第i機(jī)架的軋輥平均圓周速度

Vm——限動(dòng)芯棒速度

f ——軋輥與厚壁無(wú)縫鋼管之間的摩擦系數(shù)

fm——芯棒與厚壁無(wú)縫鋼管之將的摩擦系數(shù)

這樣，如果按秒流量相等的原則，調(diào)整好各架架的軋輥速度，就可以保證軋制過(guò)程穩(wěn)定性。由于限動(dòng)芯棒連軋管中，芯棒速度小于第一機(jī)架的軋件速度，因而它是一種穩(wěn)定的蟾酥軋制狀態(tài)。使軋制壓力降低，促進(jìn)金屬在孔型中的縱向延伸，并且可采用圓孔型軋制，提高成品管尺寸精度。

但是，芯棒與軋件的差速分布式是不均的，第一機(jī)架最小，以后的機(jī)架逐漸加大，至第七架達(dá)到最大，這種情況使各機(jī)架對(duì)管子的差速軋制效果不同，管子頭尾所得到的茶素軋制效果與管子中部不同。

2 限動(dòng)芯棒連軋管的芯棒速度

限動(dòng)芯棒連軋管軋制過(guò)程中，芯棒的速度是恒定的，且由專門裝置控制的。

芯棒速度對(duì)軋制過(guò)程的影響主要有三個(gè)方面：

1）影響軋制過(guò)程的差速軋制

芯棒速度越低于軋件的差速越大，則差速效果越明顯，可降低軋制力，減少寬展，不僅有利于延伸，并且有利于提高軋后厚壁無(wú)縫鋼管尺寸精度。為使全部軋機(jī)均為差速軋制，芯棒速度應(yīng)低于第一機(jī)架變形區(qū)中軋件的平均速度。

2）影響芯棒的長(zhǎng)度

芯棒全長(zhǎng)為兩部分：工作段和連接桿

可以看出，芯棒速度越快，則軋制統(tǒng)一長(zhǎng)度的管子所需要的工作長(zhǎng)度越長(zhǎng)。

3）影響芯棒的壽命

芯棒速度過(guò)低，相對(duì)速度大，摩擦熱大，會(huì)導(dǎo)致芯棒磨損快，會(huì)使芯棒某些界面受軋制壓力作用次數(shù)的幾率增加，也會(huì)降低壽命。

總之，確定芯棒速度的基本原則，首先是芯棒速度必須低于任一機(jī)架速度，使各機(jī)架均處

于同一方向的差速狀態(tài)，據(jù)此芯棒速度應(yīng)小于第一機(jī)架的軋件速度，然后再合理處理好芯棒長(zhǎng)度與芯棒壽命的關(guān)系，使芯棒不致太長(zhǎng)，壽命也有保證。

5.1.3.6 連軋管機(jī)力能參數(shù)的計(jì)算

計(jì)算力能參數(shù)采用將軋制厚壁無(wú)縫鋼管簡(jiǎn)化成一種等效的平板軋制情況，見(jiàn)圖5-6，原因是三維模型太復(fù)雜難以求解，即使能求解也不能保證結(jié)果準(zhǔn)確。

1 變形區(qū)幾何參數(shù)的確定

1）軋輥工作直徑

由于已經(jīng)將軋管轉(zhuǎn)化成一種等效的平板軋制過(guò)程，如圖5-6，軋管機(jī)軋輥的工作直徑，就相當(dāng)于平板軋制時(shí)的軋輥直徑。

2）等效厚度

軋管機(jī)上厚壁無(wú)縫鋼管的入口和出口壁厚也等效于平板軋制時(shí)的軋機(jī)的入口和出口厚度。

入口厚度：

式中：——厚壁無(wú)縫鋼管平均等效外半徑

——芯棒半徑

——ω/2角所對(duì)應(yīng)的入口處厚壁無(wú)縫鋼管斷面積

ω——ω=為芯棒脫離角

出口厚度：

式中：Av——ω/2角所對(duì)應(yīng)的出口處厚壁無(wú)縫鋼管面積

3）接觸長(zhǎng)度

參照?qǐng)D5-7：

接觸長(zhǎng)度為：

4）接觸角的劃分

用有限元法計(jì)算軋制壓力，并將接觸弧分為N=100等份，每個(gè)單元的坐標(biāo)和寬度為：

Δx = lc / Ns

Ax(k) = Ax(k-1) -Δx

2 相對(duì)速度的計(jì)算

厚壁無(wú)縫鋼管/ 軋輥的相對(duì)速度

厚壁無(wú)縫鋼管/ 芯棒的相對(duì)速度

符號(hào)表示見(jiàn)圖：

3 摩擦系數(shù)的計(jì)算

在軋輥和厚壁無(wú)縫鋼管之間，以及芯棒和鋼掛內(nèi)之間的摩擦系數(shù)是作為厚壁無(wú)縫鋼管/工具間的相對(duì)速度和金屬溫度的函數(shù)來(lái)計(jì)算的。

式中：——溫度

——相對(duì)速度

0 ＜≤0.25 則

0.25＜≤1.6 則

1.6＜≤5 則

4 軋制力矩計(jì)算

一旦已知每個(gè)單元的壓力P1，則可計(jì)算出每個(gè)單元的剪切力。

其累計(jì)值有下式計(jì)算

軋制力矩為：

式中：——

——芯棒直徑

——見(jiàn)圖

——修正系數(shù)

5 電機(jī)功率D1

每臺(tái)電機(jī)所需的功率為：

6軋制力計(jì)算

P=ω·D1 2×1000 ·Pφ·NS·Δx·V m 1

圖5-6軋管與軋板之間的關(guān)系

圖5-7管子/ 軋輥與管子/ 芯棒相對(duì)速度圖

5.1.4 主要設(shè)備及參數(shù)5.1.4.1 軋機(jī)孔型系：

表5-1 軋機(jī)孔型系表

孔型系			φ181			φ235			φ247	φ291				φ310			φ356
管 坯	直徑㎜		210			270			270	310				310			350
	單重㎏/m		270.16			466.59			466.59	588.72				588.72			750.45
毛 管	外徑㎜		220			283			294	340				356			402
	壁厚㎜		20.5~60.0
	長(zhǎng)度m		3.5~11.0
連 軋 后	外徑㎜		181		235				247		291				310			356
	壁厚㎜		4.5~39.65
	長(zhǎng)度m		11.5~34.5
脫 管 后	外徑㎜		173.4			225.8		239				281	285-302.3						323.9-344.1
	壁厚㎜		4.58-39.96
	長(zhǎng)度m		11.78-35.0
軋 輥 直 徑 ㎜	1架	最大㎜	700	730			730				780					780			780
		最小㎜	637	660			660				720					735			735
	2架	最大㎜	700	730			730				780					780			780
		最小㎜	640	660			660				720					735			735
	3架	最大㎜	700	730			730				780					780			780
		最小㎜	588	660			660				720					730			730
	4架	最大㎜	600	650			650				670					670			670
		最小㎜	500	590			590				610					640			640
	5架	最大㎜	600	650			650				670					670			670
		最小㎜	530	590			590				610					630			630
	6架	最大㎜	600	650			650				670					670			670
		最小㎜	504	590			590				610					630			630
	7架	最大㎜	600	650			650				670					670			670
		最小㎜	510	590			590				610					620			620
輥身 長(zhǎng)度		1-3㎜	450	450			450				450					505			505
		4-7㎜	400	400			400				400					480			480
輥頸 直徑		1-3㎜	355	355			355				355					355			355
		4-7㎜	254	254			254				254					254			254
芯棒直徑 ㎜			127.8-171.3	166.6-224			188.5- 235.4				210.3- 277.1					250.3- 295.7			302.4- 338.9
事故叉開(kāi)口直徑㎜			175.5	228			241				281					301			345
入口叉開(kāi)口直徑㎜			180	233			244				286					305			348

5.1.4.2 連軋調(diào)整

1 基本調(diào)整原則

1) 按目標(biāo)長(zhǎng)度計(jì)算連軋后長(zhǎng)度，打印軋制表，輸入輥徑、輥縫、轉(zhuǎn)速、限動(dòng)速度、預(yù)插入

行程，預(yù)穿鞍座高度、芯棒直徑、在線支數(shù)、潤(rùn)滑速度、芯棒位、毛管位、芯棒支撐架、

下夾送輥位置和速度、單輥位置、脫管后輥道位置和速度等參數(shù)。

2)限動(dòng)速度不允許低于86%，特殊情況需要說(shuō)明。限動(dòng)速度選取小于第一架出口速度，芯

棒提前管頭到達(dá)第七架，避免出現(xiàn)空軋，終軋行程在18.5-19.5之間，避免限動(dòng)超行程。

3) 正常生產(chǎn)時(shí)需壓1d㎜（1個(gè)輥縫），可直接壓6、7架，需壓2 d㎜及以上時(shí)，應(yīng)從第

一架開(kāi)始由前向后各機(jī)架壓相同值，以保證金屬流量平衡，增加壁厚均勻性，減少抱棒。

同樣放1 d㎜時(shí)，可直接放6、7架，需放2d㎜以上時(shí)，應(yīng)從7架開(kāi)始由后往前放同樣

輥縫。

4) 軋制力曲線反映各機(jī)架之間速度關(guān)系，堆、拉趨勢(shì)，由于毛管壁厚、外徑、溫度影響以

及各架磨損不同，測(cè)量誤差等，應(yīng)適當(dāng)調(diào)整轉(zhuǎn)速和輥縫，才能真正建立金屬流量平衡。

調(diào)整過(guò)程中要根據(jù)輥縫、電流、軋制進(jìn)行。壓下量?jī)?yōu)先原則和n-1架調(diào)整法，壓下量?jī)?yōu)

先原則也就是調(diào)整時(shí)要根據(jù)情況優(yōu)先保證壓下量的正確和均勻，再進(jìn)行其他方面的調(diào)

整。n-1架調(diào)整法：也就是在正常情況下，當(dāng)n架出現(xiàn)堆拉不當(dāng)時(shí)應(yīng)當(dāng)調(diào)整第n-1架。

① 當(dāng)各機(jī)架的金屬秒流量不平衡時(shí)，機(jī)架間就會(huì)出現(xiàn)堆拉現(xiàn)象（見(jiàn)下面的曲線圖，僅以其中某一架為例）。

連軋調(diào)整時(shí)，要避免堆鋼、拉鋼，因?yàn)檫@兩個(gè)現(xiàn)象對(duì)保證正常的穩(wěn)定軋制和良好的壁厚質(zhì)量不利。當(dāng)生產(chǎn)薄壁管時(shí)，甚至?xí)驗(yàn)槔搰?yán)重而出現(xiàn)厚壁無(wú)縫鋼管拉斷現(xiàn)象。而生產(chǎn)某些規(guī)格的高鋼級(jí)厚壁無(wú)縫鋼管時(shí)，堆鋼軋制很容易引起連軋輥安全臼崩斷，影響生產(chǎn)。

圖5-8 堆鋼軋制軋制力曲線圖圖5-9 拉鋼軋制軋制力曲線圖

t——時(shí)間（s）T——軋制力（噸）

② 安全臼斷裂：正常軋制時(shí)，軋制力某架突然降低20%~50%左右，而且下一架軋制力隨之突然增高，可判斷該架有一個(gè)安全臼發(fā)生斷裂。如果軋制力突然下降60%或更多，可判斷為該架可能有兩個(gè)安全臼同時(shí)發(fā)生斷裂。為了避免判斷失誤，可以同時(shí)查看軋制電流曲線的情況，其形態(tài)與斷臼后的軋制力曲線形態(tài)基本相似。下圖為2架斷臼前后的軋制力曲線，斷臼后3架的軋制力過(guò)高（壓力信號(hào)失真，曲線出現(xiàn)平臺(tái)現(xiàn)象）。

軋輥斷臼后不能繼續(xù)軋制，應(yīng)迅速適當(dāng)調(diào)整各架變形量（重點(diǎn)調(diào)整斷臼機(jī)架的壓下）和各架軋制速度，恢復(fù)正常軋制狀態(tài)，否則會(huì)造成堆鋼事故。同時(shí)，立即通知調(diào)度室，準(zhǔn)備換輥。

圖5-10 正常軋制時(shí)的軋制力曲線圖5-11 2架斷臼后軋制的軋制力曲線

③ 空軋現(xiàn)象。當(dāng)芯棒預(yù)插入長(zhǎng)度、限動(dòng)速度、限動(dòng)行程的設(shè)定值不適當(dāng)時(shí)，常出現(xiàn)第7架軋機(jī)空軋現(xiàn)象，影響厚壁無(wú)縫鋼管壁厚質(zhì)量。

為了消除空軋現(xiàn)象，可在條件允許的條件下對(duì)芯棒預(yù)插入長(zhǎng)度、限動(dòng)速度、限動(dòng)行程的設(shè)定值進(jìn)行適當(dāng)修正，保證芯棒提前于軋件到達(dá)最后一架連軋機(jī)孔型，并且在軋制完畢后才快速返回。

圖5-12 正常軋制時(shí)的軋制力曲線 圖5-13 7架空軋時(shí)的軋制力曲線

④ 軋制力曲線臺(tái)階。例如：由于1架輥速過(guò)高、輥縫過(guò)大，2架輥速過(guò)低、輥縫過(guò)小而引起的變形制度不匹配，軋制力曲線異常（如下圖）。

圖5-14 正常軋制時(shí)1、2架的軋制力曲線圖5-15 變形制度不匹配時(shí)的軋制力曲線

⑤ 毛管壁厚過(guò)薄現(xiàn)象。

圖5-16 正常軋制時(shí)的軋制力曲線圖5-17 毛管壁厚過(guò)薄時(shí)的軋制力曲線

2 換規(guī)格調(diào)整

1) 提前做好將來(lái)值輸入，修正值記錄，熱測(cè)壁厚目標(biāo)值、附加輥縫調(diào)整的計(jì)算工作，并進(jìn)行復(fù)查確認(rèn)。

2) 如果芯棒不換，可在本規(guī)格最后一支料后空約3步，即可讓環(huán)形爐出一支下規(guī)格管坯，再空一個(gè)料位即可連續(xù)出料。如果壁厚由薄變厚（由厚變薄）時(shí)，應(yīng)在輥縫修正值多放（壓）差值2 d㎜，連軋第一架升速（降速）1-2%，注意如脫管后長(zhǎng)度、定徑后長(zhǎng)度、常化入爐長(zhǎng)度接近極限值時(shí)，先不要多壓差值，以免管子超長(zhǎng)，可根據(jù)軋后實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。

3) 如果更換芯棒，壁厚變化不超過(guò)2㎜時(shí)，連軋除正常調(diào)整外，可不做附加調(diào)整。壁厚變化2-5㎜時(shí)，由厚變薄除正常調(diào)整外，每架多壓2-3 d㎜，1架降2%；由薄變厚時(shí)，除正常調(diào)整外每架多放3-4 d㎜，1架升2%，2架升1%。連軋壁厚變化大于5㎜時(shí)，應(yīng)實(shí)測(cè)1-7輥縫，并參考原修正值，考慮軋輥磨損影響、輥縫偏差，進(jìn)行實(shí)際調(diào)整。

4) 換規(guī)格時(shí)根據(jù)實(shí)測(cè)熱測(cè)壁厚，軋制后長(zhǎng)度進(jìn)行調(diào)整。如果有異常應(yīng)檢查熱測(cè)壁后、外徑、溫度等參數(shù)是否正確輸入，熱測(cè)裝置是否到位，影響測(cè)量結(jié)果。

5) 在更換芯棒的同時(shí)，芯棒支撐架、芯棒支撐輥、芯棒位和毛管位同步進(jìn)行調(diào)整。

3 換輥開(kāi)軋

1) 空軋前，輥縫壓到位，測(cè)量準(zhǔn)確，對(duì)發(fā)現(xiàn)異常輥縫要進(jìn)行復(fù)核，并調(diào)整到位。

2) 空軋時(shí)，1架、2架輥縫多壓10-50 d㎜，以保證空軋效果。

3) 開(kāi)軋第一支時(shí)，輥縫1架放30-60 d㎜，2架放15-30 d㎜，其余各架放10-20 d㎜，轉(zhuǎn)速1架降2-7%，2架降1-4%，脫管機(jī)升速1-4%，其余各架不變。1架輥縫放車最多不要超過(guò)第七架輥縫值的50%，限動(dòng)速度降1-2%。遇有高鋼級(jí)開(kāi)軋，毛管外徑大控制不下來(lái)，軋制大孔型等為了順利開(kāi)軋，避免不咬入等發(fā)生，可加大調(diào)整力度。輥縫1架放60-100 d㎜，2架放30-50 d㎜，3-7架20-40 d㎜，轉(zhuǎn)速1架降5-9%，2架降2-6%，脫管升3-8%，限動(dòng)速度降2-3%。

4) 當(dāng)?shù)谝恢к堖^(guò)后，按正常輥縫壓回，轉(zhuǎn)速升回，并根據(jù)實(shí)測(cè)厚壁無(wú)縫鋼管長(zhǎng)度、壁厚進(jìn)行調(diào)整，達(dá)到目標(biāo)值。

4 芯棒循環(huán)使用的參數(shù)調(diào)整

1) 按要求選取限動(dòng)速度，步進(jìn)行程、步距。

2) 經(jīng)常檢查石墨黏度和設(shè)備工作情況，保證噴涂和潤(rùn)滑效果。潤(rùn)滑環(huán)在φ291及以上孔型時(shí)進(jìn)行高度調(diào)整（加墊升高）。石墨噴涂長(zhǎng)度根據(jù)生產(chǎn)和噴涂有效長(zhǎng)度，一般不大于14米。預(yù)穿鞍座準(zhǔn)確調(diào)整，控制好毛管直度，保證順利預(yù)穿和石墨層不被劃掉。

3) 正常軋制時(shí)，控制好芯棒工作段的溫度（80-1200C），這樣有利于迅速蒸發(fā)潤(rùn)滑劑中的水分，石墨潤(rùn)滑劑可以很好的附著在芯棒上，形成一層堅(jiān)固的膜，保證軋制時(shí)的潤(rùn)滑效果。若芯棒工作段的溫度過(guò)高，會(huì)使?jié)櫥瑒┲械娜軇┖芸烊空舭l(fā)，石墨無(wú)法附著在芯棒上，達(dá)不到很好的潤(rùn)滑效果。若溫度過(guò)低，潤(rùn)滑劑也不能牢固附著，容易剝落。

待軋時(shí)間在30分鐘以上時(shí)，芯棒噴石墨上緩沖臺(tái)架，保證石墨潤(rùn)滑效果。

表5-2 各孔型芯棒的預(yù)熱時(shí)間經(jīng)驗(yàn)值：

規(guī)格	時(shí)間（分鐘）	新芯棒時(shí)間（分鐘）
181	＞40	＞60
235	＞50	＞90
247	＞60	＞100
291	＞60	＞120
310、356	＞70	＞150
芯棒預(yù)熱溫度應(yīng)在80-120C范圍內(nèi)。

4) 芯棒支撐架調(diào)整要精確，以輕觸為好，φ291及以上孔型略緊。芯棒支撐架如發(fā)生故障，必須及時(shí)修復(fù)，不允許長(zhǎng)時(shí)間短。

5) 合理控制生產(chǎn)節(jié)奏，發(fā)揮主軋機(jī)的生產(chǎn)能力。

5 新芯棒開(kāi)軋

若使用新芯棒直接開(kāi)軋不做調(diào)整，會(huì)產(chǎn)生劇烈震動(dòng)大，而且容易發(fā)生抱棒事故，影響生產(chǎn)和芯棒使用壽命。為此，應(yīng)做如下調(diào)整：

1) 提前做好開(kāi)軋準(zhǔn)備。

轉(zhuǎn)速1架降1-3%，2架升1-2%，

輥縫6、7架放10-15d㎜。

2) 限動(dòng)速度降1-2%。

3) 適當(dāng)降低出口速度。

4) 如生產(chǎn)厚壁管，軋制力、電流低時(shí)，可適當(dāng)減輕調(diào)整或不做調(diào)整。

同時(shí)，保證芯棒加熱時(shí)間、溫度和良好的石墨噴涂效果。

6 軋制力調(diào)整

5.1.5 MPM連軋管機(jī)軋制工具5.1.5.1 軋制工具的作用

軋制工具是指那些與軋件直接接觸的，并使軋件在高溫下產(chǎn)生塑性變形的，具有一定幾何形狀的工具。

在無(wú)縫厚壁無(wú)縫鋼管生產(chǎn)過(guò)程中，由于軋制工具在空間組成的幾何形狀，決定了產(chǎn)品的形狀和尺寸，因此軋制工具幾何尺寸的大小直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量。在軋制過(guò)程中，由于軋制工具在軋制壓力、高溫、驟冷的惡劣條件下工作，因此在制造工具、工藝上有嚴(yán)格的要求。它一方面滿足軋制工藝對(duì)軋制工具的幾何形狀的要求，使工具的形狀符合金屬變形的特點(diǎn)，另一方面，還要在材質(zhì)及表面熱處理工藝上滿足對(duì)軋制工具壽命的要求。

軋制工具的使用壽命是衡量軋制工具質(zhì)量的主要指標(biāo)。工具壽命降低，則其消耗大，相應(yīng)的提高了產(chǎn)品的成本。同時(shí)，由于更換工具減小了機(jī)組作業(yè)率，從而降低了產(chǎn)品產(chǎn)量。

連軋機(jī)工具主要有軋輥，芯棒，脫管機(jī)軋輥，下面分別討論。

5.1.5.2 限動(dòng)芯棒連軋管機(jī)的軋輥

1 軋輥的設(shè)計(jì)特點(diǎn)

1) 軋輥材質(zhì)采用球墨鑄鐵，提高了表面硬度和耐磨性，保證了軋制荒管的表面質(zhì)量。

2) 291、310、356孔型系由于1-2架軋制力較大，采用鑄鋼軋輥，保證了生產(chǎn)順行。

3) 輥徑的設(shè)計(jì)根據(jù)軋制力大小的不同和各機(jī)架磨損情況的不同，而大小不同，節(jié)約了材質(zhì)。

4) 軋輥結(jié)構(gòu)合理，采用輥身和軸熱壓合。輥身的澆鑄形狀合理，節(jié)約了材質(zhì)，降低了工具重量，減少了工具成本。

5) 輥身澆鑄采用圓弧過(guò)度，減小了應(yīng)力集中，增加了輥身的強(qiáng)度。

2 輥身技術(shù)條件

1) 輥身的材質(zhì)為合金

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