熱軋不銹鋼無縫管的穿孔工藝方法介紹

 穿孔是不銹鋼無縫管生產的重要工序之一，對不銹鋼無縫管的管坯成本、品種規格及成品質量有很大影響。根據穿孔機的結構和穿孔過程變形特點的不同，穿孔機可分為兩大類：一類為斜軋穿孔機，又根據軋輥形狀及導衛裝置的不同而演變出多種類型，如曼乃斯曼穿孔機、狄塞爾穿孔機等；另一類是壓力擠孔機和推軋穿孔機（PPM穿孔機）。目前應用最廣的是二輥斜軋穿孔機。

一、斜軋穿孔

 自1885年發明二輥斜軋穿孔機以來，斜軋穿孔至今仍是最廣泛應用的穿孔設備。主要斜軋穿孔機的類型有：桶形輥穿孔機、狄塞爾穿孔機、錐形輥穿孔機及三輥穿孔機。

1. 桶形輥穿孔機

 二輥斜軋穿孔機由德國的曼乃斯曼（R.&M.Mannesmann)兄弟發明，經瑞士工程師斯蒂弗爾（R.C Stiefeil)加以完善。它的工作運動情況如圖3-1所示，左右兩個軋輥同向旋轉，上下垂直布置的兩個導板固定不動，中間一個隨動頂頭，軋輥軸線和軋制線相交成一個傾斜角。軋輥左右布置，導板上下布置的為臥式穿孔機，相反為立式穿孔機。二輥斜軋穿孔方法的優點是對心性好，毛管的壁厚較均勻；一次延伸系數較大，一般在1.25~4.5之間，可以直接從實心圓坯穿制成較薄的毛管。主要缺點是這種加工方法變形復雜，容易在毛管內外表面產生和擴大缺陷，所以對管坯質量要求較高，一般皆采用鍛、軋坯。由于對不銹鋼無縫管表面質量要求的不斷提高，合金鋼比重的不斷增長，尤其是連鑄圓坯的推廣使用，現在這種喂入角小于13°的二輥斜軋機，已不能滿足無縫鋼管生產中對生產率和不銹鋼無縫管質量的要求，因而新結構的斜軋穿孔機相繼出現。

 2. 狄塞爾穿孔機

 狄塞爾穿孔機是主動旋轉導盤二輥桶形輥斜軋穿孔機，如圖3-2所示，1972年開始見于聯邦德國，是在二輥桶形輥穿孔機基礎上演變而來的。軋輥上下布置，每個軋輥由單獨的主電機通過萬向連接軸直接驅動；左右兩側的導板被兩主動旋轉導盤所替代，因導盤是傳動的，導盤旋轉的切線速度在變形區壓縮帶比軋輥切線速度在軋制軸線上的分量大20%~25%,給軋件施加一個軸向送進力，以減少軋件的軸向阻力?？缀頇E圓度可調近1.0,這樣使最大延伸系數達到5.0,軸向金屬滑動系數增加，毛管內外表面質量大為改善，從而提高了生產率，降低了單位能耗。狄塞爾穿孔機出口速度達1.2m/s,導盤磨損小，使用壽命長，不必經常更換，有利于作業率的提高。

  圍繞提高穿孔效率和穿孔毛管精度，進行了一系列的技術改進。如頂桿采用線外循環冷卻，在機架出口，向一側循環運送冷卻，冷卻后送回穿孔軋制線，由于是線外脫出穿孔毛管送往下道工序，避免了頂桿小車的往復運動，縮短穿孔周期，提高了效率。如機后采用多組定心抱輥，增加頂桿的穩定性，提高壁厚精度。

3. 錐形輥穿孔機

  20世紀80年代又在狄塞爾穿孔機結構特點的基礎上，出現了主動旋轉導盤、大喂入角的錐形輥兩輥斜軋穿孔機，如圖3-3所示。它與狄塞爾穿孔機最大的不同是軋輥的形狀由桶形改為錐形，這種輥形對斜軋穿孔機的適應性來說，優于桶形輥。因為在這種穿孔機上，錐形輥的直徑沿穿孔變形區是逐漸增加的，因此，在很大程度上減少管坯變形過程中的切向剪切應力，抑制旋轉橫鍛效應，改善了毛管內外表面質量，使得許多難穿的高合金鋼管坯都可以在這種軋機上順利軋制。錐形輥穿孔機穿孔效率高，有報道稱最大出口速度可達1.5m/s,有利于高生產率機組選用；軋輥軸線與軋制線間除了有10°左右的喂入角α外，還有一個15°左右的輾軋角γ,這樣可使該類型穿孔軸向滑動系數達到了0.9,最大延伸系數可達6.0,在變形量的分配上，可承擔較大變形，從而減少了軋管機的變形；穿孔擴徑量達到30%~40%,這就不僅可提供薄壁毛管，還可以減少管坯規格范圍，簡化生產管理。錐形輥穿孔機既有配備導盤的，也有配備導板的，目前已建、在建新的軋管機組上兩種配置均有使用。

 狄塞爾穿孔機和錐形輥穿孔機都是當代廣為采用的新型穿孔機，穿孔效率高及產品精度高，適于連鑄坯穿孔。其中錐形輥穿孔機具有更大的發展前途。

二、壓力穿孔

  管坯壓力穿孔常在立式水壓機或液壓機（穿孔機）上進行，圖3-4為壓力穿孔（也稱壓力沖孔）操作過程示意圖。壓力穿孔于1891年問世，它是將方形或多邊形鋼錠放在擠壓缸中，擠成中空杯體，延伸系數為1.0~1.1,穿孔比（空心坯長度與內徑比）不大于7~10。

  與二輥斜軋相比，這種加工方法的坯料中心處于不等軸全向壓應力狀態，外表面承受著較大的徑向壓力，因內、外表面在加工過程中不會產生缺陷，對來料沒有苛刻要求，可用于鋼錠、連鑄方坯和低塑性材料的穿孔。此法加工主要是中心變形，特別有利于鋼錠中心的粗大疏松組織致密化，雖然最大延伸系數只有1.1,但中心部分的變形效果相當于外部加工效果的5倍。主要缺點是生產率低，成材率低，偏心率較大。

三、對穿孔毛管的質量要求

1. 對穿孔工藝要求

 管坯穿孔是熱軋不銹鋼無縫管生產中最重要的變形工序之一，它將實心的管坯變為空心坯，穿孔后的空心坯通常被稱作毛管。我們可以視穿孔工序為定型工序，即將軋件的橫截面定為圓環狀的工序。穿孔后毛管質量的好壞直接關系到下道工序的工藝是否能正常執行以及最終產品質量的高低。為此對穿孔工藝提出如下幾點要求：首先要保證穿制的毛管壁厚均勻，螺旋線較淺、橢圓度小，幾何尺寸精度高，當毛管尺寸偏小、芯棒同毛管間隙過小時，毛管的溫降快，軋制過程中容易產生壁厚不均、拉凹、孔洞等缺陷；其次，毛管的內外表面要光滑，不得有結疤、折疊、劃傷、裂紋、凹凸不平等缺陷；最后要有相應的穿孔速度和軋制周期，以適應整個機組的生產節奏，使毛管溫度比較均勻、終軋溫度能夠滿足軋管機的工藝要求。

2. 確保毛管質量的技術措施

 為了滿足上述工藝要求，除了確定正確的穿孔工藝參數（包括管坯加熱溫度、穿孔溫度、穿孔速度、軋輥轉速和喂入角的大?。┘罢{整參數（輥距、導板／導盤距、頂頭前伸量）外，穿孔機組還應用了如下技術：

  a. 穿孔機架：軋輥垂直布置，使得更換和檢查導盤／導板的時間很短，可確保毛管外表面質量；

  b. 出口部分：頂頭／頂桿從毛管中抽出后頂頭或頂頭／頂桿的冷卻在線外進行。設置頂頭或頂頭／頂桿線外冷卻循環系統，可縮短周期時間，更容易檢查、更換頂頭，另外如采用線外用回轉式冷卻裝置進行頂桿（帶頂頭）冷卻，還可確保頂桿的直度較好，為毛管的壁厚均勻提供了保證；頂頭的循環使用，因冷卻時間充分，使冷卻效果得到保證，從而可以提高頂頭的使用壽命，確保毛管內表面的光滑；

 c. 頂桿及毛管導向：有多組定心輥，第一組定心輥裝在機架內，使其盡量靠近穿孔變形區，以減小頂頭／頂桿的懸臂長度、提高頂桿的剛度，可更好地限制頂桿／頂頭及軋件在穿孔過程中的徑向抖動，確保穿出的毛管壁厚均勻；

 d. 采用頂桿預旋轉技術，頂頭能自動對正管坯的中心，以提高毛管頭部的壁厚精度，并可降低二次咬入時因頂頭／頂桿轉動慣量的阻力轉矩而發生不咬入（前卡）故障的概率。

3. 特殊的工藝要求

  為滿足連軋管工藝的特殊性，對于專供連續軋管機使用的毛管，還有兩項重要的質量指標要求：一是毛管尾部的橢圓度要小，因為毛管尾部橢圓度過大將影響軋管前穿芯棒的順利進行，輕者刮掉芯棒表面的潤滑劑，使軋制過程中震動較大，降低荒管的壁厚精度和芯棒的使用壽命并損傷設備，重者芯棒可能會頂彎毛管，致使生產中斷，這就要求在調整時注意保證穿孔過程即將結束時，毛管尾部的歸圓效果；二是毛管尾部不得存在尾部鐮刀（非環狀連續體部分的俗稱，見圖3-5)缺陷，當毛管尾部存在尾部鐮刀缺陷時，穿芯棒過程中容易將毛管尾部不連續的部分金屬碰掉，一旦這些溫度較低的金屬被帶到毛管中，軋制時將硌傷軋件而產生孔洞管，若這些較硬的金屬掉在軋輥上，將硌傷軋輥輥面而造成鋼管外表面缺陷等嚴重的質量事故。

  如果是向限動芯棒連續軋管機提供毛管，還須向毛管內噴吹氮氣和硼砂，以起到去除毛管內表面的氧化鐵皮、減小芯棒與軋件間的摩擦力、防止軋制過程中抖動的作用。其過程為：抽出頂桿后的毛管，送到吹硼砂站，由一特制的噴嘴向毛管內部噴入硼砂和氮氣，吹掉毛管內部的氧化鐵皮，清除原來的氧化物（硼砂使管內壁的氧化層脫氧，高溫下的硼砂呈熔融態，均勻地附著在毛管內表面上可起到潤滑劑的作用，氮氣能保持毛管內表面不再被氧化）；另外，硼砂在高溫狀態下生成霧狀氣體，充滿管內，以防止在隨后的運動中空氣進入，減少內表面產生二次氧化的可能。這就要求軋管前盡量避免毛管的軸向移動，以防止毛管內表面產生二次氧化，從而確保軋制過程的穩定和軋出荒管的質量。

  限動芯棒連續軋管機組是否能正常運轉，是否能生產出高質量的不銹鋼無縫管，與毛管的各項質量指標（包括溫度的均勻性、外徑／壁厚幾何尺寸的精度、內外表面的光滑程度等）有很大關系特別是與毛管尾部的質量狀況（內徑尺寸偏差和是否存在尾部鐮刀）以及為清除毛管內表面氧化物、防止毛管內表面二次氧化所采取的上述工藝措施的效果是密切相關的。