無縫鋼管連續斜軋工藝與設備分析
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摘 要：所謂的無縫鋼管連續斜軋工藝是指，通過在多組鋼管的軋輥上完成穿孔和斜軋的生產工藝，目前，在無縫鋼管的制作上優勢非常顯著。文章通過對無縫鋼管連續斜軋工藝與相關設備進行分析，并通過試驗的方式，對設備的應用效果進行檢測，希望對提高無縫鋼管的產量有所幫助。
關鍵詞：無縫鋼管;斜軋工藝;斜軋設備;荒管;軋輥
中圖分類號：TG335 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）16-0111-02
Abstract： The seamless steel pipe continuous cross rolling process refers to the production process of piercing and cross rolling on the rolls of multiple groups of steel tubes. At present， the advantages in the production of seamless steel tubes are very significant. In this paper， through the analysis of the continuous cross rolling process and related equipment of seamless steel pipe， and through the test， the application effect of the equipment is tested， which will be helpful to improve the output of seamless steel pipe.
Keywords： seamless steel pipe; cross rolling process; cross rolling equipment; waste pipe; roll
引言
無縫鋼管連續斜軋工藝簡化無縫鋼管制作流程的嘗試，雖然傳統無縫鋼管制作方法十分可靠，且技術成熟性較高，但傳統制作工藝制作出的無縫鋼管，變形能力較差且加工溫度相對較窄，這對鋼管的應用造成了極為不利的影響，致使制作成本大幅度提升，為了簡化流程，降低成本，對無縫鋼管連續斜軋工藝進行探索，具有十分重要的意義。
1 斜軋與縱軋變形的工藝對比
縱軋指的是在軋制鋼管時，變形金屬與軋件流動方向長時間保持一致的軋制工藝，簡言之，就是變形金屬會借助變形孔進行流動，流動的方向為軋管機出口。斜軋是指變形金屬在沿著變形孔流動的過程中，會具有一定的斜向角度，這種軋制工藝相較于傳統無縫鋼管制作工藝，簡化了一定的工藝流程，具有十分顯著的應用效果[1]。
2 金屬斜連軋工藝的原理
金屬斜連穿軋工藝模型由以下部分組成：一是錐形軋輥3個;二是實心管坯;三是桶形軋輥3個;四是頂頭芯棒。然后對實心管坯進行穿孔和軋制，最終完成軋制延伸、穿孔等流程。這種工藝的特點為三輥穿孔軋管，具有非常復雜的變形情況，實現三輥斜軋穿孔功能是其主要的目的，在管坯圍繞著中心線轉動的過程中，在多種作用的影響下，例如：軋輥作用、頂頭作用，繼而完成管坯中心的穿孔，之后，會與軋管產生連軋的關系，繼而達到簡化無縫鋼管制作步驟的目的，所減少的步驟為減徑和減壁工藝，最終完成荒管的制作，以此來滿足金屬斜連軋穿管材的需要。
3 建立數學模型
由于無縫鋼管連續斜軋工藝屬于一種全新的工藝，因此通過數學模型的建立并使用，可以對其應用效果進行分析，有利于促進該工藝的優化和發展。
3.1 建立坐標體系
建立坐標體系是構建模型的首要步驟，基于無縫鋼管連續斜軋工藝中，軋輥分布的特征，本文所選擇的坐標體系分別為S0：x-y-z和r-θ-z。其中S0：x-y-z代表的坐標體系是在斜連軋系統固定的靜態坐標，而r-θ-z則代表在軋件上固定的坐標體系。兩個坐標的z軸位于同一個位置，可以重合，在x、y都為0時，θ的角度同樣為0。
首先可以對穿孔桶形的軋輥局部坐標體系進行設定，設定結果為S1：x1-y1-z1;桶形圓心點是該坐標的原點。然后將S2：x2-y2-z2，設定為頂頭坐標系，頂尖內部是該坐標的原點。最后進行臺肩坐標系的設定，結果為S3：x3-y3-z3;輥肩的最小直徑是該坐標的原點。
3.2 建立方程
由于無縫鋼管斜連軋工藝中的軋件具有不可壓縮性的特點，簡言之，軋件的體積不會發生任何改變，因此，可以將軋件散度視為0。所以在進行工具面的選擇時，可以將流面函數作為主要的選擇，有利于確保所構建的運動許可速度場，可以適用于多種條件。
在斜連軋階段，鋼管會同時受到多組軋輥的影響，如果想要對連續軋制的特征進行保持，必須要與連軋的穩態方程相契合，穩態方程主要是指穿孔與軋制的變形與金屬變形秒流量必須要保持一致，簡言之，就是可以對鋼材的可縮性進行控制，確保金屬流入量等于金屬流出量，與體積不可壓縮條件相符。
由于斜連軋的具有非常復雜的變形過程，因此，與之相匹配的方程也十分復雜，為了便于后續計算，在建立數學模型的過程中，需要在不同的坐標系上建立不同的輥面方程，然后通過轉換坐標，將方程組轉換為坐標表達式[2]。之后，讓柱坐標和靜態坐標進行轉換，最后把上述三個坐標系的方程合為一個坐標表達式，從而列出以下式子：一是R01（θ，z）;二是R02（θ，z）;三是R03（θ，z）。
3.3 建立函數
三輥斜連軋穿管材的過程中，管坯需要經過穿過兩個段，主要是指穿孔段和軋管段，因此下文將一個完整的斜連軋穿過程，分為兩個段進行分析。
應基于穿孔段函數的基本理論，將其穿孔過程分為兩個部分。第一，在軋輥咬入管坯，但沒有與頂頭進行接觸前;第二，管坯在接觸頂頭后，穿孔開始，穿孔結束的時間為，毛管與軋輥相脫離的時間。 在軋輥咬入管坯后，且沒有接觸頂頭，前輥接縫的中性的分布方向為z方向分布，而軋件變形區的分布方向為沿120°分布。繼而得到公式：W1=Q/2（RR（θ，Z）/rRθ1）2。
在上述公式中，通過軋機時的流量由Q表示，而RR表示的內容為軋輥咬入桶形，尚未接觸頂頭前的軋件表面函數。
4 三輥斜連軋工藝關鍵零部件研究
為了使三輥斜連軋工藝滿足設計要求，本文將理論計算結果作為依據，對斜軋工藝設備的基本參數進行明確，并設計了一款無縫鋼管連續斜軋設備。該設備的主要組成部分為兩個軋輥組，毛坯材料自進入后，會經受一系列工序的處理，繼而完成連續斜軋的各項工藝流程[3]。為了提高軋輥送進角以及調節碾軋角的可行性，本次設計對特朗斯瓦爾軋機的結構進行了借鑒，通過對兩組結構進行串聯，促使定位由定位止口負責，并使用螺栓相連接，同時在導軌上安裝穿孔段和軋制段，從而構成主機。
4.1 設計回轉調整機構
無縫鋼管連續斜軋工藝對設備提出了更高的要求，具體表現在送進角和碾軋角的調整方面。在設計過程中，應該對回轉調整機構、壓下絲杠等零部件進行控制和調整，從而實現對斜軋工藝各項參數的調整。例如：送進角、碾軋角等?；剞D調整機構是無縫鋼管連接斜軋設備的重要組成部分，其功能為調整送進角，并促使回轉機架沿著軋制中心線來回轉動，以保證設備中軋輥送進角的合理性。與此同時，鎖止功能也是該設備的功能之一。在一個完整的無縫鋼管連續斜軋設備中，需要調整的回轉機架共有2個，需要對其進行獨立調整，因此，在設計設備的過程中，最好要對這一點進行考慮，設計兩個完全相同的機構，以滿足要求。
回轉調整機構由以下部分構成：一是連接架;二是絲杠;三是銅螺母;四是連桿;五是滑塊;六是回轉調整座?；剞D調整機構在機架的固定方式為回轉調整座固定，而連接架則通過壓下機構與支座性連接，絲杠在調整過程中，可以促使回轉機繞著機架中心進行回轉，也可以利用電能驅動回轉機運動，以達成自動控制。
4.2 設計壓下機構
在無縫鋼管連續斜軋工藝設備中，孔喉直徑是一項非常重要的參數，對其進行設計，并保證設計合理性十分關鍵，斜連軋試驗機的固定機架上總共有6個壓下機構，并且這些壓下機構的結構完全一致。壓下機構的組成部分包括1：絲杠、2：銅螺母、3：連接件、4：壓力傳感器、5：連接支座、6：球面支座。
5 無縫鋼管連續斜軋工藝設備試驗分析
目前，這種基于三輥連軋的無縫鋼管連續斜軋工藝設備，已經進行了大量的試驗，這種工藝作為一種新型的無縫鋼管制作工藝，在試驗過程中，選擇試驗材料為鋼圓棒料，該材料的管徑為4cm、長度為60cm、頂頭直徑為3.1cm，芯棒直徑約為0.3cm。首先，需要將圓棒料的溫度加熱到1160℃，到達溫度點后，迅速將其取出，并放到試驗臺的導槽之中，并通過人工的方式，將其放置于軋機中，繼而管坯會受到穿孔段的咬入，然后借助運動產生的摩擦力，將材料送入到設備內部，繼而達成了穿孔與軋制的不斷變形，直接就可以得到荒管?；墓苄纬珊?，將其取出，經過反復的試驗后，試驗結果表明，這項制作工藝十分有效可行。通過這種方式制作出的荒管，其外徑尺寸為3.8cm，管壁厚度為3mm，鋼管長度誤差僅為500。
為了對軋制段的變形情況進行仔細的觀察，在試驗過程中，對工藝參數進行了一定的調整，具體表現在使斜連軋工藝末端終止穿孔，從而實現軋卡。通過觀察得知，尚未進入的軋制段的鋼管，其表面粗糙度較高，且具有明顯的螺旋線，而在進軋制段后，鋼管的質量十分良好，且管壁厚度均勻。
6 結論
綜上所述，本文通過對無縫鋼管連續軋工藝的優點和作用原理進行分析和闡述，并通過建立數學模型的方式，對工藝進行分析。最后，利用試驗的方法，對無縫鋼管連續軋工藝設備的性能進行測試，結果表明，這項工藝和設備均具有較高的可行性。
參考文獻：
[1]雙遠華，王付杰，王清華.無縫鋼管連續斜軋工藝與設備的探索[J].機械工程學報，2017，53（10）：18-24.
[2]甕艷，秦建平.用于鋼管連續加熱的貫通式加熱爐設計[J].山西冶金，2015，32（02）：49-51.
[3]金如菘.連續軋管機的發展──《無縫鋼管百年史話》（8）[J].鋼管，2015（03）：53-56.
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