无缝钢管了解张减工艺、掌握本机组张减过程和基本设备组成

无缝钢管了解张减工艺、掌握本机组张减过程和基本设备组成

总述

张减的过程是一个空心体连轧的过程，除了起定径的作用外，还要求有较大的减径率，除此之外，张力减径还要求通过各机架间建立张力来实现减壁的目的。因而其工作机架数较多，一般为12～24架，多至28架，我厂二套选用的是24架，较大总减径率可达72.6﹪。

6.3.1.2 工艺过程

荒管在再加热炉加热至920°～1050°后出炉，在出炉辊道出口进行表面测温后，首先经20Mpa的高压水除鳞装置去除荒管在再加热过程中表面产生的氧化铁皮，然后在张力减径机中轧制成Φ48～168mm外径的钢管，轧后较大管长达80m。本车间选用的24架张减机，较大出口速度为7m/s,张减机配有Sms-Meer的CARTA控制系统，采用该系统可以有效地进行钢管的头尾增厚的控制，平均壁厚控制及局部壁厚控制。荒管出张减机后在去冷床的辊道上进行壁厚、温度、外径、长度的连续测量。测量的结果可用于轧制过程中的闭环控制。

钢管出张减机后，输送到冷床入口辊道处，然后横移到步进式冷床上冷却。

其过程示意图如下：

图6-

6.3.1.3 张减段各设备简介

1) 入口导咀　：内径190mm（对应175mm荒管规格）

2) 张减辊　：二种型式,三辊在打开到圆时，辊缝分别为0.6mm(用于精轧机架加工)和3.4mm(用于工作机架加工)，其图见孔型设计部分。

3) 导向管　：分单向，二位，三位导管（各规格见下一节）

4) 导向辊：根据轧制规格的不同有9种规格（各规格见下节）

5) 张减后飞锯：预留切尾、分段。

6) 测量装置（用于现场工艺控制的参考及闭环控制）

———张减机的轧制功率，轧制力，轧制速度

———出口钢管温度测量

———超声波热态壁厚测量

———钢管长度测量

———钢管直径测量

7) 齿轮箱（三个减速箱体分别减速传动各机架轧辊）

机架#1～#8所使用的减速齿轮和行星齿轮单元

机架#9～#14所使用的减速齿轮和行星齿轮单元

机架#15～#24所使用的减速齿轮和行星齿轮单元

8) 可容纳24架轧机的焊接机座

9) 齿轮机座

10) 电机联接轴、轧辊传动轴

11) 驱动电机机座

12) 油润滑系统

13.) 张减机架，轧机由已装配好的24架三辊机架组成。

6.3.1.4 张减动力系统介绍

我厂二套采用集体差速传动的方式，较大24机架位排放。有三套主迭加电机传动。采用的是三组串列式6电机集体差速传动的方式：

1～8架 1　＃主电机和1＃迭加电机传动

9～14架 2　＃主电机和2＃迭加电机传动

15～24架 3　＃主电机和3＃迭加电机传动

三套主迭加电机分别通过三套齿轮减速箱变速。变速后有24根轴从减速箱输出，成上下交错排列，出来的每一根轴经伞齿轮啮合另两根轴后分别作用一个机架的三个轧辊，采用的是一种集中外传动的方式。

－－1#主电机和1#迭加电机到每一机架的传动比不同。

－－2#和3#主电机到各机架传动比相同。

－－2#和3#迭加电机到各机架传动比不同。

其传动比将在工艺参数中给出。

与一套不同的是，对于单机架的三个轧辊，并不采用单轴输入内传动方式。在减箱的外部，通过两个伞齿轮传动两根轴，这样三根轴以相同的转速输入到机架轧辊。另外，2#和3#主迭加电机到齿轮箱齿轮啮合有两种状态选择，在0的状态下主传动比和迭加传动比均为1，在1的状态下，主传动比为1.3，迭加传动比为1.9，这为各机架选取速度提供了更广阔的范围。

6.3.2 设备参数及工艺数据介绍

内容：各设备参数及轧制时的工艺数据

掌握要点：了解各设备及工艺参数意义

6.3.2.1 产品特性（打括号的数据对应142孔型）

入口荒管外径（热态）　175mm　(132mm)

入口荒管壁厚（热态）　4.2～22.1mm　(3.3～18.2mm)

入口荒管长度（热态）　10.2m～27.5m

出口钢管外径（热态）　48.5　(32.2)　～169.9　mm

出口钢管壁厚（热态）　3.23～22.22　(2.52～18.2) mm

成品钢管直径（冷态）　48.0　(32)　～168.3　mm

成品钢管壁厚（冷态）　3.2～22　(2.5～18) mm

成品钢管长度（热态）　12.4～80m

6.3.2.2 张减机

张减机型号　SRM－310－A24

机架形式　三辊式

传动方式　三组六电机差速传动

机架数　24

机架间距　290mm

单机减径率　5.7%(较大)

轧制力矩　22knm(较大)

轧制力　140kN（较大）

入口速度　0.5～1.4m/s

出口速度　0.51～7m/s（较大）

定径前的除鳞设备

高压水压力：　20Mpa

喷水环类型：　九嘴

6.3.2.3 传动设备

电机数　6

主电机I　（1～8架）　名义输出功率90/900——900KW

较大输入功率162/1620——1620KW

输出速度80/800——2000 rpm

叠加电机（1～8架）　名义输出功率25/250——250KW

较大输入功率45/450——450KW

输出速度80/800——1600　rpm

主电机II　（9～14架） 名义输出功率90/900——900KW

较大输出功率162/1620——1620KW

输出速度80/800——2000　rpm

叠加电机II（9～14架）　名义输出功率25/250——250KW

较大输出功率45/450——450KW

输出速度80/800——1600 rpm

主电机Ⅲ（15～24架） 名义输出功率90/900——900KW

较大输出功率162/1620——1620KW

输出速度80/800——2000　rpm

叠加电机Ⅲ（15～24架）　名义输出功率63/630——630KW

较大输出功率113.4/1134——1134KW

输出速度80/800——1600　rpm

电机过载系数　2

控制系统　CARTA/Technology

更换轧机小车数　2

每车的轧机位　24

附表：

表6- 主迭加电机传动比：

ⅰ 机架	1	2	3	4	5	6	7	8
主电机1	26.5	19.49	14.09	11.35	9.90	8.74	7.71	6.12
叠加电机1	8.835	9.884	11.94	14.58	17.47	22.07	31.42	59.66

表6- Stu=0时

ⅰ机架	9	10	11	12	13	14
主电机2	6.04	6.04	6.04	6.04	6.04	6.04
叠加电机2	无	82.86	39.58	25.28	18.21	13.98

表6- Stu=1时

I　机架	9	10	11	12	13	14
主电机2	6.04×1.3	6.04×1.3	6.04×1.3	6.04×1.3	6.04×1.3	6.04×1.3
叠加电机2	无	82.86×1.9	39.58×1.9	25.28×1.9	18.21×1.9	13.98×1.9

表6- Stu=0时

I　机架	15	16	17	18	19	20	21	22	23	24
主电机3	6.04	6.04	6.04	6.04	6.04	6.04	6.04	6.04	6.04	6.04
叠加电机3	11.18	9.19	7.71	6.57	5.66	4.93	4.54	4.33	4.24	4.2

表6- Stu=1时

I　机架	15	16	17	18	19	20	21	22	23	24
主电机3	6.04×1.3	6.04× 1.3	6.04× 1.3	6.04× 1.3	6.04× 1.3	6.04× 1.3	6.04× 1.3	6.04× 1.3	6.04× 1.3	6.04× 1.3
叠加电机3	11.18×1.9	9.19× 1.9	7.71× 1.9	6.57× 1.9	5.66× 1.9	4.93× 1.9	4.54× 1.9	4.33× 1.9	4.24× 1.9	4.2× 1.9

6.3.2.4 冷床介绍：

钢管经张减机轧制后，将通过辊道和回转臂运送到冷床上冷却，因为冷床较短，为确保冷却效果，有些厚壁管在冷床上需双排布料。

1 冷床的技术性能

冷床按张减出口辊道速度7m/s设计

齿间距200mm

齿高42mm

冷床齿条圆度为R=2mm

冷床较大承载能力为270吨

钢管的滚动倾斜度为16度

冷床输出侧排管输送辊道的辊面标高为 3525mm

管径　32～168.3mm

壁厚　2.5～22.0mm

管长较大　80.0m

较小　12.0m

类型　步进梁式

冷床宽　100m

冷床长　27m

平台高　5m

步进梁间距　分两段　较好段　500mm

第二段　1000mm

2 冷床工艺说明

———动梁与静梁采用齿形错开布置的方式

———管子在冷床上运行周期时间满足18秒的要求

———出料端悬臂太长，梁易抖动，现还末处理

———对于厚壁，大管径的钢管，应采用双排布料方式

3 主要设备简述

一套带梁焊接钢结构的提升移动架

一套带梁焊接钢结构的固定架

一套机架上下摆动支架

一套提升装置轴

一套移动装置轴

6.3.3 质量检查

内容：张减中可能出现的质量问题

目的：知道成品尺寸的公差带，掌握常见质量事故的处理方法

6.3.3.1 张减中易出现的缺陷

1 张减中容易引起的缺陷

◆ 结疤 其原因是出再加热炉时，氧化铁皮粘结在硬杂质残留在管面上，在张减机中压入表层而引起（加强除鳞效果）。

◆ 麻面 主要由轧辊孔型磨损引起，轻者通过修磨孔型来解决，严重要换辊 。

◆ 轧折 主要是单机压下率过大，辊缝设置不正确，还与孔型的正负宽展，速度制度不匹配引起。

◆ 直径超差 由孔型设计不当、孔型磨损或轧机调整不正确所引起。这时一般精轧机架要更换，如果是可调机架，则可以进行微调。注意在微调中会引起一定的椭圆度的增加，所以要根据成品的公差范围和一定的椭圆偏信值来合理选定调整，如果不行，则应更换机架。

◆ 壁厚偏差 主要由来料尺寸波动和各机架张力系数设置不当引起。主要措施是严格控制来料尺寸波动，并根据壁厚超差设置相应的速度制度。

◆ 外径偏差控制

◆ 壁厚偏差控制

下面重点单独介绍两种常见的质量缺陷.

1）　内六方缺陷

定义：当在张减机中轧制总减径量较大的厚壁管时，内部形状可能会出现六角形，通常这种轧制缺陷我们称作内六方缺陷，这种轧制缺陷是由轧制中实际情况决定的。

机理：在实际轧制中，沿管圆周截面压下量不同，造成张力不同，而形成的不均匀壁厚造成的。通常孔型底部压下量大，大部分接触区处在前滑区，形成的张力较大，管壁容易拉簿。在前后机架成60度布置的孔型中，有六个点被反复地加工，增厚减簿，较后总体趋势仍然是减簿，而在孔型底部顶点左右30度处，相对孔型底部金属来说形成一段内六角增厚段，这就形成了内六方缺陷。

方案：通常这种缺陷是可以通过合适的孔型来消除的，其实质就是建立在沿管周方向建立合适的张力条件，通过改善轧辊接触轧件的长度来改善张力条件，保证管周有均匀张力。如Φ84mm的管，若采用1.07　椭圆系数，接触长度为25mm,若采用1.02的孔型，将会达到33.5mm,减小接触长度就能显著减小孔型底部张力，有效防止壁厚拉簿。不过这种改变不是几个机架就能做到的，有时甚至需要10多个机架来实现。

质量参数（工艺人员掌握）：

内六方尺寸Sa和Sb值

(ΣSb-ΣSa) /6

PN=　———————————

0.135(Da/2-ΣSa/6)

(ΣSb-ΣSa) /6

PN=　———————————

(ΣSbΣSa) /6

式中：Sa————　孔型底部壁厚

Sb————孔型底偏离30度的壁厚

Da————在Sb方向上测得的直径

离心率E=(Smax-Smin)/(Smax Smin)

Smax为取6个或12较大测量值的平均值

Smin为取6个或12较小测量值的平均值

2）　青线

定义：这是在轧制中辊缝处形成的一种纵向的轧制痕迹，俗称青线。

机理：由于减径率太大，而在辊缝处形成的。一般在前一机架轧制时辊缝处形成的小凸痕可以在下机架轧制时轧入轧件内，但会加大下一机架的轧件宽展量，如果连续几个机架都出现这种情况，很容易出现过充满，这时，除了表面青线存在外，还可能出现轧件内部轧折。一般在孔型中可以通过合适的宽展有效改善。

方案：选择椭孔型用负宽展轧制，尽可能用小的单机架减径率分配方案（具体根据提供的孔型特点选择）

2 实际操作中质量控制操作

1） 换规格时，仔细检查每一机架，仔细核对，确保无误。

2） 取样分析

外径－－将钢管停在张减输出辊道

－－氧化陷切头

－－冷却切头

－－截面上取两个互相垂直的位置来检查尺寸

壁厚：用手提超声波测厚仪检查时，取互成45度角的8个点测值并取平均值

长度：在张减出口辊道上设置参考点得到钢管长度检查

－－入炉前管坏重量

－－成品管直径

－－成品管壁厚

外表面：凹痕－－再加热炉时过氧化所致

步进梁印痕－－步进梁上氧化物没被清除干净所至

折痕－－薄壁管轧制时连轧材料缺陷所至

孔洞－－带有横向趋势的裂孔

结疤－－连轧孔型磨损所致

内表面：内折　－－穿孔造成鳞状物和材料破损

内直道－－芯棒划痕所至

内结疤－－除末完全反应形成的残余物在钢管内表面造成的压痕，形成的凹坑。

3 产品尺寸规格公差要求

外径公差：±0.3mm (OD<Φ100mm)

±0.3% (OD≥Φ100mm)

壁厚公差：（公差检查按2σ统计法）

s<5mm ±6.5%

5mm≤s<7mm ±6.0%

7mm≤s<10mm ±5.0%

10mm≤s<13mm ±4.0%

s≥13 ±3.5%

6.3.4 关于可调机架

6.3.4.1 几个重要公式的推导

如图中所示：

sinβ/e　=　sinø/ro

,由三角关系：

ro/ sinø　= r1/　( sin　(ø-arcsinβ)　)

cosø× sinβ

r1　=　ro× cosβ-ro×——————

sinø

r1　=　ro×cosβ-　cosø×e

sinø×e 2 0.5

r1　=　0.5×　(1- (———) ) - cosø×e

ro

r1=A

图6-

ro　=　B e

4ro　^　2-3e　^　2　=　4A　^　2 4A×　e　e　^　2

A^2 B^2-AB

ro　=　———————

2B-A

A^2-B^2

e　=　———————

2B-A

代入各A值和B值就能得到各孔型的半径和偏心距，以及wa和wd　值，有公式计算，见可调机架。

如通过计算得到

r22　=　(25.21 ^2 24.63 ^2-25.21×24.63)　÷　(2×24.63-25.21)

=　25.000mm

e22　=　(25.21 ^2-24.63 ^2)　÷　(2×24.63-25.21)

=　1.000mm

辊缝初设Go为3mm,圆角半径为3mm,则可计算此时的辊缝为

G22 = Go-2×cos30×e22

=1.268mm

对于可调机架，因孔型增均直径与管径微小差而需要重调轧机，这时取平均直径系数1.65。设直径的修正值为x

则很容易求得1.65×(e2-e1)　=　x,　这里不再推导。

此时新的辊缝值G22’　=　G22-1.732×　(x/1.65)

例如假设外径要调整0.02,则新的辊缝值为1.2449mm

6.3.4.2 可调机架的压下原理

图6-

图6- 轧辊图

我厂二套设计的孔型的轧辊形式有两种：

如图所示：

具体加工时，根据需要加工成各个机架孔型a,b值计算轧辊半径来选择相应可用来较经济加工的轧辊，再据a,b值计算直径Wd和偏心距Wa值。一套孔型中每一个机架的孔型直径都是不一样的，需要根据设计的数据进行加工。而其加工原理事实上也正是可调机架的调节原理。（可调机架的压下时就等效于工具加工中的偏心距Wa值增加，他们之间有非线型的函数关系，推导略）

二位导管（占两个机架位）

三位导管（占三个机架位）

图6-

较好张表格为AO孔型系列

第二张表格为AR孔型系列

第三张表格为BR孔型系列

6.3.7 工艺控制参考

6.3.7.1 关于头尾增厚的控制

和管子的整体部分相比，管子的尾端的延伸率是逐渐减小的，这主要是为稳态轧制设计的主叠电机速比引起的。在管的尾端这种速比一般不高，不足以建立实际较大的张力。另外，即使有较大可能的张力能够在管端建立，它也是不充分的，管的远端在一个很短暂的阶段不能产生轧制所必需的稳态张力。

在稳态和叠加变形的短暂阶段中张力作用的不同正是我们探索管端壁厚增厚数量的方法的出发点。

我们从轧制方向上看壁厚的断面，管头和管尾是不一样的，这是因为他们产生的原因略有不同，而且管端较大的壁厚值，壁厚增厚的部分和和壁厚增厚段纵向的长度在管的头尾都可能是不同的。

管尾增厚段的长度可能是管头增厚段长度的两倍，尤其当减径量和张力较大的时候。

以下是管端增厚的几个因素

1 平均张力的增加

2 总减径量增加

3 机架间距增加

4 每个机架的减径量增加

5 管径和轧辊直径比增加

6 摩擦力减小

7 径壁比增加

在测量和计算管壁增厚剖面的基础上总减径量和平均张力对管尾增厚的影响被举例证明在图解中。并且，在实际管生产中以下因素是对管端切头切尾损失百分数比较重要的：

※ 整个轧制过程张力的进行

※ 电机的控制响应

※ 输入金属壁厚的均匀性

通过主迭加电机在轧制时的速比调节，可能减少金属切头切尾的损失：

在轧制开始时，在轧机的入口段用尽可能大的张力增加量，而在抛钢段，用尽可能大的张力减少量，因为这样与静态速度相比张力峰值减少了，而且在管端部分尽可能大的创造了和稳态轧制时相同的张力条件。

这种方法的缺点是：

※ 轧辊磨损增加

※ 可能加大出现表面缺陷钢管的数量

并且，尤其在抛钢阶段

◎ 可能出现钢裂纹

◎ 对依靠孔型和轧辊参数的内表面会有不利于变形的条件产生

因此，较期望的操作是在现场对轧制不同钢段设置较适宜的速比，即从稳态到抛钢段，让两者都尽可能的处于良好状态，使其能得到满意的产品质量和较高的生产率。

6.3.7.2 孔型设计：

考虑到一定孔型的轧辊被大量制造，则他们的轧辊孔型用尺寸D，α或者a和b明确定义

在进行孔型加工时，并没有从机架里边移出轧辊逐个加工。所有的轧辊都用一个切削工具同时加工。一起加工三个轧辊优于单个加工，因为这样能避免装配误差。

6.3.7.3 孔型加工的原则：

当切削工具和轧辊接触时，轧辊很慢的旋转，此时工具离轧辊中心线有个WA的距离。在任何时刻三个切削刀刃仅和三个轧辊中的一个接触。通过工具头旋转，轧辊被沿着工具直径WD加工，它由三个切削刀刃组成。由于轧辊加工被作用在机架中心线前的一个点上，所以轧辊孔型变成椭圆形。孔型的椭圆度随着WA的增加而增加。

孔型的形状由选择的加工机械的偏心距WA和直径WD定义。加工尺寸联系由以下公式给出：

A^2

WD=（B-B^2/RR-A/2 A^2/RR） 0.75　-----------------------------

B-B^2/RR-A/2 A^2/RR

WA=　√ (RR/2-B)^2-(RR/2-WD/2)^2

D=A B;　α=A/B

被工具加工之后在边缘留下的刺必须被除去，边缘的圆弧半径大约应该在1.5～2.5㎜

6.3.7.4 椭圆和圆孔型的应用

轧制缺陷随着以下趋势而出现：

1 管壁与管直径比增加总减径率增加管椭圆度和孔型椭圆度增加出现内六方的趋势增加，一般来说，壁厚的非均匀程度也随着每机架减径率的增加而增加。

2 如果一个孔型系列是这样的孔型它能使直径在辊缝处被减少的话，则在这种孔型中，小壁厚的管子很容易在持续的辊缝加工中引起轧制印痕。这种轧制印痕将不再影响精轧辊的质量，如果壁厚在临界点（一个生产实际中的经验值）以上的话。

据以上分析，想提议：薄壁管在椭圆形孔型中，而厚壁管在圆孔型系中会被更好地轧制。

注：薄壁管在圆孔型中易出现青线

厚壁管在椭圆型中易出现内六方

经验告诉我们：

如果成品管壁厚与直径的比值大于9%～12%的话，圆孔型系的应用是不可缺少的，否则，内部质量将会严重的被影响。因此，当和大口径的管都需要生产时，把轧制计划细分成圆孔型和椭圆孔型是有必要的。

这意味着一个减径系列不得不分成两套轧制孔型。

这样一种方法使得有足够机架数量可利用率和有效的孔型调整能力成为必要。在实际中，为了减少轧制计划中必要的孔型改变，应尽可能多地把产品轧制计划安排在一个较小减径率的孔型当中，因为较大直径和中间壁厚的管能被轧制成没有轧制印痕的管子。