高合金难变形无缝钢管的穿孔轧制设备和穿孔轧制方法

摘要

本发明提供一种高合金难变形无缝钢管的穿孔轧制设备和穿孔轧制方法，该穿孔轧制设备包括：加热炉，对管坯和一次穿孔后的毛管进行加热；穿孔机，对加热后的管坯进行一次穿孔或者对一次穿孔后的毛管进行二次穿孔；和轧管机，对二次穿孔后的毛管进行减壁延伸的轧制，穿孔机配备有两种顶头，分别是水冷钢顶头和钼基顶头，在穿孔机进行一次穿孔时采用钼基顶头，进行二次穿孔时采用水冷钢顶头。通过采用基于本发明的高合金难变形无缝钢管的穿孔轧制设备和穿孔轧制方法，成功实现了轧制高合金无缝钢管；且顶头寿命得到了很大的提高，每个钼基顶头平均可轧制30支钢管；钢管内表面质量得到提高，现场废品率大大降低。

说明书

技术领域

本发明涉及钢铁材料生产领域中金属压延加工工艺下的钢管穿孔轧制设备和钢管穿孔轧制方法，特别涉及高合金难变形无缝钢管的穿孔轧制设备和穿孔轧制方法。

背景技术

目前，在冶金企业无缝钢管生产设备中，穿孔机是无缝钢管生产主要设备之一，而顶头是穿孔机在管坯上穿孔的重要工具。

在无缝钢管生产中，通常用机组有自动轧管机组、扩管机组、斜轧管机机组等，其中采用斜轧管机机组生产无缝钢管的工艺流程一般为：加热炉加热→穿孔机穿孔→斜轧管机轧制→微张力定径机定径。

而且，在穿孔用的顶头方面，虽然钼基顶头具有表面硬度高、耐磨的优点，但是因为存在如下的缺点：钼合金顶头在急冷急热状态下工作时易出现炸裂而降低使用寿命、穿孔过程中常出现粘钢或硌坑而影响内表面质量、钼资源缺乏导致钼顶头生产成本高，因而在穿孔工艺中人们逐渐放弃了使用钼基顶头而采用各种改良的钢顶头等普通顶头。

但是，在当前高合金无缝钢管的穿孔轧制方法中，使用钢制顶头存在以下各种问题。

管坯合金含量越高，穿孔时变形抗力越大，顶头寿命越短，穿孔越困难。高合金钢合金含量大于10％，穿孔时采用普通顶头，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，顶头易产生变形，划伤毛管内表面，粘钢后产生内重皮缺陷；由于管坯变形抗力太大，顶头易磨损，破裂，寿命低，甚至难以完成穿孔过程。

在顶头接触管坯前常易出现金属中心破裂现象，当大量裂口发展成相互连接，扩大成片以后，金属连续性破坏，形成中心空洞即孔腔。在穿孔过程中，过早形成孔腔，会造成大量的内折缺陷，恶化钢管内表面质量，甚至形成废品。钢的自然塑性由钢的化学成分、金属冶炼质量以及金属组织状态所决定，而组织状态又由管坯加热温度和时间所影响。一般来说，高合金钢塑性低，穿孔性能差，容易产生孔腔。采用一次穿孔，顶前压下率大，变形不均匀程度大，导致管坯中心区的切应力和拉应力增加，从而容易促进孔腔的形成，影响产品质量。

总之，普通穿孔工艺存在以下不足：普通顶头寿命低；一次穿孔成功机率低；钢管内表面质量差，易产生内重皮、内裂等缺陷。

发明内容

本发明的目的在于解决上述问题，提供一种能够降成功轧制高合金无缝钢管、延长顶头寿命、降低废品率的穿孔轧制方法和穿孔轧制设备。

本发明的第一方面提供一种高合金难变形无缝钢管的穿孔轧制设备，该穿孔轧制设备包括：加热炉，对管坯和一次穿孔后的毛管进行加热；穿孔机，对加热后的管坯进行一次穿孔或者对一次穿孔后的毛管进行二次穿孔；和轧管机，对二次穿孔后的毛管进行减壁延伸的轧制，穿孔机配备有两种顶头，分别是水冷钢顶头和钼基顶头，在穿孔机进行一次穿孔时采用钼基顶头，进行二次穿孔时采用水冷钢顶头。

在上述高合金难变形无缝钢管的穿孔轧制设备中，优选：所述钼基顶头的成份(wt％)为Ti：1.0～2.0％，Zr：0.1～0.5％，C：0.1～0.5％，其余为钼。

在上述高合金难变形无缝钢管的穿孔轧制设备中，优选：所述水冷钢顶头的成份(wt％)为C：0.19～0.23，Si：0.90～1.10，Mn：0.70～0.90，Cr：1.40～1.80，Ni：2.30～2.50，Mo：0.30～0.40，W：1.60～1.70，S：≤0.025，P≤0.025，其余为Fe。

在上述高合金难变形无缝钢管的穿孔轧制设备中，优选：所述钼基顶头为不水冷顶头，其内没有设置水冷装置。

在上述高合金难变形无缝钢管的穿孔轧制设备中，优选：一次穿孔后的毛管在加热炉内加热时毛管的两端封堵有耐高温材料。

本发明的第二方面提供一种高合金难变形无缝钢管的穿孔轧制方法，该穿孔轧制方法包括：利用加热炉对管坯进行加热的一次加热工序；利用穿孔机和钼基顶头对加热后的管坯进行一次穿孔的一次穿孔工序；将管坯一次穿孔后得到的毛管利用加热炉再次加热的二次加热工序，利用穿孔机和水冷钢顶头对再次加热的毛管进行二次穿孔的二次穿孔工序；和对二次穿孔后的毛管进行减壁延伸的轧制工序。

在上述高合金难变形无缝钢管的穿孔轧制方法中，优选：所述钼基顶头的成份(wt％)为Ti：1.0～2.0％，Zr：0.1～0.5％，C：0.1～0.5％，其余为钼。

在上述高合金难变形无缝钢管的穿孔轧制方法中，优选：所述水冷钢顶头的成份(wt％)为C：0.19～0.23，Si：0.90～1.10，Mn：0.70～0.90，Cr：1.40～1.80，Ni：2.30～2.50，Mo：0.30～0.40，W：1.60～1.70，S：≤0.025，P≤0.025，其余为Fe。

在上述高合金难变形无缝钢管的穿孔轧制方法中，优选：所述钼基顶头为不水冷顶头，其内没有设置水冷装置。

在上述高合金难变形无缝钢管的穿孔轧制方法中，优选：在所述二次加热时，毛管的两端封堵有耐高温材料。

基于本发明的技术效果：

通过采用基于本发明的高合金难变形无缝钢管的穿孔轧制设备和穿孔轧制方法，成功实现了轧制高合金无缝钢管；而且顶头寿命得到了很大的提高，每个钼基顶头平均可轧制30支钢管；钢管内表面质量得到了有效控制，现场废品率大大降低。

附图说明

图1是本发明的高合金难变形无缝钢管的穿孔轧制设备的构成示意图。

图2是本发明的高合金难变形无缝钢管的穿孔轧制方法的工艺示意图。

图3是本发明所用的钼基顶头的结构示意图。

图4是本发明所用的水冷钢顶头的结构示意图。

附图标记：

10管坯加热炉； 20穿孔机；   30轧管机；   50输送设备；

300钼基顶头；  310顶头头部；320顶头尾部；340内螺纹；

400水冷钢顶头；410顶头头部；420顶头尾部；440内螺纹。

具体实施方式

通过下列实施实例对本发明进行具体的描述，特别指出实施实例是对本发明的进一步说明，不能理解为对本发明的保护范围的限制。

基于本发明的高合金难变形无缝钢管的穿孔轧制设备主要包括：管坯加热炉10、穿孔机20(带有钼基顶头300和水冷钢顶头400)、轧管机30，其设备构成示意图如图1所示(图1中的穿孔机以二辊穿孔机为例，当然也可以采用三辊穿孔机，具体视实际情况而定，另外，图中箭头表示轧件的走向，“毛管”二字代表该处输送的是一次穿孔后的毛管)。基于本发明的高合金难变形无缝钢管的穿孔轧制方法的主要流程如下：管坯加热→一次穿孔→再加热→二次穿孔→轧管，如图2所示。

其中管坯加热的作用是将管坯加热到适宜变形的温度，该加热过程可以在环形加热炉内完成，但不限于此，也可以在其他用于管坯的加热炉内完成。穿孔机的作用是将实心的管坯穿成空心的毛管，轧管机的作用是将空心毛管进行减壁延伸(实际上在轧制后还要经微张力定径机对钢管进行规圆)。

现在结合附图1、2对高合金难变形无缝钢管的穿孔轧制工艺详述如下：

首先，利用环形炉来加热管坯，在管坯达到规定的加热温度且保温一段时间后整体达到适宜穿孔变形的温度后(步骤S11)，利用出炉设备将管坯出炉并利用输送设备50(比如输送辊道)输送到一次穿孔机进行穿孔，将管坯穿孔成厚壁空心坯(S12)，然后，再用输送设备输送回环形加热炉进行二次加热(S13)。

在利用穿孔机进行一次穿孔时，穿孔机所采用的顶头是钼基顶头，是一种不用水冷的钼基顶头，顶头表面硬度高，耐磨。其成分：Ti：1.0～2.0wt％，Zr：0.1～0.5wt％，C：0.1～0.5wt％，其余为钼。其形状结构如图3所示，该顶头300包括顶头头部310和连接顶杆(未图示)的顶头尾部320组成，在顶头尾部的内部形成有内螺纹340，与连接顶杆上的外螺纹螺合。在穿孔前将玻璃粉均匀涂在顶头表面，一是起润滑作用，二是保证毛管内表面质量。

在利用穿孔机完成一次穿孔后，将得到的毛管的两端用耐高温材料进行封堵后再输送进环形加热炉内进行二次加热，采用耐高温材料封堵毛管两端是为了避免毛管被二次氧化，以保证钢管内表面质量。

与一次加热加一次穿孔的穿孔工艺相比，虽然钢管加热了两次，增加了一些能耗，但是由于采用耐高温材料封堵了毛管的两端，所以减少了钢管的烧损与氧化。与一次加热加两次连续穿孔(用两台穿孔机)的穿孔工艺相比，由于只需要一台穿孔机，避免了投资大运行成本的缺点。

在毛管二次加热达到适宜变形的温度后，将毛管出炉，利用输送设备输送到穿孔机进行二次穿孔(S14)。穿孔过程中，采用了与一次穿孔不同的顶头，此次穿孔采用的是传统的水冷顶头，顶头表面硬度低、不耐磨，顶头易裂。

该水冷顶头的成分(重量百分数wt％)如下：C：0.19～0.23，Si：0.90～1.10，Mn：0.70～0.90，Cr：1.40～1.80，Ni：2.30～2.50，Mo：0.30～0.40，W：1.60～1.70，S：≤0.025，P≤0.025，其余为Fe。

该顶头的形状结构如图3所示，该顶头400包括顶头头部410、连接顶杆(未图示)的顶头尾部420，在顶头尾部的内部形成有内螺纹440，与连接顶杆上的外螺纹螺合。顶头的内部利用从顶杆尾部穿进来的小管引入冷却水，从顶头内表进行冷却。

由钼基顶头换成水冷顶头是在对一次穿孔后的毛管进行再次加热时进行的(S14)，从工作效率的角度讲，更换顶头不会对生产效率有实质影响。

进行二次穿孔后的毛管被输送到轧管机前，进行减壁延伸的轧管工艺(S15)。作为斜轧管机，有二辊式和三辊式，三辊式有阿塞尔(Assel)和特朗斯瓦尔(Transval)两种机型，我们在此使用的是阿塞尔三辊斜轧管机。

与传统的使用斜轧管机机组生产钢管的方法相比，传统的斜轧管机采用一次穿孔工艺，而基于本发明的高合金难变形无缝钢管生产工艺采用了两次穿孔(不同材质的顶头)和两次加热的工艺，其优点分析如下。

采用两次穿孔的原因分析：我们知道，在由管坯变成毛管时，管坯中的合金含量越高，穿孔时的变形抗力越大(即使是相同的变形量)，而且如果利用穿一次孔就达到规定变形量的一次穿孔工艺，因一次穿孔时变形量大，变形抗力随之增大，不但顶头易损坏而且在毛管的内表容易产生内重皮、内裂等缺陷，而且因为穿孔时间长，顶头受热易发生变形，也会对毛管内表面质量带来影响，所以综合这些因素，采用了两次穿孔的工艺。

两次穿孔的特点：正如上内容所述，在第一次穿孔时，利用穿孔机和钼基顶头来将管坯穿孔成厚壁空心坯，加热后再利用穿孔机和水冷钢顶头进行二次穿孔，这样每一次穿孔所需要完成的变形量得以降低，每一次穿孔的变形抗力相应减少，由此减少了穿孔机所需的功率。

总之，通过采用两次穿孔工艺，减少了每一次穿孔的穿孔时间，降低了每一次穿孔时的穿孔压力，减小了每一次穿孔的顶前压下率，防止内表面产生刮伤、内重皮等缺陷。

由于不再采用一次穿孔到位的工艺，而是分成两次穿孔，每一次穿孔的顶前压下率、穿孔变形抗力都得以降低，所以一次穿孔时对钼基顶头的磨损程度大大减少，延长了钼基顶头的寿命，减少了采用钼基顶头进行轧管的成本费用，根据实际测试，每个钼基顶头平均可轧制30支钢管。改变了以往认为钼基顶头寿命短、生产效率低的观点。

通过一次穿孔时使用钼基顶头，二次穿孔时采用钢顶头，既提高了顶头寿命，又有效降低了钼基顶头的费用，而且大大提高了产品内表面质量，使得现场废品率大大降低。