[科普中国]-压力穿孔

简介

在钢管工业中开发采用压力穿孔制造无缝钢管的新技术，是为了在中等口径无缝钢管生产中，能够直接采用连铸方坯，以达到降底成本，并大幅度地提高产品的尺寸精度和表面质量的目的1。

发展概况压力穿孔技术的发展概况如下:

(1)1972年-1974年的三年中，对使用连铸方坯的压力穿孔法在工业上的应用进行了研究。依据新日铁方式，经过多次技术改进，这种压力穿孔法在工业上实用获得成功。

(2)进一步对其在工业实用方面进行了研究，象斜轧穿孔法工艺那样把压力穿孔法和自动轧管法相结合应用到了无缝钢管的生产过程中。

这项新工艺技术是由新日铁生产技术研究所，东京制造厂通过工业性试验共同完成的。1977年10月以后，在无缝钢管厂采用，几乎100%的使用连铸方坯生产无缝钢管，迄今已逾100万吨。在中等口径无缝钢管生产中曾被认为质量难点的尺寸精度，特别是壁厚不均率都有了明显改善。壁厚不均率平均值为3-4 %,最大可保持在10%以下，这可谓极优良的质量水准2。

研究的背景从1885年曼乃斯曼兄弟发明了斜轧穿孔法作为无缝钢管生产方法以后，近一个世纪以来，一直被当作用以大量生产无缝钢管的主要方法，在此期间经历多次改进，已被作为一种成熟方法为世界多数无缝钢管工厂所采用。曼乃斯曼穿孔法是轧辊轴线与轧制线相交叉成一定角度，使管坯在穿轧过程中获得旋转运动，造成其中心部位容易产生孔腔的状态下用顶头进行穿孔。因此，为了使管坯能经受得住这种极苛酷的加工条件，而对管坯的质量要求很严，一般要求具有一定的锻压比，有的甚至必须剥皮。

用连铸管坯在二辊斜轧机上穿孔，在顶头前容易产生孔腔，这种现象也是形成钢管内表面折叠和其它缺陷的原因，并且在斜轧穿孔中由于伴随着很大的剪切应力，进而恶化了内表面缺陷。而且在二辊斜轧机上直接使用连铸坯也受到品种及大尺寸的限制。所以对一种全部采用连铸方坯生产中等口径无缝钢管的新技术研究，就显得非常必要。另外，中等口径无缝钢管的尺寸精度，特别是壁厚精度比同规格的电焊管差得多，在这方面也期待着采用新技术，使之大幅度改善。

压力穿孔法的起源此种方法最早的起源可见于1897年豪林古斯的专利。1963年卡尔梅斯在西德对压力穿孔技术提出了专利申请，卡尔梅斯压力穿孔法技术原理是使方坯在后推力和轧辊曳入力作用下经顶头穿孔，同时经圆型孔形成圆管坯的方法，此法被称为PPM法。和先前的豪林古斯专利技术相比较，差别在于前者是用顶头完成穿孔后再在孔型中轧制，而卡尔梅斯专利技术是使穿孔和轧制同时进行3。

压力穿孔法的原理分析和基础研究根据蜡泥模拟穿孔机和小型热轧模拟穿孔机上的研究成果，设计并制作了1:3规模的工业试验用压力穿孔机，用以进行了基础研究。试验证明在压力穿孔过程中连铸坯的中心疏松，在顶头前端的压缩应力作用下被完全压实。而后又将此坯料继续在1:4规模的工业试验用斜轧延伸机上进行试验，并对其金属流动性、缺陷的变化、形状尺寸的变化进行了分析，其结果表明连铸坯料经压力穿孔后可以得到内壁质量良好的毛管还，这些毛管坯也十分适用于斜轧延伸等通常制管过程的要求。

另外对工业试验用压力穿孔机的实验结果，利用方向余弦的三维变形解析理论进行分析，得出了轧制负荷计算公式，为工业生产用的压力穿孔机的制造设计提供了可靠的数据。

应用压力穿孔法的新制管工艺的研究开发新制管工艺的目的主要是以大幅度改善所谓生产中等口径无缝钢管难点的壁厚精度为目标。

压力穿孔法和自动轧管法相结合的必要性对中等口径无缝钢管新制造法所使用的主机，根据对生产率和产品质量的要求，选择“压力穿孔机”、“斜轧延伸机”。

“自动轧管机”为基本工艺流程。压力穿孔后的毛坯管为壁厚/外径=25%的超厚峡管，如前所述，毛坯壁厚不均率平均在18%以下，最大不超过25%。由于一台自动轧管机对坯料的压缩量比较小，也不可能得到所期待的壁厚不均的矫正效果。所以用斜轧延伸机将压力穿孔机和自动轧管机连结起来。斜轧延伸机最大压缩比可达到5，另外，为了成品管壁厚不均率达到理想质量指标(平均值3-4%以下，最大不超过10%)，必须在延伸机轧制过程中对壁厚不均具有大幅度的矫正效果才可以。

延伸机对壁厚不均的矫正效果以前，有关斜轧延伸机矫正壁厚不均效果的资料发表很少，技术上的未知点较多。因此在工业性试验斜轧延伸机上对这个课题进行了试验研究。假如选定条件适当(如轧制规程，毛坯管条件，轧机调整条件等)，在斜轧延伸机上对矫正壁厚不均能得到显著的效果。

① 压缩比

斜轧延伸机的压缩比为2-3时，即使毛管坯壁厚不均率达40%的情况下，经轧延后壁厚不均率也可达到10%以下，显然壁厚不均可以得到大幅度的改善。然而当斜轧延伸机的压缩比达到5这样大的程度时，则效果并不理想，壁厚不均并不能得到大幅度改善。

② 坏管条件

毛管的壁厚/外径，程度越大，则壁厚不均的矫正效果越显著。压力穿孔后的毛坯管壁厚/外径≈25%时，对壁厚不均的矫正效果最有利。

③ 机的调整条件

对轧辊压下装置，轧辊倾斜角，导卫装置所进行的研究表明:减径程度越大，轧辊倾斜角越小，则对壁厚不均的矫正效果越佳。

新制管工艺的完成新制管法工艺流程，其特点是有两台斜轧延伸机(1号和2号)，每台延伸机的压缩比录大为2-3左右，显然可以期待取得大幅度的矫正效果。而达到所耍求的质量指标。在工业试验压力穿孔机上和小型钢管厂所进行的制管试验，确系没有发生轧材尺寸等其它方面的问题。

无缝钢管厂采用这种新制管法生产的钢管壁厚不均率的实测值平均为3%-4%，最大为7%-8%。与迄今采用的其它各种制管法相比，钢管的壁厚不均得到了大幅度的改善。

此外，对连铸方坯的使用率几乎达到100%，因而在节省能量，节省资源等方面也取得了显著效果1。