穿孔机简介

穿孔机简介
1.穿孔机的分类
应用比较多的穿孔机有压力穿孔机、PPM推轧穿孔机、斜轧穿孔机；其中斜轧穿孔机包括曼内斯曼穿孔机、Stiefel穿孔机、Diescher穿孔机和锥辊式穿孔机。

压力穿孔机和PPM推轧穿孔机采用的原料为连铸方坯。

穿轧过程中坯料中心处于全向压应力，消除了二辊斜轧穿孔出现的有害的拉伸剪切和滑动现象，毛管表面质量好；但此类型轧机穿孔延伸系数小，穿孔后须配备延伸机，设备投资大，在新建机组中已经很少使用。

曼内斯曼穿孔机是比较典型的二辊斜轧穿孔，采用轧制、锻造圆坯和圆锭为主要原料。

穿孔时受拉伸应力、剪切应力和连续滑动的影响，应力状态条件差，毛管表面质量差，是较老的机型。

Diescher穿孔机和Stiefel穿孔机同属斜轧机，都使用连铸圆坯作为原料。

Diescher穿孔机比Stiefel穿孔机延伸系数大，生产率高，生产成本低。

Stiefel穿孔机最大延伸率为4，而Diescher穿孔机最大延伸率达到5。

因此，Stiefel穿孔机已逐步由Diescher穿孔机所取代。

目前，全世界有Diescher穿孔机10余台。

Diescher穿孔机能在世界上得到广泛的应用，得益于它先进的生产技术。

Diescher穿孔机尽管取得了良好的生产效果，但为了进一步提高延伸率，经过多年工艺技术的研究，产生了更先进的新型锥辊式穿孔机。

新型锥辊式穿孔机采用圆坯为原料，最大延伸系数可达到6；锥形轧辊的直径沿穿孔出口方向逐渐加大，与穿孔时金属流动速度逐渐增加相一致，从而减小了作用在管坯上的周向剪切应力，减少了毛管内外表面上的缺陷，工艺性能优于Diescher穿孔机[2]，是近年新建机组首选机型。

2.不同类型穿孔机应用分析
连铸坯代替轧坯或者锻坯作为原料，是降低生产成本的有效手段。

根据无缝管变形分析研究，采用连铸圆坯比方坯更能减少不均匀变形和降低工具磨损，从而降低生产成本。

采用连铸圆坯作为原料已被普遍采纳。

曼内斯曼穿孔机、压力穿孔机和PPM穿孔机由于使用原料的限制和自身生产的局限性，已不能满足降低生产成本、提高生产率和产品质量的发展要求，已逐渐被淘汰。

作为斜轧穿孔的三种类型，采用连铸圆坯为原料的Stiefel穿孔机、Diescher穿孔机和新型锥
辊式穿孔机，已经得到了广泛应用。

3.小结
Stiefel穿孔机、Diescher穿孔机和新型锥辊式穿孔机都采用连铸圆坯为原料，根据生产率和延伸率等指标的分析，新型锥辊式穿孔机最为先进[3]。

锥辊式穿孔机具有以下优点：（1）穿孔效率高穿孔速度可达1.0～1.5m/s，穿孔周期短，产量高，适合与连轧管机配套使用。

（2）能成功地穿轧连铸坯及难变形的金属由于锥形工作辊及其碾轧角和主动旋转导盘的作用，改善了金属的变形及运动学条件，抑制了金属变形过程中的旋转锻造效应，可穿轧出内部缺陷少、表面质量好、同心度和壁厚均匀性高的毛管。

毛管壁厚不均可控制在3～4%以下。

（3）可实现大延伸、大扩径量穿孔穿孔延伸系数可达6，扩径量达30～40%，扩大了产品规格。

（4）工具消耗少主传动的大导盘磨损均匀，使用寿命长，每4～6个星期更换一次。

而传统的固定导板每个班需更换1～2次。

由于大导盘更换次数少，不仅可减少工具消耗，同时还可以提高穿孔机的作业率。

综合以上分析，新型锥辊式穿孔机在生产效率、生产质量和降低成本方面所具有的优势，决定了新建无缝钢管生产线的穿孔机选型，将以其作为主要考虑机型。

二辊斜轧锥形辊穿孔机的穿孔原理及应用
二辊斜轧锥形辊穿孔机是移居美国的瑞士工程师斯蒂费尔(R.C.Stiefel)于1899年发明的。

100多年来，锥形辊穿孔机在设备结构、工艺技术和实际应用等方面，都取得了重要进展。

特别是1983年日本住友金属公司海南厂的锥形辊穿孔机的投产和相关报道，更引起人们对锥形辊穿孔机的关注。

目前，全世界己有锥形辊穿孔机约20台，但其中约一半分布在中国。

因此，准确地认识锥形辊穿孔机的特点，充分地发挥锥形辊穿孔机的潜力，进一步挖掘桶形辊穿孔机的工艺潜力，这是钢管工作者面临的重要课题。

本文重点对二辊斜轧锥形辊穿孔机的穿孔原理及应用问题进行讨论。

1. 锥形辊穿孔机的穿孔原理
关于二辊斜轧桶形辊穿孔机的穿孔原理，人们已经有了比较一致的认识。

二辊斜轧穿孔与其他穿孔方式不同，它是利用管坯中心区金属裂而未断的疏松状态，将顶头置于疏松区进行穿孔，从而获得穿孔过程的力学、运动学和毛管质量的最佳综合效果。

上述二辊斜轧桶形辊穿孔机的穿孔原理是否适用于二辊斜轧锥形辊穿孔机，文献认为锥形辊穿孔机的穿孔原理“完全不同于曼内斯曼穿孔原理”，它“可以最大限度地抑制曼内斯曼效应的发生”，“消除曼内斯曼效应”。

据此认为，为了实现管坯在二辊斜轧锥形辊穿孔机上穿孔，穿孔机导板(盘)间距b要大于轧辊间距a，即椭圆度b／a>1。

这样，在管坯的中心区必然产生反复交变作用的切应力、拉应力和压应力。

在切应力的作用下，金属发生塑变形;塑性变形的发展，产生微观缺陷，其集合后就形成一种疏松状态。

在切应力和拉应力的作用下，微观缺陷互相连接、扩展和张开，形成孔腔。

上述管坯金属在轧辊的人口端至轧制带之间的变形过程和状态，二辊斜轧锥形辊穿孔和二辊斜轧桶形辊穿孔是完全一样的。

因此，在二辊斜轧锥形辊穿孔机上，管坯也要发生“曼内斯曼效应”，也会出现孔腔。

实际情况也是这样，如在d3180mm-辊斜轧锥形辊穿孔机上使用Φ200m。

连铸坯进行无顶头穿孔轧卡时，在距人口端113mm处(压下率6.92%)出现孔腔;有顶头穿孔轧卡时，b/a=1.1，在距入口端70mm处(压下率4.30%)出现孔腔，孔腔尺寸为43mm ×20mm。

应当指出，在某些条件下，二辊斜轧穿孔的管坯中心可能不出现孔腔，或者说在设定某些条件下可以使二辊斜轧穿孔的管坯中心不出现孔腔。

这是因为二辊斜轧穿孔变形区管坯和毛管金属的变形和破裂有两个特点:
(1)变形区管坯和毛管各横截面沿直径方向变形强度的分布，可以用〔(U
1
+W)
十2U
2〕式表示，简称〔(U
1
十W) +2U
2
〕分布。

这种分布既反映了二辊斜轧穿孔变
形区管坯和毛管金属变形强度变化的阶段性，又反映了各变形阶段管坯和毛管金属变形强度变化的特点，是一种普遍规律。

W形分布解释了管坯孔腔产生的原因，而U形分布则说明了管坯和毛管分层形成的机理。

(2)这种变形分布是一种动态的概念。

由于钢种、工艺因素和工具条件的不同，在某一具体情况下，变形分布又具有特殊性。

例如，如果管坯变形抗力大，轧辊转速高，变形不容易深透，那么，管坯金属的变形就不能形成W形分布，管坯中心自然就不会出现孔腔。

这也是二辊斜轧穿孔金属变形规律的一种表现。

对于二辊斜轧穿孔管坯中心可能出现的孔腔既要控制，又要利用。

管坯中心出现孔腔不等于毛管一定会产生内折缺陷。

只有孔腔表面氧化，再经顶头辗轧才会形成内折。

若将顶头置于孔腔前的疏松区穿孔，既可消除内折，又可提高穿孔速度，减少力能消耗和工具磨损。

最大限度地抑制孔腔的发生，甚至消除孔腔，不是二辊斜轧穿孔合理工艺追求的目标;管坯中心不出现孔腔前的疏松状态，也不是二辊斜轧穿孔的最佳状态。

在二辊斜轧穿孔工艺发展的历史上，关于对孔腔及顶头的认识曾经有几次变化。

最早，是试图利用孔腔获得毛管(不考虑使用顶头)，但实际得到的是中心开裂的管坯;随后，提出使用顶头，设想管坯中心先形成孔腔，然后用顶头把管坯中心的开裂辗平，结果是毛管形成内折;后来，认为不利用孔腔，在保证咬人的条件下，顶头尽量前移，结果是毛管内折消除了，但其力学、运动学的状况不尽合理;最后认为顶头的位置不应该尽量前移，而应该前移到一个合理的位置，即位于孔腔前的疏松区，这是二辊斜轧穿孔工艺的最佳图示。

如果采取工艺措施，最大限度地抑制孔腔的发生，甚至消除孔腔，并在这种条件下穿孔，那么，其变形图示只能是管坯旋转前进，而顶头则在任意位置上不动的挤压变形。

这和上述第只阶段的认识类似，都忽视了二辊斜轧穿孔区别于其他方式穿孔金属变形的特点。

人们把曼内斯曼兄弟首先观察到的二辊斜轧穿孔管坯中心金属的变形和破裂
一孔腔现象称作“曼内斯曼效应”。

纵观二辊斜轧穿孔机发展的历史，从桶形辊到锥形辊，从穿制碳钢到高合金钢(包括部分难变形合金)，管坯金属的变形和破裂除了孔腔现象之外，还有两个典型现象:①管坯和毛管的分层;②毛管金属的扭转变形。

如果把“曼内斯曼效应”理解为二辊斜轧穿孔管坯和毛管金属的变形和破裂现象，那么，“曼内斯曼效应”就应该包括孔腔、分层和扭转变形3种现象。

对于上述3种管坯和毛管金属的变形和破裂现象，人们已经有了足够的认识和相应的对策。

对于孔腔，既要控制又要利用;对于分层，要完全消除;对于扭转变形，要尽量减轻。

管坯在二辊斜轧穿孔机上，包括桶形辊和锥形辊，是怎样穿成和穿好毛管的，概括地讲，就是利用管坯中心区金属裂而未断的疏松状态，将顶头置于疏松区进行穿孔。

同时，通过正确工艺参数的制定和合理工具形状的设计，消除表层金属可能产生的分层，并尽量减轻毛管金属的扭转变形，从而获得穿孔过程的产量、质量和消耗的最佳综合效果。

这就是二辊斜轧穿孔区别于其他方式穿孔的工艺实质。

2.关于锥形辊穿孔机的应用
文献认为，二辊斜轧桶形辊穿孔机已不能适应连铸坯直接穿孔和高合金钢制管的要求，二辊斜轧锥形辊穿孔机解决了曼内斯曼穿孔机穿孔原理的所有难题。

对此，不敢苟同，对于这个问题要进行具体分析。

对于二辊斜轧桶形辊穿孔机不能直接对连铸坯穿孔，而只有二辊斜轧锥形辊穿孔机才能直接对连铸坯进行穿孔的观点，我认为缺少足够的依据。

目前许多钢管生产厂使用连铸坯直接进行穿孔的实践证明，二辊斜轧桶形辊穿孔机也能直接对连铸坯进行穿孔。

随着连铸比的提高，二辊斜轧桶形辊穿孔机使用连铸坯直接进行穿孔制管的比例将不断提高。

在20世纪80年代之所以会提出这样的问题，是因很久以来就有一种看法，认为二辊斜轧捅形辊穿孔机不能对低塑性难变形合金进行穿孔，可能当时人们误把连铸坯视为“低塑性”材料。

实际上，低塑性难变形合金主要是指耐热合金(高温合金、超级合金)和耐蚀合金，其热加工性能的特点是:加工塑性低、变形抗力大、变形温度范围窄。

连铸坯大都是碳钢、低合金钢和部分高合金钢。

和难变形合金相比，连铸坯的加工塑性是较高的。

同一钢号的连铸坯和变形坯比较，连铸坯的加工塑性是低一些，但是，在最佳温度范围内，连铸坯的加工塑性足以满足
穿孔变形的要求。

另外，可能由于当时连铸坯的质量较差，所以把连铸坯的材质问题当作了穿孔工艺问题。

应该指出，直接进行穿孔的连铸坯，一定要满足相关技术标准的要求。

对毛管上的缺陷要具体分析，区分是穿孔工艺的问题还是连铸坯材质的问题，不要把连铸坯材质问题当作穿孔工艺问题，更不能以此否定二辊斜轧桶形辊穿孔工艺。

使用连铸坯直接进行穿孔，人们还担心由于连铸坯中心的缩孔可能使毛管产生内折。

实际上，连铸坯中心的缩孔不是贯通的，而是间隔一定长度断续出现的，在加热过程中连铸坯中心的缩孔不被氧化，因此穿孔时不会产生内折;只有暴露在连铸坯端部的缩孔，加热时被氧化，如较小规格的连铸坯在延伸较大的情况下，管材切头(尾)后，端部才可能残留内折。

现在连铸工艺不断改进，连铸坯质量不断提高，这种情况很少出现。

实践证明，二辊斜轧锥形辊穿孔机能够对高合金钢的管坯进行穿孔，其中包括Cr30Ni4OMo3,Cr25Ni50Mo6和Cr20Ni5OMo9等固溶强化的难变形合金。

日本住友金属公司对高合金钢(包括部分难变形合金)管坯进行穿孔的主要经验是:①锥形辊的辊形，在轧制带后，轧辊直径逐渐增大，轧辊圆周速度的变化与金属流动速度的变化相适应，从而减轻了金属的扭转变形和周向剪切应力，有利于消除毛管的分层;②采用大辗轧角（15°),在保证变形区正常形状的前提下，增大辗轧角实际是增大了锥形辊直径，增大了总轧制力，有利于变形的深透，从而有利于避免轧卡和消除毛管的层;③用大喂入角(16°)，有利于变形的深透和减轻扭转变形，从而也有利于避免轧卡和消除毛管的分层;④管坯咬入时，轧辊采用低的转速，有利子避免轧卡。

实际上，二辊斜轧桶形辊穿孔机也能够对高合金钢管坯进行穿孔，其中包括Cr20Ni4OMo2W2,Cr30Ni4OMo3,Cr2ONi4OMo2AITi,Cr2ON i30Mo3W6等固溶强化的难变形合金。

在二辊斜轧桶形辊穿孔机上对高合金钢(包括部分难变合金)管坯进行穿孔，可能出现的工艺质量问题有3种，即管坯轧卡、毛管裂碎、管坯和毛管分层。

这是高合金钢(包括部分难变形合金)管坯热加工性能特点在二辊斜轧穿孔变形方式上的表现。

提高高合金钢(包括部分难变形合金)毛管合格率的主要工艺原则是:提高管坯的热加工塑性合理确定加热温度，增大喂入角，提高顶头前压下量，在穿孔全过程中使用低的轧辊转速。

轧辊转速在消除管坯轧卡，管坯和毛
管分层中起决定性作用，要重视对轧辊转速的控制。

对比二辊斜轧锥形辊穿孔机和二辊斜轧桶形辊穿孔机，可以看出:在金属变形和穿孔工艺方面，在轧辊入口端至轧制带之间，两者的金属变形完全一样;在轧辊轧制带至出口端之间，二辊斜轧锥形辊穿孔机轧辊直径逐渐增加，减轻了扭转变形和周向剪切应力，比二辊斜轧桶形辊穿孔机变形合理;但是，由于影响扭转变形的因素是多方面的，因此，要想完全消除扭转变形得到类似挤压变形的图示是一件很复杂的事情;两者的轧辊转速和喂入角都是可调的;二辊斜轧锥形辊穿孔机有辗轧角，而二辊斜轧桶形辊穿孔机没有辗轧角或辗轧角很小(≤50°)，但是，当前者的辗轧角选定某一角度固定以后，可能两者又一样了;为了轧制高合金钢(包括部分难变形合金)，二辊斜轧锥形辊穿孔机可以增大辗轧角，二辊斜轧桶形辊穿孔机也可以采取某些措施弥补这方面的不足;另外，二辊斜轧锥形辊穿孔机延伸系数较大，轧管机的变形量分配可以前移，变形分配较灵活。

在应用方面，二辊斜轧锥形辊穿孔机和二辊斜轧桶形辊穿孔机都能适应对连铸坯直接穿孔和高合金钢(包括部分难变形合金)制管的要求，前者变形条件好一些。

实验室的工作证明，二辊斜轧桶形辊穿孔机若要像二辊斜轧锥形辊穿孔机那样减轻扭转变形和周向剪切应力，应驱动顶杆，使顶头沿毛管旋转方向主动旋转。

如果这项技术能在实际生产中应用，那么，二辊斜轧桶形辊穿孔机的穿轧效果就和二辊斜轧锥形辊穿孔机差不多。

在造价方面，二辊斜轧桶形辊穿孔机比二辊斜轧锥形辊穿孔机要低一些。

在20世纪50年代及80年代，都曾经预言二辊斜轧桶形辊穿孔机到了它的技术极限，取而代之的是挤压机或二辊斜轧锥形辊穿孔机。

上述预言的根据就是认为二辊斜轧桶形辊穿孔机不能适应连铸坯直接穿孔和高合金钢(包括部分难变形合金)制管的要求。

现在事实已经证明，二辊斜轧桶形辊穿孔机能够适应连铸坯直接穿孔和高合金钢(包括部分难变形合金)制管的要求，并且对于高合金钢(包括部分难变形合金)在二辊斜轧桶形辊穿孔机上穿孔的主要工艺质量问题是什么，产生这些问题的原因是什么，解决这些问题的措施是什么，都有了明确的回答。

因此，二辊斜轧桶形辊穿孔机似乎目前还未达到它的技术极限，而是在继续挖掘工艺潜力，不断适应上述要求并接近或达到上述要求的最高点。

要根据实际情况充分发挥挤压机和二辊斜轧锥形辊穿孔机的作用，这是完全应该的。

但是，由于难变形
合金管材的需求是有限的，碳钢、低合金钢和部分高合金钢管材的需求是大量的，目前世界无缝管材的产能基本等于或大于需求，再新建无缝管机组提很少的，因此，二辊斜轧桶形辊穿孔机不会被轻意地淘汰，它的历史还不会结束，它将和挤压机、二辊斜轧锥形辊穿孔机一起并存一段很长的时间
3. 结论
(1)在二辊斜轧锥形辊穿孔机上穿孔，管坯也会出现孔腔。

最大限度地抑制孔腔的发生，消除孔腔，不是二辊斜轧穿孔合理工艺追求的目标。

二辊斜轧穿孔(包括桶形辊和锥形辊)区别于其他方式穿孔的工艺实质是:利用管坯中心区金属裂而未断的疏松状态，将顶头置于疏松区进行穿孔;同时，通过正确工艺参数的制定和合理工具形状的设计，消除表层金属可能产生的分层并尽量减轻毛管金属的扭转变形，从而获得穿孔过程的产量、质量和消耗的最佳综合效果。

(2)二辊斜轧桶形辊穿孔机和二辊斜轧锥形辊穿孔机一样，也能适应连铸坯直接穿孔和高合金钢(包括部分难变形合金)制管的要求;而二辊斜轧锥形辊穿孔机的变形条件较好，延伸系数较大，但造价较高。