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