无缝钢管菌式穿孔机顶头设计

1 绪论

1.1钢管

钢管是经济断面钢材品种这一，在国民经济各部门的用途十分广泛。根据欧9统汁全世界钢管产量从1988年的最高峰7 400万t，一直呈下降趋势，1995年产量大约为5 500万t,8年间减产约四分之一。在钢管产量中无缝钢管约220万t，占40%;焊管约330万t，占60 %;日等一些国家焊管占钢管比例较高，约75%左右在市场萎缩生产能力过剩，竞争更加激烈的情况下，工业发达国家在压缩生产能力的同时，把重点转移到采用新技术对老厂进行改造，扩大品种、提高质量、降低消耗和企业兼并组建跨国集团，以求增加竞争优势。而发展中国家为了自身利益，减少进口 ,建设了许多钢管机组，成为近年来钢管建设的特点。

无缝钢管[2](Seamless Steel Tube)是一种具有中空截面、周边没有接缝的长条钢材。钢管具有中空截面，大量用作输送流体的管道，如输送石油、天然气、煤气、水及某些固体物料的管道等。钢管与圆钢等实心钢材相比，在抗弯抗扭强度相同时，重量较轻，是一种经济截面钢材，广泛用于制造结构件和机械零件，如石油钻杆、汽车传动轴、自行车架以及建筑施工中用的钢脚手架等。用钢管制造环形零件，可提高材料利用率，简化制造工序，节约材料和加工工时，如滚动轴承套圈、千斤顶套等，目前已广泛用钢管来制造。钢管还是各种常规武器不可缺少的材料，枪管、炮筒等都要钢管来制造。钢管按横截面积形状的不同可分为圆管和异型管。由于在周长相等的条件下，圆面积最大，用圆形管可以输送更多的流体。此外，圆环截面在承受内部或外部径向压力时，受力较均匀，因此，绝大多数钢管是圆管。但是，圆管也有一定的局限性，如在受平面弯曲的条件下，圆管就不如方、矩形管抗弯强度大，一些农机具骨架、钢木家具等就常用方、矩形管。根据不同用途还需有其他截面形状的异型钢管。

目前，全世界生产钢管的共计有110多个国家的1850多个公司下的5100多个生产厂，其中生产石油管的有44个国家的170多个公司下的260多个厂。[4]2000年，无缝钢管全国表观消费量为418.0万吨，其中国内供应量的382.1万吨，占国内总需求的91.4%。进口为35.9万吨，占国内总需求的8.59%。同年石油管消费量大约为91万吨。进口约25.2万吨。进口管占国内总消费量的大约70%，其中进口管占国内总消费量的27.69%，石油管进口量约占无缝钢管总进口量的大约70%。从日本进口的石油管占总进口量一半以上。中国最大的石油套管生产基地——天津钢管公司2000年的钢管产品出来为52.20万吨，其中石油套管产量为36.41万吨。套管占全国石油产量的一半以上。在产量和销售量上都占中国套管市场的第一位。

从国际和国内两个市场来看，无缝钢管（包括石油专用管）的现有生产能力均已大于需求。所以，今后的重点应放在充分发挥现有机组的能力，开发出高强度等级、高抗击毁、高抗腐蚀的石油管、高压锅炉管和气瓶管等产品。也是国家

针对当前我国钢铁市场进行优化产品结构的内容。这也是增加在国内外产品竞争力、扩大市场份额的关键所在。就是说，提高国内钢管企业的市场竞争力是加和WTO以后国内企业长期的任务和成功发展的关键。

1.2无缝钢管的制造工艺

1.热轧（挤压无缝钢管）：圆管坯→加热→穿孔→三辊斜轧、连轧或挤压→脱管→定径（或减径）→冷却→矫直→水压试验（或探伤）→标记→入库轧制无缝管的原料是圆管坯，圆管胚要经过切割机的切割加工成长度约为1米的坯料，并经传送带送到熔炉内加热。钢坯被送入熔炉内加热，温度大约为1200摄氏度。燃料为氢气或乙炔。炉内温度控制是关键性的问题.圆管坯出炉后要经过压力穿孔机进行穿空。一般较常见的穿孔机是锥形辊穿孔机，这种穿孔机生产效率高，产品质量好，穿孔扩径量大，可穿多种钢种。穿孔后，圆管坯就先后被三辊斜轧、连轧或挤压。挤压后要脱管定径。定径机通过锥形钻头高速旋转入钢胚打孔，形成钢管。钢管内径由定径机钻头的外径长度来确定。钢管经定径后，进入冷却塔中，通过喷水冷却，钢管经冷却后，就要被矫直。钢管经矫直后由传送带送至金属探伤机（或水压实验）进行内部探伤。若钢管内部有裂纹，气泡等问题，将被探测出。钢管质检后还要通过严格的手工挑选。钢管质检后，用油漆喷上编号、规格、生产批号等。并由吊车吊入仓库中。

2.冷拔（轧）无缝钢管：圆管坯→加热→穿孔→打头→退火→酸洗→涂油（镀铜）→多道次冷拔（冷轧）→坯管→热处理→矫直→水压试验（探伤）→标记→入库。

冷拔（轧）无缝钢管的轧制方法较热轧（挤压无缝钢管）复杂。它们的生产工艺流程前三步基本相同。不同之处从第四个步骤开始，圆管坯经打空后，要打头，退火。退火后要用专门的酸性液体进行酸洗。酸洗后，涂油。然后紧接着是经过多道次冷拔（冷轧）再坯管，专门的热处理。热处理后，就要被矫直。钢管经矫直后由传送带送至金属探伤机（或水压实验）进行内部探伤。若钢管内部有裂纹，气泡等问题，将被探测出。钢管质检后还要通过严格的手工挑选。钢管质检后，用油漆喷上编号、规格、生产批号等。并由吊车吊入仓库中。

无缝管生产分类——热轧管、冷轧管、冷拔管、挤压管、顶管

1.3选题背景暨顶头的重要性

无缝钢管生产过程中，穿孔工艺被广泛应用而且非常经济，顶头也是穿孔工序重要的内变形工具,对毛管内表质量和壁厚都有重要影响，但穿孔机顶头是无缝钢管生产中消耗量最大的关键工具之一，由于穿孔顶头的工作条件恶劣,因而使得它的使用寿命不高。因而本课题在此背景下提出一些针对顶头设计及改善顶头质量的方法，希望能够对穿孔工具的改善提供帮助。

2 穿孔

穿孔是将实心的管坯穿制成空心的毛管、其设各被称为穿孔机。对穿孔工艺的要求是[3]:

(1)要保证穿出的毛管壁厚均匀,椭圆度小,几何尺寸精度高;（2）毛管的内外表面较光滑,不得有结乇折叠、裂纹等缺陷;(3)要有相应的穿孔速度和轧制周期,以适应整个机组的生产节奏,使毛管的终轧温度能满足轧管机的要求。穿孔是无缝钢管生产的重要工序之一，对无缝钢管的管坯成本、品种规格及成品质量有很大影响。根据穿孔机的结构和穿孔过程变形特点的不同，穿孔机可分为两大类：一类为斜轧穿孔机，又根据轧辊形状及导卫装置的不同而演变出多种类型．如曼乃斯曼穿孔机、狄塞尔穿孔机等。另一类是压力挤孔机和推轧穿孔机(PPM穿孔机)。目前应用最广泛的是二辊斜轧穿孔机。

2.1穿孔方法简介

在无缝钢管生产过程中，穿孔工艺被广泛应用而且非常经济。1886年德国的曼内斯曼兄弟申请了用斜辊穿孔机生产管状断面产品的专利，描述了金属变形时内部力的作用和使用两个或多个呈锥形的轧辊进行穿孔，因此被称作曼内斯曼穿孔过程。由R．C 斯蒂菲尔发明的导板使得穿孔后的毛管长度得到增加。后来狄舍尔发明了导盘，使穿孔效率得到更大提高。在1970年出现了锥形辊的穿孔机，它比以前的穿孔机在金属的变形上有明显的改进。无缝钢管生产中的穿孔工序是将实心的管坯穿成空心的毛管。穿孔作为金属变形的第一道工序，由于穿出的管子壁厚较厚、长度较短、内外表面质量较差，因此叫做毛管。如果在毛管上存在一些缺陷，经过后面的工序也很难消除或减轻。所以在无缝钢管生产中的穿孔工序起着十分重要的作用。管坯的穿孔方式有压力穿孔、推轧穿孔和斜轧穿孔。（1）压力穿孔

压力穿孔是在压力机上穿孔，这种穿孔方式所用的原料是方坯和多边形钢锭。工作原理是首先将加热好的方坯或钢锭装入圆形模中（此圆形模带有很小的锥度），然后压力机驱动带有冲头的冲杆将管坯中心冲出一个圆孔。这种穿孔方式变形量很小，一般中心被冲挤开的金属正好填满方坯和圆形模的间隙，从而得到几乎无延伸的圆形毛管，延伸系数最大不超过1.1。

（2）推轧穿孔

推轧穿孔是在推轧穿孔机上穿孔，这种穿孔方式是压力穿孔的改进。把固定的圆锥形模改成带圆孔型的一对轧辊。这对轧辊由电机带动方向旋转（两个轧辊的旋转方向相反），旋转着的轧辊将管坯咬入轧辊的孔型，而固定在孔型中的冲头便将管坯中心冲出一个圆孔。为了便于实现轧制，在坯料的尾端加上一个后推力（液压缸），因此叫做推轧穿孔。

这种穿孔方式使用方坯，穿出的毛管较短，变形量很小，延伸系数不大于1.1。推轧穿孔的优点如下：

坯料中心处于全应力状态，过程是冲孔和纵轧相结合，不会产生二辊斜轧的内折缺陷，毛管内表面质量好，对坯料质量要求较低；

冲头上的平均单位压力比压力穿孔小50％左右，因而工具消耗较小；

穿孔过程中主要是坯料的中心部分金属变形，使中心粗大而疏松的组织很好