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布朗克斯钢管矫直机


钢管矫直

钢管矫直
无论是什么生产工艺,连续焊管、 拉拔、挤压 、皮尔格热轧或者任何其他 工艺,几乎所有钢管在其生产过程中的 某个阶段都需要进行矫直。 矫直圆形钢管最有效且产量最高的 方式就是采用斜辊矫直机。 斜辊矫直机是将它们的辊子对走钢 线成一定角度安装,这样钢管可以旋转 着通过矫直机。

图1.

借助弯曲进行矫直
六辊矫直机 十辊矫直机 碾轧或改善椭圆的效果

各类型矫直机的 通用方法是施加给钢管 的每个部分一个比被矫 直材料屈服点高的应力 ,然后再逐渐消除这一 应力。 两种矫直机都是借 助沿钢管轴线上通过弯 曲对钢管产生一应力( 在图1中箭头表示弯曲 载荷)

三处进行碾轧

五处进行碾轧

弯曲效果

弯曲效果中的弯曲力

只施加一次高于屈服点的应力 施加三次高于屈服点的应力

拉伸及压缩载荷
除此之外,六辊和十辊矫直机还都可以施加一碾轧或归圆的载荷, 这个力也有助于达到所期望的矫直效果(见图2.)。事实上,当钢管通 过矫直机时是旋转的,这就使得钢管的每一部分都可以被辊子压到(见 图3.)。为了保证达到这样的效果,每对辊子的间距就要设计成在管子 上施加压力的带宽要有搭接。 图 2. 图 3.

产生的拉应力 产生的压应力

在钢管只承受碾压载荷时的冯· 米塞斯等效应力(屈服准则)

在C-D线上的应力

等效应力轮廓线

钢管外壁
在A-B线上的应力

钢管内壁

钢管外壁

钢管内壁

碾轧及弯曲载荷
? 通过六辊或十辊矫直机能够在钢管上施加碾 轧载荷具有如下益处: A) 管子端头到断头的直线度得到改善; B) 有一定椭圆度的管子得以归圆。 ? 如果要想通过沿钢管轴向施加弯曲载荷以达到 矫直钢管的目的的话,很显然只有当钢管整个通过 处于有支撑的辊子下才能得以弯曲。因此在管子端 头进到第二对辊子前和尾部离开第一对矫直辊时, 是不能得到矫直的。换言之,因为不能弯曲,在一 个大约相当于工作辊中心距的长度的两个管端是得 不到矫直的。

碾轧及弯曲载荷
? 在我们的六或十个相向安装的辊子矫直机中, 由于碾轧而产生的应力,比起其他的矫直方法来, 对头部和尾部的直线度有显著的改善。除此之外, 在管子上的椭圆度得以明显减小。 ? 实践中还发现,通过采用对被矫直的管子综合 实施碾轧和弯曲,可以得到最佳的直线度,而每种 载荷的比例取决于管子直径、轧辊尺寸和中心,以 及管子直径与壁厚的比例等。

六辊和十辊矫直机的优点
? 六辊和十辊矫直机比起其他类型矫直机在设计上的一个主 要优点就是接触管子的所有辊子都是驱动的。如果不是这样 的话,那么在矫直机的入口处,管子必须要将一个或多个固 定空转辊加速到矫直速度。这就不可避免地造成一些打滑并 且相应地在头部造成划痕,从而使那些表面有特殊质量需求 的管子达不到要求。 ? 六辊和十辊斜辊矫直机的工作辊辊形具有较长的双曲线, 因此可以使碾轧及弯曲载荷尽可能长地分布在管子上,从而 减少了接触压力,以及造成外部和内部矫直痕迹的趋势。 ? 长的工作辊包罗线还能保证管子被完全包住并且不需要 额外的导向装置控制管子位置,也避免由此产生的划痕。

六辊与十辊矫直机的比较
选择十辊矫直机,而不采用六辊主要有两个原因,即: ? 质量更佳,直线度更加恒定 ? 在维修及直线度都在可接受的范围内,追求较高的 生产速度。 除了上面两点,还应考虑到设备投资成本的增加,因为 多出了两对工作辊。

BRONX/TAYLOR-WILSON 布朗克斯/泰勒-威尔逊10CR5矫直机

BRONX/TAYLOR-WILSON 布朗克斯/泰勒-威尔逊

6CR11 – 矫直加厚端管的 重型矫直机

六辊与十辊矫直机的比较
在任何交叉形式斜辊矫直机所达到的直线度可 归纳为,取决于在管子通过矫直机时,施加在管子 每个单元上应力反向的次数。应力反向的次数越多, 所能达到的直线度越高、越恒定。 施加在管子上的应力反向次数可以通过两种途 径增加: ? 增加工作辊的对数,由此而增加将管子压至 屈服强度以上的额外的点,可以对钢管进行碾 轧及/或弯曲 ? 在管子通过矫直机任何一段距离,增加管子 的旋转次数。

增加工作辊对数
? 在六辊矫直机上,很显然管子在三处可能通过 碾轧将管子压到屈服点以上,即:在入口、中心和 出口的各对工作辊处。此外,所需的管子屈服点以 上弯曲矫直只有一次,即在中间的一对工作辊处。 ? 在十辊矫直机上则多了两次施加给管子的碾轧 机会,而管子屈服点以上的弯曲矫直则发生在三处, 即第二、第三和第四对工作辊处。 ? 十辊矫直机提供了更多的应力反向,因此,相 对六辊矫直机而言,在类似应用情况下,直线度质 量更好。

工作辊角度对 应力反向次数和矫直效果的影响
? 两个工作辊轴线与被矫直管子轴线之间角度越小,管子 通过矫直机时行进同样的离,其旋转的圈数越多,因此,也 就承受更多次的应力反向(假设工作辊曲线相同)。 ? 然而,角度太小,矫直机产量会受到限制,在选择十辊 还是六辊矫直机,需要在矫直精度、产量和投资成本做出权 衡。
辊子 数量 6 6 10 10 辊 辊 辊 辊 矫直角度 所需要的矫直直线 度等级 矫直速度 平均(90 m/min) 慢(60 m/min) 平均(90 m/min) 快 (220 m/min)

平均(30°) 一般(1/1500+) 较小(<25°)好(<1/2000+) 平均(30°) 极好(<1/4000+) 较大(45°) 好(<1/2000+)

十辊优于六辊矫直机的其他特点
在六辊矫直机上只有一种工作辊设定方法,也 就是中下辊高出前后辊,产生一个正挠度的弯曲矫 直;而十辊则有三对辊子可调整矫直挠度,这在一 定情形下是有好处的。

实际设备设计所考虑的问题
? 典型的设备设计不管六辊还是十辊基本上是 一样的,下面具体的实例是按十辊设计来叙述的。 前面提到的理论矫直要求必须通过实际设计的矫 直机来满足,矫直机要具备覆盖很大直径范围的 钢管,很好的可靠性和足够快的生产速度。 ? 矫直过程中所施加的载荷是靠坚固的钢结构 顶盖和底座来承受的,顶盖和底座是靠数根圆形 钢立柱连在一起的。底座支撑五个下工作辊,每 个工作辊安装在一对轴承座之间,靠螺栓把在辊 子托盘上,每个辊子托盘通过一圆孔安装在底座 上。顶盖的设计总的来说是类似的设计和结构, 用以支撑五个上工作辊。

为矫直加厚端管子而设计的快开
在矫直机生产线上,矫直机的辊缝设定成允许加 厚端通过。当管子以慢速咬入时,管端在切断安装在 第一对辊子处的光栅时,即启动了延时,上工作辊按 信号闭合,压在正常管径的管体上。闭合动作极为快 捷,保证在加厚端结束处就有辊子接触上进行矫直。 同样在第二和第三对辊子处也安装了光电管,在加厚 端通过后上工作辊闭合,在第三对工作辊闭合后,主 传动开始加速,直到设定的正常矫直速度。 在入口槽的一个光电管感应到管子的尾端时,在 尾端靠近矫直机时,主传动减速到咬入速度,控制系 统的三个延时顺序给信号打开入口上辊、中上辊和出 口上辊,以便让加厚端通过各对矫直辊。

实际设备设计所考虑的问题
? 为了对所有直径的管子进行矫直,每个上辊 的位置借助一丝杠机构进行调整,每个辊子在 导向孔内垂直调整位置。第二(六辊)、第三和第 四(十辊)个下辊也有类似机构,以便调整施加在 管子上的挠度。 ? 为了保持管子与辊子接触的最大长度,在不 同管径下要调整矫直角度,这是通过一导螺杆 和螺母转动辊子托盘实现的。

实际设备设计所考虑的问题
? 为了有助于设备调整的重复设定,通常提供 有显示工作辊垂直和角度位置的功能,在小矫 直机上可能是安装在手轮上的指针转盘,而在 大矫直机上则为带数字编码器的调整机构,显 示在操作工控制界面上。 ? 当所有辊子的角度及垂直位置都设定得适合 所要矫直的管子规格及钢级时,每个辊子的位 置就要锁紧。在小矫直机上可采用手动夹紧螺 栓,大矫直机通常采用短行程液压缸锁紧工作 辊托盘轴。

实际设备设计所考虑的问题
工作辊主传动采用两台同样的电机和传输设备 分别传动上工作辊和下工作辊。每个传动包括带五 (三)个输出轴的减速及分配齿轮箱,通过万向轴驱 动每个工作辊。万向轴要适应工作辊必要的角度及 垂直方向的运动范围。

工作辊位置设定
? 如上所述,矫直机通常都有工作辊角度和垂 直位置的显示,以便了解设定是否合适,并记 录下来,以便在以后生产类似产品时调用。现 在都可以通过HMI系统实现,操作工只需要输入 管子的参数,如管径、壁厚和材质,矫直机即 可建议一个最佳的设定方案,只要操作工接受, 矫直机即可按照建议的方案自动进行设定,操 作工再辅助以“微调”达到最佳的调整效果。 ? 所需要的设定计算是通过数学模型、查表 法,以及参考已经用过的数据库和这几种方法 的综合而得到的。

工作辊位置设定
另一个有助于了 解矫直过程的工具是 压力传感器,它们可 给出工作辊实际施加 在管子上的载荷。这 些测量的读数可显示 出矫直同类管子时的 变化,由此可决定是 否需要进行修正矫直 设定,在不考虑辊子 磨损情况下保证矫直 机设定的重复性。

重型设计的矫直机
管子矫直机的重型设计是 在考虑矫直高屈服强度、大 壁厚API质量的石油专用管而 开发出来的。 辊子支撑方法 : 六个辊子的每个辊子都借 助轴承座安装在钢制托盘上。 辊子托盘需要进行角度调 整,它插进重型钢制辊子底 座上。 每个辊子底座都有四个很 对称的滑套,各在一个角上, 以便在主机立柱上进行上下 滑动。

重型设计的矫直机

重型设计的矫直机
三个上辊和中下辊 都各装备有两个蜗轮蜗 杆机构,以便在同一垂 直面上调整辊子的上下 位置。丝杠机构安在辊 子轴承座的正下方以消 除施加到辊子托盘上的 任何弯曲载荷,并在管 子咬入和离开辊子时提 高辊子的稳定性。


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