方管轧辊装置、含该装置的方管定方机及方管的生产方法

技术领域

本发明涉及冶金领域，具体而言，涉及一种方管轧辊装置、含该装置的方管定方机及方 管的生产方法。

背景技术

方管，是方形管材的一种称呼。作为一种经济高效的钢材，主要应用于工程建筑领域， 包括钢结构住宅、主厂房、锅炉钢架、市政建设以及机械制造等领域。目前，北京、天津、 上海等地兴建了一批钢结构住宅试点示范工程，是由方(矩)管柱和H型钢截面组合的纯钢 系统，其中方(矩)管用量占建筑业用型材总量的50％以上。

目前，方管生产工艺主要有焊接、冷推、冷拔或冷轧。焊接方管是采用定弯曲半径、弯 曲中心内移的冷弯直接成型法，并利用高频电流的集肤、临近、吸引、强互感的原理，将钢 板焊接成具有一条焊缝且夹角为90°的尖角方管。采用焊接工艺生产的方管焊缝处的几何尺 寸、力学性能、化学成分及金相组织等难以与母体完全一致，其机械性能较母体材料差，不 适用于建造钢结构住宅。

冷推、冷拔或冷轧方管是以热轧或焊接毛管为原料，经酸洗除去氧化皮后进行拉拔或轧 制冷变形生产的方管。对于金属的塑性变形而言，有一个特定的温度叫再结晶温度，高于这 个温度下进行变形加工就称为热加工变形，低于此温度加工就是冷加工变形。只要有塑性变 形，就会产生加工硬化现象。冷推、冷拔或冷轧方管就是一种冷加工变形的方式，在冷加工 变形过程中，不存在再结晶过程，不能缓解严重的加工硬化现象，而加工硬化现象使金属在 塑性变形过程中变形抗力逐渐增大，甚至丧失继续变形的能力引起开裂；冷加工后变形功小 部分保留在金属内部，形成残余应力。残余应力的存在使其截面的自由扭转刚度较低，在受 弯时容易出现扭转，受压时容易出现弯曲扭屈，抗扭性能较差；而且冷变形方式仅能生产小 壁厚的方管，在板件连接的转角处又没有加厚，承受局部性的集中荷载的能力弱；同时，连 续冷变形引起的冷作硬化使方管的强度和硬度上升、韧塑指标下降，导致方管的冲击性能恶 化。由此可见，现有采用焊接、冷变形等方式生产的方管，由于未同时解决机械性能均匀性、 抗扭性能差、承受局部性的集中荷载的能力弱和冲击性能差等问题，在建筑领域未能得到广 泛应用，尤其不能适用于高层建筑领域。

热轧方管是对钢管的一种热加工变形过程，由于热加工是在高于再结晶温度以上的塑性 变形，所以因塑性变形引起的硬化过程和回复再结晶引起的软化过程几乎同时存在且相互抵 消，而且热加工可以使毛管中某些缺陷如气孔和疏松焊合，消除部分偏析，使晶粒细化，改 善夹杂物或脆性相的形态与分布等，其结果可以提高热轧方管的致密性、塑性与韧性。同时 由于热轧方管不存在酸洗等过程，将轧管后的圆管直接进行热轧定径，其生产效率明显高于 冷变形方管的生产效率。

本发明对目前用于圆管定径的三辊定径机进行改进，实现了利用三辊定径机的无缝热轧 技术制作热轧方管的目的。

发明内容

本发明旨在提供一种方管轧辊装置、含该装置的方管定方机及方管的生产方法，实现生 产机械性能较好的方管的目的。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种方管轧辊装置，方管轧辊装置 包括：机架，三组轧辊部，每组轧辊部均具有一个主动运动的轧辊，各轧辊均设置在机架上， 三组轧辊部中的三个轧辊包括第一轧辊、第二轧辊和第三轧辊，各轧辊的轴线在同一平面内 相交，且各轧辊的轧辊槽组合后形成方形孔。

进一步地，上述第一轧辊的轴线沿水平方向设置，且第一轧辊的轧辊槽包括一个沿水平 方向的第一水平侧壁和两个分别与第一水平侧壁的两端相连的第一竖直侧壁，第一水平侧壁 组成方形孔的一个水平的侧壁，两个第一竖直侧壁分别形成方形孔的两个竖直的侧壁的一部 分；第二轧辊和第三轧辊的轧辊槽沿第一轧辊的轧辊槽的垂直平分线对称设置且各轧辊的轴 线相交形成等边三角形，第二轧辊的轧辊槽具有一个第二水平侧壁和一个第二竖直侧壁，第 三轧辊的轧辊槽具有一个第三水平侧壁和一个第三竖直侧壁，第二水平侧壁和第三水平侧壁 形成方形孔的另一个水平的侧壁，第二竖直侧壁和第三竖直侧壁形成方形孔的两个竖直的侧 壁的剩余部分。

进一步地，上述第一水平侧壁、第一竖直侧壁、第二水平侧壁、第二竖直侧壁、第三水 平侧壁和第三竖直侧壁均为弧形侧壁。

进一步地，各上述轧辊部还包括：主动轴，沿轧辊的轴线设置在机架上，轧辊设置在主 动轴上；向主动轴输送动力的动力传输装置，设置在主动轴的伸出机架的一端。

进一步地，各上述轧辊部还包括：内花键套，与主动轴的外花键键齿啮合；安全环，一 端与内花键套连接，另一端与动力传输装置连接。

进一步地，各上述轧辊部还包括：第一轴承，位于轧辊远离动力传输装置的一侧且设置 在主动轴上；第二轴承，位于轧辊的靠近动力传输装置的一侧且设置在主动轴上，第二轴承 的内壁与主动轴的外壁过盈配合；定位套，设置在第一轴承与主动轴之间，定位套的外壁与 第一轴承的内壁过盈配合。

根据本发明的另一方面，提供了一种方管定方机，方管定方机包括一个或沿管材输送方 向布置的多个方管轧辊装置，方管轧辊装置为上述的方管轧辊装置。

进一步地，上述方管定方机包括沿管材输送方向布置的多个方管轧辊装置，至少一个或 多个方管轧辊装置中的方形孔的四个侧壁为弧形侧壁。

进一步地，上述方管定方机中多个方管轧辊装置中的方形孔的四个侧壁为弧形侧壁，并 且该多个方管轧辊装置沿管材输送方向从上游到下游的弧形侧壁的曲率半径依次变大。

进一步地，上述方管轧辊装置为四个，且四个方管轧辊装置的总压下率在12～21％之间， 各方管轧辊装置的压下率在2～7％之间。

进一步地，上述方管定方机还包括一个或多个圆管轧辊装置，沿管材的输送方向设置在 方管轧辊装置之前。

根据本发明的又一方面，提供了一种方管的生产方法，生产方法包括管坯加热步骤、穿 孔步骤、轧管步骤、定径步骤和定方步骤，定径步骤包括采用一个或多个圆管轧辊装置进行 定径，形成圆管；定方步骤包括使定径步骤形成的圆管通过上述的方管定方机定方，形成方 管。

进一步地，上述圆管的外径为D，方管的周长为L，在定方步骤中周边压缩系数η为 1.06～1.14，且η＝π*D/L。

进一步地，上述穿孔步骤采用锥形穿孔机穿孔，轧管采用连轧机轧制。

进一步地，通过上述锥形穿孔机的毛管的外径为Φ247mm、Φ336mm或Φ410mm；且外 径为Φ247mm的毛管通过连轧机轧制为外径为Φ210mm的荒管，外径为Φ336mm的毛管通 过连轧机轧制为外径为Φ293mm的荒管，外径为Φ410mm的毛管通过连轧机轧制为外径为 Φ364mm的荒管。

进一步地，生产上述方管的规格为200×200mm时，定方步骤采用的方管定方机的方管 轧辊装置为四个，且沿管材的输送方向从上游到下游的四个方管轧辊装置的弧形侧壁的曲率 半径依次为233mm、408mm、1176mm和3000mm，单机压下率依次为2.51％、6.52％、5.6％ 和4.47％。

本发明的方管轧辊装置的三个轧辊均为主动辊，使得各轧辊较传统的一辊传动或两辊传 动具有更大的变形能力，能够满足厚壁钢管及特厚壁钢管的轧制变形；在热轧过程中，各轧 辊的轧辊槽组合后形成的方形孔的四个侧壁与定径后的热圆管接触，进一步将轧制力传输到 圆管的各个部位，得到尺寸精良和机械性能较好的方管。而且，与目前的冷轧工艺相比，采 用具有上述结构的方管轧辊装置生产方管，在很大程度上提高了方管的产量和生产效率，同 时降低了生产成本。上述方管轧辊装置可以将目前常用的三辊圆管定径机的轧辊槽的形状按 照上述方式进行设计，从而进一步降低了生产成本。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实 施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了本发明的方管轧辊装置的侧视图；

图2示出了图1所示的方管轧辊装置的A-A向的剖视图；

图3示出了图1所示的第一轧辊、第二轧辊和第三轧辊的轧辊槽的结构示意图；

图4示出了本发明的方管定方机的结构示意图；以及

图5示出了本发明的方管生产工艺流程图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。 下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1和图2所示，在本发明一种典型的实施方式中，提供了一种方管轧辊装置，该方 管轧辊装置包括机架1和三组轧辊部，每组轧辊部均具有一个主动运动的轧辊，各轧辊均设 置在机架1上，三组轧辊部中的三个轧辊包括第一轧辊21、第二轧辊22和第三轧辊23，各 轧辊的轴线在同一平面内相交，且各轧辊的轧辊槽组合后形成方形孔。

具有上述结构的方管轧辊装置，三个轧辊均为主动辊，使得各轧辊较传统的一辊传动或 两辊传动具有更大的变形能力，能够满足厚壁钢管及特厚壁钢管的轧制变形；在热轧过程中， 各轧辊的轧辊槽组合后形成的方形孔的四个侧壁与定径后的热圆管接触，进一步将轧制力传 输到圆管的各个部位，得到尺寸精良和机械性能较好的方管。而且，与目前的冷轧工艺相比， 采用具有上述结构的方管轧辊装置生产方管，在很大程度上提高了方管的产量和生产效率， 同时降低了生产成本。上述方管轧辊装置可以将目前常用的三辊圆管定径机的轧辊槽的形状 按照上述方式进行设计，从而进一步降低了生产成本。

如图3所示，在本发明一种优选的实施例中，上述方管轧辊装置的第一轧辊21的轴线沿 水平方向设置，且第一轧辊21的轧辊槽包括一个沿水平方向的第一水平侧壁和两个分别与水 平侧壁的两端相连的第一竖直侧壁，第一水平侧壁形成方形孔的一个水平的侧壁，两个第一 竖直侧壁分别形成方形孔的两个竖直的侧壁的一部分；第二轧辊22和第三轧辊23的轧辊槽 沿第一轧辊21的轧辊槽的垂直平分线对称设置且各轧辊的轴线相交形成等边三角形，第二轧 辊22的轧辊槽具有一个第二水平侧壁和一个第二竖直侧壁，第三轧辊23的轧辊槽具有一个 第三水平侧壁和一个第三竖直侧壁，第二水平侧壁和第三水平侧壁形成方形孔的另一个水平 的侧壁，第二竖直侧壁和第三竖直侧壁形成方形孔的两个竖直的侧壁的剩余部分。

本发明的第一轧辊21、第二轧辊22和第三轧辊23的轴线的延长线相交形成的等边三角 形的各个边的方向有多种，优选三角形的一个边沿水平方向设置，即将第一轧辊21的轴线沿 水平方向设置，而且优选其轧辊槽采用如图3所示的结构设置，第二轧辊22的轧辊槽的结构 和第三轧辊23的轧辊槽的结构如图3所示，当然，各轧辊的轧辊槽的形状不仅限于图3所示 出的形状，只要各轧辊的轧辊槽组合后能够形成近似封闭的方形孔即可。

为了取得更好的轧制效果，优选第一水平侧壁、第一竖直侧壁、第二水平侧壁、第二竖 直侧壁、第三水平侧壁和第三竖直侧壁均为弧形侧壁。将各轧辊槽的侧壁设置为弧形侧壁， 使得轧辊槽与圆管有较大的接触面积，能够将轧制力更均匀地传输到所轧制的圆管上，避免 了在轧制过程中圆管受力不均引起不理想的变形的弊端。

如图2所示，本发明的方管轧辊装置的各轧辊部还包括主动轴3和向主动轴3输送动力 的动力传输装置4，主动轴3沿轧辊的轴线设置在机架1上，轧辊设置在主动轴3上；动力传 输装置4设置在主动轴3的伸出机架1的一端。每一个轧辊都具有与其对应的主动轴3和动 力传输装置4，动力传输装置4与减速机相邻实现将动力传输至主动轴3上，从而进一步带动 设置在主动轴3上的轧辊。

为了更好地保证主动轴3和轧辊的同步运动，主动轴3与轧辊优选通过花键连接。

如图2所示，方管轧辊装置的各轧辊部还包括内花键套5和安全环6，内花键套5与主动 轴3的外花键键齿啮合；安全环6的一端与内花键套5连接，另一端与动力传输装置4连接。 通过安全环6和内花键套5将动力传输装置4传输的动力同步传输给主动轴3，进一步保证了 方管定径机工作的稳定性。

在本发明的一种方管轧辊装置的动力传输装置4优选采用结构比较简单的鼓形齿。

如图2所示，方管轧辊装置的各轧辊部还包括与每个轧辊2对应的第一轴承7、第二轴承 8和定位套9，第一轴承7位于轧辊2远离动力传输装置4的一侧且设置在主动轴3上；第二 轴承8位于轧辊2的靠近动力传输装置4的一侧且设置在主动轴3上，第二轴承8的内壁与 主动轴3的外壁过盈配合；定位套9设置在第一轴承7与主动轴3之间，定位套9的外壁与 第一轴承7的内壁过盈配合。采用轴承支撑主动轴3，更有利于主动轴3的运动。在第一轴承 7和第二轴承8的外部分别设置第一轴承套71和第二轴承套81。

如图4所示，在本发明另一种典型的实施方式中，还提供了一种方管定方机，一个或沿 管材输送方向布置的多个方管轧辊装置200，该方管轧辊装置200为上述的方管轧辊装置。具 有上述结构的方管定方机的作用是将圆管通过本发明的方管轧辊装置将圆管轧制成方管。

在本发明的另一种优选实施例中，方管定方机包括沿管材输送方向布置的多个方管轧辊 装置200，至少一个或多个方管轧辊装置200中的方形孔的四个侧壁为弧形侧壁。采用具有弧 形侧壁的方管轧辊装置200进行轧管时，圆管的变形性能够得到较好的控制，当圆管趋近于 方管时可以采用具有接近于平面的侧壁的方管轧辊装置200进行进一步的轧制变形。

利用本发明的方管定方机定方的过程中，圆管逐渐由圆变方，为了适应该变化过程，优 选，方管定方机中有多个方管轧辊装置200中的方形孔的四个侧壁为弧形侧壁，并且该多个 方管轧辊装置200沿管材输送方向从上游到下游的弧形侧壁的曲率半径依次变大。而且，本 领域技术人员可以通过有限元对变形过程进行模拟，具体操作可以为：首先，设定圆管规格、 变形温度、方管机架的单机架压下率、变形速率、摩擦系数、成品方管规格等边界条件，再 通过有限元软件对变形过程进行模拟，最后，得到合理的弧形侧壁曲率半径。

在本发明的一种具体的实施例中，上述方管定径机的方管轧辊装置200为四个，且四个 方管轧辊装置200的总压下率在12～21％之间，各方管轧辊装置200的压下率在2～7％之间。

将每个方管轧辊装置200的压下率控制在2～7％之间，将四个方管轧辊装置200的总压下 率控制在10～21％之间，避免了定径过程中变形过大造成成品的尺寸精度以及抗扭性变差的问 题的出现。

如图4所示，上述方管定方机还包括一个或多个圆管轧辊装置100，该一个或多个圆管轧 辊装置100沿管材的输送方向设置在方管轧辊装置200之前。圆管轧辊装置100与方管轧辊 装置200组合设置便于实现方管的连续轧制、生产。上述定方机中的圆管轧辊装置100直接 采用现有的圆管定径机中的圆管轧辊装置即可。

如图5所示，在本发明又一种典型的实施方式中，还提供了一种方管的生产方法，上述 生产方法包括管坯加热步骤、穿孔步骤、轧管步骤、定径步骤和定方步骤，定径步骤包括采 用一个或多个圆管轧辊装置100进行定径，形成圆管；定方步骤包括使定径步骤形成的圆管 通过上述的方管定方机定方，形成方管。

采用上述方管的生产方法，将经过热轧的热轧荒管采用圆管轧辊装置100进行定径后得 到圆管，然后采用本发明的方管定方机进行定方得到了热轧方管，避免了冷轧方管的强度、 硬度较高、韧塑性较低的问题，具有较好的冲击性能；而且，采用上述生产工艺可实现连续 性生产，生产效率较高。

在采用方管定方机的方管轧辊装置200将圆管定方的过程中，圆管在由圆变方的过程中， 方管的周长变小，壁厚大约增厚5％左右，为了得到几何尺寸较为精确的方管，优选圆管的外 径为D，方管的周长为L，定方步骤中周边压缩系数η为1.06～1.14且满足η＝π*D/L。

上述方管的生产方法中穿孔步骤采用锥形穿孔机穿孔，轧管采用连轧机轧制。锥形穿孔 机和连轧机配合作业，不仅能够得到机械性能更均匀性、抗扭性更强的方管，而且能够提高 方管的生产效率，实现方管的大规模高效生产。

在采用上述生产工艺生产方管时，优选通过锥形穿孔机的毛管的外径为Φ247mm、 Φ336mm和Φ410mm；且外径为Φ247mm的毛管通过连轧机轧制为外径为Φ210mm的荒管， 外径为Φ336mm的毛管通过连轧机轧制为外径为Φ293mm的荒管，外径为Φ410mm的毛管 通过连轧机轧制为外径为Φ364mm的荒管。

在本发明一种优选的实施例中，生产规格为200×200mm的方管时，定方步骤采用的方 管轧辊装置200为四个，且沿管材的输送方向从上游到下游的四个方管轧辊装置200的弧形 侧壁的曲率半径依次为233mm、408mm、1176mm和3000mm，单机压下率依次为2.51％、 6.52％、5.6％和4.47％。采用上述的方管轧辊装置200进行定方时，本领域技术人员可以依据 η＝π*D/L的原则以及5％左右的增厚度选择合适的定径后的圆管进行定方。

以下将结合实施例和对比例，进一步说明本发明的有益效果。

本发明以规格为200×200×45mm的方管的生产为例对本发明的进行说明，由于规格为 200×200×45mm的方管属于外径较大且壁厚较厚的典型规格的方管，具有较大的生产难度和代 表性。

实施例1

将外径为280mm的坯料预热，然后在环形炉中采用五段加热，加热一段温度为 1020℃±10℃，加热二段温度为1160℃±10℃，加热三段温度为1250℃±10℃，加热四和五段 温度为1290℃±10℃；然后在1280℃±10℃均热，总加热时间为3.5h。

将均热后的坯料采用锥形穿孔机穿孔得到规格为Φ336×50mm的毛管；然后将该毛管采用 连轧机轧制成规格为Φ280×42mm的荒管；将荒管采用247系列的圆管轧辊装置进行定径得到 规格为Φ247×43mm的圆管；然后使上述圆管依次通过四个方管轧辊装置进行定方，得到规 格为200×200×45mm的无缝热轧方管，按圆管通过的先后顺序排列的方管轧辊装置的规格 和转速见表1。

表1

选取任意两根实施例1方管，并测试它们的几何尺寸以及室温下的力学性能，几何尺寸 测试结果见表2，力学性能测试结果见表3。

表2

表3

由表2和表3中的数据可以看出，通过本发明的生产方法得到的方管的各种几何尺寸和 力学性能均能满足欧洲EN10210标准的要求，完全可以作为建筑用方管使用。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员 来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等 同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。