張文亮，王 棟

（內(nèi)蒙古包鋼鋼聯(lián)股份有限公司鋼管公司，內(nèi)蒙古 包頭 014010）

內(nèi)蒙古包鋼鋼聯(lián)股份有限公司鋼管公司（簡(jiǎn)稱包鋼鋼管公司）Ф180 mm Mini-MPM連軋管機(jī)組原有管坯直徑為180 mm、230 mm和270 mm，相對(duì)應(yīng)的連軋管機(jī)孔型系列為173 mm、238 mm及266 mm，產(chǎn)品軋制組距為Ф60～245 mm。但是238 mm系列孔型自開發(fā)生產(chǎn)以來，由于Φ230 mm管坯在穿孔生產(chǎn)過程中存在諸多工藝缺陷，造成穿孔機(jī)組熱工具消耗居高，生產(chǎn)事故頻發(fā)，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，尤其是軋制中厚壁管時(shí)，由于穿孔機(jī)坯料的限制，只能生產(chǎn)單倍尺產(chǎn)品，導(dǎo)致成材率及倍尺率低。因此，包鋼鋼管公司用Ф245 mm管坯代替Ф230 mm管坯，并對(duì)穿孔機(jī)孔型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以解決238 mm系列孔型穿孔機(jī)熱工具壽命低、消耗高、質(zhì)量不穩(wěn)定等問題，從而提高Ф180 mm Mini-MPM連軋管機(jī)組的產(chǎn)能，提升產(chǎn)品質(zhì)量。

1 穿孔機(jī)孔型設(shè)計(jì)思路

穿孔機(jī)孔型主要由變形熱工具軋輥、頂頭、導(dǎo)板組成，熱工具的設(shè)計(jì)不恰當(dāng)，將直接導(dǎo)致毛管上一些缺陷的存在，這些缺陷有的經(jīng)過后面的工序也很難消除或減輕。所以在鋼管生產(chǎn)中穿孔工序熱工具設(shè)計(jì)起著重要作用［1-10］。斜軋穿孔機(jī)孔型及熱工具設(shè)計(jì)的合理化，即孔型幾何形狀直接關(guān)系到毛管的變形、幾何尺寸、內(nèi)外表面質(zhì)量和金屬的流動(dòng)以及熱工具壽命?，F(xiàn)通過管坯的尺寸，計(jì)算出穿孔機(jī)的擴(kuò)徑率、延伸率、頂前壓下率、軋輥距離、導(dǎo)板距離等工藝參數(shù)，從而設(shè)計(jì)出符合穿軋Φ245 mm管坯的穿孔機(jī)孔型及熱工具。

2 穿孔機(jī)孔型設(shè)計(jì)

2.1 軋輥設(shè)計(jì)

穿孔機(jī)型式依然采用錐形輥穿孔機(jī)。錐形輥穿孔機(jī)具有穿軋毛管壁厚精度高，擴(kuò)徑量大和內(nèi)外表面質(zhì)量好等特點(diǎn)［11-15］。

2.1.1 軋輥錐角及長(zhǎng)度

軋輥入口錐的角度大小決定管坯能否順利咬入和積累足夠的力以克服頂頭阻力使管坯穿成毛管。相關(guān)的文獻(xiàn)指出，入口錐角βce在2°～40°，一般情況下將軋輥的入口錐設(shè)計(jì)成兩段，第一段的角度在1°～30°，為的是保證管坯的咬入，第二段的角度在3°～60°，為的是防止形成孔腔。軋輥的出口錐角βcu在3°～40°，這取決于管坯的擴(kuò)徑量，擴(kuò)徑量越大，角度越大［16］。設(shè)計(jì)軋輥入口錐和出口錐的長(zhǎng)度時(shí)，首先要考慮軋輥的長(zhǎng)度是否滿足毛管咬入和擴(kuò)徑的要求，其次為滿足現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)工藝的安全性及軋輥使用的合理性，通常入口錐和出口錐處還應(yīng)加一個(gè)長(zhǎng)度在20～40 mm的安全余量。軋輥入口錐長(zhǎng)度Le和軋輥出口錐長(zhǎng)度 La的計(jì)算公式（1）～（2）為：

式中DB——管坯直徑，mm；

E——軋輥距離，mm；

Dh——毛管直徑，mm；

αe——軋輥入口錐段的空間角，可以近似等于軋輥入口錐角，（°）；

αa——軋輥出口錐段的空間角，可以近似等于軋輥出口錐角，（°）。

2.1.2 軋輥距離

軋輥距離E是指兩個(gè)軋輥軋制帶間的距離，它是重要的調(diào)整參數(shù)。通常，軋輥距離由經(jīng)驗(yàn)獲得：碳鋼為（0.84～0.90）DB，通常取（0.86～0.89）DB；低合金鋼為（0.85～0.90）DB，通常取（0.87～0.90）DB；高合金鋼為（0.88～0.91）DB，通常?。?.88～0.90）DB。

計(jì)算Ф245 mm管坯在穿孔機(jī)變形區(qū)的長(zhǎng)度可知，現(xiàn)有穿孔機(jī)軋輥能夠滿足Ф245 mm管坯的生產(chǎn)需求。其中，軋輥直徑為1 000～1 150 mm，軋輥長(zhǎng)度為850 mm，入口錐角βce為2.0°，出口錐角βcu為3.0°，軋輥距離E為228 mm。

2.2 頂頭設(shè)計(jì)

Φ180 mm Mini-MPM連軋管機(jī)組使用的頂頭分為穿孔錐、輾軋錐和反錐3部分，其形狀如圖1所示，頂頭設(shè)計(jì)的前提是必須已知軋輥的尺寸和管坯直徑、毛管直徑、毛管壁厚及咬入角。計(jì)算它們是為了驗(yàn)證其長(zhǎng)度是否超過軋管機(jī)的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度。如果計(jì)算的軋輥入口錐長(zhǎng)度Le或軋輥出口錐長(zhǎng)度La比現(xiàn)有軋輥的相應(yīng)部分大，就得加大軋輥距離E或者增大入口錐角和出口錐角。

圖1 Φ180 mm Mini-MPM連軋管機(jī)組頂頭形狀示意

2.2.1 確定頂前壓下率及頂頭前伸量

頂頭前伸量的大小影響著穿孔的過程和毛管的質(zhì)量。生產(chǎn)中應(yīng)避免在頂頭的前部形成孔腔，這樣有利于減輕毛管內(nèi)表面的缺陷。但起決定性影響內(nèi)表面缺陷的因素有頂頭前直徑減徑率和管坯接觸頂頭前轉(zhuǎn)動(dòng)的次數(shù)［17］。換句話說，頂前壓下率ρ的參考極限值如下：碳鋼為4%～10%，通常取6%～9%；低合金鋼為4%～8%，通常取6%～8%；高合金鋼為4%～7%，通常取5.0%～6.5%。

頂頭前伸量根據(jù)Ld1=Le-GL=Le-GFDBtan γ 進(jìn)行計(jì)算。其中，GL為自由段長(zhǎng)度，是指管坯從接觸軋輥到頂頭前的長(zhǎng)度，必須保證管坯轉(zhuǎn)一周。GF為校驗(yàn)系數(shù)，通常為1.0～1.5。如果軋輥直徑與管坯直徑的比值較大，GF可取0.8～1.0，頂頭前伸量的值至少要大于40 mm，GF通常影響頂頭位置和頂前壓下量。γ指穿孔機(jī)咬入角，即軋件與軋輥相接觸的圓弧所對(duì)應(yīng)的圓心角，Ф180 mm Mini-MPM連軋管機(jī)組咬入角為 9°～12°。

2.2.2 確定頂頭的直徑及長(zhǎng)度

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選擇頂頭與毛管的間隙值（擴(kuò)展值）Ch，如果頂頭的擴(kuò)徑率較大，則間隙值相應(yīng)會(huì)增大。目前Ф180 mm Mini-MPM連軋管機(jī)組頂頭與毛管的間隙值Ch仍然采用經(jīng)驗(yàn)值10～12 mm，并由此確定頂頭直徑Dp。頂頭直徑Dp的計(jì)算公式（3）為：

式中Sh——毛管壁厚，mm。

頂頭的長(zhǎng)度L設(shè)計(jì)包括穿孔錐長(zhǎng)度L1、輾軋錐長(zhǎng)度L2及規(guī)圓區(qū)長(zhǎng)度L3的設(shè)計(jì)，即L=L1+L2+L3。頂頭穿孔錐長(zhǎng)度L1通常為入口處實(shí)際螺距Pe的0.65～1.10倍，頂頭輾軋錐長(zhǎng)度L2通常為毛管出口處實(shí)際螺距Pu的0.50～0.75倍，頂頭規(guī)圓區(qū)長(zhǎng)度L3應(yīng)被設(shè)計(jì)為在頂頭后端和軋輥脫離端面之間具有至少25 mm的距離［18］，計(jì)算公式為：

式中a——軋輥的送進(jìn)角，（°），通常為8°～14°；

X——經(jīng)驗(yàn)數(shù)值，mm，取值為40～65 mm；

λ——延伸系數(shù)，指穿孔機(jī)入口管坯與出口毛管斷面積之比。

由于頂頭的穿孔錐起著穿孔機(jī)擴(kuò)徑、均壁的作用，故將其設(shè)計(jì)為一段圓弧狀。頂頭穿孔錐圓弧半徑Rp的計(jì)算公式（8）為：

式中a1——輾軋區(qū)角度，（°），取3.2°；

Φh——頂頭在管坯端部疏松區(qū)直徑，mm，?。?.18～0.25）Dp。

2.2.3 確定Φ245 mm坯型頂頭

根據(jù)以上計(jì)算分析，以軋制Φ219 mm×6 mm規(guī)格成品管為例，最終設(shè)計(jì)出符合Φ245 mm管坯的穿孔機(jī)頂頭。給定DB=245 mm，Dh=273 mm，a1=3.2°；Sh=18 mm，γ=9°；E=228 mm，Ch=12。由上述給定值可計(jì)算出：入口錐長(zhǎng)度Le=206.2 mm；出口錐長(zhǎng)度La=410.1 mm；頂頭前伸量Ld1=95 mm；自由段長(zhǎng)度GL=121.5 mm；螺距Pu=135.8 mm；穿孔錐長(zhǎng)度L1=309.6 mm；輾軋錐長(zhǎng)度L2=95 mm；規(guī)圓區(qū)長(zhǎng)度L3=55.4 mm；頂頭長(zhǎng)度L=460 mm；頂頭穿孔錐圓弧半徑Rp=737.1 mm；頂頭直徑Dp=225.2 mm，取225 mm；頂頭規(guī)圓區(qū)圓弧半徑Rf=Dp/2=112.6 mm。

2.3 導(dǎo)板設(shè)計(jì)

導(dǎo)板的設(shè)計(jì)原則是：一種管坯需要設(shè)計(jì)一種導(dǎo)板，如果是用一種管坯生產(chǎn)不同尺寸的毛管，可以只設(shè)計(jì)一種導(dǎo)板［10］。導(dǎo)板的縱剖面形狀應(yīng)與軋輥輥形相對(duì)應(yīng)，Ф180 mm Mini-MPM連軋管機(jī)組的導(dǎo)板由四段組成，分別為入口段、壓縮段、軋制帶及規(guī)圓區(qū)（出口錐），具體如圖2所示。導(dǎo)板入口段主要起到引導(dǎo)管坯的作用，使管坯中心線對(duì)準(zhǔn)穿孔中心線。當(dāng)管坯與左右導(dǎo)板接觸時(shí)，它起著限制管坯橢圓度的作用，從而避免過早形成孔腔，同時(shí)促進(jìn)金屬的縱向延伸?？紤]到導(dǎo)板在毛管的整個(gè)變形過程中有壓縮作用，通常稱其為壓縮帶，壓縮帶是過渡帶，它不在導(dǎo)板的中間，而是向入口方向移動(dòng)，移動(dòng)值x一般在20～30 mm，也有到50 mm的，移動(dòng)的目的是：減小管坯在頂頭上開始輾軋時(shí)的橢圓度和導(dǎo)板的軸向阻力，提高穿孔速度。軋制帶主要起限制毛管橫向變形的作用，同時(shí)與頂頭、軋輥一起形成孔型，對(duì)毛管的壁厚進(jìn)行均壁。規(guī)圓區(qū)的作用主要是進(jìn)一步減小毛管的橢圓度，同時(shí)與軋輥一起支撐毛管，防止發(fā)生后卡事故。

圖2 Φ180 mm Mini-MPM連軋管機(jī)組導(dǎo)板示意

2.3.1 導(dǎo)板距離確定

導(dǎo)板距離是控制毛管外徑及毛管質(zhì)量的主要變量之一，導(dǎo)板距離的合適與否，直接影響到毛管橢圓度的大小，同時(shí)還會(huì)影響到毛管壁厚的均勻性。導(dǎo)板距離增大，會(huì)導(dǎo)致毛管的外徑增大，橢圓度相應(yīng)增加，壁厚均勻性下降，同時(shí)在軋制結(jié)束時(shí)可能導(dǎo)致后卡等工藝事故；導(dǎo)板距離減小，則會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)板壽命降低，消耗增加，在毛管外表面產(chǎn)生螺旋等質(zhì)量缺陷，同時(shí)還可能出現(xiàn)管坯卡導(dǎo)板工藝事故。設(shè)計(jì)中，為了保證管坯能夠順利咬入軋管機(jī)而毛管橢圓度又在合理的范圍內(nèi)，通常取導(dǎo)板距離等于軋輥距離的1.00～1.15倍。Φ180 mm Mini-MPM連軋管機(jī)組的導(dǎo)板距離Dr取為1.12E，即Dr=255 mm。

2.3.2 導(dǎo)板形狀設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)導(dǎo)板的長(zhǎng)度時(shí)，首先要保證導(dǎo)板在整個(gè)軋制區(qū)域中，導(dǎo)板的長(zhǎng)度由變形區(qū)長(zhǎng)度決定，通常其長(zhǎng)度L=Le+La+x。導(dǎo)板入口段的長(zhǎng)度Lr等于或小于自由段長(zhǎng)度GL，壓縮帶長(zhǎng)度Ly等于或大于頂頭前伸量，軋制帶長(zhǎng)度Lz通常與該管坯所對(duì)應(yīng)的連軋管機(jī)孔型系列值相同，如Φ245 mm管坯對(duì)應(yīng)238 mm孔型系列，則Lz取值為238 mm。

設(shè)計(jì)導(dǎo)板的寬度時(shí)，首先要考慮導(dǎo)板距離，導(dǎo)板寬度一般是根據(jù)軋輥的形狀進(jìn)行設(shè)計(jì)，通常由最小軋輥距離和導(dǎo)板與軋輥的最小間隙決定。導(dǎo)板的入口錐角一般等于軋輥入口錐角或比軋輥入口錐角大1°～2°；導(dǎo)板入口段寬度B1取值應(yīng)比軋輥距離E小4～6 mm，取224 mm。導(dǎo)板的軋制帶起限制毛管橫變形，并控制毛管軋后外徑的作用，其取值必須考慮孔型的密閉性，因?yàn)槿绻麑?dǎo)板與軋輥的間隙太大，在軋制薄壁鋼管時(shí)，可能導(dǎo)致金屬擠向?qū)О迮c軋輥的間隙處，從而造成鏈帶事故。導(dǎo)板的規(guī)圓區(qū)（出口錐）角度一般等于軋輥的出口錐角或比軋輥的出口錐角小 0.5°～10.0°［19］，寬度 B2根據(jù)出口軋槽半徑Rc、出口錐角、導(dǎo)板與上下軋輥的距離而定。

設(shè)計(jì)導(dǎo)板的厚度時(shí)，在導(dǎo)板距離及導(dǎo)板支撐器確定的情況下，要盡量保證每個(gè)系列的導(dǎo)板厚度相近，這樣可以保證導(dǎo)板距離調(diào)整螺杠的行程在合理的工作范圍內(nèi)而不被損壞，同時(shí)也方便了每個(gè)系列更換后的調(diào)整。

2.3.3 導(dǎo)板軋槽設(shè)計(jì)

導(dǎo)板的橫斷面形狀是個(gè)圓弧形凹槽，這是為了便于管坯和毛管旋轉(zhuǎn)。凹槽的圓弧可做成單半徑或雙半徑的。Ф180 mm Mini-MPM連軋管機(jī)組導(dǎo)板軋槽所選用的是單半徑圓弧凹槽，其設(shè)計(jì)及加工簡(jiǎn)便。軋槽半徑分為導(dǎo)板入口軋槽半徑及導(dǎo)板出口軋槽半徑，入口軋槽半徑Rr根據(jù)Ф180 mm Mini-MPM連軋管機(jī)組其他系列導(dǎo)板設(shè)計(jì)總結(jié)出的經(jīng)驗(yàn)公式 Rr=（0.58～0.59）DB，得出 Rr=142.8 mm。

由于管坯在軋成毛管的整個(gè)軋制過程中是處于一個(gè)橢圓形的旋轉(zhuǎn)過程，故孔型存在偏心率e，根據(jù)公式Rr=Dr/2+e，可以計(jì)算出偏心率e為15.3 mm，而根據(jù)導(dǎo)板出口軋槽半徑Rc公式Rc=1.075Dh/2+e，可計(jì)算出出口軋槽半徑Rc=162.04 mm。

3 生產(chǎn)運(yùn)行情況

3.1 孔型設(shè)計(jì)驗(yàn)證

穿孔機(jī)孔型及熱工具設(shè)計(jì)完畢后，為了保證生產(chǎn)過程的穩(wěn)定，需對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證［7-8］。通過CAD作出穿孔機(jī)孔型，驗(yàn)證軋輥距離、導(dǎo)板距離、頂頭前伸量、頂前壓下率及軋制結(jié)束后毛管壓縮率，是否能夠拋鋼等。穿孔機(jī)孔型如圖3所示。

圖3所示中，E/2=114 mm，Dr/2=127.5 mm；頂前壓下量H=117.18 mm，毛管脫離軋制變形區(qū)時(shí)的外徑Do=135.49 mm，Dh=273 mm。頂前壓下率=（245-2×117.18）÷245=4.3%；軋后毛管變化率=135.49×2÷273=99.3%。

圖3 穿孔機(jī)孔型示意

通過以上驗(yàn)證，軋輥距離、導(dǎo)板距離、頂頭前伸量、頂前壓下率及軋制結(jié)束后毛管壓縮率均在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，且毛管按照先脫離頂頭，再脫離導(dǎo)板，然后脫離軋輥的步驟可順利進(jìn)行拋鋼，所以該穿孔機(jī)的孔型及熱工具設(shè)計(jì)是合理的。

3.2 毛管質(zhì)量抽查

抽檢Ф273 mm×18.5 mm規(guī)格毛管，測(cè)量其外徑及壁厚，實(shí)測(cè)結(jié)果如圖4～5所示。Ф273 mm×18.5 mm規(guī)格毛管是238 mm系列孔型使用Ф245 mm管坯軋制的壁厚最薄的產(chǎn)品規(guī)格。從抽檢結(jié)果可以看出：Ф273 mm×18.5 mm規(guī)格毛管單支測(cè)量的外徑偏差范圍在2.0 mm以內(nèi)，能夠滿足生產(chǎn)工藝的要求；壁厚不均度也能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。由此說明，該穿孔機(jī)的孔型設(shè)計(jì)是成功的。

圖4 Ф273 mm×18.5 mm規(guī)格毛管外徑實(shí)測(cè)結(jié)果

圖5 Ф273 mm×18.5 mm規(guī)格毛管壁厚實(shí)測(cè)結(jié)果

3.3 成品管尺寸精度抽查

在成品管中隨機(jī)抽取50根Ф168 mm×8.0 mm三倍尺規(guī)格鋼管，其壁厚尺寸精度抽檢結(jié)果如圖6所示。從圖6可以看出：238 mm系列孔型使用Ф245 mm管坯軋制Ф168 mm×8.0 mm三倍尺規(guī)格鋼管的壁厚實(shí)測(cè)范圍為7.42～8.48 mm，偏差在-7.25%S～+6.0%S（S指鋼管壁厚），滿足GB/T 8162—2008《結(jié)構(gòu)用無縫鋼管》要求。

圖6 Ф168 mm×8.0 mm規(guī)格鋼管壁厚尺寸精度抽檢結(jié)果

4 結(jié) 語

Ф180 mm Mini-MPM連軋管機(jī)組使用 Ф245 mm管坯代替Φ230 mm管坯，為此重新優(yōu)化設(shè)計(jì)238 mm系列穿孔機(jī)孔型及熱工具。近1年的生產(chǎn)運(yùn)行情況結(jié)果表明：使用Φ245 mm管坯生產(chǎn)的成品鋼管，其外觀質(zhì)量及尺寸精度均達(dá)到了要求，且熱工具壽命得到了大幅提高，生產(chǎn)事故逐步減少，Ф245 mm管坯選用合理，穿孔機(jī)孔型優(yōu)化設(shè)計(jì)成功。