張國(guó)寬，田曉燕

（內(nèi)蒙古包鋼鋼聯(lián)股份有限公司無縫鋼管廠，內(nèi)蒙古 包頭 014010）

兩種機(jī)型穿孔鋼管的內(nèi)螺旋產(chǎn)生原因及控制

張國(guó)寬，田曉燕

（內(nèi)蒙古包鋼鋼聯(lián)股份有限公司無縫鋼管廠，內(nèi)蒙古 包頭 014010）

兩種典型斜軋穿孔機(jī)型（桶形輥穿孔機(jī)和錐形輥穿孔機(jī)）熱穿軋的無縫鋼管，在軋制過程中容易產(chǎn)生內(nèi)螺旋缺陷。從變形區(qū)、軋制冷（熱）工具方面分析了穿孔毛管形成內(nèi)螺旋缺陷的原因。提出增加1個(gè)斜軋機(jī)架、減小軋輥出口錐的輥面角度、準(zhǔn)確選擇軋制冷（熱）工具、防止外界因素干擾等減少鋼管內(nèi)螺旋缺陷的措施。

熱軋鋼管；斜軋；內(nèi)螺旋缺陷；穿孔機(jī)；桶形輥；錐形輥

在熱軋無縫鋼管生產(chǎn)中，將實(shí)心坯穿制成空心毛管是鋼管熱軋變形中的一道重要工序，而斜軋穿孔一直是最主要的穿孔方法。桶形輥穿孔機(jī)和錐形輥穿孔機(jī)是兩種最重要的斜軋穿孔機(jī)，得到了廣泛的應(yīng)用［1］。隨著社會(huì)生產(chǎn)不斷發(fā)展，市場(chǎng)對(duì)鋼管質(zhì)量的要求不斷提高，對(duì)生產(chǎn)鋼管的機(jī)組要求也越來越高。

Assel等斜軋管機(jī)組軋制徑厚比∧20的薄壁荒管，其內(nèi)、外表面螺旋道比較突出。外表面螺旋缺陷在隨后的定（減）徑工序中得到改善或消除；而內(nèi)表面螺旋缺陷很難去除，輕則影響鋼管內(nèi)表面質(zhì)量，重則致使鋼管降級(jí)或報(bào)廢［2］。長(zhǎng)期以來鋼管內(nèi)表面螺旋缺陷一直制約著斜軋管機(jī)組生產(chǎn)薄壁管［3］。

在縱軋管機(jī)組中，雖然自動(dòng)軋管機(jī)或連軋管機(jī)可以通過一定的變形量來減輕或消除穿孔工序帶來的螺旋缺陷，但是如果穿孔后毛管的螺旋較嚴(yán)重，也會(huì)產(chǎn)生一系列的質(zhì)量和工藝問題（如自動(dòng)軋管機(jī)組產(chǎn)生的內(nèi)螺旋、縱向偏壁厚、凹坑等；連軋管機(jī)組產(chǎn)生的凹坑、撕裂等）［4-5］。毛管內(nèi)螺旋缺陷還會(huì)造成軋制熱工具（頂頭、芯棒等）的過度磨損。

本文主要分析桶形輥穿孔機(jī)和錐形輥穿孔機(jī)穿制毛管產(chǎn)生內(nèi)螺旋缺陷的原因，并對(duì)解決辦法進(jìn)行探討。

1　穿制毛管存在嚴(yán)重的內(nèi)螺旋缺陷

1.1桶形輥穿孔機(jī)

內(nèi)蒙古包鋼鋼聯(lián)股份有限公司無縫鋼管廠（簡(jiǎn)稱包鋼無縫鋼管廠）的Φ400 mm自動(dòng)軋管機(jī)組，是從前蘇聯(lián)引進(jìn)，于1971年投產(chǎn)的一套大直徑無縫鋼管生產(chǎn)機(jī)組。在2000年，結(jié)合德國(guó)的桶形輥穿孔工藝進(jìn)行了一系列的工藝和設(shè)備改造，現(xiàn)在可生產(chǎn)各種用途的Φ180～426 mm無縫鋼管。機(jī)組經(jīng)過40年的生產(chǎn)運(yùn)行，隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日趨激烈，產(chǎn)品范圍過窄的缺陷突出地暴露出來。Φ400 mm自動(dòng)軋管機(jī)組使用的是2臺(tái)桶形輥穿孔機(jī)連續(xù)延伸，以滿足機(jī)組變形能力不足的問題［6-7］。但實(shí)際生產(chǎn)中存在的主要問題有：頂頭磨損嚴(yán)重，鋼管內(nèi)壁的直道缺陷多、螺旋缺陷嚴(yán)重、縱向壁厚精度差。經(jīng)過分析后認(rèn)為，其主要原因是穿孔后毛管的螺旋缺陷嚴(yán)重。

1.2錐形輥穿孔機(jī)

包鋼無縫鋼管廠Φ180 mm MPM連軋管機(jī)組的穿孔機(jī)是錐形輥穿孔機(jī)，軋管機(jī)軋制薄壁管過程中頻繁出現(xiàn)撕裂、堆鋼現(xiàn)象，鋼管的周向、縱向壁厚偏差較大。經(jīng)過工藝分析和質(zhì)量跟蹤，最終認(rèn)定其造成原因是穿孔后毛管有嚴(yán)重的內(nèi)螺旋缺陷。

2　缺陷產(chǎn)生原因分析

2.1變形區(qū)分析

桶形輥穿孔機(jī)和錐形輥穿孔機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其主要區(qū)別是：①桶形輥穿孔機(jī)采用桶形軋輥，錐形輥穿孔機(jī)采用錐形軋輥；②桶形輥穿孔機(jī)只有送進(jìn)角β，沒有輾軋角γ（γ=0°），錐形輥穿孔機(jī)既有送進(jìn)角β，又有輾軋角γ。在20世紀(jì)80年代以前，可以說是桶形輥穿孔機(jī)（包括狄塞爾穿孔機(jī)）一統(tǒng)天下，80年代以后錐形輥穿孔機(jī)得到迅速發(fā)展。

桶形輥穿孔機(jī)和錐形輥穿孔機(jī)的變形區(qū)如圖2所示，兩種穿孔機(jī)在穿制相同規(guī)格的毛管時(shí)，變形區(qū)的縱剖面完全相同。兩者的根本區(qū)別在于：引入輾軋角γ之后，軋輥形狀由桶形變成錐形。這是桶形輥穿孔機(jī)和錐形輥穿孔機(jī)具有不同特征的根本原因所在。

由圖2可知：無論是桶形輥穿孔機(jī)還是錐形輥穿孔機(jī)，毛管的螺旋螺距Z計(jì)算是相同的，

式中 D——管坯直徑，mm；

α——咬入角，（°）。

為確保順利咬入，從管坯被咬入點(diǎn)到與頂頭相接觸的距離，對(duì)一次穿孔必須有1個(gè)螺距，對(duì)二次穿孔應(yīng)有0.75個(gè)螺距。

圖1　桶形輥穿孔機(jī)和錐形輥穿孔機(jī)結(jié)構(gòu)示意

圖2　桶形輥穿孔機(jī)和錐形輥穿孔機(jī)的變形區(qū)示意

2.2現(xiàn)場(chǎng)影響因素分析

2.2.1現(xiàn)場(chǎng)影響因素

除變形區(qū)直接影響穿孔后毛管的螺旋深度和嚴(yán)重程度外，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)過程中，還有多種因素與毛管的外形有關(guān)，可從工藝和設(shè)備兩方面進(jìn)行歸類。

工藝方面的影響因素有：管坯的加熱溫度；穿孔延伸量（變形量）的大?。豁旑^的偏心度；頂桿的直度（軋鋼過程中是否擺動(dòng)）；頂桿小車的中心線與軋機(jī)中心線的重合度；頂頭的磨損程度及頂頭外表面是否堆鋼、粘鋼；軋輥傾角（咬入角）的大小。

設(shè)備方面的因素有：主軋機(jī)的精度，包括轉(zhuǎn)鼓的彈跳、軋輥的彈跳、軋機(jī)牌坊的彈跳；后臺(tái)抱輥（定心輥）的同心度，抱輥的彈跳；頂桿小車的定位精度，閉鎖機(jī)構(gòu)的鎖緊度和彈跳。

2.2.2實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

對(duì)包鋼無縫鋼管廠Φ400 mm自動(dòng)軋管機(jī)組和Φ180 mm連軋管機(jī)組進(jìn)行跟蹤和測(cè)量，所有數(shù)據(jù)的采集均是保證現(xiàn)場(chǎng)影響因素處于良好運(yùn)行的狀況下進(jìn)行的，即忽略非主流因素，只針對(duì)影響螺旋缺陷產(chǎn)生的主要原因進(jìn)行分析。為了明確表示毛管螺旋缺陷的嚴(yán)重程度，最直觀的方法是沿著毛管外表面的螺旋線方向，在毛管螺旋缺陷1/2螺距處，分別量取毛管的直徑，然后通過直徑的波動(dòng)值來反映螺旋的深度。毛管直徑的測(cè)量位置如圖3所示。

在設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定、軋件溫度良好的情況下，包鋼無縫鋼管廠Φ180 mm連軋管機(jī)組錐形輥穿孔機(jī)在送進(jìn)角β=10°，輾軋角γ=15°時(shí)，生產(chǎn)Φ245 mm×8 mm鋼管的毛管外徑實(shí)際值見表1；Φ400 mm自動(dòng)軋管機(jī)組桶形輥穿孔機(jī)在β=10°、γ=0°時(shí)，生產(chǎn)Φ325 mm×8 mm鋼管的一次和二次穿孔毛管外徑實(shí)際值見表2。錐形輥穿孔機(jī)不同輾軋角γ穿孔后毛管外徑對(duì)比見表3。

圖3　毛管直徑的測(cè)量位置示意

表1　Φ180 mm連軋管機(jī)組錐形輥穿孔機(jī)生產(chǎn)Φ245 mm×8 mm鋼管的毛管外徑實(shí)際值

表2　Φ400 mm自動(dòng)軋管機(jī)組桶形輥穿孔機(jī)生產(chǎn)Φ325 mm×8 mm鋼管的一次和二次穿孔毛管外徑實(shí)際值

表3　錐形輥穿孔機(jī)不同輾軋角穿孔后毛管外徑

由表1～3可以看出：①雖然錐形輥穿孔機(jī)在穿孔變形時(shí)，金屬的附加扭轉(zhuǎn)變形比較小，但錐形輥穿孔和桶形輥穿孔的毛管內(nèi)螺旋缺陷區(qū)別不是很明顯，深度及變化規(guī)律幾乎相同；②在其他工藝條件不變且符合變形區(qū)設(shè)計(jì)機(jī)理的情況下，輾軋角γ越大，毛管的螺旋缺陷越嚴(yán)重，隨著γ的減小，毛管外表面逐步得到改善；③將輾軋角γ調(diào)為負(fù)值進(jìn)行試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，γ在-3°～0°范圍，隨著γ在負(fù)方向的增大，使毛管內(nèi)螺旋得到改善，繼續(xù)負(fù)方向增大，毛管螺旋道又會(huì)加重，這是因設(shè)備彈跳和變形區(qū)空間關(guān)系影響產(chǎn)生的。

2.3根本原因分析

在生產(chǎn)中，設(shè)備、軋制冷（熱）工具等常常干擾調(diào)整工對(duì)軋機(jī)調(diào)整的判斷，實(shí)際上，這些因素是造成毛管螺旋缺陷的次要因素，應(yīng)予重視。結(jié)合圖2中對(duì)于變形區(qū)的分析，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際調(diào)整和取軋卡樣測(cè)試，不論是桶形輥穿孔機(jī)，還是錐形輥穿孔機(jī)，直接決定穿后毛管螺旋深度的根本原因，就是穿孔變形區(qū)在三維空間下軋輥出口錐母線與頂頭母線的配合程度。也就是說，必須考慮實(shí)際軋鋼過程中的三維空間關(guān)系，使穿孔時(shí)的內(nèi)外變形工具良好配合，而不是投影關(guān)系上的兩條母線絕對(duì)平行。這也印證了輾軋角γ在調(diào)為負(fù)值的小范圍內(nèi)，毛管螺旋缺陷也在進(jìn)一步改善。

3　控制措施

20世紀(jì)80年代末，德國(guó)Meer公司推出了沒有延伸變形的無縫鋼管CPS（Cross-roll Piercing Stretch-reducing）工藝，即穿孔+定（減）徑兩步制管法；20世紀(jì)90年代初，南非Tosa公司投產(chǎn)的Φ168 mm CPS機(jī)組生產(chǎn)壁厚小于7.5 mm的鋼管時(shí)，因穿孔后的毛管存在較嚴(yán)重的內(nèi)外表面螺旋缺陷，且無法在后續(xù)的定（減）徑工序中全部消除，使得CPS工藝半途而廢，不得不在穿孔機(jī)與張力減徑機(jī)之間增加軋管機(jī)。

實(shí)際生產(chǎn)控制中，可以采取的控制措施有［5-12］：

（1）在穿孔機(jī)或者軋管機(jī)出口側(cè)增加1個(gè)機(jī)架進(jìn)行斜軋，通過軋輥與頂桿多一道次的輾軋，進(jìn)一步改善鋼管內(nèi)表面的質(zhì)量。

（2）減小軋輥出口錐的輥面角度，盡量減小軋輥的輾軋角γ，并在輾軋角γ實(shí)際測(cè)量中采取施加預(yù)應(yīng)力的辦法來消除軋輥彈跳，保證測(cè)量精準(zhǔn)。

（3）準(zhǔn)確選擇軋制冷（熱）工具，保證頂頭偏心度、軋輥磨損、頂桿直度、導(dǎo)板磨損等處于合理的水平。

（4）減小外界影響因素的干擾，優(yōu)化抱輥、軋機(jī)牌坊、各鎖緊機(jī)構(gòu)等設(shè)備方面的工作精度，并確保設(shè)備運(yùn)行正常。

4　結(jié)　論

（1）穿孔過程中的附加變形，尤其是扭轉(zhuǎn)變形，并不是產(chǎn)生毛管內(nèi)表面螺旋缺陷的根本原因，只是影響因素之一；所以，穿孔后毛管內(nèi)螺旋的產(chǎn)生與錐形輥穿孔或桶形輥穿孔的機(jī)型選擇沒有直接的關(guān)系。

（2）穿孔變形的變形區(qū)長(zhǎng)度直接影響毛管螺旋缺陷的產(chǎn)生，尤其穿孔均壁區(qū)的長(zhǎng)度與毛管內(nèi)表面螺旋道的深度成反比。

（3）必須考慮三維空間關(guān)系，軋輥出口錐母線與頂頭母線的良好配合（平行），即減小輾軋角γ，使金屬變形更趨合理，才能從變形機(jī)理方面最大程度地優(yōu)化穿孔后毛管的內(nèi)外表面質(zhì)量，減輕螺旋道的深度，從而為后續(xù)變形工序提供質(zhì)量?jī)?yōu)良的坯料。

（4）除變形區(qū)的因素以外，生產(chǎn)中還有外界的影響因素，如頂桿抖動(dòng)、軋機(jī)彈跳、頂頭偏心、抱輥失穩(wěn)、軋制中心線不正等也會(huì)間接造成毛管內(nèi)外表面螺旋缺陷的加重，必須給予足夠的重視。

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Causes for and Eliminating of Inner Surface Spiral-line Marks of Steel Pipes as Made with Two Different Types of Piercing Mills

ZHANG Guokuan，TIAN Xiaoyan
（Seamless Steel Tube Plant，Inner Mongolia Baogang Ganglian Co.，Ltd.，Baotou 014010，China）

It is commonly encountered with that defective inner spiral-line marks occur with seamless steel tubes being hot-rolled by either of the two typical piercing mills，i.e.，the barrel type rotary piercer and the cone type piercer.Causes for the said defect are investigated in terms of deformation zone and cold（thermal） rolling tools，and eventually identified.Accordingly，preventative measures are proposed，including adding one more cross-rolling stand，reducing the roll face angle of the roll outlet cone part，correctly selecting cold（thermal） rolling tolls，and preventing interference of any external element，etc.

hot-rolled steel tube；cross-rolling；defective inner surface spiral-line mark；piercer；barrel type roll；cone type roll

TG333.8

B

1001-2311（2015）02-0051-04

2014-08-18；修定日期：2015-02-12）

張國(guó)寬（1974-），男，碩士，高級(jí)工程師，主任，長(zhǎng)期從事無縫鋼管新產(chǎn)品的研發(fā)工作。