潘　峰

（寶山鋼鐵股份有限公司，上海201900）

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二輥斜軋穿孔機(jī)的設(shè)計與調(diào)整

潘峰

（寶山鋼鐵股份有限公司，上海201900）

摘要：分析探討了二輥斜軋穿孔機(jī)穿孔軋制的變形特點，在達(dá)到設(shè)計毛管規(guī)格的基礎(chǔ)上，分析了確保穿孔質(zhì)量的減徑量最小和自由變形區(qū)長度最小的兩個原則，并據(jù)此提出穿孔設(shè)計調(diào)整的理論和計算方法。分析認(rèn)為：采用全新的三段式入口錐穿孔輥輥型設(shè)計理念可以優(yōu)化傳統(tǒng)的輥型，推動穿孔工藝由經(jīng)驗向理論、定性向定量方向發(fā)展。

關(guān)鍵詞：二輥斜軋穿孔機(jī)；穿孔變形區(qū)；穿孔減徑量；自由變形區(qū)長度；三段式入口；穿孔輥

潘峰（1959-），男，教授級高級工程師，主要從事熱軋無縫鋼管的軋制工藝研究及連軋管機(jī)的孔型設(shè)計工作。

斜軋穿孔是熱軋無縫鋼管軋制的第一道變形工序，對成品管質(zhì)量和尺寸精度有根本性的影響；而大部分軋制缺陷產(chǎn)生于穿孔工序，且較為嚴(yán)重。因此，若在穿孔工序中鋼管壁厚精度出現(xiàn)偏差，在后續(xù)變形工序是很難消除的，其尺寸和形狀的偏差具有“遺傳性”；即使后續(xù)采用縱軋生產(chǎn)，孔型約束性很強(qiáng)，雖有一定改善，但也不能完全消除來料的形狀偏差［1-7］。

穿孔工序的基本特點是斜軋和單機(jī)架。單機(jī)架與縱軋連軋多機(jī)架相比，沒有多機(jī)架間保持金屬秒流量穩(wěn)定的要求，相對簡單；斜軋與縱軋相比，斜軋空間關(guān)系更為復(fù)雜，縱軋變形區(qū)在孔型設(shè)計時可以簡化視為平面圖形，斜軋變形區(qū)需視為立體空間，孔型封閉性不如縱軋。雖然在斜軋穿孔時可以通過調(diào)整多種參數(shù)組合來獲得毛管目標(biāo)尺寸，但會增加選擇難度，理論分析不準(zhǔn)確，反而更依賴于生產(chǎn)現(xiàn)場的經(jīng)驗。目前，斜軋穿孔的孔型設(shè)計和軋機(jī)調(diào)整基本屬于經(jīng)驗型。

與縱軋相比，斜軋的穿孔阻力更小，但存在橫向變形的缺點，是影響鋼管變形的“瓶頸”工序。另一方面，相同延伸系數(shù)下，斜軋變形作用更強(qiáng)，反而有利于金屬變形組織的形成［8-13］。

進(jìn)入21世紀(jì)，桶形輥穿孔機(jī)向錐形輥穿孔機(jī)發(fā)展，兩者的變形區(qū)相同，只是運動學(xué)方面的特征不同。由于錐形輥穿孔機(jī)的軋輥直徑越來越大，其線速度也越來越快，與變形過程中毛管橫截面積越來越小相適應(yīng)，因而比桶形輥穿孔機(jī)的變形過程更穩(wěn)定，有利于改善穿孔質(zhì)量和容易擴(kuò)徑。穿孔送進(jìn)角γ=0°時二輥斜軋穿孔機(jī)變形區(qū)平面投影如圖1所示。

圖1　穿孔送進(jìn)角γ=0°時二輥斜軋穿孔機(jī)變形區(qū)的平面投影

穿孔工藝設(shè)計需要從經(jīng)驗向理論、定性到定量方向發(fā)展，在理論上需要確定設(shè)計及調(diào)整的基本原則。

1　理論原則

1.1斜軋穿孔工藝目的

（1）將實心圓坯穿為空心毛管，以實心圓坯半徑為壁厚，穿孔工序在成形方面有減壁的任務(wù)，但無減徑的任務(wù)。

（2）考慮質(zhì)量及能耗，盡量減少減徑變形。

1.2設(shè)計調(diào)整原則

滿足毛管壁厚、外徑目標(biāo)和保證穿孔質(zhì)量要求。

斜軋穿孔存在復(fù)雜立體的空間變形區(qū)，設(shè)計與調(diào)整的工藝參數(shù)互相制約，各參數(shù)之間組合多樣，因此需要提出基本原則，在此給出了兩項設(shè)計與調(diào)整各參數(shù)的基本原則。

（1）原則1：減徑量最小原則，即在保證正常咬入的前提下，直徑方向壓縮率最小。

（2）原則2：自由變形區(qū)長度最小原則，即在保證實現(xiàn)正常二次咬入的前提下，自由變形區(qū)長度最小。

自由變形區(qū)長度x是指一次咬入和二次咬入之間的距離，即圖1中穿孔準(zhǔn)備區(qū)長度，在軋機(jī)調(diào)整中可以控制，國內(nèi)一般用頂頭前壓縮量來衡量。對于確定形狀的穿孔輥，頂頭前壓縮量和自由變形區(qū)長度是變形區(qū)三角形的兩條直角邊，可以相互換算，但自由變形區(qū)長度較為合理，該參數(shù)用于控制孔腔效應(yīng)，壓縮變形不會形成孔腔，孔腔是在管坯旋轉(zhuǎn)軋制、反復(fù)拉伸和壓縮中產(chǎn)生的，因此需要控制穿孔前管坯的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)。德國觀點是：自由變形區(qū)長度取1個螺距，即管坯完成2個半轉(zhuǎn)，小于此值會影響二次咬入，其中1個螺距主要針對高合金鋼，對于一般普通鋼種要求相對較寬松。日本針對高合金鋼的要求是：自由變形區(qū)長度x與管坯直徑Db的比值x/Db為0.6［14］。比較發(fā)現(xiàn)：日本的是x/Db=0.6，德國的是=1，即若兩條件相同，可計算出送進(jìn)角γ=10.8°；當(dāng)送進(jìn)角γ∧10.8°時，德國的條件更寬松，反之日本的條件更寬松。

減徑量最小原則只是給出了經(jīng)驗值范圍，在目前的設(shè)計方法中屬于從屬位置，無法確保。斜軋穿孔與縱軋不同，工藝目前不需要毛管減徑的任務(wù)及相應(yīng)的橫向變形，只是要確保咬入；因此應(yīng)該在實現(xiàn)咬入的前提下，減徑量越小越好，即軋輥距離E越大越好。減徑量的大小屬于經(jīng)驗值，一般碳鋼的E/Db值為0.84～0.90 mm；高合金鋼的減徑量更小，一般取0.88～0.91 mm。

在確保穿孔質(zhì)量之前，需要達(dá)到毛管設(shè)計尺寸，即毛管外徑和壁厚。毛管壁厚S設(shè)計階段不考慮，可以通過調(diào)整階段來達(dá)到；毛管外徑Dh通過經(jīng)驗公式或統(tǒng)計曲線確定頂頭直徑規(guī)格來控制。

穿孔工序的工藝目標(biāo)有4個，即實現(xiàn)毛管尺寸Dh和壁厚S，滿足減徑量最小原則和自由變形區(qū)長度最小原則。

2　設(shè)計方法

2.1穿孔輥型設(shè)計

原則1主要依據(jù)軋制工具設(shè)計來保證，原則2主要依據(jù)軋機(jī)調(diào)整來實現(xiàn)。

在軋輥設(shè)計方面，入口段由一段錐或者二段錐組合而成，出口段為一段，選擇入口段錐角大小最關(guān)鍵，理想狀態(tài)為不減徑，但無法咬入，因此在滿足咬入條件下錐角越小越好。改善穿孔咬入有利于減小減徑量，是提高穿孔質(zhì)量的重要因素，推薦定心管坯頭部，其作用既可對中，又有利于改善二次咬入（二次咬入通常比一次咬入更困難）。

開發(fā)咬入經(jīng)驗公式非常有價值，若能獲得穿孔咬入的量化值，就能準(zhǔn)確咬入，且減徑量最小。根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗，一次咬入采用小錐角最有利，二次咬入需要更大的錐角才能實現(xiàn)。若是一段入口錐，則角度大小以滿足二次咬入為準(zhǔn)；若是二段錐，則更有利于保證二次咬入，在減小減徑量方面優(yōu)于一段錐。

2.2穿孔機(jī)調(diào)整

（1）選擇減徑量最小，即輥距E=0.9Db，優(yōu)先保證原則1。

（2）控制毛管外徑主要依靠頂頭直徑。目前變形區(qū)的理論計算還不能計算毛管外徑，這就需要建立經(jīng)驗公式。通過分析穿孔軋卡試驗可知，在頂頭定壁點（頂頭輾軋段末點）延伸即告結(jié)束，此點后毛管面積、周長不再發(fā)生變化，毛管外徑即為頂頭定壁點處的平均外徑，顯然與頂頭直徑有關(guān)。軋輥側(cè)毛管外徑即為頂頭直徑加兩個壁厚，若為導(dǎo)板穿孔機(jī)，導(dǎo)板側(cè)毛管外徑可以計算［15］；若為導(dǎo)盤穿孔機(jī)，則只能依靠經(jīng)驗獲得，此位置毛管已脫離導(dǎo)盤，假定此點毛管橢圓度就能計算導(dǎo)盤側(cè)毛管外徑，通過幾次穿孔生產(chǎn)經(jīng)驗的積累是可以計算出毛管外徑的。

（3）由于頂頭直徑已確定，參照圖1中γ=0°的情況，此時目的是要達(dá)到毛管壁厚，根據(jù)毛管壁厚就能確定頂頭定壁點位置。若沒有原則2的要求，穿孔主要有軋輥距離E和頂頭前伸量b兩個調(diào)整參數(shù)，可以采用多種組合方式來達(dá)到不同的壁厚，表現(xiàn)出穿孔調(diào)整的多樣性和復(fù)雜性，引入原則2可使多樣性轉(zhuǎn)變?yōu)閱我恍?，達(dá)到最優(yōu)化的目的。通過計算調(diào)整參數(shù)來保證原則2的要求，即：①確定自由變形區(qū)的螺距，普通鋼種以自由變形區(qū)長度不超過1.5個螺距，可適當(dāng)留有余地，高合金鋼爭取在1.2個螺距以內(nèi)；②確保二次咬入，在此體現(xiàn)出穿孔咬入經(jīng)驗公式的重要性。確定頂頭長度應(yīng)根據(jù)原則2，因此可以確定頂頭形狀，但頂頭細(xì)長比應(yīng)在合理范圍內(nèi)，若超出范圍則設(shè)計條件應(yīng)適當(dāng)放寬。頂頭細(xì)長比越大則變形平緩，有利于咬入，對頂頭形狀影響不大，輾軋段長度應(yīng)大于1.5個半轉(zhuǎn)螺距。

實際上還需考慮穿孔輥斜置后輾軋角和送進(jìn)角，穿孔空間變形區(qū)投影相對于圖1有一定的變化，若能夠計算穿孔輥斜置后的軋輥開度及壁厚，以及穿孔輥在軋制時的彈跳，就能獲得準(zhǔn)確的穿孔調(diào)整參數(shù)表。

（4）確定頂頭前伸量b。b值決定了穿孔變形區(qū)相對于孔喉的前后位置，變形區(qū)靠前有利于延伸，靠后有利于擴(kuò)徑。先假設(shè)頂頭前伸量b的最小值bmin約為50 mm，再考慮其可能的調(diào)整范圍，頂頭代用（即一個直徑規(guī)格頂頭要生產(chǎn)多個壁厚規(guī)格），隨后確定頂頭前伸量b的最大值bmax，頂頭不能進(jìn)入第一段咬入錐，且bmax不能大于頂頭圓弧段長度。根據(jù)bmax可確定軋輥第二咬入段最短長度，使二次咬入落在第二咬入段，該段越短越有利于減小減徑量。確定頂頭直徑間隔應(yīng)考慮頂頭直徑與毛管外徑的強(qiáng)相關(guān)性，允許毛管外徑在一定范圍內(nèi)波動（一般3～4 mm）。穿孔后若配有空減機(jī)，則能適應(yīng)毛管外徑較大的波動。

3　三段式入口錐穿孔輥輥型

如前所述，原則1是保證穿孔質(zhì)量的首要原則。為減小減徑量，目前傳統(tǒng)的一段式或二段式入口錐穿孔輥型都有明顯的優(yōu)化余地。在咬入錐第Ⅱ段，為保證二次咬入，錐角及減徑都是必要的，在頂頭鼻部二次咬入已經(jīng)實現(xiàn)，到軋輥高位點已不再需要減徑，此時軋輥錐角已經(jīng)沒有必要考慮，可以采用水平線，即錐角為0°或略大于0°，形成第Ⅲ段入口段，這樣的輥型設(shè)計更合理，毛管減徑量更小。確定最小頂頭前伸量之后，由此頂頭鼻部開始往后到出口段，穿孔輥型即可采用水平線，此為全新的三段式入口錐穿孔輥輥型設(shè)計理念，如圖2所示。

圖2　三段式入口錐穿孔輥輥型（虛線為傳統(tǒng)輥型）

若穿孔輥bmin為50 mm，入口段第二段錐角為3.5°，按前述理想狀態(tài)設(shè)計傳統(tǒng)輥型可以確定E/ Db=0.9；若采用全新的三段式入口錐的設(shè)計理念，穿孔輥空間位置不變，因高位點附近少一塊軋輥，則可以確定E/Db=0.94，沒有改變二次咬入能力（傳統(tǒng)穿孔輥輥型E/Db超過0.9就可能影響二次咬入），仍能保持正常生產(chǎn)，但橫向減徑變形大大減少。

4　結(jié)　語

大變形容易產(chǎn)生軋制缺陷，增加能耗，不利于環(huán)保。采用新的穿孔輥型設(shè)計，使得減徑變形極少，卻不影響咬入，對穿孔工序極為有利；此外，還能減少軋制缺陷，尤其在生產(chǎn)難軋鋼種時，其優(yōu)勢更明顯。

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●信息

Design and Adjustment of 2-roll Rotary Piercing Mill

PAN Feng
（Baoshan Iron and Steel Co.，Ltd.，Shanghai 201900，China）

Abstract：Analyzed and discussed in the essay are the deformation characteristics of the rolling process of the 2-roll rotary piercing mill. Given that the designed specification of the shell is satisfied，the two principles of having minimum reduction amount and minimum free deformation zone length to ensure piercing quality are analyzed. Accordingly，the theory and calculation method for adjustment of piercing design and adjustment. The analysis leads to such a conclusion that the conventional piercer roll profile can be optimized by means of adopting the completely-% new design concept of the piercing roll profile with the 3-section inlet cone，which will get the piercing process further developed in a theoretic and quantitative way instead of the original experiencing and qualitative way.

Key words：2-roll rotary piercing mill；piercing deformation zone；reduction amount；free deformation zone length；3-section inlet；piercing roll

收稿日期：（2015-11-10）

中圖分類號：TG333.8搖

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B搖

文章編號：1001-2311（2016）01-0027-04