王 棟，王增海，張文亮，呂洪禮，史江歡

（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）Φ180 mm連軋管機(jī)組共計(jì)有3個(gè)孔型系列，分別是173 mm系列、238 mm系列、266 mm系列。其中，173 mm系列主要軋制Φ139.7 mm×7.72 mm和Φ139.7 mm×9.17 mm規(guī)格石油套管（兩倍尺），成材率90.0%。為了整合煉鋼坯型資源，減少坯型斷面更換次數(shù)，包鋼鋼管公司開(kāi)發(fā)出194 mm系列孔型，實(shí)現(xiàn)了Φ180 mm Mini-MPM連軋管機(jī)組與Φ159 mm PQF連軋管機(jī)組坯料共享，充分釋放了煉鋼作業(yè)區(qū)的產(chǎn)能，同時(shí)Φ139.7 mm×7.72 mm石油套管實(shí)現(xiàn)了三倍尺生產(chǎn)，提高了倍尺率，提升了成材率?，F(xiàn)對(duì)194 mm系列孔型的開(kāi)發(fā)過(guò)程進(jìn)行介紹。

1 孔型設(shè)計(jì)步驟及結(jié)果

此次孔型開(kāi)發(fā)主要針對(duì)Mini-MPM連軋管機(jī)以及脫管機(jī)進(jìn)行，對(duì)錐形穿孔機(jī)也進(jìn)行孔型系列開(kāi)發(fā)，對(duì)定徑機(jī)、微張力定（減）徑機(jī)則只做部分孔型調(diào)整。Φ180 mm連軋管機(jī)組各軋機(jī)的極限參數(shù)見(jiàn)表1。

1.1 連軋管機(jī)軋管時(shí)的變形分析

連軋管機(jī)常采用直線或圓弧側(cè)壁的圓孔型，有時(shí)也采用橢圓孔型和圓孔型（帶側(cè)壁）的組合孔型。在圓孔型（帶側(cè)壁）中軋制鋼管時(shí)抽芯棒困難，而在橢圓孔型中軋管時(shí)管體精度差，但相比較圓孔型抽芯棒容易，為了在連軋管機(jī)后面機(jī)架中使毛管內(nèi)表面與芯棒之間形成一定的間隙，必須形成金屬在孔型中橫向流動(dòng)的條件。

連軋管機(jī)軋管時(shí)分為一次咬入和二次咬入，一次咬入屬于減徑工序，二次咬入屬于減壁工序。毛管在連軋管機(jī)中一次咬入時(shí)，由于毛管外徑大于孔型直徑，毛管最先與孔型接觸是在側(cè)壁的4個(gè)點(diǎn)上，假定接觸點(diǎn)位于側(cè)壁角處，可推導(dǎo)出一次咬入角與軋輥直徑、側(cè)壁角和毛管直徑的關(guān)系（公式1），在摩擦因數(shù)一定的情況下，軋輥工作直徑越大，側(cè)壁角越大，或毛管的直徑越小，越有利于一次咬入。實(shí)現(xiàn)一次咬入后，二次咬入是軋輥、芯棒共同作用的區(qū)域，毛管除在軋輥之間摩擦力的作用下有咬入力外，同時(shí)還受到芯棒與毛管內(nèi)表面摩擦力的作用阻止其咬入，其二次咬入角按孔型頂部進(jìn)行計(jì)算（公式2）。在進(jìn)行連軋管機(jī)孔型設(shè)計(jì)時(shí)，可先計(jì)算一下最大允許咬入角和最大允許減壁量，作為確定各機(jī)架孔型分配減壁量和孔型高度尺寸的參考［1-13］。

表1 Φ180 mm連軋管機(jī)組各軋機(jī)的極限參數(shù)（最大值）

式中δ1——一次咬入角，（°）；

δ2——二次咬入角，（°）；

D——軋輥工作直徑，mm；

θ——孔型側(cè)壁角，（°）；

a——孔型高度，mm；

D0——毛管直徑，mm。

上述咬入條件的推導(dǎo)主要是針對(duì)連軋管機(jī)第1機(jī)架，除第1機(jī)架外，以后各機(jī)架都存在前機(jī)架給予軋件后推力的作用，可以幫助實(shí)現(xiàn)一次咬入和二次咬入［3］。

通過(guò)對(duì)咬入條件的校核，設(shè)計(jì)的194 mm孔型系列選擇橢圓孔型與圓孔型組合。第1機(jī)架的壓下量大，毛管較厚，不存在鋼管與芯棒抱死的問(wèn)題，而且為了更好地咬入，選擇橢圓孔型；第2～5機(jī)架選用帶圓弧側(cè)壁的圓孔型，其中第4～5機(jī)架為精軋機(jī)架，采用相同的孔型［1］。

1.2 確定設(shè)計(jì)常量

選用芯棒冷態(tài)直徑Dt0為184.8 mm，出連軋管機(jī)的荒管壁厚Sh為4.5 mm，毛管壁厚為14.5 mm、芯棒插棒間隙為10 mm。根據(jù)以上各參數(shù)，由公式Dh=2Sh+1.001 1Dt0可計(jì)算出毛管出連軋管機(jī)的荒管外徑Dh為194 mm，從而計(jì)算出毛管外徑為224 mm。

1.3 孔型設(shè)計(jì)及計(jì)算過(guò)程

根據(jù)毛管及荒管的尺寸計(jì)算出Mini-MPM連軋管機(jī)的總延伸系數(shù)μz及頂部延伸系數(shù)μδz，并將總延伸系數(shù)和頂部延伸系數(shù)合理分配到5個(gè)機(jī)架上。分配原則如下。

（1）第1機(jī)架的延伸系數(shù)較大，可以補(bǔ)償由于穿孔機(jī)設(shè)定不當(dāng)而引起的毛管尺寸偏差。第2機(jī)架可包容第1機(jī)架的延伸。第4機(jī)架的延伸系數(shù)一般在1.13左右。每機(jī)架的平均延伸系數(shù)應(yīng)小于1.6。MPM孔型如圖1所示。

圖1 MPM孔型示意

（2）Mini-MPM連軋管機(jī)是由5個(gè)機(jī)架組成，1、3、5機(jī)架是橫輥，2、4機(jī)架是立輥，橫立輥互成90°交替布置。因此，在設(shè)計(jì)頂部延伸系數(shù)時(shí)，1、3、5機(jī)架的總延伸系數(shù)等于2、4機(jī)架的總延伸系數(shù)。194 mm系列孔型各機(jī)架延伸系數(shù)見(jiàn)表2。

表2 194 mm系列孔型各機(jī)架延伸系數(shù)

根據(jù)孔型結(jié)構(gòu)及各機(jī)架孔型頂部延伸系數(shù)，計(jì)算出各機(jī)架孔型半徑，進(jìn)而計(jì)算出孔型的其他參數(shù)。軋輥孔型與目前采用的孔型類似，以使金屬在軋機(jī)中有一個(gè)非常好的流動(dòng)狀態(tài)為參考標(biāo)準(zhǔn)。其中，部分系數(shù)為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，見(jiàn)表3［2］。計(jì)算得出194 mm系列孔型的各參數(shù)，具體見(jiàn)表4。

表3 194 mm系列孔型的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)

2 孔型校核

（1）孔型中鋼管截面積（截面積是橫截面面積）也即孔型理論截面積，具體如圖2所示，計(jì)算公式（3）為：

式中Fi——第i機(jī)架的截面積，mm2；

Fi-1——第i-1機(jī)架的截面積，mm2；

μi——第i機(jī)架的延伸系數(shù)。

圖2 孔型中鋼管截面積計(jì)算示意

當(dāng)i-1≤0時(shí)，F(xiàn)i-1=Fm。

（2）孔型中鋼管實(shí)際斷面積FT（斷面積是總的孔型面積刨去芯棒和芯棒間隙的面積）計(jì)算公式為：

式中Fp——孔型斷面積，mm2；

Ft——芯棒斷面積，mm2；

Dt——芯棒熱狀態(tài)直徑，Dt=1.001 1Dt0，mm；

ΔFt-m——輥縫處棒管間的間隙面積，mm2。

經(jīng)校核，鋼管的理論截面積與實(shí)際斷面積相差在誤差允許范圍內(nèi)。

（3）把設(shè)計(jì)好的孔型參數(shù)輸入到MPMMOD程序中，計(jì)算頂部延伸系數(shù)和平均延伸系數(shù)，計(jì)算結(jié)果與原孔型的計(jì)算結(jié)果相比較，差值在誤差允許范圍內(nèi)。經(jīng)校核，最終確定了孔型的合理性。

3 脫管機(jī)孔型設(shè)計(jì)步驟及結(jié)果

3.1 確定總減徑率

實(shí)踐中，脫管機(jī)的總減徑率為3%～6%。為了得到良好的脫管效果，脫管機(jī)總減徑率需控制在3.5%～4.5%，并分配到3個(gè)機(jī)架上。連軋后鋼管直徑較大時(shí)，脫管機(jī)總減徑率取較小值；鋼管直徑較小時(shí)，取較大值。

3.2 各機(jī)架減徑率的確定

通常所說(shuō)的減徑率均指相對(duì)減徑率，公式為：

式中ρi——第i機(jī)架的單機(jī)架減徑率，也稱相對(duì)減徑率，%；

Di-1——第i-1機(jī)架的孔型直徑（鋼管出口外徑），mm；

Di——第i機(jī)架的孔型直徑（鋼管出口外徑），mm。

第i機(jī)架的單機(jī)架對(duì)數(shù)減徑率ρDi為：

3.3 減徑率的分配

為了適應(yīng)來(lái)料的外徑波動(dòng)和鋼管不圓，并有利于咬入，第1機(jī)架的減徑率取小值，通常應(yīng)小于第2機(jī)架的減徑率。每個(gè)機(jī)架的對(duì)數(shù)減徑率占總對(duì)數(shù)減徑率的比例分別是：第1機(jī)架為41%～42%，第2機(jī)架為50%，第3機(jī)架為7.5%～8.3%。

3.4 確定后的孔型尺寸

脫管機(jī)孔型尺寸見(jiàn)表5。

表5 脫管機(jī)孔型尺寸 mm

4 穿孔機(jī)熱工具頂頭的設(shè)計(jì)

由連軋?jiān)O(shè)計(jì)結(jié)果可知，穿孔機(jī)毛管外徑為224 mm，毛管壁厚為14.5 mm，該系列采用的坯型斷面尺寸為200 mm，即擴(kuò)徑率為12.0%，符合設(shè)計(jì)要求。采用頂前壓下率為7.5%，可得出軋輥間距為185 mm。咬入角設(shè)定10°。由上述條件設(shè)計(jì)頂頭的具體步驟如下。

（1）確定頂頭擴(kuò)徑段。根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，擴(kuò)徑率小于20%的采用二段式頂頭，擴(kuò)徑率大于20%時(shí)采用三段式或四段式，而194 mm系列的擴(kuò)徑率為12.0%，所以確定采用二段式頂頭。

（2）確定頂頭直徑Dd。頂頭直徑Dd的計(jì)算公式為：

式中S0——毛管壁厚，mm；

C0——頂頭與毛管間隙值，屬于經(jīng)驗(yàn)值，一般取10～12 mm。

（3）確定頂頭平滑段長(zhǎng)度LGT2。頂頭平滑段長(zhǎng)度LGT2的計(jì)算公式為：

式中SF——平滑系數(shù)，屬于經(jīng)驗(yàn)值，取1.2～2.0；

γ——咬入角，（°）。

（4）確定頂頭穿孔段末段的直徑DR。頂頭穿孔段末段的直徑DR的計(jì)算公式為：

式中βGT2——平滑段角度，近似等于軋輥出口錐角，（°）。

（5）計(jì)算頂頭前伸量Ld1。頂頭前伸量Ld1的計(jì)算公式為：

式中Le——軋輥入口長(zhǎng)度，mm；

GL—— 自由段長(zhǎng)度，GL=GFDBtan γ，其中GF取 1.0～1.5 mm。

（6）確定頂頭長(zhǎng)度Ld。頂頭總長(zhǎng)度是頂頭前伸量Ld1與頂頭在軋制帶后的長(zhǎng)度Ld2之和，而Ld2的計(jì)算公式為：

式中E——軋輥間距，mm；

βu——軋輥出口錐角，（°）。

（7）確定頂頭圓弧半徑Rd。Rd的計(jì)算公式為：

式中LR——頂頭圓弧段長(zhǎng)度，LR=Ld-LGT2；

F——頂頭鼻部直徑，?。?.25～0.30）Dd。

頂頭圓弧半徑在300～900 mm，二段式頂頭圓弧半徑不要取上限值。

根據(jù)以上7個(gè)步驟對(duì)194 mm系列頂頭進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表6。

5 生產(chǎn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證

194 mm系列孔型投入使用后，從2018年10月份至2019年3月份共計(jì)生產(chǎn)Φ139.7 mm×7.72 mm規(guī)格三倍尺石油套管2.7萬(wàn)t，產(chǎn)品的外觀質(zhì)量及尺寸精度都能滿足API Spec 5CT—2018《套管和油管規(guī)范》要求；生產(chǎn)Φ178 mm×9 mm規(guī)格車軸管2 000 t，壁厚精度滿足壁厚范圍9.0～10.3 mm要求。對(duì)不同孔型系列生產(chǎn)Φ139.7 mm×7.72 mm規(guī)格石油套管的成材率分別取6個(gè)月的生產(chǎn)情況進(jìn)行對(duì)比，使用173 mm系列孔型生產(chǎn)的成材率為89.98%，而使用194 mm系列孔型生產(chǎn)的成材率為92.34%，較173 mm系列孔型提高2.36個(gè)百分點(diǎn)。同時(shí)抽取21組Φ178 mm×9 mm規(guī)格車軸管的壁厚，與原238 mm系列孔型生產(chǎn)的壁厚精度進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果顯示使用194 mm系列孔型生產(chǎn)的Φ178 mm×9 mm規(guī)格車軸管壁厚均勻度控制在1.3 mm范圍之內(nèi)，而使用原238 mm系列孔型生產(chǎn)的壁厚不均度大于1.3 mm。不同孔型系列生產(chǎn)Φ139.7 mm×7.72 mm石油套管的成材率如圖3所示，生產(chǎn)Φ178 mm×9 mm車軸管壁厚精度如圖4所示。

表6 194 mm系列頂頭設(shè)計(jì)結(jié)果①

圖3 不同孔型系列生產(chǎn)Φ139.7 mm×7.72 mm石油套管的成材率

圖4 不同孔型系列生產(chǎn)Φ178 mm×9 mm車軸管壁厚精度

6 結(jié) 論

（1）在連軋管機(jī)孔型設(shè)計(jì)過(guò)程中，總結(jié)出按各機(jī)架的頂部延伸系數(shù)分配法計(jì)算軋管機(jī)的孔型高度（孔型直徑），并綜合各項(xiàng)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)計(jì)算其他各段圓弧的孔型計(jì)算方法，是可行的，在今后連軋管機(jī)孔型設(shè)計(jì)中可借鑒應(yīng)用。

（2）使用194 mm系列孔型，生產(chǎn)工藝穩(wěn)定，產(chǎn)品質(zhì)量得到了改善，成材率得以提高，該系列孔型的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)是成功的。

（3）系列孔型在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，還利用EXCEL表格自主編制了頂頭參數(shù)計(jì)算程序，并結(jié)合CAD制圖驗(yàn)證，簡(jiǎn)化了頂頭的設(shè)計(jì)過(guò)程。