盧立鋒，王慶偉

（天津鋼管制造有限公司，天津 300301）

PQF 三輥連軋管機(jī)的孔型一般都是按該孔型所軋制使用最大直徑芯棒的名義壁厚進(jìn)行設(shè)計(jì)的［1-2］。用同一孔型軋制不同壁厚的規(guī)格時(shí)，需要使用與此相適應(yīng)的芯棒。生產(chǎn)中，若沒(méi)有與鋼管壁厚相對(duì)應(yīng)的芯棒時(shí)，則采用與之最接近的芯棒來(lái)替代，并輔以適當(dāng)?shù)妮伩p調(diào)整來(lái)滿足所要求的鋼管壁厚［3-4］。

三輥連軋管機(jī)成品孔型通常采用帶圓弧側(cè)壁的圓孔型，其孔型槽底圓弧半徑R1的圓心在坐標(biāo)原點(diǎn)上，三輥連軋管機(jī)孔型形狀如圖1 所示。將成品孔型的前一架孔型稱為成品前孔型，為了使三輥連軋管機(jī)所軋制鋼管的壁厚更為均勻，一般將成品前孔型和成品孔型設(shè)計(jì)成形狀和尺寸相同的孔型。使用這種孔型軋制鋼管時(shí)，因前后機(jī)架的軋輥呈60°交替分布，所以成品前孔型的槽底和輥縫處的管壁在成品孔型中分別為輥縫和槽底，且在30°處成品前孔型和成品孔型交疊，形成在整個(gè)圓周上的等壁厚，因而從成品孔型出來(lái)的鋼管壁厚分布是均勻的，其值等于成品孔型高與芯棒直徑（熱態(tài)芯棒直徑）之差的一半。

對(duì)于PQF 三輥連軋管機(jī)輥縫的調(diào)整，基本上是參照末架孔型的平均等效壁厚［5-7］。平均等效壁厚是理想壁厚，它是在芯棒直徑上形成的具有均勻厚度的環(huán)形截面。參照此平均等效壁厚進(jìn)行軋機(jī)調(diào)整，軋輥孔型可以調(diào)整至名義規(guī)格，也可以調(diào)整至比名義規(guī)格大一些或小一些的規(guī)格（簡(jiǎn)稱為大規(guī)格調(diào)整或小規(guī)格調(diào)整），這取決于平均等效壁厚的大小。

圖1 三輥連軋管機(jī)孔型形狀示意

圖2 小規(guī)格調(diào)整時(shí)鋼管壁厚沿橫斷面上的分布示意

圖3 小規(guī)格調(diào)整時(shí)鋼管斷面壁厚曲線

按孔型名義規(guī)格進(jìn)行調(diào)整時(shí)，芯棒直徑上形成的平均等效壁厚的環(huán)形截面的輪廓應(yīng)與軋輥孔型形狀吻合?？仔兔x規(guī)格下平均等效壁厚產(chǎn)生的最大偏差值，使得一種給定的芯棒可以軋制出一定壁厚范圍的鋼管，這就取決于鋼管橫斷面的最大允許壁厚公差。用同一種芯棒軋制不同壁厚的鋼管，其規(guī)格壁厚附加公差應(yīng)限制在3.5%以內(nèi)。

1 軋輥孔型的小規(guī)格調(diào)整

1.1 平均等效壁厚的計(jì)算

當(dāng)孔型直徑調(diào)整的比名義孔型直徑小，稱為小規(guī)格調(diào)整。小規(guī)格調(diào)整時(shí)，輥縫調(diào)整量Y 為負(fù)值（計(jì)算時(shí)取絕對(duì)值），實(shí)際的孔型高度變小，相當(dāng)于孔型產(chǎn)生了偏心，因而此時(shí)孔型槽底處的管壁最薄，而兩側(cè)的管壁逐漸變厚。由于軋輥孔型弧線與芯棒表面之間的間隙從槽底向輥縫處逐漸變大，因而成品前孔型槽底處的管壁在進(jìn)入成品孔型輥縫處后，其壁厚仍保持不變，所以從成品孔型軋出的鋼管，其壁厚沿橫斷面上的分布如圖2 所示，槽底處和輥縫處最薄，在60°處最厚。

根據(jù)小規(guī)格調(diào)整時(shí)鋼管斷面壁厚曲線（圖3）可知：曲線CD 為頂點(diǎn)在C 點(diǎn)并通過(guò)點(diǎn)D 的拋物線，其方程式為y=ax2。設(shè)AB=1，a=DE=Smax-Smin，在B 和A 區(qū)間，即在0 和1 之間對(duì)y 積分，即得到此值為與DEC 面積具有相同底邊AB 的等效三角形的高［8-9］。因此，平均等效壁厚Smean為：

又因Smin=Snom-Y，Smax=Snom-Ysin30°=Snom-0.5Y，故公式（1）可轉(zhuǎn)化為：

在公式（2）中，Snom、Y 已知。

1.2 輥縫調(diào)整量的計(jì)算

將Smin、Smax和Smean的計(jì)算公式代入小規(guī)格調(diào)整產(chǎn)生的壁厚附加公差Δ的公式中，可得小規(guī)格調(diào)整下的輥縫調(diào)整量Y小：

2 軋輥孔型的大規(guī)格調(diào)整

2.1 平均等效壁厚的計(jì)算

孔型直徑調(diào)整的比名義孔型直徑大時(shí)，稱為大規(guī)格調(diào)整。大規(guī)格調(diào)整時(shí)，輥縫調(diào)整量Y 為正值，實(shí)際的孔型高度變大。此時(shí)軋輥孔型弧線與芯棒表面間的間隙，在成品前孔型槽底處最大（90°方向），向兩側(cè)逐漸變小，到成品孔型槽底處最?。?0°方向），如圖4 所示。

圖4 大規(guī)格調(diào)整時(shí)鋼管壁厚沿橫斷面上的分布示意

成品前孔型槽底處的管壁進(jìn)入成品孔型輥縫處后，在90°至60°范圍內(nèi)未受到成品孔型軋輥的壓縮，但在60°至30°范圍受到成品孔型軋輥的壓縮［10-11］。從圖4 中可以看出，90°處鋼管壁厚S90=Snom+Y，S60=Snom+Ysin60°=Snom+0.866Y，S30=Snom+Ysin30°=Snom+0.5Y。

從圖4 所示的軋輥弧形曲線可以看出，如果在成品前孔型及成品孔型上的輥縫調(diào)整量以Y 來(lái)表示，則所軋制的鋼管的幾何尺寸可以分為兩種不同的情況：①?gòu)?0°至60°的管子的壁厚由成品前孔型頂部決定；②從60°至30°的管子的壁厚由成品孔型頂部決定。

為了確定平均等效壁厚，仍按小規(guī)格調(diào)整斷面的方法進(jìn)行，大規(guī)格調(diào)整時(shí)鋼管斷面壁厚曲線如圖5 所示，若將調(diào)整斷面所形成的曲線看作拋物弧線，則對(duì)相應(yīng)曲線積分后得到的值為與面積BCD、CEF 具有相同底邊的等效三角形的高。

圖5 大規(guī)格調(diào)整時(shí)鋼管斷面壁厚曲線

對(duì)于90°至60°弧線段，Smin=Snom+Ysin60°，Smax=Snom+Y；因此，大規(guī)格調(diào)整時(shí)90°至60°弧線段的平均等效壁厚Smean1為：

對(duì)于60°至30°弧線段，Smin=Snom+Ysin30°，Smax=Snom+Ysin60°；因此，大規(guī)格調(diào)整時(shí)60°至30°弧線段的平均等效壁厚Smean2為：

將公式（5）~（6）代入Smean=（30Smean1+30Smean2）/60，可得圖5 所示斷面的平均等效壁厚Smean為：

2.2 輥縫調(diào)整量的計(jì)算

將Smin，Smax和Smean的計(jì)算公式代入大規(guī)格調(diào)整產(chǎn)生的壁厚附加公差Δ 的計(jì)算公式中，可得大規(guī)格調(diào)整下的輥縫調(diào)整量Y大：

3 芯棒所對(duì)應(yīng)鋼管壁厚范圍的求解

在小規(guī)格調(diào)整時(shí)，輥縫調(diào)整量Y小為鋼管壁厚范圍的下限；在大規(guī)格調(diào)整時(shí)，輥縫調(diào)整量Y大為鋼管壁厚范圍的上限。因而，在已知壁厚附加公差Δ的情況下，綜合小、大規(guī)格調(diào)整的輥縫調(diào)整量Y小、Y大，可得到某一芯棒在輥縫調(diào)整時(shí)所能軋制的鋼管壁厚范圍，即Snom-Y小≤S≤Snom+Y大。

因而，在給定壁厚附加公差Δ 的條件下，可以求出已知芯棒所對(duì)應(yīng)的鋼管壁厚范圍。

4 探討與結(jié)論

在PQF 連軋管機(jī)中，通過(guò)輥縫調(diào)整可有效增加在同一芯棒規(guī)格下的鋼管壁厚軋制范圍，大大降低芯棒規(guī)格的儲(chǔ)備量，有效地降低成本，但通過(guò)分析探論可知，輥縫的調(diào)整造成了鋼管橫向壁厚的不均勻性，嚴(yán)重影響了鋼管壁厚精度，因而在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，連軋管機(jī)組應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品的壁厚標(biāo)準(zhǔn)和客戶要求，適當(dāng)進(jìn)行取舍，以滿足市場(chǎng)需求和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

輥縫調(diào)整對(duì)孔型壁厚的影響見(jiàn)表1，列舉了Φ 460 mm PQF 連軋管機(jī)294 mm 和369 mm 孔型中某一特定芯棒直徑所對(duì)應(yīng)的名義壁厚，在設(shè)定附加公差為3.5%時(shí)，輥縫調(diào)整對(duì)孔型壁厚的影響。

分析表1 所列出的數(shù)據(jù)，在PQF 三輥連軋管機(jī)輥縫調(diào)整中，在給定芯棒規(guī)格和設(shè)定壁厚附加公差的條件下，得出以下結(jié)論：①調(diào)節(jié)輥縫將伴隨產(chǎn)生鋼管壁厚的橫向不均，降低鋼管壁厚精度；②無(wú)論是小規(guī)格調(diào)整還是大規(guī)格調(diào)整，輥縫調(diào)節(jié)量越大，則鋼管壁厚的不均性越嚴(yán)重；③鋼管壁厚越薄，輥縫調(diào)節(jié)量對(duì)壁厚不均性的影響越明顯；④在小規(guī)格調(diào)整的量和大規(guī)格調(diào)整的量相同的條件下，大規(guī)格調(diào)整產(chǎn)生的壁厚不均性更大；⑤壁厚附加公差隨輥縫的調(diào)整量變化，且趨勢(shì)一致。

表1 輥縫調(diào)整對(duì)孔型壁厚的影響

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)PQF 三輥連軋管機(jī)小規(guī)格和大規(guī)格輥縫調(diào)整的分析，在PQF 連軋管機(jī)組中，各孔型系列在選配相應(yīng)的芯棒系列時(shí)，應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品大綱的產(chǎn)品規(guī)格和產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)所要求的附加公差值，適時(shí)選定芯棒系列的跨度，尤其是針對(duì)薄壁管的產(chǎn)品時(shí)，為了獲得良好的壁厚精度，應(yīng)盡量減小芯棒系列的組距。