3 鋼管定（減）徑機工藝參數(shù)設(shè)計

鋼管定（減）徑機的工藝參數(shù)設(shè)計包括鋼管的減徑量、減壁量、孔型系列、張力系數(shù)、軋輥速度的設(shè)計等。

3.1 定（減）徑量的計算和分配

3.1.1 相對減徑率的計算

（1）第i機架相對減徑率ρi為：

式中Di-1，Di——分別為第i-1機架和第i機架軋出的鋼管直徑，mm。

（2）所有機架總相對減徑率ρ為：

（3） 平均相對減徑率ρ平可用公式（3）計算：

式中n——機架總數(shù)；

m——機架修正數(shù)。

m可根據(jù)平均單機架相對減徑率選?。害哑健?%時，m=1；4%≤ρ平∧8% 時，m=2；ρ平≥8%時，m=3。

3.1.2 對數(shù)減徑率的計算

（1）第i機架對數(shù)減徑率ri為：

（2）所有機架總對數(shù)減徑率r為：

（3） 平均對數(shù)減徑率r平為：

（4）所有機架總對數(shù)減徑率與各機架對數(shù)減徑率的關(guān)系為：

（5）相對減徑率與對數(shù)減徑率的換算：

3.1.3 單機架減徑率和總減徑率的確定

無張力定徑機的單機架減徑率為2%～3%，總減徑率≤25%；微張力定（減）徑機的單機架減徑率為3.0%～3.5%，最大4.0%，總減徑率≤45%；張力減徑機的單機架減徑率為6%～12%，最大15%，總減徑率可達(dá)80%以上，最大甚至達(dá)到了90%左右。

3.1.4 各機架減徑率的分配

第一機架：考慮來料荒管的外徑波動，為便于咬入，其減徑率比中間機架的減徑率小，二者之差要≥0.5%。

成品前架：考慮從橢圓孔型向圓孔型過渡，減徑率為中間機架的一半左右。

成品機架：為保證鋼管的外徑精度，只給很小的減徑率或減徑率為0，一般取0～1.0%。

中間機架：中間機架的減徑率一般平均分配，但也有沿軋制方向按從大到小分配或從小到大分配的情況。

3.2 鋼管尺寸的計算

（1）成品機架鋼管熱直徑D為：

式中Dc——定徑后的鋼管冷直徑，mm。

（2）第i機架鋼管直徑Di為：

式中ρi——第i機架相對減徑率，%；

ri——第i機架對數(shù)減徑率。

（3）第i機架減徑量ΔDi為：

3.3 機架數(shù)的計算

根據(jù)設(shè)定的單機架平均減徑率ρ平，把公式（3）變換成機架數(shù)計算公式：n=（ln D-ln D0）/ln（1-ρ平）+m。將含有對數(shù)部分的計算結(jié)果取絕對值后與機架修正數(shù)m相加并取整數(shù)，可得到需要使用的機架數(shù)n。

3.4 張力系數(shù)的計算與設(shè)計

3.4.1 張力和張力系數(shù)

（1） 張力。

張力是指相鄰機架之間荒管受到的拉力。它是由相鄰機架之間人為設(shè)定的軋輥線速度差帶來的。當(dāng)線速度快于荒管前進(jìn)速度的軋輥拽著荒管前進(jìn)，會使機架和后一機架之間的荒管產(chǎn)生張力。由于荒管在定（減）徑過程中，要保持金屬的體積秒流量相等，盡管各機架軋輥的速度不一樣，但作為整支荒管，只能以統(tǒng)一的一個速度向前運動，軋輥表面與荒管表面之間就不可避免地會發(fā)生打滑。并且，二者的速度差越大，荒管在軋輥表面上的打滑就越嚴(yán)重，產(chǎn)生的張力也就越大。

由此可見，張力的大小除與軋輥轉(zhuǎn)速有關(guān)之外，還與荒管與軋輥表面之間打滑時的摩擦狀態(tài)有關(guān)。影響摩擦力的因素包括軋輥速度、荒管的變形抗力、孔型形狀、荒管尺寸、變形工藝參數(shù)、輥面狀態(tài)等。因此，準(zhǔn)確地計算出張力的大小是十分困難的。

（2）張力系數(shù)。

軸向應(yīng)力是機架間荒管橫截面單位面積上受到的張力，它與張力系數(shù)關(guān)系密切。

張力系數(shù)Zi表示相鄰機架之間的金屬所受到的軸向應(yīng)力σei與金屬平面變形抗力Ki的比值，即：

Ki=σei-σti（塑性條件）

式中Zi——第i機架的張力系數(shù)；

σei，σti——分別為第i機架金屬的軸向應(yīng)力和切向應(yīng)力，MPa；

Ki——材料的變形抗力，主要與材料的屈服應(yīng)力σs、變形溫度、變形速度以及加工硬化程度有關(guān)，Ki≈1.15σs，MPa。

3.4.2 張力系數(shù)的計算方法

（1）平均張力系數(shù)Zm的計算。

第i機架平均張力系數(shù)Zmi是第i機架和第i-1機架張力系數(shù)的平均值：

式中Zi-1——第i-1機架的張力系數(shù)；

Φei，Φti——分別為第i機架的軸向?qū)?shù)變形和切向?qū)?shù)變形；

Ψmi——第i機架和第i-1機架鋼管壁厚系數(shù)的平均值；

Ψi，Ψi-1——分別為第i機架和第i-1機架出口側(cè)的鋼管壁厚系數(shù)，Ψi=Si/Di、Ψi-1=Si-1/Di-1；Di，Di-1——分別為第i機架和第i-1機架出口側(cè)鋼管直徑，mm；

Si，Si-1——分別為第i機架和第i-1機架出口側(cè)鋼管壁厚，mm；

μi——第i機架的鋼管延伸系數(shù)。

（2）所有機架合計的平均張力系數(shù)Zm的計算。

式中Φe，Φt——分別為軸向?qū)?shù)變形和切向?qū)?shù)變形；

Ψm——最后（成品）機架出口側(cè)和第一（入口）機架入口側(cè)的平均鋼管壁厚系數(shù)；

Ψ，Ψ0——分別為最后（成品）機架出口側(cè)和第一（入口）機架入口側(cè)的鋼管壁厚系數(shù)；

D，D0——分別為最后（成品）機架出口側(cè)和第一（入口）機架入口側(cè)的鋼管直徑，mm；

S，S0——分別為最后（成品）機架出口側(cè)和第一（入口）機架入口側(cè)的鋼管壁厚mm；

μ——總延伸系數(shù)。

3.4.3 張力系數(shù)的設(shè)定

張力系數(shù)的大小與減徑過程中鋼管壁厚的變化關(guān)系密切。在一定條件下，時，管壁會發(fā)生減薄；0.34≤Zi≤0.50時，管壁不發(fā)生變化；時，管壁會出現(xiàn)增厚。

（1）第i機架鋼管壁厚相對減（增）壁率εi的計算公式為：

式中ρ——所有機架總相對減徑率；

Ψi-1，Ψ0——分別為第i-1機架壁厚系數(shù)和所有機架總壁厚系數(shù)，Ψi-1=Si-1/Di-1，Ψ0=S0/D0；

S0，Si-1——分別為第一（入口）機架定徑前和第i-1機架定（減）徑后的鋼管直徑，mm。

為了強化減徑過程，達(dá)到減徑減壁的效果，應(yīng)采用盡可能大的張力系數(shù)。張力系數(shù)的最大值取決于軋輥的曳入能力和管壁的斷裂應(yīng)力，太大的張力系數(shù)會使鋼管在軋輥上打滑或不咬入，還有可能把管壁拉裂。張力系數(shù)太小時，單機架減徑率、總減徑率和減壁率會隨之降低。實際生產(chǎn)中，最大張力系數(shù)Zmax取0.65～0.85，當(dāng)定（減）徑時的荒管溫度高、管壁薄時取小值。

3.4.4 張力系數(shù)的分配

一般來講，入口機架的張力系數(shù)較?。谎剀堉品较?，隨著機架數(shù)目的增加，張力系數(shù)逐漸增大；在中間的一架或數(shù)架，張力系數(shù)達(dá)到峰值；然后，張力系數(shù)又逐步降低，直至為0。各機架張力系數(shù)Zi的理想分配方案如圖3所示。

圖3 張力減徑機各機架張力系數(shù)Zi理想分配曲線

表1列出了大于12機架的張力減徑機各機架張力系數(shù)Zi與所有機架合計的平均張力系數(shù)Zm的關(guān)系。

3.5 軋輥速度的計算

軋輥轉(zhuǎn)速計算的根據(jù)是：荒管在定（減）徑過程中，要保持各機架金屬體積秒流量相等的原則，并在此基礎(chǔ)上考慮金屬與軋輥間存在的“滑移”影響。

3.5.1 軋輥轉(zhuǎn)速的計算

計算軋輥轉(zhuǎn)速時，首先應(yīng)按各機架的孔型尺寸參數(shù)，確定機架的鋼管橫截面面積Fi，然后將其代入Fivi=常值的公式中，即可求出各機架的軋輥轉(zhuǎn)速ni。

無張力定（減）徑時：

表1 大于12機架的張力減徑機各機架張力系數(shù)與平均張力系數(shù)Z m的關(guān)系

式中Dki-1、Dki——分別為第i-1和第i機架的軋輥工作直徑，mm；

ni-1、ni——分別為第i-1和第i機架的軋輥轉(zhuǎn)速，r/min；

Cvi——第i機架的運動學(xué)張力系數(shù)，一般為 0.003～0.005；

vi-1、vi——分別為第i-1和第i機架的鋼管出口速度，m/s；

Di、Si——分別為第i機架入口側(cè)荒管的直徑和壁厚，mm；

Di-1、Si-1——分別為第i-1機架入口側(cè)荒管的直徑和壁厚，mm。

根據(jù)上述計算公式，在確定了出口（成品）機架軋輥轉(zhuǎn)速n或第一（入口）機架轉(zhuǎn)速n0之后，便可依次求出各機架軋輥轉(zhuǎn)速。

3.5.2 軋輥工作直徑的計算

軋輥工作直徑是指孔型中，荒管的運動速度等于軋輥圓周線速度的點所對應(yīng)的軋輥直徑，此點與孔型中心線在孔型中心構(gòu)成的夾角稱為中性角，用θ表示，如圖4所示。

圖4 定（減）徑機孔型形狀及軋輥工作直徑與軋制中性角示意

從圖4的三角幾何關(guān)系可知，軋輥工作直徑Dk與軋輥直徑、軋制中性角和孔型高度有關(guān)。

無張力軋制時，第i機架的軋輥工作直徑Dki為：

式中Dki，Dgi——分別為第i機架軋輥工作直徑和軋輥直徑，mm；

Ai——二輥式定（減）徑機第i機架的孔型高度（圖4a），mm；

Bi——三輥式定（減）徑機第i機架孔型長半軸（圖4b），mm；

ξi——三輥式定（減）徑機第i機架孔型橢圓度系數(shù)；

θi——第i機架軋輥工作直徑對應(yīng)的中性角，（°）。

帶張力軋制時，管子從孔型中軋出的速度會加大。因此，管子運行速度與軋輥線速度相同的點所對應(yīng)的軋輥工作直徑要大一些，中性角θi要有一個增量Δθi，并且，張力越大，增量Δθi也越大。此時，荒管在帶張力的定（減）徑過程中，中性角θzi可變成：

式中θzi——帶張力定（減）徑時，第i機架的軋輥工作直徑對應(yīng)的中性角，（°）；

Δθi——帶張力定（減）徑時，第i機架的軋輥工作直徑對應(yīng)的中性角增量，（°）。

中性角θ的大小受眾多工藝因素的變化而變化。對于二輥式定（減）徑機，θ角在0和90°之間變化，即0≤cosθi≤1。對于三輥式定（減）徑機，θ角在0和60°之間變化，即0.5≤cosθi≤1。但有時也可能超出上述范圍，表示鋼管的運動速度大于臨界速度，或軋輥孔型中各點的線速度都大于鋼管的運行速度。

4 鋼管定（減）徑機孔型設(shè)計

鋼管定（減）徑機的孔型設(shè)計參數(shù)包括：孔型直徑、寬度和高度、橢圓度系數(shù)、寬展系數(shù)以及孔型側(cè)壁開口角和側(cè)壁圓弧半徑等。

4.1 二輥式定（減）徑機孔型參數(shù)設(shè)計

4.1.1 孔型參數(shù)

（1）孔型平均直徑。

第i機架孔型的平均直徑Di為該孔型寬度Bi和高度Ai之和的一半。

（2）孔型橢圓度系數(shù)。

第i機架孔型寬度Bi與高度Ai之比稱為該孔型的橢圓度系數(shù)ξi?？仔蜋E圓度系數(shù)是孔型設(shè)計中的一個重要參數(shù)。

橢圓度系數(shù)ξ的大小影響孔型形狀和金屬在孔型中的流動情況。ξ值較小時，孔型接近圓形，有利于限制金屬的橫向變形，提高鋼管的外徑精度和壁厚精度。但金屬容易被擠進(jìn)輥縫而產(chǎn)生“青線”或造成軋折；ξ值較大時，金屬有較大的寬展空間，可減小產(chǎn)生“青線”和軋折的風(fēng)險，但增加了鋼管沿圓周方向的不均勻變形程度，會降低鋼管的外徑精度和壁厚精度，鋼管內(nèi)孔容易出現(xiàn)“內(nèi)方”。

在確定孔型的橢圓度系數(shù)ξ時，前面機架的ξ值較大，后面機架的ξ值較小，成品機架的ξ值等于1，除成品機架外，所有機架的ξ值均大于1。

4.1.2 孔型參數(shù)計算

二輥式定（減）徑機的孔型形狀如圖4（a）所示。根據(jù)已知的各機架孔型平均直徑D和設(shè)定的孔型橢圓度系數(shù)ζ，可通過幾何關(guān)系，計算出孔型側(cè)壁開口角、側(cè)壁圓弧半徑、偏心距等孔型參數(shù)。計算方法可參照連軋管機工具設(shè)計。

4.1.3 相鄰機架孔型參數(shù)的關(guān)系

4.1.3.1 寬展系數(shù)

第i-1機架孔型高度Ai-1與第i機架孔型寬度Bi之比稱為該孔型的寬展系數(shù)λi，它反映了荒管定（減）徑時金屬的寬展程度。

根據(jù)寬展的不同性質(zhì)，λ值有以下3種情況。

（2） λ＝1，即 Ai-1=Bi。表示鋼管在定（減）徑時，高度上有壓縮，寬度上不增加，稱為零寬展孔型。鋼管在孔型高度方向壓下的金屬無寬展的余地，增加了金屬流入輥縫的風(fēng)險，容易在輥縫處造成表面劃傷或產(chǎn)生“耳子”。但產(chǎn)生“內(nèi)方”的可能性要小得多。

（3） λ ∨1，即 Ai-1∨Bi。表示鋼管在定（減）徑時，高度上有壓縮，寬度上也有壓縮，稱為負(fù)寬展孔型，也稱圓孔型。鋼管在此孔型中軋制時，整個外表面均受到壓縮，變形比較均勻，產(chǎn)生“內(nèi)方”的可能性減小到最低。但在輥縫處，鋼管表面發(fā)生劃傷和產(chǎn)生“耳子”的可能性更大。軋制薄壁管時，還有造成軋折、“青線”的風(fēng)險。

寬展系數(shù)λ值的確定與該機架的減徑率、張力系數(shù)和鋼管尺寸關(guān)系密切。目前，還是根據(jù)經(jīng)驗來選擇λ值。對于薄壁鋼管，因形成“內(nèi)方”的傾向性小，產(chǎn)生“耳子”和軋折的傾向性大，宜采用λ ∧1的正寬展孔型（橢圓孔型）。對于厚壁鋼管，因?qū)捳沽啃?，產(chǎn)生“耳子”和軋折的傾向性小，形成“內(nèi)方”的傾向性大，宜采用λ＝1的零寬展孔型，甚至采用λ ∨1的負(fù)寬展孔型（圓孔型）。并且，隨著張力系數(shù)的增加，λ值可隨之加大。

在孔型設(shè)計時，一般會根據(jù)鋼管的壁厚設(shè)計兩個或兩個以上的孔型系列，即薄壁管孔型系列和厚壁管孔型系列。不同的孔型系列采用不同的單機架減徑率和不同的孔型寬展系數(shù)。

4.1.3.2 覆蓋系數(shù)

覆蓋系數(shù)Чi是指第i機架孔型高度Ai和第i+1機架孔型寬度Bi+1的比值，即：

為了避免金屬在寬展時接觸到軋輥邊緣，保證在輥縫處的金屬不發(fā)生壓縮，要求第i+1機架孔型的寬度Bi+1要比第i機架孔型的高度Ai大，二者的差值取決于第i機架的減徑率ρi。用覆蓋系數(shù)Ч來校驗相鄰機架兩個孔型寬度和高度的數(shù)量關(guān)系是否合理。

表面上看，覆蓋系數(shù)和寬展系數(shù)的表達(dá)式相同，但它們的物理意義卻不一樣。覆蓋系數(shù)是對橢圓孔型的相鄰機架在不同減徑率條件下，寬度和高度最佳比例的一個經(jīng)驗數(shù)據(jù)，或者說是在生產(chǎn)實踐中，總結(jié)出來的與減徑率ρ相關(guān)的一條標(biāo)準(zhǔn)關(guān)系曲線Ч=f（ρ），具體如圖5所示。這條曲線為設(shè)計橢圓孔型，校驗各機架的減徑率是否合適提供了標(biāo)準(zhǔn)和依據(jù)。

圖5 覆蓋系數(shù)與單機架減徑率的關(guān)系曲線

4.1.3.3 橢圓度系數(shù)與減徑率和覆蓋系數(shù)的關(guān)系

通過孔型橢圓度系數(shù)表達(dá)式ξi=Bi/Ai、減徑率表達(dá)式ρi＝（Di-1-Di）/Di-1和覆蓋系數(shù)表達(dá)式Чi=Ai/Bi+1的換算，可得到孔型橢圓度系數(shù)與減徑率和覆蓋系數(shù)的關(guān)系式，即：

4.1.3.4 校核系數(shù)

為保證設(shè)計的孔型可靠，引入一個校核系數(shù)Э：

孔型校核系數(shù)Эi值應(yīng)符合表2中所列的數(shù)據(jù)。

表2 孔型校核系數(shù)Эi與減徑率ρi的關(guān)系

4.1.4 孔型設(shè)計步驟

（1）由給定的荒管直徑D0、荒管壁厚S0和成品機架鋼管直徑D、鋼管壁厚S，計算出總對數(shù)減徑率。

（2）按機架減徑量分配原則，給定各機架對數(shù)減徑率ri（單機架相對減徑率與單機架對數(shù)減徑率有以下關(guān)系：ρi=1-eri），在滿足各機架對數(shù)減徑率之和等于總對數(shù)減徑率的前提下，求出機架數(shù)。

（3）從成品機架軋出的鋼管直徑D出發(fā)，根據(jù)Di-1/Di=eri的對數(shù)減徑率計算公式，依次求出各機架孔型直徑Di。

（4） 根據(jù)各機架的相對減徑率 ρi，由 Ч=f（ρ）標(biāo)準(zhǔn)曲線（圖5所示），查出各機架覆蓋系數(shù)Чi。

（5） 在已知Чi和ρi的條件下，根據(jù)公式（38），求出各機架孔型橢圓度系數(shù)ξi。

（6）根據(jù)橢圓度系數(shù)ξi，計算各機架孔型寬度Bi和高度 Ai。

（7）根據(jù)Э計算公式，求出校核系數(shù)Э后，對照各機架的Эi和ρi，校核是否滿足表2中的數(shù)據(jù)（若數(shù)據(jù)不在列表中，可采用插值法）。如不滿足，需重新設(shè)計，直到滿足為止。

4.2 三輥式定（減）徑機孔型參數(shù)設(shè)計

與二輥式定（減）徑機孔型參數(shù)設(shè)計的步驟和方法相同，在已知各機架孔型平均直徑D（D=A+B）、孔型橢圓度系數(shù)ζ或?qū)捳瓜禂?shù)λ的條件下，可根據(jù)幾何關(guān)系，方便地求出三輥式定（減）徑機孔型側(cè)壁圓弧半徑R和偏心距E等孔型參數(shù)。三輥孔型形狀如圖 4（b）所示。

（1）第i機架孔型側(cè)壁圓弧Ri為：

式中Ai——第i機架孔型的短半軸，mm；

Bi——第i機架孔型的長半軸，mm。

（2）第i機架孔型偏心距Ei為：

4.3 輥縫側(cè)壁連接弧的設(shè)計

輥縫側(cè)壁連接弧r（圖4）的大小會影響輥縫處金屬的流動，它對減小鋼管壁厚偏差和減少鋼管“青線”關(guān)系密切。r值太大，孔型側(cè)壁對金屬流入輥縫的限制能力減弱，會增加金屬的橫向變形，不利于提高鋼管的壁厚精度。r值太小，金屬容易被擠進(jìn)狹小的輥縫，致使鋼管產(chǎn)生“青線”或軋折。一般r取3～8 mm。大孔型時取大值。

4.4 定（減）徑軋輥材質(zhì)

定（減）徑軋輥大多采用輥軸和輥環(huán)組合結(jié)構(gòu)。輥軸和輥環(huán)材質(zhì)與連軋管機相同。輥軸用鍛鋼制作，輥環(huán)材質(zhì)一般為離心鑄造的球墨鑄鐵。

（待 續(xù)）