王文強(qiáng)，成海濤，肖永忠，王 銳，李靜敏

（1.林州鳳寶管業(yè)有限公司，河南 林州 456592；2.中國金屬學(xué)會軋鋼分會，北京 100711；3.中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司，重慶 400013）

熱軋鋼管生產(chǎn)由3 個基本工序組成：穿孔—延伸—定（減）徑。定（減）徑是鋼管生產(chǎn)中最后一道熱軋工序，是決定成品管外徑精度的最重要工序，也是影響壁厚精度的重要工序之一。鋼管定徑、減徑和張力減徑過程均是空心荒管不帶芯棒的連軋過程。定徑的任務(wù)是在較小的總減徑率和單機(jī)架減徑率條件下將鋼管軋成具有要求的尺寸精度和圓度的成品管，其工作機(jī)架數(shù)量較少，一般為3～12 機(jī)架。張力減徑的任務(wù)除了起定徑作用外，還要求有較大的減徑率，以實現(xiàn)用大直徑毛管生產(chǎn)小直徑鋼管的目的，因而其工作機(jī)架較多，一般為12～28機(jī)架。目前，在熱軋領(lǐng)域使用最多的是三輥式定（減）徑機(jī)?，F(xiàn)實生產(chǎn)中盡管在孔型設(shè)計、變形量分配、速度制定、張力控制等方面采取了許多措施，但在使用三輥式定（減）徑機(jī)時，當(dāng)減徑率較大、壁厚值較大（徑壁比 ∧8）或張力減徑率大于60%即使在壁厚值較?。◤奖诒?∧10）的情況下，還是會因軋件在各機(jī)架中的橫向壁厚不均勻變形而使鋼管橫截面上出現(xiàn)不同程度的“內(nèi)六方”缺陷。

1 “內(nèi)六方”形成的機(jī)理

“內(nèi)六方”是指鋼管在三輥定（減）徑機(jī)減徑后，其橫斷面的內(nèi)孔呈六方形的現(xiàn)象［1-3］，“內(nèi)六方”程度可用P 值表示（%），用公式（1）計算?！皟?nèi)六方”如圖1 所示。

圖1 “內(nèi)六方”示意

式中 Sa——對應(yīng)孔型頂部或輥縫處的6 個壁厚的平均值，mm；

Sb——對應(yīng)孔型頂部到輥縫中點(diǎn)處的6 個壁厚的平均值，mm。

P 值的絕對值愈大，表示“內(nèi)六方”的程度愈嚴(yán)重。當(dāng)P∧0，為正內(nèi)六方；當(dāng)P=0，無內(nèi)六方；當(dāng)P ∧0，為負(fù)內(nèi)六方。

荒管經(jīng)定（減）徑機(jī)減徑時，外徑受到徑縮而減?。ㄆ錅p少量可以用鋼管平均直徑的減少量表示），外徑減小意味著管子切向周長的減小。按照金屬流動規(guī)律，出現(xiàn)一向壓縮、兩向延伸的變形，這樣金屬必然向另外兩個方向流動——在縱向產(chǎn)生延伸、在徑向（即壁厚方向的自由內(nèi)表面）產(chǎn)生增厚，但是減徑時，如具有較大軸向張力，也可能產(chǎn)生壁厚的減薄。實際上由于三輥定（減）徑機(jī)（除最后一架）孔型是橢圓的。三輥定徑機(jī)孔型如圖2 所示。

圖2 三輥定徑機(jī)孔型

管壁增厚沿1/6 周長的分布如圖3 所示。沿孔型周邊上的管壁增厚分布以輥縫處為最大，頂部最小。單機(jī)軋制后沿孔型1/6 周長上的管壁增厚如圖3（a）所示，ΔSmax為最大增厚量，ΔSmin為最小增厚量。由于軋管機(jī)孔型輥縫互相呈60°。因此，第二機(jī)架輥縫相當(dāng)于第一機(jī)架孔型頂部的位置。這樣，第二機(jī)架軋制后鋼管的壁厚分布如圖3（b）所示，處于30°方向的壁厚最薄，在頂部與輥縫方向的壁厚最厚，結(jié)果鋼管斷面上形成“內(nèi)六方”。

圖3 管壁增厚沿1/6 周長的分布

孔型不同部位的增厚亦不同，其原因是鋼管在孔型寬度上高度壓縮量不均，在頂部高度壓下量最大，變形時接觸弧長、單位壓力也比輥縫處大，這樣軸向摩擦力也大，促使金屬軸向流動，這樣就導(dǎo)致頂部壁厚增厚較小。

2 影響內(nèi)多邊形的因素

（1）孔型橢圓度。橢圓度越大，則孔型中的高度壓縮量分布愈不均勻，減徑后橫向壁厚不均愈大。

（2）單機(jī)架減徑率和總減徑率。單機(jī)架減徑率大，意味著頂部和輥縫處的高度壓下量不均性和金屬流動差異愈大，加劇“內(nèi)六方”；總減徑率越大，這種不均勻增加量增加，“內(nèi)六方”越嚴(yán)重（總減徑率只與成品管的外徑有關(guān)，Φ89 mm 三輥連軋管機(jī)組定徑機(jī)來料尺寸外徑都為120 mm。

（3）鋼管的幾何尺寸——徑壁比系數(shù)。徑壁比越小，即相對直徑而言管壁較厚，則金屬的變形和應(yīng)力分布不均勻性增加，導(dǎo)致內(nèi)多邊形越嚴(yán)重。

（4）張力系數(shù)。軸向張力促進(jìn)金屬軸向流動，因而利于減小沿孔型周向增壁不均的程度，從而可以降低壁厚不均。實際上，“內(nèi)六方”的控制主要通過優(yōu)化調(diào)整平均張力系數(shù)、縱向（各機(jī)架）張應(yīng)力分布以及合理的孔型設(shè)計等來實現(xiàn)的。

李群等提出了用增加定（減）徑機(jī)機(jī)座工位、改變機(jī)架的布置方式和傳動方位、減小相鄰機(jī)架輥縫相位角的想法［4］，以期達(dá)到將“內(nèi)六方”轉(zhuǎn)變?yōu)椤皟?nèi)十二方”，從而提高鋼管壁厚精度的目的。但是該方案經(jīng)濟(jì)投資較大，目前無法實現(xiàn)。

3 關(guān)于橢圓度的思索

張力減徑過程中，金屬在孔型中的流動狀態(tài)和接觸弧長有關(guān)。在大橢圓度孔型內(nèi)，鋼管延軋輥軸向各點(diǎn)與軋輥接觸弧長度是不相等的，因而金屬在孔型內(nèi)各截面的包覆角也不相同，金屬沿孔型圓周方向的受力狀態(tài)、壓下量、切向變形阻力等不同，造成變形不均勻，形成內(nèi)多邊形。因此，必須力求在圓周均勻壓力狀態(tài)下進(jìn)行變形，使孔型接觸形狀與無芯棒拉拔相類似。上述分析為張力減徑機(jī)圓孔型設(shè)計方法提供了理論依據(jù)。

所謂圓孔型，是指以沿孔型寬度方向鋼管與軋輥接觸弧長度L 差值（ΔL=Lmax-Lmin）最小為原則設(shè)計的孔型［5-13］。圓孔型系的設(shè)計思想是：

（1）在減徑量一定的條件下，所設(shè)計的孔型必須使得變形區(qū)接觸面積最接近矩形。

（2）工作機(jī)架各架孔型的橢圓度值隨著減徑率的減小而逐漸減小，并使相鄰機(jī)架橢圓度值的波動幅度盡可能小。

德國西馬克梅爾公司研究發(fā)現(xiàn)，橢圓孔型的橢圓度αo和圓孔型的橢圓度αr都與單機(jī)架減徑率ρi存在如下近似關(guān)系：

4 雙圓弧孔型設(shè)計方案

為了避免厚壁管“內(nèi)六方”，在降低孔型橢圓度的同時，又增加了部分規(guī)格“青線”的風(fēng)險。雙圓弧孔型在孔型橢圓度降低的同時，輥縫處寬展量增加，既可以避免“內(nèi)六方”，又可以避免“青線”。目前，寶山鋼鐵股份有限公司利用多功能車床實現(xiàn)了多邊形孔型的加工，但是在普通內(nèi)傳動張力減徑機(jī)軋輥加工車床上無法實現(xiàn)。通過二次加工的方式，在普通內(nèi)傳動張力減徑機(jī)軋輥加工車床上加工成雙圓弧孔型，模擬多邊形孔型的效果，屬行業(yè)首創(chuàng)。

雙圓弧孔型設(shè)計方案如下：在各個機(jī)架孔型直徑不變的條件下，根據(jù)生產(chǎn)規(guī)格的需要設(shè)計兩套橢圓度加工曲線，雙圓弧孔型如圖4 所示，一次加工曲線AMBNF 旨在避免“青線”，二次加工曲線DMENF 旨在降低橢圓度。AMBNF 一次加工曲線加工方式：根據(jù)孔型長半軸a1和短半軸b1計算出刀具直徑和刀具距離，可以加工出AMBNF 曲線。二次加工曲線DMENF 的加工方式：根據(jù)孔型長半軸a2和短半軸b2計算出刀具直徑和刀具距離，然后重新對刀加工，直到將MENBM 區(qū)域加工掉，可以加工出DMENF 曲線。

圖4 雙圓弧孔型示意

林州鳳寶管業(yè)有限公司Φ89 mm 三輥連軋管機(jī)組中的28 機(jī)架張力減徑機(jī)采用三輥式軋輥機(jī)架，每個軋輥機(jī)架由單獨(dú)電機(jī)傳動，在三輥機(jī)架上，裝有互呈120°布置的3 個軋輥。生產(chǎn)的無縫鋼管的外徑范圍為32～114 mm，壁厚范圍為3.0～12.0 mm。針對壁厚范圍為6.0～12.0 mm 的圓孔形，設(shè)計了雙圓弧孔型，一次加工曲線參數(shù)和二次加工曲線參數(shù)見表1～2。按照以上方案加工的實際孔型如圖5 所示，M、N 點(diǎn)處過渡平滑，沒有明顯的突兀。

圖5 實際加工的雙圓弧孔型

表1 一次加工曲線參數(shù)

續(xù)表1

表2 二次加工曲線參數(shù)

5 有限元模擬

5.1 分 析

在同樣工況條件下，使用MSC.Marc 非線性有限元軟件模擬一段圓弧孔型和二段圓滑孔型軋制同一規(guī)格的“內(nèi)六方”“青線”等情況，荒管規(guī)格Φ120 mm×12.1 mm，成品管Φ60 mm×12 mm，平均張力系數(shù)0.427。模擬結(jié)果顯示Φ60 mm×12 mm 成品管輥底至輥縫處的壁厚分布曲線，如圖6 所示。在同樣的張力條件下，一段圓弧孔型呈正內(nèi)六方，而兩段圓弧孔型呈負(fù)內(nèi)六方，壁厚極差分別為0.27，0.45 mm，壁厚不均度分別為3.71%、2.25%，P 值分別為17.1%、-10.8%。模型顯示兩種孔型均不會產(chǎn)生“青線”，兩段圓弧孔型可以明顯降低“內(nèi)六方”程度，提高壁厚精度。

圖6 有限元模擬不用孔型軋制Φ60 mm×12 mm成品管壁厚變化

5.2 試驗結(jié)果

傳統(tǒng)單圓弧孔型生產(chǎn)的厚壁管斷面如圖7（a）所示，一次加工孔型生產(chǎn)Φ89 mm×11 mm 流體管，“內(nèi)六方”比較明顯；而雙圓弧孔型生產(chǎn)Φ88.9 mm×12.5 mm 接箍料如圖7（b）所示，內(nèi)孔圓滑，“內(nèi)六方”改善明顯。

圖7 不同孔型生產(chǎn)的厚壁管斷面

5.3 小 結(jié)

由于孔型底部的加深，曲率半徑變大，減低了孔型底部的應(yīng)力分布；同時，由于輥底變形加寬，降低了下一機(jī)架輥縫出現(xiàn)“青線”的概率。

6 結(jié)語

（1）采用合理的雙圓弧孔型設(shè)計，二次加工方式形成的三輥張力減徑機(jī)孔型，可有效緩解“內(nèi)六方”缺陷的形成，并且可以在常規(guī)三輥加工車床上實現(xiàn)，具有較強(qiáng)的實用價值，是三輥張力減徑機(jī)孔型設(shè)計方法的一種新的嘗試。

（2）該方法的加工效率有所降低，延長了孔型加工時間，對擴(kuò)大雙圓弧孔型方案的使用帶來一定的局限性，建議在“內(nèi)六方”比較嚴(yán)重的情況下使用。