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        張力減徑機(jī)雙圓弧孔型設(shè)計與實踐

        2021-03-09 01:32:58王文強(qiáng)成海濤肖永忠李靜敏
        鋼管 2021年5期

        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。

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