羅忠輝，考 然，米永峰，郭志文，姜海龍，許博超，孟慶飛

（內(nèi)蒙古包鋼鋼聯(lián)股份有限公司，內(nèi)蒙古 包頭 014010）

通常情況下，鋼管的徑壁比 20 的鋼管稱為厚壁管，徑壁比≤10 的鋼管稱為特厚壁管，特厚壁無縫鋼管的制造方法可分為冷拔、冷軋和熱軋三種基本方式，其中以熱軋的成型方式最為經(jīng)濟(jì)合理[1-3]。

開發(fā)大直徑特厚壁熱軋無縫鋼管，首先應(yīng)開發(fā)錐形輥穿孔機(jī)微擴(kuò)徑穿孔技術(shù)，在保證咬入條件的前提下，盡量使變形區(qū)前移，同時(shí)減小軋輥的送進(jìn)角，使出口錐角減小，從而使毛管脫離處外徑盡可能減小。要做到以上條件，需對穿孔機(jī)頂頭、導(dǎo)板以及軋輥形成的孔型進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。

1 穿孔機(jī)孔型及工具設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)毛管尺寸為Φ445 mm×110 mm，采用Φ430 mm 連鑄圓坯進(jìn)行穿孔機(jī)孔型及工具設(shè)計(jì)。在盡量少更改熱工具的前提下，采用已有導(dǎo)板和軋輥。

1.1 軋輥角度及變形區(qū)長度的確定方法

（1） 設(shè)計(jì)頂頭之前首先要確定軋輥的參數(shù)，即入口錐角度α，出口錐角度β 等。此次采用入口錐角為二段式軋輥，二段式的軋輥主要是為了增大頂前壓下量，利于咬入。軋輥的出口錐角越小越好，這樣毛管的內(nèi)外表面會(huì)更加光滑[4-5]。

（2） 選擇合適的總壓下量，根據(jù)理論及現(xiàn)場的驗(yàn)證，得出經(jīng)驗(yàn)公式：碳鋼E=（88%～92%）×DB；低合金鋼E=（85%～90%）×DB；高合金鋼E=（88%～91%）×DB。式中，E 為輥距；DB為管坯直徑。

此次試制產(chǎn)品材質(zhì)為20 鋼，壁厚較厚，需控制毛管外徑，不能按照以往經(jīng)驗(yàn)公式套用，選用總壓下量系數(shù)為87.4%，計(jì)算輥距為376 mm。

（3） 根據(jù)輥距確定變形區(qū)的長度，即入口變形區(qū)長度Le、出口變形區(qū)長度La，如圖1 所示。

圖1 軋輥的入口、出口變形區(qū)示意

式中 Le2—— 入口錐第2 段變形區(qū)的長度，mm；

α1，α2—— 軋輥1，2 段入口錐角度，（°）；

β —— 軋輥的出口錐角度，（°）；

A —— 毛管外徑，mm。

特厚壁毛管軋制設(shè)計(jì)要以軋輥拋鋼計(jì)算，不是導(dǎo)板拋鋼點(diǎn)計(jì)算，因主要以軋輥擴(kuò)徑為主，不是導(dǎo)板擴(kuò)徑。特厚壁穿孔基本都是微擴(kuò)徑、微縮徑或等徑穿孔。頂桿直徑盡量要大一些，保證頂桿剛性，頂桿壁厚不能低于25 mm，至少為30CrMo 鋼調(diào)質(zhì)后。頂頭具體參數(shù)方案見表1[6-7]。

表1 頂頭基本參數(shù)

1.2 頂頭參數(shù)計(jì)算

（1） 計(jì)算頂前壓下率及頂頭前伸量LD1，軋制大直徑的管坯采用相對較大的頂前壓下率來保證順利咬入，穿孔機(jī)軋制碳鋼的頂前壓下率為6%～7%，此次生產(chǎn)應(yīng)用微擴(kuò)徑工藝，為保證咬入和控制毛管外徑，頂前壓下率為12.5%。

（2） 根據(jù)生產(chǎn)毛管規(guī)格選擇擴(kuò)展值C，如頂頭的擴(kuò)徑率大，擴(kuò)展值會(huì)相應(yīng)增大，從而確定頂頭的直徑，生產(chǎn)應(yīng)用頂頭直徑為247 mm。

（3） 頂頭長度LDcum依據(jù)以下公式確定：

式中 L —— 歸圓區(qū)與反錐長度之和，mm。

（4） 確定頂頭輾軋錐長度LGT2、角度γ，頂頭鼻部直徑d 及穿孔錐曲率半徑R，如圖2 所示。輾軋錐長度長，毛管輾軋充分，毛管壁厚均勻，但拋鋼時(shí)的阻力會(huì)增大，易發(fā)生后卡[8-15]。

圖2 頂頭曲率計(jì)算示意

式中 θ —— 喂入角，（°）。

γ 一般大于軋輥的出口錐角度0.3°～0.6°。

頂頭基本參數(shù)見表1。

1.3 設(shè)計(jì)結(jié)果及試制產(chǎn)品數(shù)據(jù)分析

最終設(shè)計(jì)的頂頭及熱工具工藝調(diào)整參數(shù)見表2。采用以上設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，現(xiàn)場使用低轉(zhuǎn)速軋制，建立了3D 模型（圖3）。試制生產(chǎn)了3 支坯料，根據(jù)生產(chǎn)情況，每支毛管在生產(chǎn)過程中采用了不同的頂頭前伸量，1 號(hào)管采用頂頭前伸量70 mm 軋制，2號(hào)管采用頂頭前伸量120 mm 軋制，其調(diào)整方式及毛管尺寸見表3。

圖3 通過設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)建立的3D 模型

表2 頂頭和熱工具工藝調(diào)整參數(shù)

鋼管實(shí)物尾端切除長度較短僅50 mm，尾端壁厚情況僅代表尾端縮徑變形的不穩(wěn)定情況。由表3可知：毛管尺寸基本符合設(shè)計(jì)要求，但尾端100 mm 內(nèi)存在一定的縮口，影響連軋工序的穿棒動(dòng)作，這與厚壁管尾端拋鋼扭矩驟降有關(guān)，頂桿小車回退動(dòng)作由拋鋼扭矩啟動(dòng)，因厚壁管扭矩整體偏低，導(dǎo)致拋鋼動(dòng)作時(shí)頂桿小車同時(shí)回退，造成了毛管尾端內(nèi)徑偏小，壁厚不均度較差。內(nèi)外表面方面，毛管外表面存在一定的穿孔軋制螺旋印，螺距間波峰與波谷差不超過0.5 mm，且圓滑過渡，外表面光滑；內(nèi)表面質(zhì)量較好，無內(nèi)折及結(jié)疤等缺陷。最終毛管的擴(kuò)徑率為3.4%，毛管計(jì)算徑壁比為4，毛管延伸率為1.25%。軋制鋼管如圖4 所示。

圖4 軋制鋼管實(shí)物示意

表3 不同頂頭前伸量下試制毛管實(shí)測尺寸數(shù)據(jù) mm

2 結(jié) 語

使用穿孔機(jī)孔型計(jì)算公式結(jié)合3D 建模的方法進(jìn)行頂頭設(shè)計(jì)，簡化了穿孔機(jī)孔型設(shè)計(jì)過程，使設(shè)計(jì)過程更加直觀，對工藝執(zhí)行具有更強(qiáng)的指導(dǎo)性，達(dá)到了錐形輥穿孔機(jī)微擴(kuò)徑技術(shù)的應(yīng)用目的。通過合理的穿孔機(jī)孔型設(shè)計(jì)，結(jié)合錐形輥穿孔機(jī)微擴(kuò)徑工藝技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了錐形輥穿孔機(jī)生產(chǎn)徑壁比≤5 的特厚壁無縫鋼管的工藝路徑，為拓寬無縫鋼管產(chǎn)品應(yīng)用市場奠定了基礎(chǔ)。