李伯旺，伏 仲，龍金花

（1.天津鋼管制造有限公司，天津 300301;2 江蘇天淮鋼管有限公司,江蘇 223001）

0 引言

2009年8月注冊成立的江蘇天淮鋼管有限公司（以下簡稱“天淮公司”）是天津鋼管制造有限公司子公司，其主要生產(chǎn)設(shè)施是508 無縫鋼管連軋生產(chǎn)線。目前天淮公司使用的管坯規(guī)格為Φ380 mm、Φ450 mm、Φ500 mm 三種。其中Φ380 mm 管坯軋制383 孔型Φ430 mm 外徑毛管，擴(kuò)徑率13.16%；Φ450mm 管坯軋制454 孔型Φ501 mm 外徑毛管，擴(kuò)徑率11.33%；Φ500 mm 管坯軋制530 孔型Φ577 mm 外徑毛管，擴(kuò)徑率15.4%。按照頂頭設(shè)計(jì)說明書，擴(kuò)徑率小于20%用2 段式頂頭，大于20%用3或4 段式頂頭，所以天淮公司所有產(chǎn)品全部采用的是兩段式頂頭，而530 孔型中使用最大的頂頭規(guī)格是Φ476 mm。

天淮公司508 機(jī)組原設(shè)計(jì)Φ476 mm 頂頭，生產(chǎn)最薄毛管規(guī)格為Φ577 mm×26.15 mm，使用Φ507.2 mm 最大芯棒，生產(chǎn)極限薄壁管規(guī)格為Φ508 mm×10.5 mm。為了滿足市場競爭需求，天淮公司開發(fā)出了Φ508 mm×9 mm 超極限薄壁管，但超極限薄壁管在最初的生產(chǎn)中存在很多質(zhì)量缺陷。本文對508 機(jī)組生產(chǎn)超極限薄壁管產(chǎn)生質(zhì)量缺陷的原因進(jìn)行了分析，給出了軋制工具改進(jìn)設(shè)計(jì)思路，并對改進(jìn)措施實(shí)施效果進(jìn)行了分析驗(yàn)證。

1 508 機(jī)組穿孔機(jī)生產(chǎn)大孔型存在的問題

1.1 鐵耳子問題

天淮公司508 機(jī)組生產(chǎn)大口徑薄壁管鋼管時(shí)，穿孔出現(xiàn)毛管尾部鐵耳子，輕的在毛管尾部呈現(xiàn)毛刺和圓鐵片形，中等程度的為長鐮刀形（如圖1 所示），嚴(yán)重的形成了一圈環(huán)形（如圖2 所示）。毛管尾部鐵耳子出現(xiàn)以后，在連軋前臺芯棒預(yù)穿時(shí)，芯棒頭就會將鐵耳子帶入毛管內(nèi)部，經(jīng)連軋機(jī)軋制后，鐵耳子就會刮傷芯棒，有一部分附著在荒管的內(nèi)表面形成大的內(nèi)折，還用一部分掉落在連軋主機(jī)內(nèi)，輕的造成咯輥事故，重的導(dǎo)致連軋堆鋼事故。這些事故的產(chǎn)生影響了天淮公司508 機(jī)組生產(chǎn)節(jié)奏，同時(shí)增加產(chǎn)品軋制費(fèi)用。

圖1

圖2

1.2 拉凹問題

生產(chǎn)薄壁管時(shí)，鋼管內(nèi)表面容易出現(xiàn)有規(guī)律性的拉凹缺陷，嚴(yán)重時(shí)鋼管凹陷處將被拉裂，造成表面孔洞（如圖3 所示）。2021年以前530 孔型系列薄壁管拉凹缺陷產(chǎn)生的比例最高達(dá)到30%以上，383、454 孔型系列薄壁管拉凹也達(dá)到20%左右。而拉凹缺陷主要集中發(fā)生在Φ457 mm/Φ508 mm×9～10 mm、Φ377 mm/Φ406 mm ×8 mm、Φ324 mm/Φ325 mm×7 mm 等極限規(guī)格上。薄壁管拉凹缺陷產(chǎn)生的原因主要涉及如下工藝環(huán)節(jié)：

圖3 鋼管內(nèi)表面形成的磕凹

（1）軋制薄壁管過程，每個(gè)環(huán)節(jié)要求都非常高，但首先是要控制好環(huán)形加熱爐爐溫。

（2）當(dāng)軋制薄壁管時(shí)，隨著毛管軋制規(guī)格的變化，軋制工具的設(shè)計(jì)參數(shù)也要隨之調(diào)整。

1.3 毛管外徑問題

因毛管外徑小的原因，天淮公司2019年造成軋廢29 支，2020年造成軋廢12 支，2021年2月造成軋廢3 支（重新設(shè)計(jì)后已經(jīng)連續(xù)8 個(gè)月未出現(xiàn)）。

毛管外徑小究其原因是：舊導(dǎo)板與新導(dǎo)板相比，舊導(dǎo)板的過渡帶處磨損深度一般在10 mm 左右，導(dǎo)板越接近出口側(cè)磨損越小，而導(dǎo)距就是指兩塊導(dǎo)板過渡帶之間的距離，這樣一來導(dǎo)板軋制支數(shù)較多磨損嚴(yán)重時(shí)，按照過渡帶處的距離調(diào)整導(dǎo)距，就會造成出口側(cè)距離減小，相同導(dǎo)距毛管外徑會變小，頻繁更換新導(dǎo)板可以解決這一問題，但會增加導(dǎo)板成本。經(jīng)過長時(shí)間摸索，三個(gè)孔型對毛管外徑的要求分別是Φ585 mm ～Φ592 mm、Φ508 mm ～Φ512 mm、Φ435 mm～Φ440。新導(dǎo)板上線使用，根據(jù)導(dǎo)板絲杠伸出長度對照表可以清楚知道導(dǎo)距的大小。毛管外徑小造成的軋廢如圖4 所示。

圖4 毛管外徑小造成的軋廢

2 軋制工具改進(jìn)設(shè)計(jì)思路

天淮公司508 無縫管熱軋機(jī)組孔型設(shè)計(jì)一般是按該孔型所軋制的最小名義壁厚作為計(jì)算依據(jù)。原設(shè)計(jì)軋制Φ530 mm×10.5 mm 規(guī)格荒管，需要選取Φ577×26.1 mm 的毛管，毛管、芯棒間隙量17.6 mm，單邊只有8.8 mm 很容易造成連軋軋廢及磕凹。

考慮到成品外徑要求和現(xiàn)有的芯棒規(guī)格不變，現(xiàn)要求生產(chǎn)Φ530×9 mm 荒管，毛管至少585×26.1 mm，毛管、芯棒間隙量25.6 mm，單邊間隙量12.8 mm?？紤]到單純增加頂頭外徑和長度或者改造導(dǎo)板出口角度毛管拋鋼穩(wěn)定性都不好，所以選擇適當(dāng)增加頂頭外徑和長度同時(shí)改造導(dǎo)板。結(jié)合天管本部大孔型采用三段式頂頭鐵耳子少的特點(diǎn)，大膽嘗試制作三段式頂頭解決大口徑鐵耳子問題。

天淮公司508 無縫管熱軋機(jī)組采用錐形穿孔機(jī)，生產(chǎn)符合連軋需求毛管規(guī)格，該孔型主要工藝參數(shù)如表1 所示（以Φ500 mm 管坯生產(chǎn)Φ577 mm×26.1 mm 毛管為例）。根據(jù)頂頭和導(dǎo)板現(xiàn)有參數(shù)，若想達(dá)到所需的毛管規(guī)格Φ585×26.1 mm，需要重新設(shè)計(jì)頂頭和導(dǎo)板。圖5 是穿孔變形區(qū)示意圖。

圖5 530 孔型穿孔變形區(qū)示意圖

表1 530 孔型穿孔機(jī)使用Φ476 mm 頂頭工藝參數(shù)

2.1 頂頭設(shè)計(jì)

按照上述思路，首先要按照所需毛管尺寸（Φ585 mm×26.1 mm）重新設(shè)計(jì)頂頭和導(dǎo)板，其中頂頭按照毛管尺寸Φ580 mm×26.1 mm 設(shè)計(jì)。根據(jù)Meer 提供的CARTA2006 里面頂頭的設(shè)計(jì)原理，并結(jié)合現(xiàn)場的實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，運(yùn)用Auto CAD 軟件對穿孔的變形區(qū)進(jìn)行了模擬，最終確定了頂頭的各段長度、角度與圓弧半徑，成功設(shè)計(jì)出Φ478 mm 頂頭（見圖6）。

圖6 Φ478 mm 頂頭

Φ478 mm 頂頭各參數(shù)詳細(xì)計(jì)算過程如下：

已知：管坯直徑DB=500 mm、毛管外徑DH=580 mm、毛管壁厚SH=26 mm、穿孔輥入口一段錐角α1=2°長度L1=450 mm、入口二段錐角α2=4°長度L2=200 mm、出口錐角β=4°長度L3=925 mm、咬入角γ=8.5°。根據(jù)530 孔型薄壁管生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，取頂頭熱擴(kuò)量（內(nèi)擴(kuò)量）CHCTP=50 mm。

（1）根據(jù)Φ476 mm 頂頭生產(chǎn)極限薄壁管時(shí)，最大壓下量按87.5%確定輥距經(jīng)驗(yàn)（按照徑壁比計(jì)算壓下量太大，高附加值產(chǎn)品容易產(chǎn)生孔腔，影響鋼管質(zhì)量），輥距E=437.5 mm，取整后E=438 mm；

（2）DD=DH-2×SH-CHCTP。DD=478 mm；

（3）LGT2=SF×π×DH×tan（γ）/2。式中頂頭碾軋錐系數(shù)SF 取1.7，則LGT2=231.35。取整后LGT2=235 mm；

（4）DA=DD-2×LGT2×tan（betaGT2）。式中頂頭輾軋錐角度betaGT2=軋輥出口錐角β+補(bǔ)償角（0.3～0.6°之間），根據(jù)508 機(jī)組其他孔型生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，取betaGT2=4.45°，則DA=441.43 mm；

（5）DR=DA-2×LA×tan（betaA）。借鑒454 和530孔型頂頭相關(guān)經(jīng)驗(yàn)尺寸，LA=π×DH×tan（γ）最佳，同時(shí)滿足LR/DR＞1，增大RD 減少二次咬入阻力，LA取整為200 mm，betaA 取6.5°，則DR=395.85 mm；

（6）GL=π×DB×tan（γ）×GF。式中一次咬入到二次咬入之間管坯的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)GF 取1.2，GL=281.57，取整后GL=282 mm；

（7）LD1=Le－GL。式中Le={DB-E-2×L2×tan(α2)}/{2×tan (α1)}=487.24 mm，取整后Le=487 mm，則LD1=487 mm－282 mm =205 mm；

（8）LD2 =(DD +2 ×SH -E)/(2 ×betaGT2)。 LD2 =629.63 mm，取整后LD2=630 mm

（9）LD=LD1+LD2。LD=205 mm+630 mm=835 mm；

（10）頂頭鼻部尺寸ΦF=(0.18-0.2)×DD，但根據(jù)天淮公司生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)ΦF=0.15×DD=71.7 mm ，ΦF 取Φ70 mm；

（11）RD=[LR2+{(DR-F)/2}2]/[2×{cos(betaA)×(DRF)/2- LR×sin(betaA)}]。

式中：LR=LD-LGT2-LA=400 mm，則RD=799.56 mm

2.2 導(dǎo)板設(shè)計(jì)

天淮公司508 機(jī)組使用的導(dǎo)板采用一段圓弧過渡，以利于毛管歸圓，同時(shí)導(dǎo)板寬度的設(shè)計(jì)和軋輥開度緊密結(jié)合，保證導(dǎo)板迎鋼側(cè)和軋輥輥面間隙控制在2 mm 以內(nèi)。為達(dá)到毛管外徑585 mm 的需求，我們將現(xiàn)有的導(dǎo)板進(jìn)行了改造，考慮導(dǎo)板調(diào)整絲杠、導(dǎo)板座和軋輥壓下等因素的影響，在原導(dǎo)板的基礎(chǔ)上出口角度由5.5°增大到6°，這樣在軋輥出口角度不變的情況下，穿孔機(jī)橢圓度系數(shù)控制在1.18左右，就能生產(chǎn)出連軋所需的毛管外徑和壁厚；同時(shí)，出口長度由原來的650 mm，增加到現(xiàn)在的730 mm。這樣保證毛管在拋鋼前受到導(dǎo)板的束縛，有利于歸圓，減小毛管馬蹄口。圖7、圖8 為改造前后的導(dǎo)板示意圖。

圖7 改造前導(dǎo)板

3 改造后驗(yàn)證及應(yīng)用

3.1 毛管幾何尺寸情況

用新設(shè)計(jì)的Φ478 mm 頂頭和導(dǎo)板進(jìn)行試軋585×26.5 mm 毛管。輸入輥距為438 mm，導(dǎo)距為515 mm，橢圓度1.17；毛管溫度在50～60 ℃，每隔500 mm 每圈取8 個(gè)點(diǎn)對毛管外徑和壁厚進(jìn)行了測量取樣，尺寸完全符合要求。圖8、圖9 為外徑和壁厚的數(shù)值趨勢圖。

圖8 改造后導(dǎo)板

圖9 毛管壁厚測量

圖10 毛管外徑測量

3.2 穿孔機(jī)電流情況

天淮公司508 機(jī)組穿孔機(jī)采用兩臺8200 kw電機(jī)，額定電流770×2A，最高電流3293A。采用原Φ476 mm 在生產(chǎn)P5、P9 等Cr、Mo、Nb 含量高的管材時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)達(dá)到峰值后主機(jī)跳停事故。

測試采用新設(shè)計(jì)的Φ478 mm 頂頭代替原Φ476 mm 頂頭生產(chǎn)相同規(guī)格588×26.5 mm 毛管（20鋼），Φ478 mm 頂頭穿孔電流峰值1500A 多，而原Φ476 mm 頂頭電流峰值2400A 多，相差800A 左右。根據(jù)Φ478 mm 頂頭生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，天淮公司508 機(jī)組又設(shè)計(jì)了Φ468 mm 三段式頂頭生產(chǎn)16～20 mm厚的P9P91、P512Cr5Mo 等穿孔電流高的管材，試驗(yàn)后穿孔電流均保持在3000A 以下。

3.4 鐵耳子短尺，拉凹比例

連續(xù)跟蹤4 個(gè)Φ478 mm 頂頭，共生產(chǎn)薄壁規(guī)格毛管3860 支，產(chǎn)出荒管4515 支。經(jīng)檢驗(yàn)，鐵耳子產(chǎn)生13 支，影響熱軋一次合格0.55%，短尺率0.29%，特別是Φ501 mm 芯棒生產(chǎn)壁厚12.5～16 mm鐵耳子下降明顯。跟蹤壁厚12.5 mm 以下規(guī)格，檢驗(yàn)1238 支，管尾2.5 米拉凹共26 支，拉凹比例為2.1%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于以前的水平。

4 結(jié)語

為了滿足超極限薄壁無縫管的生產(chǎn)，天淮公司508 機(jī)組熱軋作業(yè)區(qū)在穿孔機(jī)擴(kuò)徑率不足20%的情況下大膽嘗試，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)頂頭、導(dǎo)板等軋制工具，天淮公司508PQF 機(jī)組突破原有薄壁的設(shè)計(jì)極限，在以下幾方面改善顯著。

通過導(dǎo)板和頂頭的重新設(shè)計(jì)：減少了由鐵耳子造成的廢品量，極限薄壁鋼管的成品率顯著提高；薄壁管拉凹造成的壁薄降低到10%以下；降低了穿孔軋制的峰值負(fù)荷，為薄壁管毛管壁厚繼續(xù)減薄提供了實(shí)踐依據(jù)；減少了穿孔電機(jī)跳停事故和熱軋停機(jī)時(shí)間，提高了薄壁管成材率。