林震，王增海，米永峰，張立志

（內蒙古包鋼鋼管有限公司，內蒙古 包頭 014010）

內蒙古包鋼鋼管有限公司Φ89 mm FQM三輥限動芯棒連軋管機組是利用原Φ100 mm Assel機組進行升級改造，保留穿孔機組，新建連軋管機組和張力減徑機組而來。機組設計年產量12萬t，軋制的鋼管外徑范圍是Φ38～89 mm，壁厚范圍是3.5～12 mm，以生產高壓鍋爐管、石油管及石油鉆管、膨脹管、氣瓶管等高端無縫鋼管為主。該機組的穿孔、連軋、張力減徑機的孔型設計和工藝計算模型由內蒙古包鋼鋼管有限公司自主完成，節(jié)省了較大部分的投資費用。

連軋管機選用FQM類型軋管機，牌坊設計為整體隧道式，這種結構設計的牌坊剛性更高、穩(wěn)定性更好，由于牌坊為整體式，所以換輥采用軸向換輥方式。FQM軋管機和PQF軋管機的孔型構成與設計完全一致，但PQF軋管機的輥縫調整是沿弧線擺動壓下；而FQM軋管機的輥縫調整是沿徑向垂直壓下，從現場的使用情況分析，FQM軋管機鋼管壁厚控制精度高于PQF軋管機。

1 開發(fā)孔型系列的方法

1.1 孔型系列設計原則

連軋管機組以連軋管機為核心，連軋管機組的孔型系列以連軋管機出口鋼管的外徑來定義。連軋管機出口鋼管外徑應盡量保持不變或少變，成品外徑的變化主要靠定（減）徑機來保障，有利于生產組織的經濟性。確定孔型系列包括系列數量和孔型大小，取決于成品規(guī)格范圍、定（減）徑機和連軋管機的類型和架數。孔型系列應在保證成品規(guī)格范圍和設備能力允許的前提下，采用盡量少的系列數。連軋管機孔型系列的確定與機組主要變形工序的設備選型密切相關，現代化的連軋管機組的典型配置是“穿孔機+限動芯棒連軋管機+脫管機+定（減）徑機”。連軋管機在各個主變形工序中以減壁為主要任務，而定（減）徑機則以控制成品管外徑為主要任務。連軋后鋼管的外徑單一或僅有較少的系列，有利于減少3個主變形設備的備用工具和機架數量，有利于提高生產效率和降低成本，所以連軋后鋼管的外徑系列即孔型系列應盡量少。同時，連軋管機后的定（減）徑機以減徑為主要變形特點，所以為了滿足成品鋼管一定的外徑范圍，連軋后鋼管外徑應盡量大，以便充分發(fā)揮定（減）徑機的減徑能力。因此，連軋管機孔型系列的確定，應在考慮定（減）徑機、脫管機和連軋管機變形能力以及成品鋼管規(guī)格范圍的前提下，采用盡量少的孔型系列數和孔型直徑應從大向小設計的基本原則。

1.2 孔型系列的確定方法

確定孔型系列可以采用以下3種方法：

（1）由前向后。

從管坯尺寸開始按“穿孔→連軋→脫管→定（減）徑”來分配各工序變形，從而確定連軋管機的孔型系列；該方法主要適用于管坯尺寸已固定的連軋管機組。

（2）由后向前。

根據成品鋼管的外徑和壁厚，按照“定（減）徑→脫管→連軋→穿孔”分配各工序變形，從而確定連軋管機的孔型系列，該方法主要適用于管坯尺寸選擇余地較大的連軋管機組。

（3）由中間向兩頭。

先確定連軋管機的孔型系列，由此確定穿孔和脫管及定（減）徑機的變形；該方法主要適用于利用已有連軋管機的機組，對于新設計的機組，此方法需要較多的先驗知識。

實際上，在確定孔型系列時，往往不止采用一種方法，而是將以上方法結合起來；通常以第二種為主，第一種和第三種方法為輔，經過多次推算，最終將孔型系列確定下來。

2 孔型系列設計步驟

以某連軋管機組135 mm孔型系列的設計開發(fā)為例介紹開發(fā)孔型系列的確定方法，該系列的確定采用“由后向前”的孔型系列設計方法。具體的設計步驟如下[1-3]。

（1）明確產品大綱，將成品鋼管轉換為熱尺寸，并列出外徑和壁厚的對應分布關系。該機組成品管最大外徑Dmax冷態(tài)為89 mm，計算熱態(tài)鋼管最大直徑Dmax熱態(tài)：

式中K——低合金鋼與碳鋼的熱膨脹系數。

計算得出熱態(tài)鋼管最大直徑Dmax熱態(tài)為89.801 mm。

（2）根據成品管最大外徑及其相對應的壁厚范圍，確定張力減徑機的最小減徑率，從而可計算出張力減徑機入口鋼管的外徑，該值可修正取整。該機組張力減徑機最小減徑率δ選定為29%，確定張力減徑機組最大入口直徑Dmax張減：

計算得到張力減徑機組最大入口直徑Dmax張減為126.6 mm，取整127 mm。

（3）根據張力減徑機入口鋼管的外徑，也即脫管機出口鋼管的外徑，可以給定脫管機的減徑率，從而可計算出連軋管機出口鋼管的直徑，該值可修正取整，即作為第一個孔型系列的大小。該機組的脫管機減徑率δ脫管選定為6%，計算脫管機入口直徑D脫管：

計算得到脫管機入口直徑D脫管135.1 mm，取整135 mm，連軋管機組第一個系列確定為135 mm系列。

（4）根據連軋管機的變形能力，給定連軋后鋼管的最大徑壁比D/S，由此可算出連軋管機第一孔型系列軋后鋼管的最小壁厚。6機架三輥連軋管機組的最大徑壁比一般為45，該機組取38，連軋出口直徑設計為135 mm。135 mm系列的最薄可軋壁厚Smin連軋為3.5 mm。

（5）確定最大芯棒直徑。

135 mm系列的最薄可軋壁厚Smin連軋3.5 mm，出口外徑D連軋135.0 mm，最大芯棒直徑Dmax為：

計算得出最大芯棒直徑Dmax為128.0 mm。

（6）確定毛管規(guī)格。

毛管外徑和壁厚的確定需要滿足兩個條件[4-5]：第一個條件是連軋選定的最大延伸系數要小于其極限能力，連軋延伸系數計算公式為：

第二個條件是毛管內壁與芯棒之間要保持適當間隙。

式中G——連軋管機穿棒間隙，mm，此處設定為10 mm；

K芯棒——芯棒膨脹系數，取1.001 1。

兩個公式聯立得出計算毛管外徑的公式：

最終得出毛管外徑和壁厚：D毛管=164.31 mm，S毛管=13.43 mm。計算結果取整后確定135 mm孔型系列對應的毛管外徑D毛管=165 mm；毛管最薄壁厚Smin毛管=13.5 mm。

3 孔型頂部延伸系數分配設計方法

3.1 設計思路

（1）確定孔型參數。

計算孔型前需要確定的參數包括：機架數、毛管直徑、毛管最薄壁厚、連軋管機出口鋼管外徑、連軋管機出口鋼管最薄壁厚、偏心系數、第一脫離弧比例[6-15]。

（2）計算各架孔型高。

孔型頂部延伸系數μ頂部的計算公式：

在確定了各架孔型頂部延伸系數后，再已知鋼管入口壁厚S入口就可得出鋼管出口壁厚S出口。第i架孔型頂部鋼管入口壁厚近似等于i-2的孔型頂部出口壁厚，當i≤2，入口壁厚為毛管的壁厚值。

第i架孔型的孔型高度Di為：

式中Si出——第i架機架孔型頂部出口壁厚，mm。

（3）計算各架孔型槽頂弧半徑R1i。

各架孔型高的一半就是孔型半徑Ri，關于偏心系數ηi、孔型半徑Ri和槽頂弧R1i的關系如下，第i架孔型在已知孔型半徑和偏心系數ηi的條件下就可求出孔型槽頂弧半徑R1i。

（4）計算脫離弧半徑R2i。

在確定了第一脫離比例σi和槽頂弧半徑R1i就可以求出脫離弧R2i。

（5）確定脫離角α1和連接角α4，利用CAD制圖確定連接弧半徑R5。

3.2 135 mm孔型尺寸

入口毛管外徑設定為165 mm，毛管壁厚13.5 mm，連軋管機出口外徑135 mm，連軋出口最薄壁厚3.5 mm。設計孔型需要確定的經驗參數見表1。

表1 設計孔型需要確定的經驗參數

按照孔型頂部延伸系數設計方法，設計的135 mm系列孔型參數見表2，孔型輪廓如圖1所示。

表2 設計的135 mm系列孔型參數

圖1 連軋管機孔型輪廓

3.3 脫管機孔型設計

脫管機的總減徑率一般為3%～6%[2]，連軋管機出口鋼管外徑較大時脫管機減徑率選較小值；出口鋼管外徑較小時脫管機減徑率選較大值，對于135 mm孔型系列，脫管機減徑率選擇6%。為了適應來料鋼管外徑的波動，并且有利于咬入，第一架的減徑率取較小值，通常應小于第二架的減徑率，最后一機架脫管孔型直徑確定為127 mm，脫管機理想直徑選定為380 mm。具體孔型參數見表3。

表3 380 mm脫管機孔型參數

4 穿孔機孔型設計思路

4.1 確定軋輥距離

確定軋輥距離首先需要確定軋輥壓下率δE，軋輥壓下率δE為：

式中E1——穿孔機的軋輥距離，mm；

D坯——坯料直徑，mm。

4.2 確定入口變形區(qū)長度Le和出口變形區(qū)長度La

式中α，β——分別為軋輥入、出口工作錐角，（°）。

受到送進角γ的影響，軋輥的入口和出口工作錐角不等于軋輥的入口和出口錐角；軋輥出口錐角為毛管外徑變化率的函數，變化率越大，應該選擇更大的軋輥出口錐角；對于擴徑量較小的機組，軋輥入口錐角和出口錐角之和≤7°。入口錐角6°，否則坯料咬入困難。

4.3 確定頂頭外輪廓

（1）確定頂頭擴徑段。

根據設計經驗，擴徑率小于20%時頂頭采用二段式頂頭，擴徑率大于20%時采用三段或四段式頂頭。

（2）確定頂頭直徑。

頂頭直徑Dd為：

式中δ1——頂頭與毛管間隙值，屬于經驗值，一般取10～12 mm；薄壁毛管選較大值，厚壁毛管選較小值。

（3）確定頂頭平滑段（均壁段）長度。

頂頭平滑段長度LGT2為：

式中SF——平滑系數，經驗值，一般取1.2～1.5。

（4）確定頂頭穿孔段末端（平滑段起始段）直徑。

頂頭穿孔段末端直徑DR為：

式中βGT2——頂頭平滑段角度，近似等于軋輥出口錐角，（°）。

（5）自由變形區(qū)長度。

自由變形區(qū)的長度GL是沿軋制中心線坯料與軋輥接觸到頂頭前端面的距離，GL為：

式中GF——入口變形區(qū)滑移系數，一般取1.0～1.1。

（6）頂頭前伸量（頂頭在軋制帶前的長度）。

頂頭前伸量LD1為：

（7）頂頭在軋制帶后的長度。

頂頭在軋制帶后的長度LD2為：

（8）頂頭總長度。

頂頭總長度LD為：

（9）驗證計算頂頭前端面的坯料壓下率。

頂頭前端面的坯料壓下率ρ為：

頂前壓下率的范圍為：4%≤ρ≤7.5%，較合理的值選擇5.5%。

（10）確定頂頭鼻部直徑。

已知頂頭直徑Dd，則頂頭鼻部直徑F為：

（11）確定頂頭穿孔段長度。

頂頭穿孔段長度LR為：

（12）確定頂頭（穿孔段）圓弧半徑。

頂頭圓弧半徑Rd為：

5 結語

（1）采用孔型頂部延伸系數分配方法設計連軋管機孔型的計算方法簡單，通過計算孔型的斷面積得出各架孔型平均延伸系數，分析各架孔型的平均延伸系數的分配情況，對于設計的孔型進行修正，這樣設計的孔型能夠良好服務于鋼管的生產。

（2）利用孔型頂部延伸系數分配方法設計的135 mm孔型系列通過多次修改工藝參數，現生產工藝穩(wěn)定，軋制的鋼管壁厚精度較高，壁厚偏差范圍在±5%，軋輥和芯棒的使用壽命高，生產的高壓鍋爐管、石油鉆桿管等高鋼級品種鋼的幾何尺寸和鋼管的表面質量能夠滿足客戶要求。