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        Φ89 mm FQM三輥連軋管機(jī)組的孔型開(kāi)發(fā)

        2022-09-18 13:29:18林震王增海米永峰張立志
        鋼管 2022年2期
        關(guān)鍵詞:管機(jī)孔型毛管

        林震,王增海,米永峰,張立志

        (內(nèi)蒙古包鋼鋼管有限公司,內(nèi)蒙古 包頭 014010)

        內(nèi)蒙古包鋼鋼管有限公司Φ89 mm FQM三輥限動(dòng)芯棒連軋管機(jī)組是利用原Φ100 mm Assel機(jī)組進(jìn)行升級(jí)改造,保留穿孔機(jī)組,新建連軋管機(jī)組和張力減徑機(jī)組而來(lái)。機(jī)組設(shè)計(jì)年產(chǎn)量12萬(wàn)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(chǎn)高壓鍋爐管、石油管及石油鉆管、膨脹管、氣瓶管等高端無(wú)縫鋼管為主。該機(jī)組的穿孔、連軋、張力減徑機(jī)的孔型設(shè)計(jì)和工藝計(jì)算模型由內(nèi)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(fèi)用。

        連軋管機(jī)選用FQM類(lèi)型軋管機(jī),牌坊設(shè)計(jì)為整體隧道式,這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jī)和PQF軋管機(jī)的孔型構(gòu)成與設(shè)計(jì)完全一致,但PQF軋管機(jī)的輥縫調(diào)整是沿弧線(xiàn)擺動(dòng)壓下;而FQM軋管機(jī)的輥縫調(diào)整是沿徑向垂直壓下,從現(xiàn)場(chǎng)的使用情況分析,F(xiàn)QM軋管機(jī)鋼管壁厚控制精度高于PQF軋管機(jī)。

        1 開(kāi)發(fā)孔型系列的方法

        1.1 孔型系列設(shè)計(jì)原則

        連軋管機(jī)組以連軋管機(jī)為核心,連軋管機(jī)組的孔型系列以連軋管機(jī)出口鋼管的外徑來(lái)定義。連軋管機(jī)出口鋼管外徑應(yīng)盡量保持不變或少變,成品外徑的變化主要靠定(減)徑機(jī)來(lái)保障,有利于生產(chǎn)組織的經(jīng)濟(jì)性。確定孔型系列包括系列數(shù)量和孔型大小,取決于成品規(guī)格范圍、定(減)徑機(jī)和連軋管機(jī)的類(lèi)型和架數(shù)。孔型系列應(yīng)在保證成品規(guī)格范圍和設(shè)備能力允許的前提下,采用盡量少的系列數(shù)。連軋管機(jī)孔型系列的確定與機(jī)組主要變形工序的設(shè)備選型密切相關(guān),現(xiàn)代化的連軋管機(jī)組的典型配置是“穿孔機(jī)+限動(dòng)芯棒連軋管機(jī)+脫管機(jī)+定(減)徑機(jī)”。連軋管機(jī)在各個(gè)主變形工序中以減壁為主要任務(wù),而定(減)徑機(jī)則以控制成品管外徑為主要任務(wù)。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(gè)主變形設(shè)備的備用工具和機(jī)架數(shù)量,有利于提高生產(chǎn)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(yīng)盡量少。同時(shí),連軋管機(jī)后的定(減)徑機(jī)以減徑為主要變形特點(diǎn),所以為了滿(mǎn)足成品鋼管一定的外徑范圍,連軋后鋼管外徑應(yīng)盡量大,以便充分發(fā)揮定(減)徑機(jī)的減徑能力。因此,連軋管機(jī)孔型系列的確定,應(yīng)在考慮定(減)徑機(jī)、脫管機(jī)和連軋管機(jī)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(shù)和孔型直徑應(yīng)從大向小設(shè)計(jì)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(kāi)始按“穿孔→連軋→脫管→定(減)徑”來(lái)分配各工序變形,從而確定連軋管機(jī)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(jī)組。

        (2)由后向前。

        根據(jù)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(jī)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(jī)組。

        (3)由中間向兩頭。

        先確定連軋管機(jī)的孔型系列,由此確定穿孔和脫管及定(減)徑機(jī)的變形;該方法主要適用于利用已有連軋管機(jī)的機(jī)組,對(duì)于新設(shè)計(jì)的機(jī)組,此方法需要較多的先驗(yàn)知識(shí)。

        實(shí)際上,在確定孔型系列時(shí),往往不止采用一種方法,而是將以上方法結(jié)合起來(lái);通常以第二種為主,第一種和第三種方法為輔,經(jīng)過(guò)多次推算,最終將孔型系列確定下來(lái)。

        2 孔型系列設(shè)計(jì)步驟

        以某連軋管機(jī)組135 mm孔型系列的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)為例介紹開(kāi)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(shè)計(jì)方法。具體的設(shè)計(jì)步驟如下[1-3]。

        (1)明確產(chǎn)品大綱,將成品鋼管轉(zhuǎn)換為熱尺寸,并列出外徑和壁厚的對(duì)應(yīng)分布關(guān)系。該機(jī)組成品管最大外徑Dmax冷態(tài)為89 mm,計(jì)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(shù)。

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

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

        計(jì)算得到張力減徑機(jī)組最大入口直徑Dmax張減為126.6 mm,取整127 mm。

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

        計(jì)算得到脫管機(jī)入口直徑D脫管135.1 mm,取整135 mm,連軋管機(jī)組第一個(gè)系列確定為135 mm系列。

        (4)根據(jù)連軋管機(jī)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(jī)第一孔型系列軋后鋼管的最小壁厚。6機(jī)架三輥連軋管機(jī)組的最大徑壁比一般為45,該機(jī)組取38,連軋出口直徑設(shè)計(jì)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(jì)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(mǎn)足兩個(gè)條件[4-5]:第一個(gè)條件是連軋選定的最大延伸系數(shù)要小于其極限能力,連軋延伸系數(shù)計(jì)算公式為:

        第二個(gè)條件是毛管內(nèi)壁與芯棒之間要保持適當(dāng)間隙。

        式中G——連軋管機(jī)穿棒間隙,mm,此處設(shè)定為10 mm;

        K芯棒——芯棒膨脹系數(shù),取1.001 1。

        兩個(gè)公式聯(lián)立得出計(jì)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(jì)算結(jié)果取整后確定135 mm孔型系列對(duì)應(yīng)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(shù)分配設(shè)計(jì)方法

        3.1 設(shè)計(jì)思路

        (1)確定孔型參數(shù)。

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

        (2)計(jì)算各架孔型高。

        孔型頂部延伸系數(shù)μ頂部的計(jì)算公式:

        在確定了各架孔型頂部延伸系數(shù)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(dāng)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(jī)架孔型頂部出口壁厚,mm。

        (3)計(jì)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(guān)于偏心系數(shù)ηi、孔型半徑Ri和槽頂弧R1i的關(guān)系如下,第i架孔型在已知孔型半徑和偏心系數(shù)ηi的條件下就可求出孔型槽頂弧半徑R1i。

        (4)計(jì)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(shè)定為165 mm,毛管壁厚13.5 mm,連軋管機(jī)出口外徑135 mm,連軋出口最薄壁厚3.5 mm。設(shè)計(jì)孔型需要確定的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表1。

        表1 設(shè)計(jì)孔型需要確定的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)

        按照孔型頂部延伸系數(shù)設(shè)計(jì)方法,設(shè)計(jì)的135 mm系列孔型參數(shù)見(jiàn)表2,孔型輪廓如圖1所示。

        表2 設(shè)計(jì)的135 mm系列孔型參數(shù)

        圖1 連軋管機(jī)孔型輪廓

        3.3 脫管機(jī)孔型設(shè)計(jì)

        脫管機(jī)的總減徑率一般為3%~6%[2],連軋管機(jī)出口鋼管外徑較大時(shí)脫管機(jī)減徑率選較小值;出口鋼管外徑較小時(shí)脫管機(jī)減徑率選較大值,對(duì)于135 mm孔型系列,脫管機(jī)減徑率選擇6%。為了適應(yīng)來(lái)料鋼管外徑的波動(dòng),并且有利于咬入,第一架的減徑率取較小值,通常應(yīng)小于第二架的減徑率,最后一機(jī)架脫管孔型直徑確定為127 mm,脫管機(jī)理想直徑選定為380 mm。具體孔型參數(shù)見(jiàn)表3。

        表3 380 mm脫管機(jī)孔型參數(shù)

        4 穿孔機(jī)孔型設(shè)計(jì)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(jī)的軋輥距離,mm;

        D坯——坯料直徑,mm。

        4.2 確定入口變形區(qū)長(zhǎng)度Le和出口變形區(qū)長(zhǎng)度La

        式中α,β——分別為軋輥入、出口工作錐角,(°)。

        受到送進(jìn)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(shù),變化率越大,應(yīng)該選擇更大的軋輥出口錐角;對(duì)于擴(kuò)徑量較小的機(jī)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(kuò)徑段。

        根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),擴(kuò)徑率小于20%時(shí)頂頭采用二段式頂頭,擴(kuò)徑率大于20%時(shí)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(jīng)驗(yàn)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(zhǎng)度。

        頂頭平滑段長(zhǎng)度LGT2為:

        式中SF——平滑系數(shù),經(jīng)驗(yàn)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(zhǎng)度。

        自由變形區(qū)的長(zhǎng)度GL是沿軋制中心線(xiàn)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(shù),一般取1.0~1.1。

        (6)頂頭前伸量(頂頭在軋制帶前的長(zhǎng)度)。

        頂頭前伸量LD1為:

        (7)頂頭在軋制帶后的長(zhǎng)度。

        頂頭在軋制帶后的長(zhǎng)度LD2為:

        (8)頂頭總長(zhǎng)度。

        頂頭總長(zhǎng)度LD為:

        (9)驗(yàn)證計(jì)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(zhǎng)度。

        頂頭穿孔段長(zhǎng)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(jié)語(yǔ)

        (1)采用孔型頂部延伸系數(shù)分配方法設(shè)計(jì)連軋管機(jī)孔型的計(jì)算方法簡(jiǎn)單,通過(guò)計(jì)算孔型的斷面積得出各架孔型平均延伸系數(shù),分析各架孔型的平均延伸系數(shù)的分配情況,對(duì)于設(shè)計(jì)的孔型進(jìn)行修正,這樣設(shè)計(jì)的孔型能夠良好服務(wù)于鋼管的生產(chǎn)。

        (2)利用孔型頂部延伸系數(shù)分配方法設(shè)計(jì)的135 mm孔型系列通過(guò)多次修改工藝參數(shù),現(xiàn)生產(chǎn)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(chǎn)的高壓鍋爐管、石油鉆桿管等高鋼級(jí)品種鋼的幾何尺寸和鋼管的表面質(zhì)量能夠滿(mǎn)足客戶(hù)要求。

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