無(wú)縫鋼管張力減徑過(guò)程中內(nèi)六方的成因分析及解決辦法

羅登高

(衡陽(yáng)華菱鋼管有限公司，湖南 421001)

張力減徑作為熱軋無(wú)縫鋼管生產(chǎn)的最后一道熱變形工序，該工藝的目的是應(yīng)用相互緊靠串列的軋機(jī)機(jī)架將鋼管進(jìn)行連續(xù)加工，在加工時(shí)通過(guò)適當(dāng)?shù)能堉菩蛄惺逛摴芡鈴竭f減。同時(shí)，利用該機(jī)架序列中輥速比率的可變調(diào)節(jié)，使鋼管壁厚按預(yù)定變化。該工序還可消除前道工序(如穿孔、連軋等)軋制過(guò)程中造成的荒管外徑不一缺陷(同一根或同一批)，以提高熱軋成品管的外徑精度和圓度。但是，從目前的生產(chǎn)情況看，該工藝存在先天的缺陷，加工后鋼管內(nèi)孔不是我們所希望的圓，而是一種內(nèi)多邊形，近似于正六邊形，簡(jiǎn)稱為“內(nèi)六方”。

1 內(nèi)六方的形成原因

產(chǎn)生內(nèi)六方的直接原因是鋼管在張減過(guò)程中，沿鋼管孔型周邊壁厚的變化是不均勻的。減徑管的內(nèi)六方就是由于減徑時(shí)沿孔型周邊金屬?gòu)较蛄鲃?dòng)不均勻及相鄰兩機(jī)架孔型的輥縫相互交替所引起的。某鋼管廠在生產(chǎn)48.3 mm×9.5 mm的成品管時(shí)內(nèi)六方較嚴(yán)重(見(jiàn)圖1)。

文獻(xiàn)［1］中，作者通過(guò)分析軋輥對(duì)鋼管的壓力沿周向分布不均，鋼管經(jīng)多機(jī)架不均勻變形的積累，形成內(nèi)六方。這里主要分析鋼管溫度分布的不均勻?qū)?nèi)六方的影響。

圖1 鋼管內(nèi)六方示意圖Figure 1 Schematic sketch of internal hexagon of steel pipe

由于接觸傳熱的復(fù)雜性，一般將接觸傳熱用經(jīng)驗(yàn)公式qj=hj(T－Tf)表示。式中qj為接觸換熱熱流，hj為等效接觸導(dǎo)熱系數(shù)，影響接觸換熱的所有因素都通過(guò)該系數(shù)考慮，T 為鋼管表面溫度，Tf為與鋼管接觸的軋輥表面溫度。

考慮鋼管張力減徑時(shí)，接觸壓力變化很大，而軋輥、鋼管的表面粗糙度以及環(huán)境氣體或介質(zhì)可認(rèn)為統(tǒng)計(jì)意義上的不變。這樣對(duì)于具體的軋制過(guò)程，可以認(rèn)為接觸傳熱過(guò)程僅受接觸壓力的影響，即接觸換熱系數(shù)僅是接觸壓力的函數(shù)［2］。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，有:

圖2 沿1/6 周長(zhǎng)的qj分布圖Figure 2 qjdistribution along 1/6 perimeter

式中，pj為接觸壓力，h0、kj均為常數(shù)。

由三輥減徑特點(diǎn)可知，輥?lái)斕幗佑|壓力最大，到輥縫處逐漸減小，將T 和Tf視為常數(shù)，則接觸換熱熱流密度qj與接觸壓力成線性正相關(guān)。由圖2 分析可知，在輥?lái)斉c輥縫正中間，即30°方向qj最小，這就是造成鋼管橫向溫度不均的原因之一。

由上可知，熱流密度呈拋物線分布，即輥縫處和輥?lái)斕幾畲?長(zhǎng))，30°方向最小(短)。由此可知鋼管與軋輥的傳熱量在30°方向最小，輥?lái)敽洼伩p處最大。鋼管在張減過(guò)程中是一個(gè)放熱過(guò)程，因此可以得出結(jié)論，經(jīng)過(guò)多機(jī)架的作用，30°方向鋼管溫度明顯高于輥?lái)敽洼伩p處。由最小阻力定律可知，金屬在流動(dòng)過(guò)程中有向溫度高處流動(dòng)的趨勢(shì)。則鋼管金屬在徑向流動(dòng)中不斷向30°方向聚集，造成該處壁厚高于其他各處，內(nèi)六方也因此誕生。

2 解決措施

內(nèi)六方嚴(yán)重影響了鋼管的內(nèi)表面質(zhì)量，增加了廢品率，必須采取多項(xiàng)措施減輕內(nèi)六方的影響。根據(jù)筆者多年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，以及相關(guān)文獻(xiàn)說(shuō)明，提出以下措施以減輕內(nèi)六方的影響。

(1)合理分配減徑量。減徑量的分配大小對(duì)內(nèi)六方的影響是顯著的?？倻p徑量過(guò)大時(shí)，則由于鋼管變形量增大，客觀上易加劇鋼管不均勻變形，形成內(nèi)多邊形;總減徑量一定時(shí)，不合理的分配使得鋼管在每個(gè)機(jī)架上的變形程度不一致，易造成單機(jī)架減徑率過(guò)大，形成內(nèi)多邊形［3］。

(2)合理的孔型設(shè)計(jì)可以大大減輕內(nèi)六方的程度，這也是目前解決內(nèi)六方的有效方法［4］。

(3)采用適當(dāng)措施減少鋼管溫度分布不均。由上文分析可知，鋼管在孔型30°方向的溫度偏高是內(nèi)六方形成的原因之一。因此可以采用適當(dāng)方法降低該處鋼管的局部溫度，比如可以加大軋輥在此處的冷卻水量，使該處軋輥溫度低于其他各處。由qj=hj(T－Tf)知，降低Tf可以增大接觸傳熱熱流密度，使鋼管在此處放熱量增大，改善鋼管的溫度分布不均情況，減輕內(nèi)六方趨勢(shì)。

(4)采用四輥軋制或更多輥軋制。二輥減徑的內(nèi)多邊形形式是內(nèi)四方，三輥減徑的內(nèi)多邊形形式是內(nèi)六方，而四輥減徑的內(nèi)多邊形形式是八邊形。從幾何形狀上來(lái)講，多邊形邊的數(shù)目越多，越接近于正圓，這也是三輥機(jī)架優(yōu)于兩輥機(jī)架的主要原因。多輥機(jī)架目前得不到廣泛運(yùn)用的主要原因是機(jī)架強(qiáng)度不夠，而且工藝結(jié)構(gòu)上也比三輥機(jī)架復(fù)雜很多，軋輥之間的傳動(dòng)同步性也較難實(shí)現(xiàn)，但是這是解決內(nèi)六方問(wèn)題的努力方向之一。

(5)使鋼管在減徑過(guò)程中產(chǎn)生小角度的旋轉(zhuǎn)。內(nèi)六方產(chǎn)生的直接原因是張減過(guò)程中，經(jīng)多機(jī)架疊加后，鋼管金屬在沿軋輥孔型方向流動(dòng)不均勻。鋼管在減徑過(guò)程中，減薄的部位在不斷減薄，增厚的部位在不斷增厚。如果鋼管此時(shí)能產(chǎn)生一定角度的旋轉(zhuǎn)，則增厚和減薄趨勢(shì)不會(huì)疊加，這樣金屬在沿軋輥孔型方向的流動(dòng)趨于均勻，內(nèi)六方問(wèn)題將得到根本上的解決。

(6)各機(jī)架間呈不同角度布置。這種方法的思路與上一條類似，就是使張減過(guò)程中鋼管的壁厚變化趨勢(shì)不產(chǎn)生疊加。目前的張減機(jī)為了安裝及傳動(dòng)上的方便，相鄰機(jī)架上下倒置擺放，這相當(dāng)于將軋輥每次旋轉(zhuǎn)60°，正是這種布置使鋼管的壁厚變化趨勢(shì)疊加。如果采用不同角度布置，最好是任意角度布置，則在經(jīng)過(guò)各機(jī)架時(shí)軋輥30°方向不會(huì)出現(xiàn)連續(xù)增厚，鋼管也不會(huì)出現(xiàn)內(nèi)六方。

(7)擴(kuò)展荒管規(guī)格，減小總減徑率。總減徑率過(guò)大會(huì)使張減過(guò)程中鋼管變形量增加，從而加劇內(nèi)六方程度。因此荒管的規(guī)格越多，張減機(jī)的負(fù)擔(dān)就越小，因?yàn)楣S可以選擇與成品管規(guī)格最為接近的荒管來(lái)進(jìn)行張力減徑。在內(nèi)六方問(wèn)題得不到根本解決的情況下，這是唯一可行的辦法。這樣做帶來(lái)的最大問(wèn)題就是影響生產(chǎn)效率，因?yàn)樾枰粩喔鼡Q連軋機(jī)軋輥，由于連軋機(jī)軋輥目前還不能像張減機(jī)一樣實(shí)現(xiàn)快換，更換比較費(fèi)時(shí)。而且頻繁更換機(jī)架可能會(huì)使各機(jī)架孔型中心線不在同一條直線上，最終影響荒管壁厚精度。

(8)開(kāi)發(fā)連軋軋輥快換技術(shù)。開(kāi)發(fā)連軋軋輥快換技術(shù)的目的是方便企業(yè)擴(kuò)大荒管規(guī)格，從減小減徑率的角度去減輕內(nèi)六方。針對(duì)目前連軋換輥較復(fù)雜、耗時(shí)長(zhǎng)的問(wèn)題，若能設(shè)計(jì)一套快換技術(shù)，則能間接解決內(nèi)六方問(wèn)題。

3 結(jié)論

內(nèi)六方是無(wú)縫鋼管生產(chǎn)過(guò)程中難以消除的問(wèn)題之一。本文分析了內(nèi)六方產(chǎn)生的原因，并綜合現(xiàn)有的文獻(xiàn)與資料，總結(jié)出了內(nèi)多邊形的多項(xiàng)影響因素，并列舉了多項(xiàng)解決措施，合理分配減徑量、合理設(shè)計(jì)孔型、采取措施使鋼管均溫等是常用的有效辦法。

［1］馬輝，韓明旭.無(wú)縫鋼管張力減徑過(guò)程中產(chǎn)生內(nèi)多邊形的原因分析［J］.鞍鋼技術(shù)，2006，337(1):20－22.

［2］許志強(qiáng).鋼管減徑三維熱力耦合剛塑性有限元虛擬仿真集成系統(tǒng)［D］.秦皇島:燕山大學(xué)，2006.

［3］孫澄瀾.用冪函數(shù)建立張力減徑機(jī)工作機(jī)組減徑率分配通式［J］.寶鋼技術(shù)，1999(4):53－59.

［4］王寧.張減機(jī)橢圓孔型設(shè)計(jì)［J］.寶鋼技術(shù)，1990，(3):45－51.