增加152 mm 中間孔型系列提高芯棒利用率

郭海明，陳 勇，張衛(wèi)東，邸 軍，張云會，高顯利

（鞍鋼股份有限公司無縫鋼管廠，遼寧 鞍山 114001）

少機(jī)架限動芯棒連軋管機(jī)組，以其生產(chǎn)產(chǎn)品尺寸精度高、產(chǎn)量高、自動化程度高、投資少、見效快而成為國內(nèi)無縫鋼管生產(chǎn)企業(yè)的首選機(jī)型［1-6］。芯棒是限動芯棒連軋管機(jī)組中的主要變形工具，芯棒的生產(chǎn)成本占工具總成本的63%，其使用壽命決定鋼管生產(chǎn)成本的高低。

鞍鋼股份有限公司無縫鋼管廠（簡稱鞍鋼無縫鋼管廠）Ф159 mm MPM 連軋管機(jī)組現(xiàn)有112 mm、172 mm 兩個孔型系列，112 mm 系列使用Ф78.0～104.3 mm 芯棒14 種，172 mm 系列使用Ф141.6～163.8 mm 芯棒13 種；主要生產(chǎn)J55、N80 鋼級Ф73.03～139.70 mm 油套管，并以Ф112 mm、Ф172 mm 系列幾個上限規(guī)格的薄壁管為主［7］。這使芯棒消耗集中在Ф162.0，159.8，156.5，154.6，102.3，100.0，98.6 mm 幾個規(guī)格上，而這種芯棒消耗不均勻狀態(tài)是由市場所決定的，并且在相當(dāng)長的一段時間內(nèi)保持穩(wěn)定。Ф159 mm MPM 連軋管機(jī)組生產(chǎn)工藝中，Ф172 mm 系列芯棒失效后，只能改車削一次Φ112 mm 系列芯棒，存在芯棒車削量大、芯棒利用率低的問題。

1 芯棒失效分析及處理

1.1 芯棒失效原因

通常狀況下，表面龜裂和機(jī)械性劃傷是芯棒的主要失效形式。表面龜裂是芯棒在劇烈的冷熱交替環(huán)境中使用，由熱應(yīng)力造成的表面網(wǎng)狀熱裂紋。機(jī)械性劃傷是金屬耳子、軋制及運(yùn)輸過程中非正常磨損導(dǎo)致芯棒表面鍍鉻層失效，芯棒體受傷出現(xiàn)溝槽，機(jī)械劃傷一般縱向分布［8-12］。由于軋制薄壁管需承受更為惡劣的變形條件，因此各孔型系列中大規(guī)格芯棒失效速度更快。據(jù)統(tǒng)計，一般直徑車削量為12～20 mm 時，芯棒上的裂紋及劃傷消失。

1.2 芯棒失效處理

鞍鋼無縫鋼管廠Ф159 mm MPM 連軋管機(jī)組失效芯棒主要采取修復(fù)和改制兩種方式處理。

用局部補(bǔ)焊、車削、磨修的辦法來修復(fù)芯棒。堆焊工藝能夠恢復(fù)芯棒原有表面狀態(tài)和外形尺寸，但由于受芯棒堆焊工藝制約，芯棒母體材質(zhì)的特殊性及加工不穩(wěn)定性因素影響，導(dǎo)致堆焊后芯棒母體在使用過程中由于熱裂紋而迅速失效，芯棒的使用壽命大大縮短。隨著芯棒修復(fù)次數(shù)的增加，芯棒上線后所軋制的鋼管支數(shù)越來越少。修復(fù)兩次后，芯棒已不具備修復(fù)價值。一般Φ112 mm 系列芯棒用堆焊保徑辦法修復(fù)，存在輕微或局部小缺陷的Φ172 mm 系列芯棒用修復(fù)辦法。

Φ172 mm 系列芯棒出現(xiàn)機(jī)械性劃傷或者疲勞破壞后，主要采用芯棒改制方式處理，既“大車小”來消除芯棒體表面缺陷。但在實(shí)際生產(chǎn)操作過程中，不是按最小加工量（裂紋消失一般在直徑車削量為12～20 mm）來確定芯棒所要改制的芯棒規(guī)格，而是按具有使用價值的車削量最小的芯棒規(guī)格來車削。這樣Φ172 mm 系列報廢芯棒只能車削一次，直徑車削量達(dá)54.2～63.4 mm，造成車削工時多、金屬浪費(fèi)嚴(yán)重、芯棒使用效率低、生產(chǎn)成本增加。因此，提高芯棒利用率、降低生產(chǎn)成本成為必然。

1.3 芯棒改制與堆焊的比較

芯棒堆焊材質(zhì)與芯棒母體材質(zhì)稍有差別將導(dǎo)致焊肉和母體結(jié)合不牢，隨著軋制和冷卻的交替進(jìn)行在結(jié)合處出現(xiàn)裂紋、剝離。芯棒堆焊工藝導(dǎo)致芯棒母體失效，缺陷由機(jī)械性損傷為主轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃鸭y為主，熱裂紋在芯棒母體上隨著軋制和冷卻的交替進(jìn)行將向周向和徑向擴(kuò)展，形成網(wǎng)狀熱裂紋而加速芯棒報廢。

將報廢芯棒改車，僅對芯棒母體進(jìn)行機(jī)加工，在消除芯棒的機(jī)械性損傷的同時，也去除了熱裂紋，保證芯棒加工后具有良好使用狀態(tài)，延長了芯棒的使用壽命。

與堆焊相比，芯棒改制減少了芯棒堆焊工序，在取得相同使用壽命的前提下，加工成本大幅降低、設(shè)備投資大幅減少；堆焊要投入更多的設(shè)備及人力資源，同時要解決堆焊工藝與熱處理方面的技術(shù)難題，而芯棒改制工藝技術(shù)成熟，無技術(shù)難點(diǎn)。

2 增加152 mm 中間孔型系列

2.1 芯棒利用的思路

報廢芯棒堆焊與改制兩種方法都存在問題，須通過改變工藝提高芯棒利用率。MPM 連軋管機(jī)組成品管的外徑D0由定徑?jīng)Q定，壁厚S0由連軋第4~5 機(jī)架孔型直徑D孔與芯棒直徑D芯確定，即S0=（D孔-D芯）/2-△S（其中，△S 為定徑壁厚增加值）。若想保持芯棒車削后所軋制成品規(guī)格尺寸不變，只有減小連軋孔型直徑。改變變形工藝既要考慮將芯棒缺陷徹底清除掉，又要考慮軋制主要品種規(guī)格不變。

針對鞍鋼無縫鋼管廠Ф159 mm MPM 連軋管機(jī)組，德國SMS Meer 公司設(shè)計了112 mm、172 mm兩個孔型系列；Φ172 mm 系列芯棒Φ162.0，161.0，159.8，156.5，154.6 mm 失效后，只能改車一次Φ112 mm 系列Φ102.3，100.0，98.6 mm 芯棒，直徑車削量達(dá)54.2~63.4 mm，芯棒直接車削造成很大浪費(fèi)。通過對鞍鋼無縫鋼管廠報廢芯棒車削情況進(jìn)行調(diào)查，要達(dá)到改制報廢芯棒裂紋消失的目的，一般直徑車削量為12～20 mm。

綜合考慮芯棒缺陷最大車削量及最大生產(chǎn)主要品種規(guī)格Φ139.70 mm，決定在原有的112 mm 和172 mm 孔型系列之間，增加152 mm 中間孔型系列，使原Φ172 mm 系列芯棒失效后，經(jīng)少量車削成Φ152 mm 系列芯棒，即可軋制原Φ172 mm 系列部分薄壁管，又可用Φ152 mm 系列芯棒及172 mm 系列孔型軋制壁厚∧16 mm 的厚壁管，擴(kuò)大了產(chǎn)品規(guī)格，實(shí)現(xiàn)Φ152 mm 系列芯棒的一棒兩用；同時因減徑率的減少而減少定徑機(jī)架占用量，改善鋼管壁厚精度，可軋制原Φ172 mm 系列軋制困難的Φ108～140 mm 薄壁管。Φ152 mm 系列芯棒失效后再車削成Φ112 mm 系列芯棒，使芯棒形成階梯狀均勻消耗，降低了成本，提高了芯棒的利用率。

芯棒使用車削順序：Φ172 mm 系列芯棒→Φ152 mm 系列芯棒→Φ112 mm 系列芯棒。

2.2 設(shè)計152 mm 中間孔型系列

孔型設(shè)計是MPM 連軋管機(jī)組的核心技術(shù)，孔型參數(shù)的選擇直接影響到軋制過程是否順利和產(chǎn)品幾何尺寸精度、表面質(zhì)量及軋制力能參數(shù)的變化。

鞍鋼無縫鋼管廠設(shè)計的152 mm 空減機(jī)孔型、5 機(jī)架連軋管機(jī)孔型、3 機(jī)架脫管機(jī)孔型系列的參數(shù)見表1～3。

表1 空減機(jī)152 mm 孔型參數(shù)

表2 5 機(jī)架連軋管機(jī)152 mm 孔型系列參數(shù)

表3 3 機(jī)架脫管機(jī)152 mm 孔型系列參數(shù)

3 設(shè)計152 mm 連軋數(shù)模

能否成功運(yùn)行152 mm 連軋數(shù)模是檢驗(yàn)孔型設(shè)計及數(shù)模設(shè)計成功的關(guān)鍵。修改德國SMS Meer 公司MPM 數(shù)模相關(guān)參數(shù)，運(yùn)算152 mm 系列連軋軋制表。孔型設(shè)計出來后，必須在數(shù)模上運(yùn)算出軋制表，才能確定連軋管機(jī)的輥縫和各機(jī)架軋輥的轉(zhuǎn)數(shù)及芯棒的限動速度等參數(shù)，才能確保空減、連軋、脫管的連軋秒流量相等。

4 設(shè)計152 mm 孔型工具

152 mm 孔型采用Φ170 mm 管坯軋制，穿孔使用工具包含導(dǎo)板、導(dǎo)板墊、脫管叉，入口導(dǎo)板、出口導(dǎo)板、頂桿；連軋使用工具包含空減輥、MPM 連軋輥、脫管機(jī)輥，定位檔叉及圓盤，事故檔叉，芯棒、脫管入口套、脫管出口套；定徑使用工具包含定徑入口套。

對152 mm 空減機(jī)孔型、5 機(jī)架152 mm 連軋管機(jī)孔型、3 機(jī)架152 mm 脫管機(jī)孔型測量驗(yàn)收，對穿孔、連軋、定徑工具測量驗(yàn)收。在2013 年11月2 日試軋過程中，工具一次安裝到位。

5 生產(chǎn)實(shí)踐驗(yàn)證

2013 年11 月2 日，在Φ159 mm MPM 連軋管機(jī)組試軋過程中，工具一次安裝到位，用152 mm孔型批量試軋20 鋼Φ108 mm×5 mm 一次成功。測量結(jié)果表明：Φ108 mm×5 mm 無縫鋼管的外徑、壁厚全部合格，壁厚精度達(dá)到設(shè)計要求，證明152 mm 系列孔型開發(fā)成功。目前152 mm 孔型系列已納入規(guī)程，用于正常生產(chǎn)，芯棒按梯度車削已應(yīng)用于生產(chǎn)。

2013 年10 月—2014 年2 月，運(yùn)用Φ172 mm系列芯棒改車Φ152 mm 芯棒47 支，統(tǒng)計結(jié)果見表4。

這些Φ152 mm 系列芯棒報廢后還可車削成Φ112 mm 系列芯棒，這樣梯度車削較原先Φ172 mm 系列芯棒直接車削Φ112 mm 孔型芯棒，可多車削一次，每支芯棒車削費(fèi)用是新品的50%，則47 支芯棒質(zhì)量81 387 kg，新品單價49.0 元/kg，加工費(fèi)用24.5 元/kg，則每年可創(chuàng)效益598.19 萬元。152 mm 孔型較172 mm 孔型軋制相同規(guī)格鋼管可減少4 架定徑機(jī)架，減徑率減少，鋼管的定徑壁厚增厚減少，連軋可軋壁厚更小的鋼管。同時鋼管的“內(nèi)六方”趨勢亦減少，端頭增厚長度也能短一些，有利于提高鋼管的壁厚精度。

表4 2013 年10 月—2014 年2 月152 mm 孔型系列訂貨芯棒統(tǒng)計

6 結(jié) 語

Φ159 mm 連軋管機(jī)組增加152 mm 中間附加孔型系列，實(shí)現(xiàn)芯棒梯度車削，提高了芯棒利用率，降低了連軋管機(jī)組生產(chǎn)成本。

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