軋管工藝技術(shù)（Ⅰ）
——《熱軋無(wú)縫鋼管實(shí)用技術(shù)》

軋管工序的主要任務(wù)是將芯棒穿入毛管內(nèi)孔，在外部工具（軋輥或輥模）的作用下，壓縮毛管的外徑和壁厚，從而獲得尺寸和質(zhì)量符合要求的荒管。

按軋管機(jī)的結(jié)構(gòu)和金屬變形方式的不同，可將軋管機(jī)分為縱軋管機(jī)和斜軋管機(jī)?？v軋管機(jī)主要有連軋管機(jī)、頂管機(jī)（CPE）、自動(dòng)軋管機(jī)、周期軋管機(jī)、擠壓管機(jī)和徑向鍛管機(jī)等；斜軋管機(jī)主要有阿塞爾（Assel）軋管機(jī)、狄塞爾（Diescher）軋管機(jī)、精密（Accu Roll）軋管機(jī)、斜軋擴(kuò)管機(jī)和行星軋管機(jī)等。軋管機(jī)按機(jī)架數(shù)量的多少，可分為單機(jī)架軋管機(jī)和多機(jī)架軋管機(jī)。單機(jī)架軋管機(jī)有自動(dòng)軋管機(jī)、阿塞爾軋管機(jī)、狄塞爾軋管機(jī)、精密軋管機(jī)、周期軋管機(jī)、擠壓管機(jī)、徑向鍛管機(jī)和行星軋管機(jī)等。多機(jī)架軋管機(jī)有連軋管機(jī)和頂管機(jī)等。

目前，使用最為廣泛的是限動(dòng)芯棒連軋管機(jī)和精密軋管機(jī)，其次是周期軋管機(jī)、阿塞爾軋管機(jī)、擠壓管機(jī)和頂管機(jī)。行星軋管機(jī)還處在推廣應(yīng)用階段。

1 連軋管工藝技術(shù)

1.1 連軋管機(jī)概況

連軋管法是將經(jīng)過(guò)潤(rùn)滑后的長(zhǎng)芯棒穿入毛管內(nèi)孔，芯棒和毛管一同連續(xù)通過(guò)多個(gè)呈串列布置的軋輥孔型，將毛管軋制成符合尺寸和質(zhì)量要求的荒管的一種軋管方法。

早在1843年，就有人開(kāi)始研究連軋管法，歷經(jīng)幾代人對(duì)連軋管工藝、芯棒操作方式、機(jī)架數(shù)、機(jī)架形式和傳動(dòng)方式等方面的研究和生產(chǎn)實(shí)踐，連軋管技術(shù)日臻成熟，連軋管機(jī)已成為當(dāng)今業(yè)界首選的無(wú)縫鋼管軋機(jī)。

連軋管機(jī)的最大延伸系數(shù)可達(dá)3.5～6.0，荒管最大出口速度可達(dá)5～7 m/s。其主要特點(diǎn)是生產(chǎn)能力大，生產(chǎn)效率高；所軋制的荒管長(zhǎng)度長(zhǎng)，產(chǎn)品質(zhì)量好，規(guī)格范圍廣等。

連軋管機(jī)按機(jī)架型式不同，可分為二輥式連軋管機(jī)和三輥式連軋管機(jī)；按芯棒操作方式的不同，可分為全浮動(dòng)芯棒連軋管機(jī)、限動(dòng)芯棒連軋管機(jī)和半浮動(dòng)（也稱(chēng)半限動(dòng)）芯棒連軋管機(jī)。限動(dòng)芯棒連軋管機(jī)的芯棒循環(huán)可分為芯棒在線(xiàn)回退和線(xiàn)外循環(huán)兩種。

二輥式連軋管機(jī)由兩個(gè)軋槽組成孔型，相鄰機(jī)架的軋輥呈90°布置。三輥式連軋管機(jī)是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來(lái)的新一代連軋管機(jī)，機(jī)架內(nèi)裝有3個(gè)軋輥，用液壓小艙來(lái)控制軋輥的位置，可適時(shí)對(duì)軋輥輥縫進(jìn)行調(diào)整。

與二輥式連軋管機(jī)相比，三輥式連軋管機(jī)具有以下主要特點(diǎn)：

（1）三輥孔型比二輥孔型圓度好、軋槽淺，孔型底部和孔型頂部的線(xiàn)速度差值小，金屬變形更加均勻，軋制的荒管表面質(zhì)量好、徑壁比大（D/S可達(dá) 45）；

（2）三輥孔型的凸緣面積（輥縫區(qū)域的軋槽不與毛管接觸的孔型面積）比二輥孔型小30%左右，從而限制了金屬的寬展，可提高荒管的壁厚精度；

（3）三輥式連軋管機(jī)的結(jié)構(gòu)比二輥式連軋管機(jī)復(fù)雜，投資要增加15%～30%。

綜合比較三輥式和二輥式連軋管機(jī)的特點(diǎn)，對(duì)于小規(guī)格連軋管機(jī)而言，因軋槽不深，孔型頂部和底部的線(xiàn)速度差值不大，采用三輥孔型的優(yōu)勢(shì)沒(méi)有大規(guī)格機(jī)組那么明顯?？紤]到投資問(wèn)題，小規(guī)格連軋管機(jī)可以選擇二輥式，而大規(guī)格連軋管機(jī)首選三輥式。

1.2 連軋管機(jī)組生產(chǎn)工藝流程

連軋管機(jī)組生產(chǎn)工藝流程如圖1所示。

1.3 連軋管機(jī)工藝參數(shù)設(shè)計(jì)

1.3.1 連軋管機(jī)變形參數(shù)計(jì)算

（1）延伸系數(shù)的計(jì)算。

總延伸系數(shù)μΣ為：

第i機(jī)架延伸系數(shù)μi為：

式中Dm，D0——分別為毛管和荒管的直徑，mm；

Di-1，Di——分別為第i-1機(jī)架和第i機(jī)架軋出的荒管直徑，mm；

圖1 連軋管機(jī)組生產(chǎn)工藝流程

Sm，S0——分別為毛管和荒管的壁厚，mm；

Si-1，Si——分別為第i-1機(jī)架和第i機(jī)架軋出的荒管壁厚，mm。

（2）減徑率的計(jì)算。

總減徑率εΣ為：

第i機(jī)架減徑率εi為：

（3）減壁率的計(jì)算。

總減壁率ωΣ為：

第i機(jī)架減壁率ωi為：

1.3.2 連軋管機(jī)組變形量分配

連軋管機(jī)組中參與金屬變形的工序有穿孔工序、軋管工序、脫管工序和定（減）徑工序等。

（1）各工序變形量分配原則。

穿孔是第一道變形工序，在設(shè)備能力和金屬變形能力允許的條件下，要充分利用此時(shí)管坯溫度高的有利條件實(shí)施大變形。它既可以有效破碎管坯的鑄狀組織，壓實(shí)中心疏松、縮孔，提高荒管的內(nèi)表面質(zhì)量；又可以減少軋管機(jī)的變形量，提高荒管的壁厚精度，并降低軋管機(jī)的負(fù)荷。當(dāng)采用了錐形輥斜軋穿孔機(jī)之后，這種加大穿孔機(jī)變形量的設(shè)想成為可能。錐形輥斜軋穿孔機(jī)的最大延伸系數(shù)可達(dá)6左右，D/S可達(dá)20。為了避免毛管產(chǎn)生內(nèi)表面缺陷，一般采用擴(kuò)徑穿孔，擴(kuò)徑率取10%～20%為宜。

軋管機(jī)的變形量既與軋管機(jī)的能力有關(guān)，也與荒管的壁厚精度有關(guān)。增大軋管機(jī)的減壁量會(huì)增加荒管的壁厚不均勻程度。一般來(lái)講，軋管機(jī)各機(jī)架的平均減徑率在2.0%～3.0%，平均延伸系數(shù)在1.01～1.55。各機(jī)架延伸系數(shù)的分配原則是：從入口機(jī)架到出口機(jī)架，延伸系數(shù)從大到小分配。第一個(gè)機(jī)架因毛管內(nèi)徑與芯棒之間存在間隙，減徑率要比平均減徑率大一些。有的機(jī)組將第一個(gè)機(jī)架設(shè)計(jì)成空減徑機(jī)架（VRS），該機(jī)架的減徑率會(huì)更大一些。為了保證荒管的尺寸精度，成品機(jī)架和成品前機(jī)架的延伸系數(shù)應(yīng)盡可能小一些，一般在1.01～1.15。

脫管是荒管在帶有較大橢圓度的脫管輥軋槽中減徑時(shí)，利用脫管輥旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的摩擦力，將荒管從芯棒上“拖拽”下來(lái)。摩擦力（即脫棒力）與減徑率以及軋槽與荒管表面的接觸面積有關(guān)。減徑率越大、接觸面積越大，脫棒力就越大。脫管工序的總減徑率一般為3%～6%，總減徑量在8～15 mm。荒管直徑較大時(shí)，減徑率取小值；荒管直徑較小時(shí)，減徑率取大值。3個(gè)脫管機(jī)架減徑率的分配原則是：第一個(gè)機(jī)架的減徑率不小于1%，使其盡快產(chǎn)生足夠大的脫棒力；第三個(gè)機(jī)架的減徑率要考慮荒管的尺寸精度，減徑率小于1%；其余的減徑量由第二個(gè)機(jī)架來(lái)完成。

定（減）徑機(jī)減徑量的大小主要受到定（減）徑機(jī)的機(jī)架型式、機(jī)架數(shù)、張力系數(shù)和鋼管壁厚等因素的影響。一般來(lái)講，為了減少管坯規(guī)格，希望增加定（減）徑機(jī)的減徑量。但過(guò)大的減徑量會(huì)增加管端的壁厚不均勻程度和管端長(zhǎng)度，降低鋼管的壁厚精度，鋼管的橫截面容易出現(xiàn)“內(nèi)方”（二輥式產(chǎn)生“內(nèi)四方”，三輥式產(chǎn)生“內(nèi)六方”）。在張力系數(shù)較小、減徑量較大時(shí)，鋼管壁厚會(huì)出現(xiàn)增厚，定（減）徑機(jī)的減徑量是按單機(jī)架減徑率來(lái)設(shè)計(jì)的。張力減徑機(jī)的單機(jī)架平均減徑率≤6.5%，總減徑率可以達(dá)到80%以上；微張力定（減）徑機(jī)的單機(jī)架平均減徑率≤3.5%，總減徑率≤40%；定徑機(jī)的單機(jī)架平均減徑率≤3.0%，總減徑率≤25%。

（2）典型連軋管機(jī)組各變形工序變形量分配實(shí)例。

典型連軋管機(jī)組各變形工序的變形量分配情況見(jiàn)表1。

表1 典型連軋管機(jī)組各變形工序的變形量分配情況mm

1.3.3 各機(jī)架變形量分配

（1）延伸系數(shù)的分配。

連軋管機(jī)的總延伸系數(shù)與機(jī)組型式和機(jī)架數(shù)有關(guān)，一般在2.5～6.0。4機(jī)架連軋管機(jī)的最大總延伸系數(shù)≤3.0，5機(jī)架連軋管機(jī)的最大總延伸系數(shù)≤4.0，6機(jī)架連軋管機(jī)的最大總延伸系數(shù)≤5.0，7機(jī)架連軋管機(jī)的最大總延伸系數(shù)≤6.0。無(wú)論機(jī)架數(shù)多少，單個(gè)機(jī)架的延伸系數(shù)最大不超過(guò)1.65。前面兩個(gè)機(jī)架的延伸系數(shù)最大，以后逐漸遞減，成品機(jī)架幾乎為0。各機(jī)架延伸系數(shù)的乘積應(yīng)等于總延伸系數(shù)，即：μ1·μ2·μ3·…·μn=μΣ。

Ф89 mm 6機(jī)架半浮動(dòng)芯棒連軋管機(jī)和Ф250 mm 7機(jī)架限動(dòng)芯棒連軋管機(jī)各機(jī)架延伸系數(shù)的分配情況見(jiàn)表2。

表2 6機(jī)架半浮動(dòng)芯棒連軋管機(jī)和7機(jī)架限動(dòng)芯棒連軋管機(jī)各機(jī)架的延伸系數(shù)

（2）減壁率的分配。

按機(jī)架分配減壁率ΔS/S，以確定各機(jī)架軋出的荒管壁厚。因相鄰機(jī)架的輥?lái)敽洼伩p交叉布置，為使荒管壁厚均勻，原則上要求單數(shù)機(jī)架的減壁量之和等于雙數(shù)機(jī)架的減壁量之和，且所有機(jī)架減壁量之和應(yīng)等于總的減壁量，即：

減壁率分配的原則是第二個(gè)機(jī)架盡可能大一些，但不超過(guò)60%，成品前機(jī)架和成品機(jī)架接近于0；之后，從入口到出口，各機(jī)架的減壁率按遞減分配。

（3）延伸系數(shù)的復(fù)核。

各機(jī)架減壁量給定之后，是否滿(mǎn)足該機(jī)架的延伸系數(shù)，可根據(jù)該機(jī)架軋前和軋后的荒管規(guī)格，用延伸系數(shù)μi計(jì)算公式進(jìn)行校驗(yàn)：

式中Dmi，Smi——分別為進(jìn)入第i機(jī)架的毛管直徑和壁厚，mm；

D0i，S0i——分別為從第i機(jī)架軋出的荒管直徑和壁厚，mm。

如果按公式（9）計(jì)算得到的第i機(jī)架延伸系數(shù)與之前分配給該機(jī)架的延伸系數(shù)相符或接近，說(shuō)明給定的減壁量是合理的；如果相差較大，就需要對(duì)該機(jī)架的減壁量進(jìn)行修正。

1.3.4 軋輥速度的設(shè)定

連軋管是將芯棒穿入毛管之中，將毛管在一組串列布置的機(jī)架中進(jìn)行連續(xù)軋制的過(guò)程，各機(jī)架被毛管和芯棒連在了一起。為了減小機(jī)架之間因金屬流動(dòng)不協(xié)調(diào)而產(chǎn)生的推、拉鋼相互影響，保證連軋過(guò)程順利進(jìn)行，變形金屬在各機(jī)架間應(yīng)遵循金屬秒體積流量相等的連軋基本方程，即：

式中Δi——第i機(jī)架的金屬秒體積流量，mm3/s；

Fi，F(xiàn)i+1——分別為第i和第i+1機(jī)架出口側(cè)荒管的截面面積，mm2；

Vi，Vi+1——分別為第i和第i+1機(jī)架出口側(cè)荒管的軋出速度，mm/s。

公式（10）～（12）表明，根據(jù)連軋管機(jī)各機(jī)架的孔型尺寸和芯棒尺寸，可以計(jì)算出各機(jī)架出口側(cè)的荒管截面面積，從而得到相鄰機(jī)架的荒管出口速度比值。當(dāng)設(shè)定了第一個(gè)機(jī)架的毛管尺寸和軋出速度或最后一個(gè)機(jī)架的荒管尺寸及軋出速度之后，就可以依次計(jì)算出各個(gè)機(jī)架出口側(cè)的荒管速度。進(jìn)而，根據(jù)各機(jī)架的軋輥工作直徑，計(jì)算出相應(yīng)機(jī)架的軋輥速度。

1.3.5 荒管軋出速度與軋輥轉(zhuǎn)速的關(guān)系

荒管軋出速度與軋輥速度、芯棒速度、軋輥表面的摩擦因數(shù)和芯棒表面的摩擦因數(shù)等有關(guān)。因軋輥刻有軋槽，同一轉(zhuǎn)速的軋輥，在不同橫截面上的線(xiàn)速度是不相同的：在孔型頂部，線(xiàn)速度最小；在輥緣處，線(xiàn)速度最大。但荒管是一個(gè)整體，只能以一個(gè)速度從軋輥的出口軋出。這樣，在孔型頂部區(qū)域，金屬相對(duì)輥面前滑，在孔型邊部區(qū)域，金屬相對(duì)輥面后滑，在前滑區(qū)和后滑區(qū)之間便會(huì)出現(xiàn)金屬的流動(dòng)速度和軋輥線(xiàn)速度相等的中性點(diǎn)。該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的圓心角稱(chēng)為軋制中性角θ，中性角對(duì)應(yīng)的軋輥直徑就是軋輥的工作直徑Dk，軋輥工作直徑如圖2所示。

由此可見(jiàn)，荒管從軋輥中軋出的速度是對(duì)應(yīng)于軋輥工作直徑Dk的線(xiàn)速度，根據(jù)金屬秒體積流量相等的原則，第i機(jī)架軋輥轉(zhuǎn)速可按公式（13）計(jì)算：

圖2 軋輥工作直徑示意

式中Ni——第i機(jī)架軋輥轉(zhuǎn)速，r/min；

Vn——荒管從第n機(jī)架（末架）軋輥中軋出的速度，mm/s；

Fn——第n機(jī)架（末架）孔型中軋出的荒管截面面積，mm2；

Fi——第i機(jī)架孔型中軋出的荒管截面面積，mm2；

Dki——第i機(jī)架的軋輥工作直徑，mm。

1.3.6 軋輥工作直徑的計(jì)算

軋輥工作直徑 Dki可由公式（14）～（15）計(jì)算：

式中Dgi——第i機(jī)架軋輥直徑，mm；

λi——第i機(jī)架軋輥工作直徑系數(shù)；

Ai——第i機(jī)架孔型高度，mm；

θi——第i機(jī)架軋制中性角，（°）。

公式（14）～（15）表明，軋制中性角 θi的大小確定了第i機(jī)架軋輥工作直徑系數(shù)λi的大小，從而確定了第i機(jī)架軋輥工作直徑Dki的大小。但是，軋制中性角θi是由軋制變形區(qū)中前滑區(qū)和后滑區(qū)的分布來(lái)確定的。所以，確定軋輥工作直徑系數(shù)λi的關(guān)鍵是要知道前滑區(qū)和后滑區(qū)的分布情況。但是，在實(shí)際軋制變形中，前滑區(qū)和后滑區(qū)的分布受多種因素的影響，包括：D/S、工具尺寸、工具表面狀況、變形溫度、變形程度、變形速度和機(jī)架間的張力等。這些因素對(duì)前、后滑區(qū)的影響不易定量計(jì)算，也具有不確定性。因此，要精確計(jì)算軋輥工作直徑系數(shù)λi是比較困難的。

一般來(lái)講，軋輥工作直徑系數(shù)λi按經(jīng)驗(yàn)取值。圖3所示為3種不同孔型的軋輥工作直徑系數(shù)與孔型形狀的關(guān)系，其中φ表示孔型側(cè)壁開(kāi)口角，ρ表示孔型側(cè)壁圓弧半徑，rk表示孔型半徑，e表示孔型偏心距。

圖3 不同孔型的軋輥工作直徑系數(shù)與孔型形狀的關(guān)系

在意大利因西公司提供的設(shè)計(jì)模型中，將軋輥工作直徑系數(shù)按芯棒直徑取為定值，然后微調(diào)軋輥轉(zhuǎn)速和輥縫，以保證連軋過(guò)程滿(mǎn)足金屬秒體積流量相等的連軋基本方程。這種方法在理論上雖不太精確，但在實(shí)際操作和生產(chǎn)控制中比較簡(jiǎn)單實(shí)用。圖4～5所示為Mini－MPM連軋管機(jī)各機(jī)架軋輥工作直徑系數(shù)與芯棒直徑的關(guān)系曲線(xiàn)。

圖4 Mini－MPM連軋管機(jī)a孔型系列各機(jī)架軋輥工作直徑系數(shù)與芯棒直徑的關(guān)系

1.3.7 芯棒速度的設(shè)定

圖5 Mini-MPM連軋管機(jī)b孔型系列各機(jī)架軋輥工作直徑系數(shù)與芯棒直徑的關(guān)系

全浮動(dòng)芯棒操作時(shí)，在整個(gè)軋制過(guò)程中，對(duì)芯棒速度不加控制，芯棒自由地隨著荒管一起通過(guò)機(jī)架。由于從入口第一個(gè)機(jī)架到出口最后一個(gè)機(jī)架，軋輥的速度是不斷提高的，帶來(lái)芯棒速度在不同的軋制階段也是變化的。當(dāng)毛管前端進(jìn)入第一個(gè)機(jī)架后直至倒數(shù)第二個(gè)機(jī)架時(shí)，隨著作用在芯棒上的機(jī)架數(shù)相繼增多和軋輥速度的不斷提高，芯棒速度會(huì)隨之逐級(jí)提高。當(dāng)毛管頭部進(jìn)入最后一個(gè)機(jī)架，整支毛管處在連軋管機(jī)的全部機(jī)架之中，達(dá)到穩(wěn)定軋制階段時(shí)，芯棒速度維持不變。在毛管軋出階段，當(dāng)毛管尾部離開(kāi)第一個(gè)機(jī)架后，芯棒速度又逐級(jí)提高，直至荒管軋出倒數(shù)第二個(gè)機(jī)架。

半浮動(dòng)芯棒連軋管機(jī)的芯棒操作方式是指在開(kāi)始軋制時(shí)芯棒限動(dòng)，軋制即將完成時(shí)芯棒浮動(dòng)。芯棒運(yùn)行過(guò)程如下：從開(kāi)始軋制到穩(wěn)定軋制階段，芯棒被夾持器夾住，此時(shí)的芯棒速度等于或小于第一個(gè)機(jī)架的毛管軋出速度并維持不變，即限動(dòng)軋制。當(dāng)毛管的尾端離開(kāi)倒數(shù)第三個(gè)機(jī)架后，軋制過(guò)程接近終了時(shí)，夾持器釋放芯棒，讓還沒(méi)有被最后兩個(gè)機(jī)架軋制的毛管和不受限制的芯棒一起進(jìn)入最后兩個(gè)機(jī)架中軋制，即浮動(dòng)軋制。

限動(dòng)芯棒連軋管機(jī)的芯棒操作方式是在整個(gè)軋制過(guò)程中，芯棒被夾持器夾住，始終以等于或小于第一個(gè)機(jī)架的毛管軋出速度前進(jìn)，芯棒速度恒定。在設(shè)定限動(dòng)芯棒連軋管機(jī)的芯棒速度時(shí)，應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面的因素。

（1）軋制過(guò)程的差速軋制程度。芯棒速度越低，與軋輥的速差就越大，差速軋制效果越明顯。這樣有利于減小軋制力和金屬的寬展，從而促進(jìn)延伸，提高荒管的尺寸精度。為使全部機(jī)架均為差速軋制，芯棒的速度應(yīng)等于或小于第一個(gè)機(jī)架的毛管軋出速度。

（2）芯棒的工作段長(zhǎng)度。芯棒速度越快，軋制同一長(zhǎng)度的荒管所需要的芯棒工作段就越長(zhǎng)。

（3）芯棒的使用壽命。芯棒速度越低，毛管內(nèi)表面和芯棒表面之間的相對(duì)滑動(dòng)就越大，導(dǎo)致芯棒磨損加快；芯棒速度過(guò)快，會(huì)使某一長(zhǎng)度范圍內(nèi)的芯棒通過(guò)的機(jī)架數(shù)增多而受軋制力作用的次數(shù)增加，芯棒會(huì)產(chǎn)生不均勻磨損而降低使用壽命。

1.3.8 芯棒溫度和潤(rùn)滑劑厚度的確定

芯棒溫度的高低除與芯棒的使用壽命有關(guān)外，還會(huì)影響到軋制過(guò)程是否能順利進(jìn)行。芯棒溫度太高時(shí)，芯棒潤(rùn)滑劑不易附著在芯棒表面上，影響潤(rùn)滑劑的厚度，同時(shí)，芯棒表面硬度會(huì)降低，導(dǎo)致芯棒使用壽命下降；若芯棒溫度太低，芯棒穿入毛管后，會(huì)降低毛管內(nèi)壁的溫度，增大毛管與芯棒之間的摩擦因數(shù)，不利于金屬的縱向延伸，甚至有可能造成軋卡或脫棒困難。芯棒溫度一般為（100±20）℃。

芯棒潤(rùn)滑劑為水溶性石墨。潤(rùn)滑劑涂敷厚度是以芯棒表面每平方米的質(zhì)量來(lái)計(jì)算的。一般來(lái)講，潤(rùn)滑劑涂敷量為80～120 g/m2。軋制合金鋼管時(shí)，潤(rùn)滑劑涂敷量取大值。湖南金化科技集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的水溶性石墨潤(rùn)滑劑，其潤(rùn)滑效果良好，被多數(shù)廠(chǎng)家采用。

（待 續(xù)）