軋管機軋輥名義直徑的確定

高瑞全，于路強

（1.天津鋼管制造有限公司，天津300301；2.中冶京誠工程技術(shù)有限公司，北京100176）

軋輥名義直徑的確定是孔型設(shè)計的基礎(chǔ)，也是軋管機設(shè)計的重要參數(shù)。軋管機軋輥名義直徑通常按照可軋制最小管徑的經(jīng)驗倍數(shù)來確定［1-2］，而實際設(shè)計中影響軋輥名義直徑的因素有很多。本文主要從軋輥設(shè)計的角度，以二輥連軋管機作為縱軋代表，以Assel軋管機作為斜軋代表，分別討論兩種情況下確定軋輥名義直徑的主要影響因素［3-15］。

二輥連軋管機輥型如圖1所示，從圖可知，軋槽由槽底、開口側(cè)壁、輥縫和輥縫與側(cè)壁交接處的圓角組成，兩個軋槽中心的連線長度，即連軋管機軋輥名義直徑Dn。Assel軋管機輥型如圖2所示。通常將軋輥臺肩的外緣直徑稱為軋輥名義直徑，如圖2所示Dn。

1 工藝設(shè)計對軋輥名義直徑的要求

對于縱軋軋管方式，工藝設(shè)計要求軋輥名義直徑能滿足鋼管咬入條件。對于斜軋軋管方式，除滿足鋼管咬入條件外，還需滿足鋼管壁厚精度要求。

1.1 二輥連軋管機

連軋管變形如圖3所示。由于連軋鋼管變形區(qū)中存在減徑和減壁兩個區(qū)，因此咬入條件分為一次和二次咬入。一次咬入是指鋼管與軋輥開始接觸時，旋轉(zhuǎn)的軋輥靠摩擦力將鋼管曳入變形區(qū)中；二次咬入是指在鋼管內(nèi)表面與芯棒開始接觸時，靠軋輥和金屬之間的摩擦力來克服芯棒的軸向阻力，而把鋼管曳入減壁區(qū)。必須滿足這兩個咬入條件，才能保證軋件進(jìn)入變形區(qū)并建立穩(wěn)定的軋制過程。

圖1 二輥連軋管機輥型

圖2 Assel軋管機輥型

圖3 連軋管變形示意

當(dāng)咬入時的摩擦角β大于咬入角α便可實現(xiàn)一次咬入，故咬入條件由公式（1）確定［3］。

式中Dk——軋輥工作直徑，mm；

a——孔型高度，mm；

φ——側(cè)壁角，（°）；

d——毛管直徑，mm。

二次咬入條件要求減壁區(qū)最大減壁量ΔS。

式中SH——孔頂毛管壁厚，mm；

α——按孔型頂部計算的咬入角，（°）；

f——軋輥與金屬之間的摩擦因數(shù)。

通過上述計算可見，其他條件一定的情況下，軋輥名義直徑越大，越有利于軋件的咬入。工藝設(shè)計時確定最大咬入角和最大減壁量，即可確定滿足咬入條件的最小軋輥名義直徑。

1.2 Assel軋管機

與縱軋方式不同，Assel軋管機開始軋制時，毛管由3個呈120°布置軋輥咬入，然后向出口螺旋前進(jìn)，軋輥臺肩與芯棒共同完成對毛管的集中減壁變形，之后進(jìn)入輾軋段對管壁進(jìn)行均勻輾軋，改善鋼管管壁精度和表面粗糙度，最后到出口區(qū)。

輾軋段作用是均壁精軋和改善表面粗糙度，該段的變形量不大，但直接決定了鋼管壁厚的均勻性。由于斜軋咬入角的存在，輾軋段的軋輥母線不能完全平行于芯棒母線，必然導(dǎo)致螺旋性壁厚不均。斜軋過程中，孔型開度值的定義為沿軋制線方向任意截面處的軋件與軋輥分離點至軋制線的距離，所以理論上壁厚的最大差值即單位螺距范圍內(nèi)孔型開度值的最大差值?？仔烷_度值的計算方法表明［4］，其他條件一定的情況下，軋輥名義直徑越大，單位螺距范圍孔型開度值的最大差值就越小。從改善壁厚均勻性的角度出發(fā)，軋輥名義直徑應(yīng)該盡量加大。但軋輥名義直徑的增大會導(dǎo)致接觸面積和橫向變形的增加，惡化了三角形壓扁的邊角尖銳度，使鋼管產(chǎn)生裂紋［1］。在滿足壁厚精度和表面粗糙度的要求下，軋輥名義直徑應(yīng)盡量選擇小值。

2 機械性能對軋輥名義直徑的要求

軋輥是實現(xiàn)金屬變形的直接工具，軋制鋼管時受到各種應(yīng)力的作用，要求軋輥有足夠的強度、剛度、硬度、耐熱性能等［5］。

2.1 強度要求

軋制時軋輥受到彎曲、扭轉(zhuǎn)和接觸應(yīng)力等綜合影響，軋輥必須有足夠的強度，以承受強大的彎矩和扭矩。從而要求軋輥軸足夠粗，輥身也需要足夠的“肉厚”。軋輥材質(zhì)相同時，軋輥名義直徑越大，軋輥強度越高。

2.2 剛度要求

軋輥在軋制力以及軋制力矩的作用下，會發(fā)生彎曲、扭轉(zhuǎn)、剪切、彈性壓扁等變形。軋輥必須有足夠的剛度，從而減少變形以保證軋件尺寸和規(guī)格的準(zhǔn)確性。軋輥材質(zhì)相同時，軋輥名義直徑越大，軋輥剛度越高。

綜上所述，根據(jù)軋輥的強度和剛度要求，通過計算確定最小的軋輥名義直徑。

3 軋輥重車對軋輥名義直徑的要求

軋輥使用過程中，軋輥表面經(jīng)過一定磨損后會導(dǎo)致管體缺陷，需要進(jìn)行重車或重磨，方能再次使用。軋輥每次的重車量為0.5～5.0 mm；每次的重磨量為0.01～0.50 mm。軋輥磨損達(dá)到允許的總重車量后，將會報廢。因此確定軋輥名義直徑時要考慮一定的重車量，提高軋輥的利用率［5］。

4 生產(chǎn)經(jīng)濟性對軋輥名義直徑的要求

軋輥名義直徑大，具有易咬入、強度高、剛性好的優(yōu)點，但同時會帶來接觸面積、軋制力和軋制力矩增大的要求，從而需要更大的軋機牌坊。從生產(chǎn)經(jīng)濟性角度來看，在滿足咬入條件、強度、剛度及重車量的要求下，軋輥名義直徑應(yīng)該盡量小。以二輥連軋管機為例，進(jìn)行接觸面積、軋制力和軋制力矩的工程計算。

為了計算簡便，將鋼管軋制等效為鋼板軋制，在不考慮空減機架的情況下接觸面積的計算如下。

式中Lmax——接觸長度，mm；

Bmax——接觸寬度，mm；

SQ，SA——軋前、軋后等效壁厚，mm；

d1——芯棒直徑，mm；

J——軋件與孔型在橫截面上的接觸角，（°）。

總接觸面積F=LmaxBmax。

金屬對軋輥的軋制力P可由公式（7）確定：

式中pc——平均單位壓力，MPa。

單位壓力由金屬變形抗力結(jié)合各影響系數(shù)確定。金屬變形抗力由材質(zhì)、變形量、變形速度和變形溫度決定，通過試驗數(shù)據(jù)回歸公式或查表獲得。

軋制力矩M可由公式（8）估算：

由以上二輥連軋管機的計算以及文獻(xiàn)［6］中對Assel軋管機的計算可知，軋輥名義直徑的增大會使接觸面積增大，導(dǎo)致軋制力和軋制力矩相應(yīng)增加。文獻(xiàn)［7］中提到，其他條件相同時，相較于名義直徑為380 mm的軋輥，使用名義直徑為480 mm的軋輥生產(chǎn)時，軋制力和軋制力矩分別提高了21%和20%～42%。

5 結(jié) 論

軋管機軋輥名義直徑的確定受各種綜合因素影響。足夠大的軋輥名義直徑能夠保證咬入條件、壁厚精度和軋輥的強度、剛度，在滿足以上要求同時考慮一定重車量的情況下，軋輥名義直徑應(yīng)該盡量小，以降低生產(chǎn)能耗并保證軋制過程的穩(wěn)定性。