熱擠壓無縫鋼管橘皮缺陷分析

董亞彪，馬振華，牛 博

（山西太鋼不銹鋼鋼管有限公司，山西 太原 030008）

熱擠壓無縫鋼管橘皮缺陷是指在擠壓鋼管內(nèi)表面呈現(xiàn)的像橘子皮表面形狀的一種質(zhì)量缺陷。橘皮缺陷主要出現(xiàn)在鋼管長度方向的中部和尾部，其中尾部最為嚴重。頭部非常輕微或者無橘皮缺陷。嚴重的橘皮缺陷主要通過后續(xù)工序的修磨將以消除，但介于修磨工序內(nèi)修磨工藝的特點，尾部的橘皮容易修磨干凈，但鋼管中部的缺陷不容易消除。該缺陷在后續(xù)工序中拉拔工序的空拉工藝能將此缺陷消除，但是如果后續(xù)工序軋制或者拉伸，容易形成軋折或拉折，造成鋼管報廢。所以橘皮缺陷對后續(xù)工序工藝路線形成限制，并降低了無縫鋼管的一次合格率和成材率。

1 橘皮缺陷形貌

從生產(chǎn)熱擠壓鋼管以來，擠壓荒管的橘皮一直都存在。如Φ306 mm壁厚20 mm、Φ273 mm壁厚15 mm、Φ250 mm壁厚20 mm、Φ194 mm壁厚15 mm、Φ140 mm壁厚14 mm等荒管的橘皮現(xiàn)象特別嚴重；在1Φ94 mm壁厚7 mm、Φ168 mm壁厚8 mm、Φ140 mm壁厚8 mm、Φ140 mm壁厚6 mm等規(guī)格也能看到橘皮，但其深度淺、尺寸寬度小、出現(xiàn)幾率低，基本經(jīng)過后續(xù)修磨工序、軋制或者拉拔道次即可基本消除。

圖1是擠壓荒管Φ250 mm壁厚14 mm酸洗前；圖2是擠壓荒管Φ140 mm壁厚11 mm酸洗后。其主要的表現(xiàn)特征為橫向的如橘皮狀的紋路，手指摸上去有凹凸不平的感覺。

圖1 擠壓荒管Φ250 mm壁厚14 mm酸洗前

圖2 擠壓荒管Φ140 mm壁厚11 mm酸洗后

2 橘皮的形成機制分析

2.1 擠壓過程

圖3為坯料在擠壓筒中的示意圖，從二次感應爐出來的坯料到擠壓成荒管分為三個過程：

1）坯料鐓粗：坯料的外表面和擠壓筒內(nèi)襯接觸，坯料的內(nèi)孔和擠壓針接觸。

2）坯料前端突破：坯料從鐓粗后的坯料向荒管成型轉(zhuǎn)變的過程。

3）平順擠壓過程。

2.2 褶皺紋形成機理

在擠壓鐓粗階段，由于坯料的外表面和擠壓筒內(nèi)襯有5 mm的間隙，在鐓粗的過程中必然會產(chǎn)生褶皺紋，同樣坯料內(nèi)孔和擠壓針有10 mm以上的間隙，也會產(chǎn)生褶皺紋（見圖3）。

圖3 坯料在擠壓筒中的示意圖

在實際生產(chǎn)過程中坯料內(nèi)外表面受力不可能絕對均勻，坯料表面的強度由于受到組織均勻性、加熱均勻性、以及潤滑均勻性的的影響也不會完全相等，這樣鐓粗的過程必然會受到剪切力的作用而在縱向上產(chǎn)生崎嶇，橫向方向形成凹凸不平即褶皺紋。在擠壓過程中如果擠壓較小，延展不夠的情況下，褶皺紋無法完全消除，即產(chǎn)生橘皮。

3 橘皮現(xiàn)象形成機理

3.1 橘皮產(chǎn)生在大外徑、厚壁管內(nèi)

由于外徑大、壁厚厚的管子，一般都擠壓比均較小，由于其延展不夠，無法完全消除褶皺而最終產(chǎn)生橘皮。

3.2 橘皮內(nèi)表面產(chǎn)生

由于整個擠壓過程，從鐓粗的坯料到荒管的變形過程中，實質(zhì)上是經(jīng)過坯料外徑減徑來實現(xiàn)外徑和壁厚的縮小而形成荒管，整個過程坯料內(nèi)徑的大小卻和擠壓針保持一致而未發(fā)生大的變化，換句話說就是荒管的形成過程主要是經(jīng)過外表面的延展所實現(xiàn)的。

3.3 尾部橘皮很嚴重

從圖3可以看出在鐓粗的過程中，頭部是擠壓模一端為自由向，雖然沒有突破，但坯料內(nèi)外表面均會向擠壓模一端流動，使得褶皺紋產(chǎn)生的機率大大縮小；而在坯料末端無自由向，故褶皺紋較多、較深。

4 各種因素對橘皮形成的影響

4.1 玻璃粉潤滑

擠壓機在生產(chǎn)材質(zhì)為304規(guī)格為Φ250 mm壁厚14 mm的荒管時，二次感應爐都采用同一電爐，將二次感應后壓余平臺加大撒粉量，后用笤帚將玻璃粉掃平，連續(xù)3支均這樣操作，荒管的橘皮無明顯變化。

后分析玻璃粉內(nèi)涂是不是撒的太多，故又減少粉槍噴撒次數(shù)（以前噴撒2～3次，當時要求操作工只撒一次），連續(xù)3支以上，未見荒管橘皮有明顯變化。

從橘皮形成機理上分析，如果玻璃粉的潤滑性較好，會提升鋼管內(nèi)表面的延展，從而減少橘皮的產(chǎn)生，上面的試驗是對涂撒玻璃粉的量上進行的分析，后續(xù)應在玻璃粉本身的特性上做進一步的探索，以找到生產(chǎn)不同鋼種，對應最適合的玻璃粉。

4.2 感應爐加熱

生產(chǎn)的過程中，在荒管檢驗處發(fā)現(xiàn)一支荒管橘皮紋路很淺很細，下一支橘皮缺陷卻比較嚴重。這兩支鋼管是由1號和3號二次感應爐分別加熱的。圖4為1號爐和3號爐生產(chǎn)的鋼管尾端內(nèi)表面對比圖。

圖4 1號爐和3號爐生產(chǎn)的鋼管尾端內(nèi)表面對比圖

將1號和3號感應爐設定相同的目標加熱溫度為（1200±10）℃，加熱功率為（600±10）kW，但是兩臺爐子實際的加熱時間明顯不同，1號爐的加熱時間為2.5 min，3號爐的加熱時間為4 min；保溫時間均為1 min。

后又將1號爐的加熱功率提高到（700±10）kW，縮短加熱時間但橘皮并未減輕相反在加重，可見加熱時間太長和太短均對坯料熱物理性能有很大的影響，在實際生產(chǎn)中應尋找最佳的加熱時間和保溫時間，以便是坯料內(nèi)部組織能夠更加均勻，坯料的塑性和延展性也會更好，從而減少橘皮的產(chǎn)生。

4.3 擴孔后坯料與擠壓荒管的擠壓比

從表1中的數(shù)據(jù)對比可以看出，橘皮嚴重的大多是擠壓比較小、大外徑的厚壁管。

表1 橘皮缺陷嚴重度與擠壓比的關系

4.4 擠壓針和擴孔后鋼坯內(nèi)孔間隙

對于一些大口徑的無縫鋼管，生產(chǎn)實踐中發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)同系列同規(guī)格的無縫鋼管，擴孔的內(nèi)徑越大，橘皮缺陷會越加嚴重。隨著擠壓針和擴孔坯料內(nèi)孔的間隙增大，在坯料鐓粗的過程中，坯料內(nèi)表面在橫截面方向失穩(wěn)的風險在加大，故而其在內(nèi)表面形成褶皺的可能性也越來越大。所以說生產(chǎn)實踐的現(xiàn)象和坯料橘皮產(chǎn)生的機制理論是相吻合的。

5 預防橘皮缺陷的措施

1）增配擴孔錐及相關配套工模具，使擴孔后的坯料內(nèi)徑和擠壓針外徑差縮小，控制在8～10 mm之間。

2）對于特別小的擠壓比的荒管，改變其工藝路徑。

3）提高機械手將坯料運送到擠壓筒入口的準確性和精確性。

4）對于擠壓不同系列不同管徑的鋼管試驗并設定最佳的感應爐溫度、加熱時間和保溫時間。

5）由于感應爐的工況不同，使各個感應爐的參數(shù)可以單獨設置。

6）玻璃粉的噴撒要均勻，但不是越多越好，能保證擠壓后荒管表面覆蓋即可。

7）針對不同的鋼種選用不同的玻璃粉，以達到更好的潤滑效果。

6 結(jié)語

通過對擠壓過程的分解，分析每個過程中鋼坯的變形特點，對橘皮的形成機理進行分析，找到橘皮形成的全部動態(tài)過程。然后根據(jù)該形成機制分別從玻璃粉潤滑、感應爐參數(shù)的設定、擠壓比以及針孔間隙對橘皮形成的影響，并制定了預防橘皮缺陷的措施。