無縫鋼管斜軋擴(kuò)徑機(jī)工藝技術(shù)解析

羅 濤

（成都誠悟鋼管技術(shù)有限公司，四川 成都 610041）

直徑大于500 mm的熱軋大直徑無縫鋼管的生產(chǎn)在較長時(shí)間內(nèi)主要采用周期軋管機(jī)（皮爾格軋管機(jī)），或采用拉拔式熱擴(kuò)管機(jī)對(duì)成品鋼管進(jìn)行二次熱加工。20世紀(jì)90年代，國內(nèi)無縫鋼管市場緊缺，這也催生了簡易的電感應(yīng)加熱推制生產(chǎn)工藝和直接采用斜軋穿孔機(jī)穿軋大直徑管坯（或同一穿孔機(jī)二次穿軋）生產(chǎn)質(zhì)量要求不高的大直徑薄壁無縫鋼管產(chǎn)品的作法［1-5］。

1993年意大利因西公司在盤式斜軋機(jī)的基礎(chǔ)上開發(fā)出了新型斜軋擴(kuò)徑機(jī)（國內(nèi)也簡稱旋擴(kuò)機(jī)），并在意大利達(dá)爾明鋼管廠建成了Ф610 mm斜軋擴(kuò)徑機(jī)組，隨后國外陸續(xù)建成了多套斜軋擴(kuò)徑機(jī)組。2007年天津鋼管集團(tuán)股份有限公司從意大利因西公司引進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)，采用國產(chǎn)化成套設(shè)備，建成了國內(nèi)第一套Ф720 mm斜軋擴(kuò)徑生產(chǎn)線；2019年山東聊城中鋼聯(lián)金屬制造有限公司Ф530 mm斜軋擴(kuò)徑機(jī)建成投產(chǎn)。

本文將根據(jù)熱軋無縫鋼管斜軋變形理論并結(jié)合現(xiàn)有生產(chǎn)情況，解析斜軋擴(kuò)徑機(jī)的軋制工藝變形特點(diǎn)并探討相關(guān)問題。

1 基本結(jié)構(gòu)及工藝特點(diǎn)

斜軋擴(kuò)徑機(jī)實(shí)際是斜軋管機(jī)類型的一個(gè)特例。斜軋擴(kuò)徑機(jī)組主體設(shè)備由前臺(tái)設(shè)備、主機(jī)設(shè)備及后臺(tái)設(shè)備三個(gè)部分組成。前臺(tái)設(shè)備主要實(shí)現(xiàn)坯料管的送入；主機(jī)設(shè)備主要實(shí)現(xiàn)鋼管減壁與擴(kuò)徑軋制的功能，由水平布置的兩個(gè)錐形斜軋軋輥與軋制中心呈大的輾軋角布置，軋輥與上、下固定導(dǎo)板和固定的錐形頂頭之間形成了斜軋擴(kuò)徑軋制的變形空間（孔型），坯料管在孔型中完成整個(gè)擴(kuò)徑、減壁的軋制過程；后臺(tái)設(shè)備主要實(shí)現(xiàn)擴(kuò)徑頂頭的輸入與退出、軋制后鋼管的輸出。斜軋擴(kuò)徑機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 斜軋擴(kuò)徑機(jī)結(jié)構(gòu)示意

在斜軋擴(kuò)徑機(jī)中，左右水平布置的軋輥軸與軋制水平面平行，也就是三維空間中軋輥軸只有一個(gè)輾軋角而沒有傳統(tǒng)斜軋定義的送進(jìn)角，但是左右兩個(gè)軋輥軸與軋制水平面形成一定高度差，也就是軋輥軸是偏離軋制中心線一定高度（一般為60～100 mm）。正是由于該高度差的存在，軋輥與軋件接觸點(diǎn)的速度分量會(huì)沿軋制線方向形成一個(gè)分量，這個(gè)分量會(huì)驅(qū)動(dòng)軋件前進(jìn)。

斜軋擴(kuò)徑軋制變形的根本目的就是實(shí)現(xiàn)鋼管的擴(kuò)徑與減壁，從軋鋼基本變形原理出發(fā)，如果希望最大化地實(shí)現(xiàn)擴(kuò)徑變形，就必須要求金屬在軋制變形過程中僅發(fā)生橫向變形，換言之，徑向變形金屬的流動(dòng)全部轉(zhuǎn)化為橫向變形流動(dòng)，最大程度地減少縱向金屬變形。這顯然就可得出擴(kuò)徑軋制基本變形原理：軋制延伸系數(shù)等于1。為了實(shí)現(xiàn)擴(kuò)徑軋制，就必須實(shí)現(xiàn)最大可能橫向變形。因此，作為主要變形工具的斜軋擴(kuò)徑軋輥、頂頭的設(shè)計(jì)就要充分滿足軋制變形這一基本要求。

斜軋擴(kuò)徑機(jī)的軋輥如圖2所示。該軋輥輥形的變形區(qū)沿用曼式斜軋穿孔機(jī)軋輥輥形的基本設(shè)計(jì)方法，軋輥主要由咬入段與減壁擴(kuò)徑段構(gòu)成，兩變形階段均是兩條呈一定角度的直線段，軋輥由兩個(gè)不同的錐形輥體構(gòu)成。為了實(shí)現(xiàn)金屬在斜軋變形的橫向大變形下的更合理流動(dòng)，最大程度地減少軋件在變形區(qū)斷面扭轉(zhuǎn)等多余附加變形，斜軋輥必須配置較大的輾軋角。

圖2 Ф720 mm斜軋擴(kuò)徑機(jī)的軋輥示意

必須指出的是，對(duì)于斜軋擴(kuò)徑機(jī)軋輥，兩條直線構(gòu)成的軋輥輥形設(shè)計(jì)是一個(gè)粗糙的、近似的不合理的設(shè)計(jì)，這會(huì)直接影響變形與斜軋擴(kuò)徑管質(zhì)量。

斜軋擴(kuò)徑機(jī)頂頭如圖3所示。與一般斜軋穿孔頂頭不同，斜軋擴(kuò)徑機(jī)的頂頭是配合斜軋擴(kuò)徑機(jī)軋輥的，由頂頭與軋輥之間形成的變形空間來完成減壁與擴(kuò)徑的軋制功能。斜軋擴(kuò)徑機(jī)的頂頭實(shí)際也是一個(gè)錐形體，它的變形錐完成主要的減壁變形。顯然，要在頂頭與軋輥之間的變形空間實(shí)現(xiàn)減壁、擴(kuò)徑，同時(shí)希望實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼管內(nèi)外表面的精密軋制，就必須精確計(jì)算并優(yōu)化頂頭外形，而這個(gè)頂頭外形又必須與軋輥輥形外部輪廓（輥形）精確配合。

圖3 斜軋擴(kuò)徑機(jī)的頂頭示意

如前所述，斜軋擴(kuò)徑軋制變形實(shí)際是在斜軋擴(kuò)徑機(jī)的軋輥與頂頭之間實(shí)現(xiàn)減壁與擴(kuò)徑的。斜軋擴(kuò)徑機(jī)的上、下固定導(dǎo)板與一般斜軋穿孔機(jī)一樣，不參與軋制過程中的減壁變形，僅對(duì)變形區(qū)金屬起限位和導(dǎo)向作用。斜軋擴(kuò)徑機(jī)變形如圖4所示。

圖4 斜軋擴(kuò)徑機(jī)的變形示意

對(duì)于斜軋擴(kuò)徑軋制坯料管（亦稱母管），最早意大利因西公司設(shè)計(jì)是直接采用連軋成品管作為坯料管。意大利達(dá)爾明鋼管公司的初衷是將MPM連軋管機(jī)組的產(chǎn)品規(guī)格擴(kuò)大至Ф630 mm，以生產(chǎn)更大直徑薄壁無縫鋼管，因此采用連軋成品管（薄、中厚壁）作為坯料管。僅從鋼管軋制擴(kuò)徑變形而言，只要是合格的無縫鋼管都是可以進(jìn)行擴(kuò)徑軋制的，擴(kuò)徑軋制的目的是實(shí)現(xiàn)大直徑薄壁管的生產(chǎn)。無縫鋼管生產(chǎn)企業(yè)立足于已有軋管設(shè)備，也可以將斜軋擴(kuò)徑機(jī)作為擴(kuò)大企業(yè)可生產(chǎn)外徑范圍的軋機(jī)，即作為補(bǔ)充、增加產(chǎn)品規(guī)格的變形機(jī)組?？刹捎眯避埓┛缀筌埑龅拿苤苯舆M(jìn)入斜軋擴(kuò)徑機(jī)，以生產(chǎn)現(xiàn)有機(jī)組不能生產(chǎn)的、外徑更大的中厚壁無縫鋼管產(chǎn)品。顯然，直接采用穿孔后毛管進(jìn)行斜軋擴(kuò)徑軋制，實(shí)際上是對(duì)斜軋擴(kuò)徑機(jī)賦予了更高期望，要達(dá)到連軋成品管作為母管的質(zhì)量，在不改變斜軋擴(kuò)徑機(jī)軋制工藝設(shè)計(jì)的條件下，消除穿孔毛管作為坯料管時(shí)出現(xiàn)的明顯內(nèi)表面螺旋道等缺陷，只能通過在斜軋擴(kuò)徑后部增加精軋工序來實(shí)現(xiàn)。國內(nèi)現(xiàn)有的斜軋擴(kuò)徑機(jī)就在其后增加了進(jìn)行再次軋制的均整機(jī)。國內(nèi)外斜軋擴(kuò)徑機(jī)代表規(guī)格的生產(chǎn)變形參數(shù)見表1。

表1 國內(nèi)外斜軋擴(kuò)徑機(jī)代表規(guī)格的生產(chǎn)變形參數(shù)

表1中的A企業(yè)是國外某鋼管生產(chǎn)企業(yè)，其直接用連軋成品管進(jìn)行斜軋擴(kuò)徑軋制?？梢姡且源笾睆奖”跓o縫鋼管為生產(chǎn)目的，經(jīng)斜軋擴(kuò)徑軋制后鋼管直徑與壁厚之比（徑壁比D/S）可達(dá)70，換言之成品管的D/S可達(dá)65以上。B、C企業(yè)是國內(nèi)企業(yè)，除了序號(hào)6中用連軋成品薄壁鋼管來生產(chǎn)大直徑薄壁鋼管外，其余均是采用連軋后的厚壁鋼管或者斜軋穿孔生產(chǎn)的毛管進(jìn)行擴(kuò)徑軋制來生產(chǎn)直徑更大的中、厚壁無縫鋼管，是以擴(kuò)大企業(yè)可生產(chǎn)中厚壁無縫鋼管規(guī)格范圍為主要目的。

從國內(nèi)B、C企業(yè)的斜軋擴(kuò)徑機(jī)主要產(chǎn)品數(shù)據(jù)及實(shí)際生產(chǎn)情況來看，真正發(fā)揮斜軋擴(kuò)徑機(jī)作用，生產(chǎn)大直徑薄壁管（徑壁比D/S大于50）的占比很少，主要生產(chǎn)的是以擴(kuò)大企業(yè)機(jī)組生產(chǎn)規(guī)格為目的的中厚壁無縫鋼管。

斜軋擴(kuò)徑工藝設(shè)計(jì)是以生產(chǎn)大直徑薄壁鋼管為核心目的，企業(yè)在現(xiàn)有其他機(jī)組生產(chǎn)能力受限的條件下，或從企業(yè)產(chǎn)品規(guī)格配套考慮，用以擴(kuò)大薄壁鋼管的生產(chǎn)。企業(yè)采用不同軋制加工方式來擴(kuò)大產(chǎn)品規(guī)格與品種是企業(yè)發(fā)展需求，但是如何合理地優(yōu)化配置變形機(jī)組也是值得綜合考慮的，因?yàn)閷?shí)現(xiàn)單純擴(kuò)徑變形軋制除了斜軋擴(kuò)徑機(jī)外還有其他多種不同方式。例如，國內(nèi)一些企業(yè)采用“粗放的兩次穿孔”也是一種擴(kuò)徑生產(chǎn)方式，如果不考慮生產(chǎn)效率與質(zhì)量，感應(yīng)推制加工也是一種更經(jīng)濟(jì)的生產(chǎn)大直徑、薄壁無縫鋼管的方式。

2 軋制工藝分析及計(jì)算

2.1 斜軋擴(kuò)徑軋制變形基本原理

為了分析斜軋擴(kuò)徑軋制變形原理，可將軋制變形區(qū)（減壁擴(kuò)徑段內(nèi)）中軋件與軋制中心線垂直斷面視為圓斷面，即設(shè)定：軋制方向是由左到右，變形區(qū)內(nèi)任取一個(gè)長度為d x的切塊單元（微分單元），左斷面軋件直徑為d1，壁厚為S1；沿軋制前進(jìn)方向與此斷面相距距離為d x的右斷面直徑為d2，壁厚為S2；直徑d1的軋件斷面面積為F1，直徑d2的軋件斷面面積為F2。擴(kuò)徑變形區(qū)變形微分單元如圖5所示。任何軋制延伸相鄰兩斷面面積的變化關(guān)系為：F1=μF2。對(duì)于理想擴(kuò)徑變形，F(xiàn)1=F2；對(duì)于一般斜軋擴(kuò)徑變形，F(xiàn)1=μF2，μ為1.00～1.05。其中，μ為軋制延伸系數(shù)。

圖5 擴(kuò)徑變形區(qū)變形微分單元示意

對(duì)斜軋擴(kuò)徑軋制變形，希望變形過程中斷面壁厚減少的金屬流動(dòng)全部用于外徑的增加，用三維空間坐標(biāo)描述就是金屬僅從直徑方向（增加外徑）向圓周方向（增加圓周長）流動(dòng)，而不向軸向（軋制軸方向）流動(dòng)，亦即軋件軋制長度不增加，μ為1?？梢?，對(duì)于斜軋擴(kuò)徑變形來說，μ=1是理想變形，生產(chǎn)實(shí)際中μ為1.00～1.05。

2.1.1 擴(kuò)徑率與坯料管規(guī)格和減壁量關(guān)系

引入擴(kuò)徑率ρ，由d2=（1+ρ）d1和F1=F2可知（d1-S1）S1=μ［（1+ρ）d1-S2］S2，整理可得：

以表1軋制規(guī)格1為例，當(dāng)μ=1（理想斜軋擴(kuò)徑變形），ρ=82%；當(dāng)μ=1.05，ρ=73%。

2.1.2 擴(kuò)張角與坯料規(guī)格和變形量關(guān)系

變形區(qū)擴(kuò)張角φ是決定斜軋擴(kuò)徑變形的一個(gè)理論參數(shù)，也可以作為設(shè)計(jì)斜軋擴(kuò)徑頂頭減壁段錐角及其他隨變形區(qū)變化的參數(shù)。

由圖5可知：d2=d1+2d x tanφ，S2=S1+d s。其中，d x為變形區(qū)沿軋制軸任意切塊微分單元長度，d s為微分單元上的減壁量變量。因F1=（d1-S1）S1，F(xiàn)2=（d2-S2）S2。將F1，F(xiàn)2，d2，S2等關(guān)系直接代入F1=F2并略去高階微分變量，即有：

公式（2）給出了斜軋擴(kuò)軋制變形區(qū)內(nèi)任一斷面上軋件擴(kuò)張角與變形之間的關(guān)系，也可以理解為頂頭外徑變化在不同斷面的斜率。以表1軋制規(guī)格1為例，取開始減壁厚處初始坯管斷面，即d1=363.5×90%=327.15 mm，S1=16 mm，d s=-7.5 mm，d x=600 mm（頂頭上的減壁長度），arctanφ=6.6°；取軋制后最后斷面，即d1=631 mm，S1=8.5 mm，arctanφ=24°。

如果采用直斜線頂頭，頂頭擴(kuò)徑斜角平均為14°～18°。實(shí)際上，d s/d x應(yīng)當(dāng)理解為變形區(qū)減壁量沿變形區(qū)方向的變化率，應(yīng)當(dāng)按軋制變形理論和金屬的物理變形條件來制定。即，希望在斜軋擴(kuò)徑變形區(qū)內(nèi)能有一個(gè)優(yōu)化減壁厚的變形方式，一旦建立這個(gè)關(guān)系，就能設(shè)計(jì)出滿足這個(gè)減壁條件的內(nèi)部工具（頂頭）的外形。

2.1.3 斜軋擴(kuò)徑軋制變形空間與軋輥輥形的關(guān)系

斜軋擴(kuò)徑變形仍屬于斜軋變形，當(dāng)軋輥安裝調(diào)整固定后，兩個(gè)軋輥之間就構(gòu)成了斜軋變形空間，在任意垂直于軋制中心線的斷面上，兩個(gè)軋輥之間都有一個(gè)最小輥距，將頂頭置于其中并在軋制中心線軸向定位，也就決定了這個(gè)斷面的壁厚。文獻(xiàn)［6］給出了一般斜軋輥形與變形區(qū)斜軋?zhí)卣骶€（整個(gè)變形區(qū)輥面上最小輥距的點(diǎn)集）的關(guān)系。由此關(guān)系可以精確地計(jì)算出變形區(qū)相關(guān)參數(shù)，反之也可以由先擬定合理的變形規(guī)律來設(shè)計(jì)滿足它的斜軋軋輥輥形［7］。軋輥輥形參數(shù)計(jì)算公式為：

式中，L是軋輥中間任意半徑R所在斷面在軋輥軸上距輥端面的距離；α、β、γ分別為軋輥軸與三維空間坐軸X、Y、Z的夾角；A0是軋機(jī)調(diào)整參數(shù)，它取決于設(shè)定的最小輥距（喉徑）；r、x分別是軋件在孔型中最小半徑和對(duì)應(yīng)于軋制軸上的坐標(biāo)。

斜軋擴(kuò)徑軋輥軸平行于軋制中心水平面并與軋制中心線存在高度偏差。由此可建立斜軋擴(kuò)徑機(jī)變形分析與設(shè)計(jì)計(jì)算的坐標(biāo)，如圖6所示。

圖6 斜軋擴(kuò)徑工藝分析計(jì)算坐標(biāo)系示意

如圖6所示，O′X′Y′Z′坐標(biāo)系為軋輥安裝坐標(biāo)系，軋輥軸L在O′X′Y′坐標(biāo)系的水平面上，L與X′軸形成輾軋角（空間三維坐標(biāo)中仍然用α表示）。L所在水平面與軋制中心水平面有一個(gè)固定高度差，OXYZ坐標(biāo)系為軋制坐標(biāo)系，X軸為軋制中心線，原點(diǎn)距離OO′就是這個(gè)高度差。

一旦建立斜軋管機(jī)軋輥?zhàn)鴺?biāo)系與軋制坐標(biāo)系之間關(guān)系，換言之，軋輥在軋管機(jī)上安裝調(diào)整到位并與軋制中心的幾何關(guān)系完全固定，就可利用一般斜軋輥形與軋制空間公式（3）計(jì)算分析相關(guān)斜軋參數(shù)。斜軋擴(kuò)徑機(jī)的軋輥軸與軋制水平面平行，軋輥軸與垂直坐標(biāo)軸Z或Z′軸成直角關(guān)系，即：空間角γ=90°，cosγ=0，且A0=OO′。

由于軋輥軸與軋制中心水平面平行，則cos2α+cos2β=1。由公式（3）可得斜軋擴(kuò)徑機(jī)的軋輥輥形與變形空間關(guān)系式（4）：

公式（4）建立了斜軋擴(kuò)徑機(jī)的三維空間輥形與變形空間（孔型）的精確幾何關(guān)系，利用這個(gè)關(guān)系可以計(jì)算出軋輥與最小輥距的接觸點(diǎn)坐標(biāo)（x，y，z）以及隨輥形的變化r（x），由此可計(jì)算出各截面變形量的大小，具體就是外徑變化量及壁厚變化。這個(gè)計(jì)算的實(shí)質(zhì)就是用已知軋輥的輥形（已設(shè)計(jì)好軋輥R、L，并設(shè)置好A0、α、β、γ調(diào)整參數(shù)），計(jì)算出變形區(qū)參數(shù)r（x）、x；反之，可以從變形優(yōu)化觀點(diǎn)出發(fā)，擬定或修改更合理變形［r（x）、x］，如制定擴(kuò)徑率的變化，配合壁厚變化，設(shè)計(jì)減壁量沿變形區(qū)長度合理的遞增或遞減的變化規(guī)律，或者在頂頭特定長度范圍保持頂頭與輥面最小接觸點(diǎn)的等距關(guān)系，發(fā)揮均壁變形的功效，消除斜軋變形過程中形成的螺旋道，具體就是先確定或通過一些變形原理的物理?xiàng)l件和軋制要求（從工藝出發(fā)），如在不同長度上的外徑變化、結(jié)合內(nèi)部工具設(shè)計(jì)壁厚軋制要求、變形后需要的平整精軋位置及長度范圍等，滿足這些條件，而這些條件最終是通過擬定合理的斜軋變形特征線r（x）、x定量表述，也就是已知r（x）、x計(jì)算出新的軋輥輥形（R、L）。

必須指出的是，長期以來斜軋變形工藝的計(jì)算大多將其簡化成平面二維關(guān)系；一些三維算法僅有理論性幾何關(guān)系，沒有建立起具體軋機(jī)的安裝、調(diào)整對(duì)應(yīng)關(guān)系，這類算法沒有實(shí)用價(jià)值。

2.1.4 斜軋擴(kuò)徑軋制運(yùn)動(dòng)學(xué)

軋制變形主要是由軋輥驅(qū)動(dòng)完成軋制并輸送軋件。在斜軋管機(jī)中，軋輥安裝于軋機(jī)機(jī)架內(nèi)并調(diào)整至軋制工藝要求參數(shù)（角度、輥間距離）時(shí)，軋輥獲得速度后，軋輥輥面在變形區(qū)空間內(nèi)形成一個(gè)速度場。

斜軋變形與軋輥的輥形緊密相關(guān)。軋輥輥形及其固定方式不同，軋輥形成的速度矢量不同，也就是速度分布狀況不同。軋制金屬變形流動(dòng)也直接受軋輥速度矢量大小的影響，對(duì)斜軋而言，金屬流動(dòng)是沿徑向（壁厚變化）、切向（周長與外徑變化）、軸向（長度變化）流動(dòng)的。不同斜軋變形要求，變形金屬流動(dòng)要求不同。

對(duì)斜軋擴(kuò)徑軋制變形，希望徑向變形金屬流動(dòng)全部趨于橫向變形，用于外徑擴(kuò)大；同時(shí)也希望在整個(gè)減壁與擴(kuò)徑變形區(qū)內(nèi)能實(shí)現(xiàn)斜軋中最小附加扭轉(zhuǎn)變形，也可以理解為由軋輥提供給軋件表面旋轉(zhuǎn)的角速度與其沿變形區(qū)長度的角速度差盡可能小，簡而言之，就是擴(kuò)徑變形軋制過程中，斜軋擴(kuò)徑機(jī)的軋輥?zhàn)饔孟滦纬傻能埣D(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)在整個(gè)變形內(nèi)要盡量趨于相同，從而不會(huì)造成斷面之間相互扭曲。可見，這里就對(duì)軋輥的輥形及軋輥安裝方式（輾軋角）也相應(yīng)提出要求，輥形設(shè)計(jì)也必須滿足這個(gè)物理?xiàng)l件。如前所述，輥形設(shè)計(jì)不僅只是一個(gè)滿足單純變形的計(jì)算，而且是要兼顧變形的物理?xiàng)l件。

文獻(xiàn)［8］給出了在三維空間中，任意布置安裝斜軋軋輥方式，軋輥輥面任一斷面到軋制中心最小輥距處點(diǎn)速度矢量在三維空間坐標(biāo)中的速度分量，即：

軋輥切向速度V為：

軋件在任一截面的轉(zhuǎn)速和角速度計(jì)算公式分別為公式（9）～（10）：

對(duì)于斜軋擴(kuò)徑機(jī)，仍有γ=90°，cosγ=0，且A0=OO′，則斜軋擴(kuò)徑機(jī)的軋輥上最小輥距的點(diǎn)的速度：

2.2 斜軋擴(kuò)徑軋制工藝算例及工藝技術(shù)分析

采用Ф720 mm斜軋擴(kuò)徑機(jī)的軋輥，設(shè)定坯料管規(guī)格為Ф410 mm×12.5 mm，軋輥輾軋角α為60°，軋輥軸與軋制中心線高度差A(yù)0為80 mm，斜軋擴(kuò)徑機(jī)調(diào)整后使坯料管咬入時(shí)壓下量按5%設(shè)定調(diào)整軋輥間距，軋輥轉(zhuǎn)速75 r/min，任意取11個(gè)斷面上的點(diǎn)（軋輥咬入錐區(qū)域3個(gè)點(diǎn)，擴(kuò)徑錐后部區(qū)域內(nèi)沿軋輥長度均分的8個(gè)點(diǎn)），計(jì)算出變形區(qū)主要變形參數(shù)與速度分布，利用已建立的斜軋擴(kuò)徑機(jī)的輥形與變形空間以及軋輥速度的數(shù)學(xué)關(guān)系，采用數(shù)值求解，計(jì)算出相關(guān)變形及速度參數(shù)。Ф720 mm斜軋擴(kuò)徑機(jī)軋制工藝參數(shù)算例見表2。

根據(jù)表2計(jì)算結(jié)果繪制出Ф720 mm斜軋擴(kuò)徑機(jī)的孔型變形情況，具體如圖7所示。

表2 Ф720 mm斜軋擴(kuò)徑機(jī)軋制工藝參數(shù)算例

圖7 Ф720 mm斜軋擴(kuò)徑機(jī)孔型變形情況

基于表2的理論計(jì)算結(jié)果并結(jié)合生產(chǎn)實(shí)況，可總結(jié)出如下斜軋擴(kuò)徑軋制工藝特點(diǎn)。

（1）斜軋擴(kuò)徑軋制是三維斜軋，尤其是大的輾軋角，孔型分析必須用三維空間關(guān)系來處理，不能按傳統(tǒng)的二維簡化幾何關(guān)系來進(jìn)行相關(guān)工藝計(jì)算，如按圖4所示，采用二維簡圖進(jìn)行變形分析與相關(guān)工具設(shè)計(jì)會(huì)造成很大偏差，如：采用二維圖計(jì)算的軋輥?zhàn)钚≥侀g距與三維空間方法計(jì)算的值差距很大，二者可相差60～70 mm。

（2）斜軋擴(kuò)徑軋制的減壁變形是在軋輥與頂頭之間的三維空間完成的，斜軋擴(kuò)徑頂頭與孔型之間的位置（軋制軸上定位）決定了最終產(chǎn)品的壁厚。而減壁量大小沿變形區(qū)變化的設(shè)計(jì)，也包括如何在減壁變形后能在孔型中消除前面減壁段內(nèi)的不均勻變形，即消除螺旋道的軋制。對(duì)于合理設(shè)計(jì)，包括減壁段內(nèi)壁厚的變化以及減壁后的平整精軋，首先是要把頂頭設(shè)計(jì)好，也就是最佳變形頂頭曲線，再由此設(shè)計(jì)出滿足前述變形要求所對(duì)應(yīng)的斜軋軋輥的輥形。顯然，斜軋擴(kuò)徑機(jī)的軋輥采用簡單兩條直線構(gòu)成咬入錐和擴(kuò)徑減壁錐設(shè)計(jì)方法，尤其是擴(kuò)徑減壁錐僅采用一條直線作為整個(gè)擴(kuò)徑錐輥形曲線不是一個(gè)合理、滿足精軋條件的輥形設(shè)計(jì)。因此，國內(nèi)現(xiàn)有斜軋擴(kuò)徑機(jī)為了消除粗變形留下的螺旋道，不得不在斜軋擴(kuò)徑后面配置再次變形的均整軋機(jī)。另外，結(jié)合觀察和分析國內(nèi)某斜軋擴(kuò)徑機(jī)頂頭在使用后接觸磨損長度等情況，間接地表明軋輥輥形與擴(kuò)管頂頭設(shè)計(jì)與配置在工藝上存在問題。

（3）斜軋擴(kuò)徑機(jī)主要目的和作用是充分?jǐn)U徑，利用小直徑無縫鋼管獲得大直徑薄壁無縫鋼管。斜軋擴(kuò)徑軋機(jī)的擴(kuò)徑量應(yīng)當(dāng)在50%～75%，減少的壁厚主要用于直徑增加，而不是長度增加，一般總的減壁量應(yīng)小于10 mm，經(jīng)斜軋擴(kuò)徑機(jī)軋制后荒管的徑壁比D/S∧50。對(duì)于所述的基本要求外的其他軋制要求，目前已有的大直徑斜軋管機(jī)反而能更高質(zhì)量地完成軋制任務(wù)，如改進(jìn)的大直徑高剛性精密斜軋管機(jī)組［9-11］。

（4）斜軋擴(kuò)徑機(jī)采用大輾軋角是必要的，除了服從于擴(kuò)徑基本需要，還要考慮最大程度地減少變形軋件（尤其是薄壁厚）的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。輾軋角增加實(shí)質(zhì)上就是軋輥直徑遞增，改變了軋輥輥面速度分量。從計(jì)算中可注意到?jīng)Q定軋件外徑增加是變形區(qū)頂頭形成擴(kuò)張角φ，應(yīng)當(dāng)是14°～18°，軋輥速度在變形區(qū)內(nèi)快速遞增是由軋輥直徑增加而形成的，也就是考慮頂頭的擴(kuò)徑角，再考慮軋輥所提供的速度增加要求（輥面的錐度），這二者疊加起最后形成的軋輥輾軋角應(yīng)當(dāng)為50°～70°，簡而言之，斜軋擴(kuò)徑軋管機(jī)必須有足夠大的輾軋角才能實(shí)現(xiàn)擴(kuò)徑軋制的工藝目的。

Ф720 mm斜軋擴(kuò)徑機(jī)的軋輥輾軋角為60°，計(jì)算數(shù)據(jù)說明軋件在變形區(qū)的角速度基本保持在15 r/s（表2）。這也是采用錐形穿孔輥能減少軋件附加扭轉(zhuǎn)或切向剪切變形原理的實(shí)質(zhì)。

（5）與一般斜軋相比，現(xiàn)有斜軋擴(kuò)徑機(jī)沒有一個(gè)三維空間通常定義的喂入角，軋件前進(jìn)是由軋輥軸與軋制水平面高度差形成的輥面速度在空間中具體分布實(shí)現(xiàn)的。計(jì)算表明，軋輥轉(zhuǎn)速為75 r/min時(shí)，軋件的前進(jìn)速度分量僅0.4 m/s，如果充分考慮到斜軋變形金屬材料的滑移，軋件實(shí)際的軋制出口速度僅為0.35 m/s，而這個(gè)速度是斜軋擴(kuò)徑處于理想的剛性狀態(tài)。顯然，在軋制薄壁無縫鋼管時(shí)，要充分考慮變形的穩(wěn)定性，因此軋件實(shí)際的軋制出口速度是小于0.35 m/s的。如果軋件長度在13 m左右，則純軋時(shí)間大于40 s，再加上斜軋擴(kuò)徑機(jī)的各種輔助、操作時(shí)間，每支鋼管的生產(chǎn)節(jié)奏為2.5～3.0 min。可見，斜軋擴(kuò)徑機(jī)在工藝設(shè)計(jì)時(shí)就要充分考慮優(yōu)化匹配與其他設(shè)備之間的關(guān)系，如何能有效利用前、后設(shè)備的問題。

（6）斜軋擴(kuò)徑軋制變形是以生產(chǎn)大直徑、薄壁無縫鋼管為主，由于軋后的鋼管壁薄，純軋時(shí)間長，軋件溫度下降明顯，斜軋擴(kuò)徑軋制后若要直接進(jìn)行二次變形（如均整、定徑軋制），必須考慮通過再加熱或通過式補(bǔ)熱提高軋件溫度。

2.3 設(shè)備結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及對(duì)擴(kuò)徑軋制工藝的影響

斜軋擴(kuò)徑機(jī)是基于盤式斜軋管機(jī)演化而來的，同傳統(tǒng)斜軋穿孔機(jī)主體結(jié)構(gòu)相同，主體設(shè)備由前臺(tái)、主機(jī)、后臺(tái)三部分組成。前臺(tái)實(shí)現(xiàn)坯料管的送入；主機(jī)完成工藝軋制變形，主機(jī)設(shè)備功能也是為工藝服務(wù)，包括工藝參數(shù)設(shè)定或參數(shù)調(diào)整等；后臺(tái)也同一般斜軋穿孔機(jī)的一樣，實(shí)現(xiàn)頂頭的固定與前進(jìn)和后退，以及軋件的穩(wěn)定導(dǎo)向與輸出。斜軋擴(kuò)徑機(jī)設(shè)備結(jié)構(gòu)的兩個(gè)主要特點(diǎn)與其軋制工藝、產(chǎn)品質(zhì)量緊密相關(guān)，具體如下。

（1）斜軋擴(kuò)徑機(jī)的軋輥軸為懸臂結(jié)構(gòu)。由于擴(kuò)徑軋制具有大的輾軋角，且軋輥大、小端頭的直徑差大（圖2所示軋輥小端直徑僅為300 mm，大端直徑為2 100 mm），軋輥小端面是坯料入口端，因此斜軋擴(kuò)徑機(jī)的軋輥只能采用一端支撐固定的懸臂式結(jié)構(gòu)。由于軋制變形負(fù)荷大（Ф720 mm斜軋擴(kuò)徑機(jī)的單個(gè)軋輥的主電機(jī)的功率為4 000 kW），軋輥承受的軋制力大，軋制時(shí)軋輥軸的徑向位移或振動(dòng)肯定大于一般的斜軋穿孔機(jī)的軋輥軸兩端支撐結(jié)構(gòu)。

（2）斜軋擴(kuò)徑機(jī)的頂頭是尾部鉸結(jié)自由式懸臂結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)斜軋穿孔機(jī)相同，除了考慮在頂頭前端噴防氧化料外，頂頭與其他連接頂桿是自由式懸臂結(jié)構(gòu)，盡管有后臺(tái)抱輥裝置對(duì)頂桿進(jìn)行約束與限位，但是孔型中頂頭仍然是自由浮動(dòng)狀態(tài)，尤其是軋制軋件后半部分時(shí)。我們是希望斜軋擴(kuò)管機(jī)主要用于生產(chǎn)大直徑、薄壁無縫鋼管，但由于軋輥與頂頭在軋制變形中不穩(wěn)定，軋制成品管螺旋道的產(chǎn)生比一般斜軋穿孔機(jī)更敏感。現(xiàn)有斜軋擴(kuò)徑機(jī)軋制的成品管的內(nèi)表面螺旋道深度接近1.5 mm。

上述斜軋擴(kuò)徑機(jī)的兩個(gè)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)也間接地表明了斜軋擴(kuò)徑機(jī)作為直接生產(chǎn)高質(zhì)量成品鋼管主要變形軋管機(jī)的局限性。文獻(xiàn)［11］指出了現(xiàn)有斜軋管機(jī)由于設(shè)備結(jié)構(gòu)特點(diǎn)導(dǎo)致變形不穩(wěn)定，從而對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量造成影響，并提出了一些改進(jìn)措施，這些改進(jìn)措施同樣適用于斜軋擴(kuò)徑機(jī)。

3 結(jié) 語

（1）僅從斜軋擴(kuò)徑機(jī)的擴(kuò)徑、軋薄能力，以及規(guī)模與專業(yè)化生產(chǎn)等方面綜合分析，理論上目前斜軋擴(kuò)徑機(jī)仍是其他機(jī)組難以全面代替的熱軋無縫鋼管生產(chǎn)機(jī)組，尤其是生產(chǎn)徑壁比D/S∧50的無縫鋼管。

（2）鑒于斜軋擴(kuò)徑機(jī)的變形工藝特性和目前設(shè)備結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，工藝?yán)碚撋先匀恍枰钊胙芯颗c完善，生產(chǎn)實(shí)際與現(xiàn)有設(shè)備還需要改進(jìn)、優(yōu)化。斜軋擴(kuò)徑軋制工藝應(yīng)當(dāng)采用斜軋工藝新觀點(diǎn)、新方法，以提高軋制工藝變形的精確設(shè)計(jì)、設(shè)備的高剛性與變形過程高穩(wěn)定性為目標(biāo)，進(jìn)一步優(yōu)化斜軋擴(kuò)徑機(jī)的工藝與設(shè)備結(jié)構(gòu)，解決目前斜軋擴(kuò)徑生產(chǎn)中的固有問題，如最大程度地消除成品管內(nèi)表面螺旋道等缺陷，實(shí)現(xiàn)大直徑、薄壁無縫鋼管的穩(wěn)定生產(chǎn)。

（3）斜軋擴(kuò)徑機(jī)是斜軋管機(jī)的一種特殊結(jié)構(gòu)形式，除了部分大直徑、極薄壁的無縫鋼管外，改進(jìn)的SCM新型熱軋無縫鋼管斜軋管機(jī)組也能實(shí)現(xiàn)較寬泛產(chǎn)品規(guī)格與品種的生產(chǎn)。企業(yè)在選擇熱軋無縫鋼管機(jī)組時(shí)，要全面兼顧不同機(jī)型的變形工藝特點(diǎn)與不同軋制機(jī)組的合理配置，最終要立足于產(chǎn)品定位、投入產(chǎn)出、生產(chǎn)成本和靈活適應(yīng)市場的相對(duì)競爭優(yōu)勢上。隨著對(duì)斜軋管工藝的深入研發(fā)，也期待更經(jīng)濟(jì)、高質(zhì)量新型大直徑斜軋管工藝與設(shè)備的出現(xiàn)。