Φ180 mm PQF連軋管機組238 mm孔型的設(shè)計與開發(fā)

王芳波，劉啟增，李 飛，劉 俊

（衡陽華菱鋼管有限公司，湖南 衡陽 421001）

衡陽華菱鋼管有限公司（簡稱華菱衡鋼）Φ180 mm PQF三輥限動芯棒連軋管機組是由“錐形穿孔機+6機架PQF連軋管機+3機架脫管機+14機架微張力定（減）徑機”組成，產(chǎn)品規(guī)格為Φ73~180 mm×4~22 mm。為適應(yīng)新的市場形勢，擴大產(chǎn)品規(guī)格范圍，優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，發(fā)揮PQF連軋管機組的優(yōu)勢，提高生產(chǎn)組織靈活性，華菱衡鋼決定在此機組上設(shè)計開發(fā)238 mm新孔型，生產(chǎn)Φ219 mm×5.7 mm規(guī)格氣瓶管。這里將重點介紹此規(guī)格氣瓶用管生產(chǎn)時的穿孔工藝、連軋管機238 mm孔型、微張力定（減）徑機工藝的設(shè)計與開發(fā)以及試生產(chǎn)情況。

1 產(chǎn)品實現(xiàn)的思路

產(chǎn)品目標規(guī)格確定后，工藝設(shè)計應(yīng)從后面工序依次往前推，路徑如下：Φ219 mm×5.7 mm（定徑后成品管）→Φ228 mm×5.7 mm（脫管后荒管）→Φ238 mm×5.6 mm（連軋后鋼管）→Φ272 mm×16 mm（穿孔毛管）→Φ250 mm（管坯）。

連軋管機組孔型設(shè)計一般是按該孔型所軋制的最小名義壁厚作為計算依據(jù)。選取成品管規(guī)格Φ219 mm×5.7 mm進行設(shè)計，考慮到Φ180 mm PQF連軋管機組微張力定（減）徑機定（減）徑后鋼管的外表面質(zhì)量以及原有連軋管機和脫管機的設(shè)計，連軋管機孔型按238 mm進行設(shè)計。連軋后荒管壁厚選5.6 mm，芯棒直徑選227 mm，考慮連軋管機變形能力，減壁量選≤11 mm，穿孔毛管壁厚為16 mm，毛管外徑為272 mm。由于工藝設(shè)計核心在連軋管機孔型開發(fā)，因此該開發(fā)也稱為238 mm孔型開發(fā)。

設(shè)計開發(fā)分3個主要部分：①為獲得相應(yīng)尺寸的毛管，對穿孔區(qū)工模具如穿孔頂頭、導板等進行設(shè)計；②對連軋區(qū)（含脫管機）連軋孔型進行設(shè)計，建立相應(yīng)的數(shù)學模型，實現(xiàn)不同軋輥直徑、壁厚、芯棒等條件下軋制參數(shù)的自動計算；③考慮到鋼管的實際減徑量和實際橢圓度要求，對14機架微張力定（減）徑機孔型進行設(shè)計。

2 錐形穿孔機工藝設(shè)計

Φ180 mm PQF連軋管機組的穿孔機采用“導板+錐形穿孔輥+頂頭”構(gòu)成相對封閉的軋制孔型。根據(jù)初步計算，錐形穿孔輥輥型可不作更改，但需對導板和頂頭進行重新設(shè)計。根據(jù)坯料、毛管的尺寸，對穿孔機入口導套、頂桿等輔助工模具進行設(shè)計。

2.1 導板設(shè)計

導板過渡帶主要采用一段圓弧，這樣有利于毛管規(guī)圓，由于穿孔毛管相對較薄，導板寬度的設(shè)計和軋輥開度應(yīng)緊密結(jié)合，保證導板迎鋼側(cè)和軋輥輥面距離不超過2 mm［1-3］。采用已批量用于生產(chǎn)的Φ250 mm連鑄坯，據(jù)此設(shè)計新導板：厚度105 mm，總長630 mm；入口角3.5°，出口角2.6°。

2.2 頂頭設(shè)計

在設(shè)計Φ232 mm規(guī)格頂頭時，綜合考慮了坯料直徑、毛管尺寸、穿孔變形區(qū)長度、頂頭前伸量、頂前壓下率等因素。頂頭一般由圓弧段、圓錐段（輾軋段）、反錐段（含平整段）組成。頂頭前端設(shè)計為平頭，并倒圓角處理。頂頭圓弧段半徑較大，緩和了穿孔減壁的過程，減少變形過程的頂頭阻力，使變形均勻，降低頂頭的磨損。頂頭輾軋錐長度設(shè)計為大于1個管坯螺距，使毛管任意截面在穿孔變形區(qū)頂頭輾軋段軋制兩次，實現(xiàn)毛管的均壁和平整，輾軋錐角與軋輥實際出口錐角接近。設(shè)計頂頭時用到的兩個主要公式如下。

頂頭輾軋段長度LK計算公式：

式中β——送進角，（°）；

D——坯料直徑，mm；

Fa——軋輥送進角，（°）。

穿孔頂頭圓弧段半徑RD計算公式：

式中LR——圓弧段長度，mm；

DR——頂頭直徑，mm；

βK——輾軋錐角，（°）；

F——頂頭平頭直徑，mm。

最終設(shè)計的Φ232 mm穿孔機頂頭參數(shù)見表1。

表1 Φ232 mm穿孔機頂頭參數(shù) mm

3 連軋管機和脫管機孔型設(shè)計

3.1 孔型設(shè)計基本思路

由于數(shù)學模型在軋制參數(shù)計算時需要調(diào)用脫管機孔型參數(shù)，所以設(shè)計連軋管機孔型時要設(shè)計脫管機孔型參數(shù)。孔型參數(shù)設(shè)計完成后，建立一個可以自動計算的數(shù)學模型。根據(jù)數(shù)學模型計算一定條件下的軋制力、壁厚分布、延伸分配、芯棒運行制度、電機速度等參數(shù)，判斷設(shè)計是否合理。為穩(wěn)妥起見，需進行有限元模擬。

連軋管機組孔型設(shè)計一般是將該孔型所軋制的最小名義壁厚作為計算依據(jù)［3］，該設(shè)計的荒管的最小名義壁厚為5.6 mm，連軋管機孔型設(shè)計時，應(yīng)考慮以下分配規(guī)律：

（1）第1～4機架的延伸較大，第1機架延伸大；第5～6機架為精軋機架，延伸系數(shù)較少，接近1［4-15］。

（2）每一機架最大的延伸系數(shù)應(yīng)小于1.6。

（3）前面兩個機架為適應(yīng)生產(chǎn)實踐中毛管外徑的變化，設(shè)計一定的偏心距；后面4個機架均不帶偏心距，有利于獲得壁厚均勻的荒管。

表2 各機架延伸系數(shù)和減壁率分配

（5）單機架的減壁量之和等于雙機架的減壁量之和，且等于總減壁量，即：ΔS1＋ΔS3＋ΔS5＝ΔS2＋ΔS4＋ΔS6=11 mm。各機架減壁量和減壁率見表2。

設(shè)計的連軋管機孔型如圖1所示，PQF連軋管機238 mm孔型基本設(shè)計參數(shù)見表3。

表3 PQF連軋管機238 mm孔型基本設(shè)計參數(shù)

圖1 PQF連軋管機238 mm孔型示意

3.2 脫管機孔型設(shè)計

PQF連軋管機之后設(shè)置了脫管機，其主要作用對連軋后荒管實施一定量的減徑，產(chǎn)生脫棒力，從而達到脫管的目的。脫管機孔型參數(shù)見表4。

表4 脫管機孔型參數(shù)

在此基礎(chǔ)上建立數(shù)學模型，計算出荒管規(guī)格Φ238 mm×5.6 mm（采用Φ227 mm芯棒，出口速度為4.2 m/s）時連軋參數(shù)，主要參數(shù)見表5。

表5 生產(chǎn)Φ219 mm×5.7 mm鋼管連軋管機各機架參數(shù)

4 微張力定（減）徑機孔型設(shè)計

脫管后的荒管在再加熱爐內(nèi)進行再加熱后進行定（減）徑軋制。生產(chǎn)Φ219 mm規(guī)格薄壁管用微張力定（減）徑機孔型參數(shù)見表6。

表6 生產(chǎn)Φ219 mm×5.7 mm鋼管微張力定（減）徑機孔型參數(shù)

5 生產(chǎn)情況

2019年5月，Φ180 mm PQF連軋管機組進行了238 mm孔型試生產(chǎn)，試軋37Mn材質(zhì)Φ219 mm×5.7 mm氣瓶用管，一次試軋成功。隨機抽取5支鋼管進行頭部、中部、尾部外徑和壁厚測量，同一橫截面壁厚偏差ΔS為0.6 mm，外徑偏差ΔD為1.0 mm。截至2019年底，該機組生產(chǎn)Φ219 mm×5.7 mm氣瓶用管6 000 t；并在此基礎(chǔ)上生產(chǎn)了Φ219.1 mm×6.35 mm，Φ168.3 mm×12.7 mm，Φ193.68 mm×15.88 mm，Φ196.85 mm×15.11 mm等多種規(guī)格鋼管，超過20 000 t。所生產(chǎn)鋼管的表面質(zhì)量良好，壁厚精度高，標志著開發(fā)的238 mm孔型具備批量生產(chǎn)多種規(guī)格鋼管的能力。

6 結(jié) 語

Φ180 mm PQF連軋管機組實現(xiàn)Φ219 mm×5.7 mm氣瓶用管的批量生產(chǎn)，產(chǎn)品壁厚精度及內(nèi)外表面質(zhì)量滿足了相關(guān)標準和用戶要求，達到了預期目的；相關(guān)的穿孔設(shè)計、連軋管機孔型設(shè)計為其他規(guī)格的鋼管的熱軋生產(chǎn)創(chuàng)造了條件。