Φ89 mm FQM三輥連軋管機(jī)組的孔型開發(fā)

林震，王增海，米永峰，張立志

（內(nèi)蒙古包鋼鋼管有限公司，內(nèi)蒙古 包頭 014010）

內(nèi)蒙古包鋼鋼管有限公司Φ89 mm FQM三輥限動(dòng)芯棒連軋管機(jī)組是利用原Φ100 mm Assel機(jī)組進(jìn)行升級(jí)改造，保留穿孔機(jī)組，新建連軋管機(jī)組和張力減徑機(jī)組而來。機(jī)組設(shè)計(jì)年產(chǎn)量12萬t，軋制的鋼管外徑范圍是Φ38～89 mm，壁厚范圍是3.5～12 mm，以生產(chǎn)高壓鍋爐管、石油管及石油鉆管、膨脹管、氣瓶管等高端無縫鋼管為主。該機(jī)組的穿孔、連軋、張力減徑機(jī)的孔型設(shè)計(jì)和工藝計(jì)算模型由內(nèi)蒙古包鋼鋼管有限公司自主完成，節(jié)省了較大部分的投資費(fèi)用。

連軋管機(jī)選用FQM類型軋管機(jī)，牌坊設(shè)計(jì)為整體隧道式，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的牌坊剛性更高、穩(wěn)定性更好，由于牌坊為整體式，所以換輥采用軸向換輥方式。FQM軋管機(jī)和PQF軋管機(jī)的孔型構(gòu)成與設(shè)計(jì)完全一致，但PQF軋管機(jī)的輥縫調(diào)整是沿弧線擺動(dòng)壓下；而FQM軋管機(jī)的輥縫調(diào)整是沿徑向垂直壓下，從現(xiàn)場(chǎng)的使用情況分析，F(xiàn)QM軋管機(jī)鋼管壁厚控制精度高于PQF軋管機(jī)。

1 開發(fā)孔型系列的方法

1.1 孔型系列設(shè)計(jì)原則

連軋管機(jī)組以連軋管機(jī)為核心，連軋管機(jī)組的孔型系列以連軋管機(jī)出口鋼管的外徑來定義。連軋管機(jī)出口鋼管外徑應(yīng)盡量保持不變或少變，成品外徑的變化主要靠定（減）徑機(jī)來保障，有利于生產(chǎn)組織的經(jīng)濟(jì)性。確定孔型系列包括系列數(shù)量和孔型大小，取決于成品規(guī)格范圍、定（減）徑機(jī)和連軋管機(jī)的類型和架數(shù)?？仔拖盗袘?yīng)在保證成品規(guī)格范圍和設(shè)備能力允許的前提下，采用盡量少的系列數(shù)。連軋管機(jī)孔型系列的確定與機(jī)組主要變形工序的設(shè)備選型密切相關(guān)，現(xiàn)代化的連軋管機(jī)組的典型配置是“穿孔機(jī)+限動(dòng)芯棒連軋管機(jī)+脫管機(jī)+定（減）徑機(jī)”。連軋管機(jī)在各個(gè)主變形工序中以減壁為主要任務(wù)，而定（減）徑機(jī)則以控制成品管外徑為主要任務(wù)。連軋后鋼管的外徑單一或僅有較少的系列，有利于減少3個(gè)主變形設(shè)備的備用工具和機(jī)架數(shù)量，有利于提高生產(chǎn)效率和降低成本，所以連軋后鋼管的外徑系列即孔型系列應(yīng)盡量少。同時(shí)，連軋管機(jī)后的定（減）徑機(jī)以減徑為主要變形特點(diǎn)，所以為了滿足成品鋼管一定的外徑范圍，連軋后鋼管外徑應(yīng)盡量大，以便充分發(fā)揮定（減）徑機(jī)的減徑能力。因此，連軋管機(jī)孔型系列的確定，應(yīng)在考慮定（減）徑機(jī)、脫管機(jī)和連軋管機(jī)變形能力以及成品鋼管規(guī)格范圍的前提下，采用盡量少的孔型系列數(shù)和孔型直徑應(yīng)從大向小設(shè)計(jì)的基本原則。

1.2 孔型系列的確定方法

確定孔型系列可以采用以下3種方法：

（1）由前向后。

從管坯尺寸開始按“穿孔→連軋→脫管→定（減）徑”來分配各工序變形，從而確定連軋管機(jī)的孔型系列；該方法主要適用于管坯尺寸已固定的連軋管機(jī)組。

（2）由后向前。

根據(jù)成品鋼管的外徑和壁厚，按照“定（減）徑→脫管→連軋→穿孔”分配各工序變形，從而確定連軋管機(jī)的孔型系列，該方法主要適用于管坯尺寸選擇余地較大的連軋管機(jī)組。

（3）由中間向兩頭。

先確定連軋管機(jī)的孔型系列，由此確定穿孔和脫管及定（減）徑機(jī)的變形；該方法主要適用于利用已有連軋管機(jī)的機(jī)組，對(duì)于新設(shè)計(jì)的機(jī)組，此方法需要較多的先驗(yàn)知識(shí)。

實(shí)際上，在確定孔型系列時(shí)，往往不止采用一種方法，而是將以上方法結(jié)合起來；通常以第二種為主，第一種和第三種方法為輔，經(jīng)過多次推算，最終將孔型系列確定下來。

2 孔型系列設(shè)計(jì)步驟

以某連軋管機(jī)組135 mm孔型系列的設(shè)計(jì)開發(fā)為例介紹開發(fā)孔型系列的確定方法，該系列的確定采用“由后向前”的孔型系列設(shè)計(jì)方法。具體的設(shè)計(jì)步驟如下[1-3]。

（1）明確產(chǎn)品大綱，將成品鋼管轉(zhuǎn)換為熱尺寸，并列出外徑和壁厚的對(duì)應(yīng)分布關(guān)系。該機(jī)組成品管最大外徑Dmax冷態(tài)為89 mm，計(jì)算熱態(tài)鋼管最大直徑Dmax熱態(tài)：

式中K——低合金鋼與碳鋼的熱膨脹系數(shù)。

計(jì)算得出熱態(tài)鋼管最大直徑Dmax熱態(tài)為89.801 mm。

（2）根據(jù)成品管最大外徑及其相對(duì)應(yīng)的壁厚范圍，確定張力減徑機(jī)的最小減徑率，從而可計(jì)算出張力減徑機(jī)入口鋼管的外徑，該值可修正取整。該機(jī)組張力減徑機(jī)最小減徑率δ選定為29%，確定張力減徑機(jī)組最大入口直徑Dmax張減：

計(jì)算得到張力減徑機(jī)組最大入口直徑Dmax張減為126.6 mm，取整127 mm。

（3）根據(jù)張力減徑機(jī)入口鋼管的外徑，也即脫管機(jī)出口鋼管的外徑，可以給定脫管機(jī)的減徑率，從而可計(jì)算出連軋管機(jī)出口鋼管的直徑，該值可修正取整，即作為第一個(gè)孔型系列的大小。該機(jī)組的脫管機(jī)減徑率δ脫管選定為6%，計(jì)算脫管機(jī)入口直徑D脫管：

計(jì)算得到脫管機(jī)入口直徑D脫管135.1 mm，取整135 mm，連軋管機(jī)組第一個(gè)系列確定為135 mm系列。

（4）根據(jù)連軋管機(jī)的變形能力，給定連軋后鋼管的最大徑壁比D/S，由此可算出連軋管機(jī)第一孔型系列軋后鋼管的最小壁厚。6機(jī)架三輥連軋管機(jī)組的最大徑壁比一般為45，該機(jī)組取38，連軋出口直徑設(shè)計(jì)為135 mm。135 mm系列的最薄可軋壁厚Smin連軋為3.5 mm。

（5）確定最大芯棒直徑。

135 mm系列的最薄可軋壁厚Smin連軋3.5 mm，出口外徑D連軋135.0 mm，最大芯棒直徑Dmax為：

計(jì)算得出最大芯棒直徑Dmax為128.0 mm。

（6）確定毛管規(guī)格。

毛管外徑和壁厚的確定需要滿足兩個(gè)條件[4-5]：第一個(gè)條件是連軋選定的最大延伸系數(shù)要小于其極限能力，連軋延伸系數(shù)計(jì)算公式為：

第二個(gè)條件是毛管內(nèi)壁與芯棒之間要保持適當(dāng)間隙。

式中G——連軋管機(jī)穿棒間隙，mm，此處設(shè)定為10 mm；

K芯棒——芯棒膨脹系數(shù)，取1.001 1。

兩個(gè)公式聯(lián)立得出計(jì)算毛管外徑的公式：

最終得出毛管外徑和壁厚：D毛管=164.31 mm，S毛管=13.43 mm。計(jì)算結(jié)果取整后確定135 mm孔型系列對(duì)應(yīng)的毛管外徑D毛管=165 mm；毛管最薄壁厚Smin毛管=13.5 mm。

3 孔型頂部延伸系數(shù)分配設(shè)計(jì)方法

3.1 設(shè)計(jì)思路

（1）確定孔型參數(shù)。

計(jì)算孔型前需要確定的參數(shù)包括：機(jī)架數(shù)、毛管直徑、毛管最薄壁厚、連軋管機(jī)出口鋼管外徑、連軋管機(jī)出口鋼管最薄壁厚、偏心系數(shù)、第一脫離弧比例[6-15]。

（2）計(jì)算各架孔型高。

孔型頂部延伸系數(shù)μ頂部的計(jì)算公式：

在確定了各架孔型頂部延伸系數(shù)后，再已知鋼管入口壁厚S入口就可得出鋼管出口壁厚S出口。第i架孔型頂部鋼管入口壁厚近似等于i-2的孔型頂部出口壁厚，當(dāng)i≤2，入口壁厚為毛管的壁厚值。

第i架孔型的孔型高度Di為：

式中Si出——第i架機(jī)架孔型頂部出口壁厚，mm。

（3）計(jì)算各架孔型槽頂弧半徑R1i。

各架孔型高的一半就是孔型半徑Ri，關(guān)于偏心系數(shù)ηi、孔型半徑Ri和槽頂弧R1i的關(guān)系如下，第i架孔型在已知孔型半徑和偏心系數(shù)ηi的條件下就可求出孔型槽頂弧半徑R1i。

（4）計(jì)算脫離弧半徑R2i。

在確定了第一脫離比例σi和槽頂弧半徑R1i就可以求出脫離弧R2i。

（5）確定脫離角α1和連接角α4，利用CAD制圖確定連接弧半徑R5。

3.2 135 mm孔型尺寸

入口毛管外徑設(shè)定為165 mm，毛管壁厚13.5 mm，連軋管機(jī)出口外徑135 mm，連軋出口最薄壁厚3.5 mm。設(shè)計(jì)孔型需要確定的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)見表1。

表1 設(shè)計(jì)孔型需要確定的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)

按照孔型頂部延伸系數(shù)設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)的135 mm系列孔型參數(shù)見表2，孔型輪廓如圖1所示。

表2 設(shè)計(jì)的135 mm系列孔型參數(shù)

圖1 連軋管機(jī)孔型輪廓

3.3 脫管機(jī)孔型設(shè)計(jì)

脫管機(jī)的總減徑率一般為3%～6%[2]，連軋管機(jī)出口鋼管外徑較大時(shí)脫管機(jī)減徑率選較小值；出口鋼管外徑較小時(shí)脫管機(jī)減徑率選較大值，對(duì)于135 mm孔型系列，脫管機(jī)減徑率選擇6%。為了適應(yīng)來料鋼管外徑的波動(dòng)，并且有利于咬入，第一架的減徑率取較小值，通常應(yīng)小于第二架的減徑率，最后一機(jī)架脫管孔型直徑確定為127 mm，脫管機(jī)理想直徑選定為380 mm。具體孔型參數(shù)見表3。

表3 380 mm脫管機(jī)孔型參數(shù)

4 穿孔機(jī)孔型設(shè)計(jì)思路

4.1 確定軋輥距離

確定軋輥距離首先需要確定軋輥壓下率δE，軋輥壓下率δE為：

式中E1——穿孔機(jī)的軋輥距離，mm；

D坯——坯料直徑，mm。

4.2 確定入口變形區(qū)長(zhǎng)度Le和出口變形區(qū)長(zhǎng)度La

式中α，β——分別為軋輥入、出口工作錐角，（°）。

受到送進(jìn)角γ的影響，軋輥的入口和出口工作錐角不等于軋輥的入口和出口錐角；軋輥出口錐角為毛管外徑變化率的函數(shù)，變化率越大，應(yīng)該選擇更大的軋輥出口錐角；對(duì)于擴(kuò)徑量較小的機(jī)組，軋輥入口錐角和出口錐角之和≤7°。入口錐角6°，否則坯料咬入困難。

4.3 確定頂頭外輪廓

（1）確定頂頭擴(kuò)徑段。

根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，擴(kuò)徑率小于20%時(shí)頂頭采用二段式頂頭，擴(kuò)徑率大于20%時(shí)采用三段或四段式頂頭。

（2）確定頂頭直徑。

頂頭直徑Dd為：

式中δ1——頂頭與毛管間隙值，屬于經(jīng)驗(yàn)值，一般取10～12 mm；薄壁毛管選較大值，厚壁毛管選較小值。

（3）確定頂頭平滑段（均壁段）長(zhǎng)度。

頂頭平滑段長(zhǎng)度LGT2為：

式中SF——平滑系數(shù)，經(jīng)驗(yàn)值，一般取1.2～1.5。

（4）確定頂頭穿孔段末端（平滑段起始段）直徑。

頂頭穿孔段末端直徑DR為：

式中βGT2——頂頭平滑段角度，近似等于軋輥出口錐角，（°）。

（5）自由變形區(qū)長(zhǎng)度。

自由變形區(qū)的長(zhǎng)度GL是沿軋制中心線坯料與軋輥接觸到頂頭前端面的距離，GL為：

式中GF——入口變形區(qū)滑移系數(shù)，一般取1.0～1.1。

（6）頂頭前伸量（頂頭在軋制帶前的長(zhǎng)度）。

頂頭前伸量LD1為：

（7）頂頭在軋制帶后的長(zhǎng)度。

頂頭在軋制帶后的長(zhǎng)度LD2為：

（8）頂頭總長(zhǎng)度。

頂頭總長(zhǎng)度LD為：

（9）驗(yàn)證計(jì)算頂頭前端面的坯料壓下率。

頂頭前端面的坯料壓下率ρ為：

頂前壓下率的范圍為：4%≤ρ≤7.5%，較合理的值選擇5.5%。

（10）確定頂頭鼻部直徑。

已知頂頭直徑Dd，則頂頭鼻部直徑F為：

（11）確定頂頭穿孔段長(zhǎng)度。

頂頭穿孔段長(zhǎng)度LR為：

（12）確定頂頭（穿孔段）圓弧半徑。

頂頭圓弧半徑Rd為：

5 結(jié)語

（1）采用孔型頂部延伸系數(shù)分配方法設(shè)計(jì)連軋管機(jī)孔型的計(jì)算方法簡(jiǎn)單，通過計(jì)算孔型的斷面積得出各架孔型平均延伸系數(shù)，分析各架孔型的平均延伸系數(shù)的分配情況，對(duì)于設(shè)計(jì)的孔型進(jìn)行修正，這樣設(shè)計(jì)的孔型能夠良好服務(wù)于鋼管的生產(chǎn)。

（2）利用孔型頂部延伸系數(shù)分配方法設(shè)計(jì)的135 mm孔型系列通過多次修改工藝參數(shù)，現(xiàn)生產(chǎn)工藝穩(wěn)定，軋制的鋼管壁厚精度較高，壁厚偏差范圍在±5%，軋輥和芯棒的使用壽命高，生產(chǎn)的高壓鍋爐管、石油鉆桿管等高鋼級(jí)品種鋼的幾何尺寸和鋼管的表面質(zhì)量能夠滿足客戶要求。