斜軋毛管壁厚偏心預(yù)報(bào)模型及影響工藝分析

陳明航，李 爽，王昊奇，張銀生

（1.南陽職業(yè)學(xué)院，機(jī)械與汽車工程學(xué)院，河南 南陽 474500；2.鄭州輕工業(yè)大學(xué)，機(jī)電工程學(xué)院，河南 鄭州 450064；3.河南勁派集團(tuán)有限公司，河南 南陽 474500）

1 引言

制備無縫鋼管時(shí)，需要經(jīng)歷穿孔、軋管、定減徑共三個(gè)變形環(huán)節(jié)，因此斜軋成為了一種起到關(guān)鍵作用的軋管技術(shù)［1-4］。采用斜軋方式制得的毛管各處壁厚存在差異，呈現(xiàn)偏心現(xiàn)象，同時(shí)毛管還要在之后續(xù)定減徑階段完成空心變形過程［5-7］，受壁厚偏差因素的影響將會導(dǎo)致最終得到的成品無縫鋼管也發(fā)生壁厚尺寸偏差過大的問題，因此進(jìn)行無縫鋼管生產(chǎn)時(shí)需對毛管壁厚偏心進(jìn)行嚴(yán)格控制［8］。

文獻(xiàn)［9］針對鋼管在連軋機(jī)架上的軋制加工過程構(gòu)建了仿真模型，并對軋制階段鋼管截面發(fā)生的位移、應(yīng)力、應(yīng)變與壁厚變化進(jìn)行了測試，同時(shí)根據(jù)仿真結(jié)果優(yōu)化了機(jī)組軋機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)與加工技術(shù)。文獻(xiàn)［10］則對（111×4.35）mm的42CrMo4鋼管處于頂管階段產(chǎn)生的滑動速度進(jìn)行測試。可以發(fā)現(xiàn)，軋件輥縫處形成了沿軸向拉伸的應(yīng)力作用，到達(dá)接近軋件頭部的區(qū)域時(shí)軋件受到了較大軸向拉應(yīng)力作用，引起了更明顯的壁厚拉凹變化特征。文獻(xiàn)［11］開發(fā)了一種直徑尺寸為480mm的頂頭結(jié)構(gòu)，根據(jù)其控制要求對穿孔參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，同時(shí)調(diào)整了連軋數(shù)模，并且配備了509.6mm外徑的芯棒。采用該方法可以制備得到具有穩(wěn)定尺寸的大口徑薄壁無縫鋼管，實(shí)現(xiàn)鋼管的減徑與延伸效果，從而獲得更薄的管壁，獲得更光滑的毛管表面，得到更均勻的壁厚，可以使壁厚偏差不超過±8%。文獻(xiàn)［12］主要研究了三輥軋管工藝引起的毛管壁厚偏心，并對毛管壁厚偏心進(jìn)行了優(yōu)化控制。通過測試發(fā)現(xiàn)，毛管壁厚不均比例達(dá)到了80%；其中，毛管溫度與壁厚偏心是造成斜軋毛管產(chǎn)生壁厚偏心的關(guān)鍵因素。

為改善無縫鋼管生產(chǎn)工藝，研究人員需深入分析控制無縫鋼管壁厚的作用機(jī)制并對各類管壁厚度影響因素開展深入探討，對各項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行全面分析，從而獲得更優(yōu)的無縫鋼管質(zhì)量控制性能。從實(shí)際生產(chǎn)過程與理論層面進(jìn)行研究，對引起斜軋毛管壁厚偏心的各項(xiàng)因素進(jìn)行了分析，為提升無縫鋼管壁厚尺寸控制精度提供了一定的參考價(jià)值。

2 壁厚偏心試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方案

采用三輥軋管機(jī)進(jìn)行軋制得到三種不同規(guī)格的無縫鋼管，對各規(guī)格依次下線一支毛管。

利用手動操作的方式軋卡1支毛管，由此獲得前半段為毛管以及后半段為毛管的軋卡試樣。首先在原料管坯表面銑出一條寬度為6mm、深度為12mm并沿縱向分布的溝槽，根據(jù)該溝槽軋制后的形態(tài)判斷鋼管發(fā)生扭轉(zhuǎn)的情況。從FQM 連軋管線上直徑140mm 三輥軋管機(jī)實(shí)際情況出發(fā)，現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)，各項(xiàng)軋制參數(shù)，如表1 所示。分析表1可知：延伸系數(shù)取值在（1～4）之間，選取的數(shù)據(jù)具有很好的分散性，可以作為實(shí)驗(yàn)參數(shù)代表處理后續(xù)的結(jié)果分析。

表1 三輥軋管機(jī)軋制Tab.1 Three High Pipe Mill Rolling

因此從三個(gè)規(guī)格毛管上切割得到990mm長的管段，并對橫截面圓周方向按照四等分的方式進(jìn)行標(biāo)記，在外表面區(qū)域以上述四個(gè)標(biāo)記點(diǎn)作為起始點(diǎn)并沿軸向劃出四條縱線，接著按照20mm間隔在毛管軸線上設(shè)置圓周線，并對該圓周線設(shè)置相應(yīng)的標(biāo)號；通過砂輪鋸把毛管鋸成方便測試的管段，采用千分尺測定了圓周線與縱向線交匯位置的壁厚尺寸。

2.2 結(jié)果分析

各規(guī)格毛管在縱向線上形成的壁厚狀態(tài)，如圖1所示。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，本次測試的三種規(guī)格毛管壁厚都在縱向線上形成了具有周期性特征的分布形態(tài)，呈現(xiàn)近似正弦曲線的特點(diǎn)，并且相隔180°二條縱向線壁厚波形剛好相差π 的相位差，對于同一橫截面部位，最大和最小壁厚間保持180°的對應(yīng)狀態(tài)。

圖1 不同規(guī)格毛管的縱向壁厚分布Fig.1 Longitudinal Wall Thickness Distribution of Capillary of Different Specifications

根據(jù)圖1可知，毛管壁厚沿橫截面方向發(fā)生了偏心現(xiàn)象，并沿縱向形成了螺旋扭轉(zhuǎn)的變化趨勢，同時(shí)形成了“偏心螺旋”形態(tài)的壁厚。根據(jù)圖1中的壁厚分布狀態(tài)可以發(fā)現(xiàn)，毛管壁厚偏差主要表現(xiàn)為“偏心螺旋型”的壁厚分布結(jié)果，是引起毛管壁厚不均現(xiàn)象的關(guān)鍵因素。毛管橫截面壁厚參數(shù)通過偏心擬合方式進(jìn)行處理得到，在毛管壁厚不均中存在比例超過80%，所得結(jié)果具有很好的代表性。

3 毛管壁厚偏心模型

對毛管壁厚偏心進(jìn)行計(jì)算的流程，如圖2所示?？梢钥吹?，此時(shí)芯棒軸線初始位置跟軋制中心線呈現(xiàn)重合的狀態(tài)，根據(jù)計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)芯棒軋制力P1與P2未達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，芯棒位置按照設(shè)計(jì)步長向更低壓力方向運(yùn)動。在P1與P2差值達(dá)到足夠小的情況下，不再調(diào)整芯棒位置，記錄此時(shí)的芯棒偏移量。先計(jì)算P1處軋制毛管達(dá)到最大壁厚時(shí)對應(yīng)的芯棒偏移量e1，接著計(jì)算P1處軋制毛管達(dá)到最小壁厚時(shí)的芯棒偏移量e2，通過計(jì)算e1+e2得到毛管壁厚的偏心數(shù)據(jù)。

圖2 毛管壁厚偏心計(jì)算流程圖Fig.2 Flow Chart of Capillary Wall Thickness Eccentricity Calculation

4 壁厚偏心分析

4.1 壁厚偏心預(yù)報(bào)

采用20鋼作為本次測試的鋼材，根據(jù)實(shí)際測試結(jié)果計(jì)算毛管壁厚偏心值，沿毛管圓周方向的溫差根據(jù)最小壁厚相對最大壁厚超出15℃進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)表1給出的三輥軋管參數(shù)計(jì)算各規(guī)格毛管的壁厚偏心。對毛管壁厚偏心預(yù)報(bào)值和實(shí)測值進(jìn)行對比所得的結(jié)果，如表2所示。

表2 毛管壁厚偏心的預(yù)報(bào)值和實(shí)測值Tab.2 Predicted and Measured Values of Capillary Wall Thickness Eccentricity

根據(jù)2號與3號樣品測試結(jié)構(gòu)可知，處于較小的毛管壁厚條件下，壁厚偏心預(yù)報(bào)值達(dá)到了與實(shí)測值相近的程度。對于1號試樣存在較大壁厚的毛管條件下，實(shí)測得到的壁厚偏心比預(yù)報(bào)值更小，這是由于厚壁鋼管在三輥軋管變形區(qū)減徑段獲得了的壁厚糾偏的效果。因?yàn)闇p徑段沒有與芯棒發(fā)生接觸，因此這里根據(jù)芯棒力平衡條件構(gòu)建預(yù)報(bào)模型時(shí)未分析減徑段變形因素引起的壁厚偏心變化，但依然可以采用這里的預(yù)報(bào)模型分析毛管壁厚偏心受到三輥軋管工藝的影響情況。

4.2 壁厚偏心影響工藝分析

結(jié)合試驗(yàn)機(jī)組特征，為三輥軋管確定了12個(gè)單獨(dú)的工藝控制參數(shù)，各典型值參數(shù)及其變化區(qū)間結(jié)果，如表3所示。建立了毛管壁厚偏心預(yù)報(bào)模型，并將某一參數(shù)設(shè)定在典型取值范圍中，其它各參數(shù)保持恒定的值，之后建立單因素和毛管壁厚偏心值曲線，在此基礎(chǔ)上研究了毛管壁厚偏心受到各因素的影響程度。

表3 三輥軋管參數(shù)分布Tab.3 Parameter Distribution of Three-Roll Pipe Rolling

通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，在以上各工藝因素中，毛管壁厚偏受到了4個(gè)因素的顯著影響，毛管壁厚偏與各因素的變化曲線，如圖3所示?？梢悦黠@發(fā)現(xiàn)，毛管壁厚偏心值受到毛管壁厚以及毛管溫度偏心因素的明顯影響，呈現(xiàn)正相關(guān)特點(diǎn)，即隨著毛管壁厚與溫度偏心的增加，形成了更大的毛管壁厚偏心；軋輥轉(zhuǎn)速與輥肩高度則對毛管壁厚偏心產(chǎn)生了負(fù)影響的作用，逐漸增大這兩個(gè)變量后，發(fā)生了毛管壁厚偏心值降低現(xiàn)象。

圖3 工藝因素對毛管壁厚偏心的影響曲線Fig.3 Influence Curve of Technological Factors on Capillary Wall Thickness Eccentricity

5 討論

根據(jù)圖3結(jié)果進(jìn)行分析得到毛管壁厚偏心與三輥軋管工藝之間的關(guān)系，如表4所示。箭頭方向朝上代表隨著工藝參數(shù)的增大，壁厚偏心也越明顯；箭頭朝下代表工藝參數(shù)增大時(shí)，壁厚偏心將會減?。桓鶕?jù)箭頭數(shù)量判斷影響程度。

表4 毛管壁厚偏心特點(diǎn)Tab.4 Eccentric Characteristics of Capillary Wall Thickness

通過分析以上研究結(jié)果與無縫鋼管斜軋變形過程可知，毛管壁厚與溫度偏心引起的毛管壁厚偏心變化最顯著，同時(shí)因?yàn)闀纬赏煌吹拿鼙诤衿呐c溫度偏心，因此需重點(diǎn)關(guān)注斜軋穿孔毛管壁厚偏心與溫度偏心產(chǎn)生的影響；其次，在增加毛管壁厚的過程中，形成了更大的毛管壁厚偏心，表明設(shè)計(jì)三輥軋管工藝的時(shí)候，可以通過合理增加壁厚壓下量來降低毛管壁厚偏心；第三，提高毛管溫度后，產(chǎn)生的毛管壁厚偏心也更大，因此可以通過將毛管溫度控制在一個(gè)較低區(qū)間內(nèi)來達(dá)到降低毛管壁厚偏心的效果；第四，軋管臺肩屬于三輥軋管的重要結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)時(shí)需對其高度進(jìn)行精確控制，通過分析發(fā)現(xiàn)，降低軋管臺肩高度后，形成了更大的毛管壁厚偏心，因此可以利用提高臺肩高度的方式來實(shí)現(xiàn)降低毛管壁厚偏心的效果；第五，減小軋輥轉(zhuǎn)速后，形成了更大的毛管壁厚偏心，由此表明可以在軋制階段通過增大軋輥轉(zhuǎn)速的方式來減小毛管壁厚偏心。進(jìn)行工藝參數(shù)設(shè)計(jì)的時(shí)候需對上述因素開展深入研究，從而達(dá)到改善斜軋毛管壁厚偏心作用。

最后，考慮到三輥軋管減徑段可以對厚壁鋼管發(fā)揮良好的壁厚糾偏功能，但在本預(yù)報(bào)模型中并未對該因素進(jìn)行深入研究，因此不能實(shí)現(xiàn)對厚壁毛管壁厚偏心的精確預(yù)報(bào)，還需對其進(jìn)一步優(yōu)化。

6 結(jié)論

（1）測試毛管壁厚都在縱向線上形成了具有周期性特征的分布形態(tài)，最大和最小壁厚之間保持180°的對應(yīng)狀態(tài)。毛管壁厚偏差主要表現(xiàn)為偏心螺旋型的壁厚分布。在毛管壁厚不均中存在比例超過80%。

（2）實(shí)測得到的壁厚偏心比預(yù)報(bào)值更小。毛管壁厚偏心值受到毛管壁厚以及毛管溫度偏心因素的明顯影響，呈現(xiàn)正相關(guān)特點(diǎn)；軋輥轉(zhuǎn)速與輥肩高度則對毛管壁厚偏心產(chǎn)生了負(fù)影響的作用，逐漸增大這兩個(gè)變量后，毛管壁厚偏心值降低。