提高Φ140 mm自動軋管機組薄壁定尺管成材率的措施

李 民

（江西洪都鋼廠有限公司，江西 南昌 330013）

近年來，江西洪都鋼廠有限公司（簡稱洪鋼公司）Φ140 mm自動軋管機組生產薄壁無縫鋼管時，由于管坯下料剪切造成端面開裂，在后續的穿孔過程中頂頭不能較好地找準管坯中心，不僅影響了毛管的軋制溫度，出現軋卡故障，降低生產效率，而且還造成穿孔后的毛管壁厚偏差較大，經自動軋管機軋制后壁厚偏差繼續惡化，導致鋼管壁厚嚴重超差［1］。根據±0.6 mm的壁厚精度要求進行切損后，造成鋼管短尺，成本增加，極大地影響了薄壁定尺管的一次成材率。結合洪鋼公司生產情況，通過采取改變冷剪下料方式與穿孔速度控制方式、增設與改進機內輥、優化軋管機孔型參數等措施，有效提高了產品壁厚精度與一次成材率，降低了噸管鋼耗及生產成本。本文以Φ150 mm管坯生產Φ133 mm×4.5 mm×8.793 m無縫鋼管為例，進行詳細介紹。

1 Φ140 mm自動軋管機組工藝流程及裝備

1.1 工藝流程

管坯剪切→管坯加熱→熱定心→穿孔→軋管→定（減）徑→冷卻→矯直→切管→檢驗→探傷→噴標→包裝→入庫。

1.2 工藝裝備

剪切：16 MN冷剪機（碳鋼）、帶鋸（合金鋼）

加熱：中徑為14 m的環形爐

穿孔：Φ160 mm立式錐形輥穿孔機

軋管：Φ140 mm自動軋管機

定（減）徑：Φ130 mm三輥微張力定（減）徑機

冷卻：14 m×11 m螺旋冷床

矯直：Φ219 mm七輥立式矯直機

切管：QG1118B高效切管機

探傷：Φ95～168 mm渦流探傷儀

噴標：ABT-A200噴標機

2 改進前的生產工藝現狀

洪鋼公司Φ140 mm自動軋管機組自開始生產Φ133 mm×4.5 mm×8.793 m薄壁定尺無縫鋼管，通常的軋管過程是：Φ150 mm管坯剪切→環形爐加熱→端面熱定心→穿制成Φ152 mm×6.5 mm毛管→軋制成Φ148 mm×4.5 mm荒管→定（減）徑成Φ133 mm×4.5 mm熱軋無縫鋼管。在這一生產過程中，經常出現以下幾個方面的問題，直接影響產品質量、生產效率與一次成材率。

2.1 管坯剪切后開裂

由于軋制結構管、流體管的管坯為20鋼連鑄管坯，按工藝裝備要求，其分段方式采用冷剪機剪切。在剪切過程中，因澆鑄質量的問題往往會產生部分管坯剪切端面開裂，如圖1所示。中心撕裂在加熱過程中擴展為整個中心開裂，穿孔過程中，若開裂管坯端面在進口端，則經穿孔機咬入軋制后，首先遇到頂頭造成前卡；反之，形成后卡。前卡的管坯需經飛鋸鋸切后重新回爐，增加了鋼耗，影響了生產節奏；而后卡的管坯經飛鋸鋸切后，即使溫度能滿足軋管工藝要求，荒管的壁厚精度也會因此受到影響，造成壁厚超差與短尺缺陷而判廢，從而增加噸管鋼耗。

圖1 管坯剪切端面開裂

2.2 咬入不良，毛管甩動較大

穿孔機的兩套錐形軋輥上下立式布置，單獨傳動，導板左右水平布置［2］。穿孔時前軋輥的送進角和壓下量、左右導板已按工藝要求調好并鎖緊，而后軋輥主傳動電機啟動，并按設定好的速度平穩運轉。當推坯機推入管坯與高速旋轉的軋輥接觸時，由于管坯經過剪切后使得原本外徑橢圓度較大的端面壓扁度加大，不圓度更加明顯，從而造成其外徑較大的部分先與軋輥接觸實現旋轉，而較小部分不能順暢接觸軋輥，出現軋輥旋轉、管坯不動的現象，最終只有通過調整穿孔機壓下量與頂頭位置參數實現管坯的咬入［3］。

另外，穿孔機后臺一段設有4架定心輥和5組升降輥道。4架定心輥設有抱頂桿、毛管導向、抱輥打開3個工位［4］。定心輥先抱住頂桿，保證頂桿中心線與軋制線一致，并加強頂桿的剛度。但是由于穿孔后毛管離第一架定心輥有1 500 mm的距離，在正常生產過程中，毛管有兩個甩動較大的不穩定階段：①毛管穿出后至進入第一架定心輥之前；②毛管穿出后脫離軋輥的過程［5］。這兩個不穩定階段直接惡化了毛管的壁厚精度，在后續軋管過程中不但不能有效消除，而且可能加劇壁厚不均，造成金屬切損增多，一次成材率下降。

德國曼內斯曼（MDM）公司的Dietrich博士在20世紀70年代對鋼管橫向壁厚不均做過試驗研究［6］，結果表明：對成品管的壁厚精度起關鍵作用的是穿孔工藝過程，縱軋工藝過程對毛管的壁厚不均起加劇作用。因此保證鋼管橫向壁厚精度的關鍵在于穿孔工藝，使其處于最佳狀態［7］。

2.3 自動軋管機孔型參數影響

Φ133 mm薄壁定尺鋼管的生產采用148 mm孔型參數，自動軋管機的軋輥和回送輥采用帶圓弧側壁斜度的橢圓孔型，該孔型由孔型半徑74 mm、側壁斜角30°、側壁圓弧半徑129.762 mm以及輥縫6 mm、開口圓角弧半徑18 mm、孔型橢圓度系數1.06等參數構成。

鋼管橫向壁厚不均是自動軋管機軋制的固有屬性，分為對稱型和偏心型橫向壁厚不均，自動軋管機采用較大的孔型橢圓度后只會增加對稱型橫向壁厚不均［8］。在整個生產過程中，經常出現兩種情況：一種是穿孔后的毛管不能順利進入軋管機，或進入軋管機后的毛管極易發生竄孔、軋偏、甩尾等事故，造成生產故障，形成廢品，增加鋼耗，影響生產效率；另一種就是正常生產過程中，因減壁量較大造成荒管尾部“飛機尾”較大，經微張力定（減）徑機減徑后，尾部形成的軋折較長，又由于鋼管長度較長、壁厚較薄、頭尾溫降較大，致使頭、尾壁厚相差較大，使得金屬切損較多，形成短尺的數量增加。加上穿孔工序帶來的偏心型壁厚不均，兩者的綜合效應惡化了鋼管壁厚精度，直接影響到了薄壁鋼管的一次成材率。

3 提高成材率的技術措施

3.1 鋸切代替冷剪方式

根據生產現狀，為了改善連鑄管坯的剪切端面質量，有效控制管坯剪切之后的壓扁度過大和管坯剪切端面的開裂現象，減少穿孔過程中管坯咬入不良、前卡、后卡等造成管坯金屬量切損以及成為廢品的幾率。洪鋼公司針對所有薄壁定尺鋼管，剪切方式由原來的冷剪機剪切改為帶鋸剪切。雖然在一定程度上增加了成本，但從管坯剪切端面的平整與壓扁度的降低方面來說，帶鋸剪切更有利。

經帶鋸剪切的管坯投入生產薄壁管以來，極大地改善了管坯的咬入狀態，沒有出現因管坯停止不動需要人為撬動被迫旋轉的現象，定心更為準確到位，頂頭更容易找準管坯中心，保證了穿制毛管的質量。同時，帶鋸剪切更好地解決了因管坯澆鑄質量問題帶來的剪切開裂與金屬損耗。

3.2 改變穿孔速度控制方式

在穿孔時為了保證管坯的順利咬入與正常軋制，利用PLC控制程序設定咬入速度（370 r/min）、最高軋制速度（650 r/min）和最低軋制速度（370 r/min），采用低速咬入高速軋制的速度控制方式穿制毛管。由于低速咬入的設定，穿孔頂頭能在管坯開始慢速咬入時較好地對準其定心孔，由慢至快實現管坯穿孔過程。不僅有效改善了毛管因咬入速度過快帶來中心不易對準造成的前端壁厚不均［9］，而且有效遏制了管坯不能正常咬入的故障，提高了軋制效率、鋼管成材率和產量。

3.3 增設與改進機內輥

為了避免穿孔過程中毛管前端與尾端處于自由不穩定狀態過長，而在軋管工序中又不能有效消除，反而有加劇的可能，造成金屬切損量增多、一次成材率下降，在第一架定心輥之前緊靠穿孔機出口附近增設1臺定心輥（簡稱機內輥），既可保證頂桿中心線與軋制線一致，又可加強頂桿的剛度，改善毛管前端與尾端的壁厚不均。

機內輥機構如圖2所示，其三輥導向裝置由2個液壓缸、3個擺桿機構、3個導向輥、2套平行四邊形連桿機構和焊接機架組成。3個導向輥分布在以軋制線為中心的同一圓周上，一端分別裝在3個半徑相等的擺動桿上，另一端作為擺動支點；液壓缸驅動1個擺桿，通過平行四邊形連桿機構帶動另2個擺桿同步擺動，從而實現3個導向輥的同步開合。2個液壓缸壓緊時抱頂桿；1個液壓缸打開時為毛管導向；2個液壓缸都打開時，3個導向輥打開，毛管出料。不同規格的頂桿和毛管外徑可以通過電動調整實現導向輥開口度的不同［10］。

圖2 機內輥結構示意

最先設計的導向輥是由外部的軋輥與內部的主軸配合而成，主軸的兩側安裝有鋼套軸瓦緊貼軋輥內表面，外部軋輥的旋轉通過鋼套圍繞主軸旋轉實現，經常出現鋼套軸瓦嚴重磨損、軋輥卡死的現象，造成生產過程中故障處理時間增加，生產效率降低。為了有效解決這一問題，重新對導向輥的內部結構進行了改進，改進后的機內輥導向輥如圖3所示。將原有鋼套軸瓦更換為外部鋼套、內部鑲嵌石墨的銅軸套（材質為ZCuAl10Fe3）組合。這樣不僅有效提高了內部的耐磨性，而且在鑲嵌部件磨損時，石墨還起到了潤滑作用。通過更換6塊鑲嵌有石墨的銅軸套，極大提高了導向輥的使用壽命，解決了外部軋輥卡死現象。因故障頻次的逐漸減少，極大提高了設備的使用性能，為更好地實現抱頂桿、毛管導向、穩定穿孔，以及提高壁厚精度提供了保障［11］。

圖3 改進后的機內輥導向輥示意

3.4 優化軋管機孔型參數

在薄壁定尺管生產過程中，軋管工序經常出現毛管竄孔、軋偏、甩尾等事故，造成生產故障，形成廢品，增加鋼耗，嚴重影響生產效率。為此，結合洪鋼公司穿孔工藝現狀，考慮Φ150 mm管坯的等徑生產、軋管機合適的減徑量與減壁量，以及軋管機配套工模具的系列改進，對148 mm孔型進行了工藝優化，擬定了更加適合生產薄壁定尺管的148 mm孔型參數：孔型半徑75 mm、側壁斜角30°、側壁圓弧半徑131.5 mm以及輥縫6 mm、開口圓角弧半徑18 mm、孔型橢圓度系數1.055。

經過對軋管機孔型參數的優化，使毛管的咬入不良、竄孔、軋偏、甩尾現象得到了極大的改善，提高了鋼管橫向壁厚精度［12］，生產故障大大減少。

4 實施效果

通過上述4個措施的改進，洪鋼公司從2013年1月至今，薄壁定尺管Φ133 mm×4.5 mm×8.793 m的壁厚精度得到了有效改善與控制，因壁厚超標造成鋼管頭、尾端的切損量大幅下降，噸管平均鋼耗從1.134 t下降到1.105 t，改進工藝前、后的噸管鋼耗見表1。由表1可以看出：改進后的生產工藝極大地提高了薄壁定尺鋼管的成材率，降低了生產成本，提高了市場競爭力。

表1 改進工藝前、后的噸管鋼耗

5 結 論

Φ140 mm自動軋管機組薄壁定尺管的成材率不僅與管坯的剪切端面形狀及質量有關，而且與穿孔速度控制方式和自動軋管機孔型參數有關，還受穿孔過程不穩定性因素的影響。通過改變管坯剪切方式和穿孔速度控制方式，增設機內輥，優化軋管機孔型參數等措施，提高了薄壁定尺管的壁厚精度和一次成材率。但是軋管機孔型軋制量與壁厚精度的有效控制還有待后續的逐步摸索，以及數據與經驗的積累。

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