兩種機型穿孔鋼管的內螺旋產生原因及控制

張國寬，田曉燕

（內蒙古包鋼鋼聯(lián)股份有限公司無縫鋼管廠，內蒙古 包頭 014010）

兩種機型穿孔鋼管的內螺旋產生原因及控制

張國寬，田曉燕

（內蒙古包鋼鋼聯(lián)股份有限公司無縫鋼管廠，內蒙古 包頭 014010）

兩種典型斜軋穿孔機型（桶形輥穿孔機和錐形輥穿孔機）熱穿軋的無縫鋼管，在軋制過程中容易產生內螺旋缺陷。從變形區(qū)、軋制冷（熱）工具方面分析了穿孔毛管形成內螺旋缺陷的原因。提出增加1個斜軋機架、減小軋輥出口錐的輥面角度、準確選擇軋制冷（熱）工具、防止外界因素干擾等減少鋼管內螺旋缺陷的措施。

熱軋鋼管；斜軋；內螺旋缺陷；穿孔機；桶形輥；錐形輥

在熱軋無縫鋼管生產中，將實心坯穿制成空心毛管是鋼管熱軋變形中的一道重要工序，而斜軋穿孔一直是最主要的穿孔方法。桶形輥穿孔機和錐形輥穿孔機是兩種最重要的斜軋穿孔機，得到了廣泛的應用［1］。隨著社會生產不斷發(fā)展，市場對鋼管質量的要求不斷提高，對生產鋼管的機組要求也越來越高。

Assel等斜軋管機組軋制徑厚比∧20的薄壁荒管，其內、外表面螺旋道比較突出。外表面螺旋缺陷在隨后的定（減）徑工序中得到改善或消除；而內表面螺旋缺陷很難去除，輕則影響鋼管內表面質量，重則致使鋼管降級或報廢［2］。長期以來鋼管內表面螺旋缺陷一直制約著斜軋管機組生產薄壁管［3］。

在縱軋管機組中，雖然自動軋管機或連軋管機可以通過一定的變形量來減輕或消除穿孔工序帶來的螺旋缺陷，但是如果穿孔后毛管的螺旋較嚴重，也會產生一系列的質量和工藝問題（如自動軋管機組產生的內螺旋、縱向偏壁厚、凹坑等；連軋管機組產生的凹坑、撕裂等）［4-5］。毛管內螺旋缺陷還會造成軋制熱工具（頂頭、芯棒等）的過度磨損。

本文主要分析桶形輥穿孔機和錐形輥穿孔機穿制毛管產生內螺旋缺陷的原因，并對解決辦法進行探討。

1　穿制毛管存在嚴重的內螺旋缺陷

1.1桶形輥穿孔機

內蒙古包鋼鋼聯(lián)股份有限公司無縫鋼管廠（簡稱包鋼無縫鋼管廠）的Φ400 mm自動軋管機組，是從前蘇聯(lián)引進，于1971年投產的一套大直徑無縫鋼管生產機組。在2000年，結合德國的桶形輥穿孔工藝進行了一系列的工藝和設備改造，現(xiàn)在可生產各種用途的Φ180～426 mm無縫鋼管。機組經過40年的生產運行，隨著市場競爭的日趨激烈，產品范圍過窄的缺陷突出地暴露出來。Φ400 mm自動軋管機組使用的是2臺桶形輥穿孔機連續(xù)延伸，以滿足機組變形能力不足的問題［6-7］。但實際生產中存在的主要問題有：頂頭磨損嚴重，鋼管內壁的直道缺陷多、螺旋缺陷嚴重、縱向壁厚精度差。經過分析后認為，其主要原因是穿孔后毛管的螺旋缺陷嚴重。

1.2錐形輥穿孔機

包鋼無縫鋼管廠Φ180 mm MPM連軋管機組的穿孔機是錐形輥穿孔機，軋管機軋制薄壁管過程中頻繁出現(xiàn)撕裂、堆鋼現(xiàn)象，鋼管的周向、縱向壁厚偏差較大。經過工藝分析和質量跟蹤，最終認定其造成原因是穿孔后毛管有嚴重的內螺旋缺陷。

2　缺陷產生原因分析

2.1變形區(qū)分析

桶形輥穿孔機和錐形輥穿孔機結構如圖1所示，其主要區(qū)別是：①桶形輥穿孔機采用桶形軋輥，錐形輥穿孔機采用錐形軋輥；②桶形輥穿孔機只有送進角β，沒有輾軋角γ（γ=0°），錐形輥穿孔機既有送進角β，又有輾軋角γ。在20世紀80年代以前，可以說是桶形輥穿孔機（包括狄塞爾穿孔機）一統(tǒng)天下，80年代以后錐形輥穿孔機得到迅速發(fā)展。

桶形輥穿孔機和錐形輥穿孔機的變形區(qū)如圖2所示，兩種穿孔機在穿制相同規(guī)格的毛管時，變形區(qū)的縱剖面完全相同。兩者的根本區(qū)別在于：引入輾軋角γ之后，軋輥形狀由桶形變成錐形。這是桶形輥穿孔機和錐形輥穿孔機具有不同特征的根本原因所在。

由圖2可知：無論是桶形輥穿孔機還是錐形輥穿孔機，毛管的螺旋螺距Z計算是相同的，

式中 D——管坯直徑，mm；

α——咬入角，（°）。

為確保順利咬入，從管坯被咬入點到與頂頭相接觸的距離，對一次穿孔必須有1個螺距，對二次穿孔應有0.75個螺距。

圖1　桶形輥穿孔機和錐形輥穿孔機結構示意

圖2　桶形輥穿孔機和錐形輥穿孔機的變形區(qū)示意

2.2現(xiàn)場影響因素分析

2.2.1現(xiàn)場影響因素

除變形區(qū)直接影響穿孔后毛管的螺旋深度和嚴重程度外，現(xiàn)場實際生產過程中，還有多種因素與毛管的外形有關，可從工藝和設備兩方面進行歸類。

工藝方面的影響因素有：管坯的加熱溫度；穿孔延伸量（變形量）的大小；頂頭的偏心度；頂桿的直度（軋鋼過程中是否擺動）；頂桿小車的中心線與軋機中心線的重合度；頂頭的磨損程度及頂頭外表面是否堆鋼、粘鋼；軋輥傾角（咬入角）的大小。

設備方面的因素有：主軋機的精度，包括轉鼓的彈跳、軋輥的彈跳、軋機牌坊的彈跳；后臺抱輥（定心輥）的同心度，抱輥的彈跳；頂桿小車的定位精度，閉鎖機構的鎖緊度和彈跳。

2.2.2實測數(shù)據(jù)對比

對包鋼無縫鋼管廠Φ400 mm自動軋管機組和Φ180 mm連軋管機組進行跟蹤和測量，所有數(shù)據(jù)的采集均是保證現(xiàn)場影響因素處于良好運行的狀況下進行的，即忽略非主流因素，只針對影響螺旋缺陷產生的主要原因進行分析。為了明確表示毛管螺旋缺陷的嚴重程度，最直觀的方法是沿著毛管外表面的螺旋線方向，在毛管螺旋缺陷1/2螺距處，分別量取毛管的直徑，然后通過直徑的波動值來反映螺旋的深度。毛管直徑的測量位置如圖3所示。

在設備運行穩(wěn)定、軋件溫度良好的情況下，包鋼無縫鋼管廠Φ180 mm連軋管機組錐形輥穿孔機在送進角β=10°，輾軋角γ=15°時，生產Φ245 mm×8 mm鋼管的毛管外徑實際值見表1；Φ400 mm自動軋管機組桶形輥穿孔機在β=10°、γ=0°時，生產Φ325 mm×8 mm鋼管的一次和二次穿孔毛管外徑實際值見表2。錐形輥穿孔機不同輾軋角γ穿孔后毛管外徑對比見表3。

圖3　毛管直徑的測量位置示意

表1　Φ180 mm連軋管機組錐形輥穿孔機生產Φ245 mm×8 mm鋼管的毛管外徑實際值

表2　Φ400 mm自動軋管機組桶形輥穿孔機生產Φ325 mm×8 mm鋼管的一次和二次穿孔毛管外徑實際值

表3　錐形輥穿孔機不同輾軋角穿孔后毛管外徑

由表1～3可以看出：①雖然錐形輥穿孔機在穿孔變形時，金屬的附加扭轉變形比較小，但錐形輥穿孔和桶形輥穿孔的毛管內螺旋缺陷區(qū)別不是很明顯，深度及變化規(guī)律幾乎相同；②在其他工藝條件不變且符合變形區(qū)設計機理的情況下，輾軋角γ越大，毛管的螺旋缺陷越嚴重，隨著γ的減小，毛管外表面逐步得到改善；③將輾軋角γ調為負值進行試驗后發(fā)現(xiàn)，γ在-3°～0°范圍，隨著γ在負方向的增大，使毛管內螺旋得到改善，繼續(xù)負方向增大，毛管螺旋道又會加重，這是因設備彈跳和變形區(qū)空間關系影響產生的。

2.3根本原因分析

在生產中，設備、軋制冷（熱）工具等常常干擾調整工對軋機調整的判斷，實際上，這些因素是造成毛管螺旋缺陷的次要因素，應予重視。結合圖2中對于變形區(qū)的分析，經過現(xiàn)場實際調整和取軋卡樣測試，不論是桶形輥穿孔機，還是錐形輥穿孔機，直接決定穿后毛管螺旋深度的根本原因，就是穿孔變形區(qū)在三維空間下軋輥出口錐母線與頂頭母線的配合程度。也就是說，必須考慮實際軋鋼過程中的三維空間關系，使穿孔時的內外變形工具良好配合，而不是投影關系上的兩條母線絕對平行。這也印證了輾軋角γ在調為負值的小范圍內，毛管螺旋缺陷也在進一步改善。

3　控制措施

20世紀80年代末，德國Meer公司推出了沒有延伸變形的無縫鋼管CPS（Cross-roll Piercing Stretch-reducing）工藝，即穿孔+定（減）徑兩步制管法；20世紀90年代初，南非Tosa公司投產的Φ168 mm CPS機組生產壁厚小于7.5 mm的鋼管時，因穿孔后的毛管存在較嚴重的內外表面螺旋缺陷，且無法在后續(xù)的定（減）徑工序中全部消除，使得CPS工藝半途而廢，不得不在穿孔機與張力減徑機之間增加軋管機。

實際生產控制中，可以采取的控制措施有［5-12］：

（1）在穿孔機或者軋管機出口側增加1個機架進行斜軋，通過軋輥與頂桿多一道次的輾軋，進一步改善鋼管內表面的質量。

（2）減小軋輥出口錐的輥面角度，盡量減小軋輥的輾軋角γ，并在輾軋角γ實際測量中采取施加預應力的辦法來消除軋輥彈跳，保證測量精準。

（3）準確選擇軋制冷（熱）工具，保證頂頭偏心度、軋輥磨損、頂桿直度、導板磨損等處于合理的水平。

（4）減小外界影響因素的干擾，優(yōu)化抱輥、軋機牌坊、各鎖緊機構等設備方面的工作精度，并確保設備運行正常。

4　結　論

（1）穿孔過程中的附加變形，尤其是扭轉變形，并不是產生毛管內表面螺旋缺陷的根本原因，只是影響因素之一；所以，穿孔后毛管內螺旋的產生與錐形輥穿孔或桶形輥穿孔的機型選擇沒有直接的關系。

（2）穿孔變形的變形區(qū)長度直接影響毛管螺旋缺陷的產生，尤其穿孔均壁區(qū)的長度與毛管內表面螺旋道的深度成反比。

（3）必須考慮三維空間關系，軋輥出口錐母線與頂頭母線的良好配合（平行），即減小輾軋角γ，使金屬變形更趨合理，才能從變形機理方面最大程度地優(yōu)化穿孔后毛管的內外表面質量，減輕螺旋道的深度，從而為后續(xù)變形工序提供質量優(yōu)良的坯料。

（4）除變形區(qū)的因素以外，生產中還有外界的影響因素，如頂桿抖動、軋機彈跳、頂頭偏心、抱輥失穩(wěn)、軋制中心線不正等也會間接造成毛管內外表面螺旋缺陷的加重，必須給予足夠的重視。

［1］田黨，李群.孔腔、離層與扭轉變形——關于二輥斜軋桶形輥穿孔機與錐形輥穿孔機的討論［J］.鋼管，2010，39（6）：63-68.

［2］李群.斜軋連軋——關于消除斜軋連軋鋼管內表面螺旋道的探索［J］.鋼管，2009，38（4）：70-73.

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［5］于凌河，申大勇.鞍鋼無縫廠AG機組曼式穿孔機錐形輥改進［C］//全面建設小康社會：中國科技工作者的歷史責任——中國科協(xié)2003年學術年會論文集，2003.

［6］劉靖，傅晨光，朱景清，等.Φ400 mm機組二次穿孔機改造后鋼管壁厚精度分析［J］.鋼管，2002，31（6）：6-8.

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［10］王延溥.軋鋼工藝學［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1986.

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Causes for and Eliminating of Inner Surface Spiral-line Marks of Steel Pipes as Made with Two Different Types of Piercing Mills

ZHANG Guokuan，TIAN Xiaoyan
（Seamless Steel Tube Plant，Inner Mongolia Baogang Ganglian Co.，Ltd.，Baotou 014010，China）

It is commonly encountered with that defective inner spiral-line marks occur with seamless steel tubes being hot-rolled by either of the two typical piercing mills，i.e.，the barrel type rotary piercer and the cone type piercer.Causes for the said defect are investigated in terms of deformation zone and cold（thermal） rolling tools，and eventually identified.Accordingly，preventative measures are proposed，including adding one more cross-rolling stand，reducing the roll face angle of the roll outlet cone part，correctly selecting cold（thermal） rolling tolls，and preventing interference of any external element，etc.

hot-rolled steel tube；cross-rolling；defective inner surface spiral-line mark；piercer；barrel type roll；cone type roll

TG333.8

B

1001-2311（2015）02-0051-04

2014-08-18；修定日期：2015-02-12）

張國寬（1974-），男，碩士，高級工程師，主任，長期從事無縫鋼管新產品的研發(fā)工作。