Ф180 mm Mini-MPM連軋管機組穿孔機238 mm系列孔型優化

張文亮，王 棟

（內蒙古包鋼鋼聯股份有限公司鋼管公司，內蒙古 包頭 014010）

內蒙古包鋼鋼聯股份有限公司鋼管公司（簡稱包鋼鋼管公司）Ф180 mm Mini-MPM連軋管機組原有管坯直徑為180 mm、230 mm和270 mm，相對應的連軋管機孔型系列為173 mm、238 mm及266 mm，產品軋制組距為Ф60～245 mm。但是238 mm系列孔型自開發生產以來，由于Φ230 mm管坯在穿孔生產過程中存在諸多工藝缺陷，造成穿孔機組熱工具消耗居高，生產事故頻發，產品質量不穩定，尤其是軋制中厚壁管時，由于穿孔機坯料的限制，只能生產單倍尺產品，導致成材率及倍尺率低。因此，包鋼鋼管公司用Ф245 mm管坯代替Ф230 mm管坯，并對穿孔機孔型進行優化設計，以解決238 mm系列孔型穿孔機熱工具壽命低、消耗高、質量不穩定等問題，從而提高Ф180 mm Mini-MPM連軋管機組的產能，提升產品質量。

1 穿孔機孔型設計思路

穿孔機孔型主要由變形熱工具軋輥、頂頭、導板組成，熱工具的設計不恰當，將直接導致毛管上一些缺陷的存在，這些缺陷有的經過后面的工序也很難消除或減輕。所以在鋼管生產中穿孔工序熱工具設計起著重要作用［1-10］。斜軋穿孔機孔型及熱工具設計的合理化，即孔型幾何形狀直接關系到毛管的變形、幾何尺寸、內外表面質量和金屬的流動以及熱工具壽命。現通過管坯的尺寸，計算出穿孔機的擴徑率、延伸率、頂前壓下率、軋輥距離、導板距離等工藝參數，從而設計出符合穿軋Φ245 mm管坯的穿孔機孔型及熱工具。

2 穿孔機孔型設計

2.1 軋輥設計

穿孔機型式依然采用錐形輥穿孔機。錐形輥穿孔機具有穿軋毛管壁厚精度高，擴徑量大和內外表面質量好等特點［11-15］。

2.1.1 軋輥錐角及長度

軋輥入口錐的角度大小決定管坯能否順利咬入和積累足夠的力以克服頂頭阻力使管坯穿成毛管。相關的文獻指出，入口錐角βce在2°～40°，一般情況下將軋輥的入口錐設計成兩段，第一段的角度在1°～30°，為的是保證管坯的咬入，第二段的角度在3°～60°，為的是防止形成孔腔。軋輥的出口錐角βcu在3°～40°，這取決于管坯的擴徑量，擴徑量越大，角度越大［16］。設計軋輥入口錐和出口錐的長度時，首先要考慮軋輥的長度是否滿足毛管咬入和擴徑的要求，其次為滿足現場生產工藝的安全性及軋輥使用的合理性，通常入口錐和出口錐處還應加一個長度在20～40 mm的安全余量。軋輥入口錐長度Le和軋輥出口錐長度 La的計算公式（1）～（2）為：

式中DB——管坯直徑，mm；

E——軋輥距離，mm；

Dh——毛管直徑，mm；

αe——軋輥入口錐段的空間角，可以近似等于軋輥入口錐角，（°）；

αa——軋輥出口錐段的空間角，可以近似等于軋輥出口錐角，（°）。

2.1.2 軋輥距離

軋輥距離E是指兩個軋輥軋制帶間的距離，它是重要的調整參數。通常，軋輥距離由經驗獲得：碳鋼為（0.84～0.90）DB，通常取（0.86～0.89）DB；低合金鋼為（0.85～0.90）DB，通常取（0.87～0.90）DB；高合金鋼為（0.88～0.91）DB，通常取（0.88～0.90）DB。

計算Ф245 mm管坯在穿孔機變形區的長度可知，現有穿孔機軋輥能夠滿足Ф245 mm管坯的生產需求。其中，軋輥直徑為1 000～1 150 mm，軋輥長度為850 mm，入口錐角βce為2.0°，出口錐角βcu為3.0°，軋輥距離E為228 mm。

2.2 頂頭設計

Φ180 mm Mini-MPM連軋管機組使用的頂頭分為穿孔錐、輾軋錐和反錐3部分，其形狀如圖1所示，頂頭設計的前提是必須已知軋輥的尺寸和管坯直徑、毛管直徑、毛管壁厚及咬入角。計算它們是為了驗證其長度是否超過軋管機的設計長度。如果計算的軋輥入口錐長度Le或軋輥出口錐長度La比現有軋輥的相應部分大，就得加大軋輥距離E或者增大入口錐角和出口錐角。

圖1 Φ180 mm Mini-MPM連軋管機組頂頭形狀示意

2.2.1 確定頂前壓下率及頂頭前伸量

頂頭前伸量的大小影響著穿孔的過程和毛管的質量。生產中應避免在頂頭的前部形成孔腔，這樣有利于減輕毛管內表面的缺陷。但起決定性影響內表面缺陷的因素有頂頭前直徑減徑率和管坯接觸頂頭前轉動的次數［17］。換句話說，頂前壓下率ρ的參考極限值如下：碳鋼為4%～10%，通常取6%～9%；低合金鋼為4%～8%，通常取6%～8%；高合金鋼為4%～7%，通常取5.0%～6.5%。

頂頭前伸量根據Ld1=Le-GL=Le-GFDBtan γ 進行計算。其中，GL為自由段長度，是指管坯從接觸軋輥到頂頭前的長度，必須保證管坯轉一周。GF為校驗系數，通常為1.0～1.5。如果軋輥直徑與管坯直徑的比值較大，GF可取0.8～1.0，頂頭前伸量的值至少要大于40 mm，GF通常影響頂頭位置和頂前壓下量。γ指穿孔機咬入角，即軋件與軋輥相接觸的圓弧所對應的圓心角，Ф180 mm Mini-MPM連軋管機組咬入角為 9°～12°。

2.2.2 確定頂頭的直徑及長度

根據經驗選擇頂頭與毛管的間隙值（擴展值）Ch，如果頂頭的擴徑率較大，則間隙值相應會增大。目前Ф180 mm Mini-MPM連軋管機組頂頭與毛管的間隙值Ch仍然采用經驗值10～12 mm，并由此確定頂頭直徑Dp。頂頭直徑Dp的計算公式（3）為：

式中Sh——毛管壁厚，mm。

頂頭的長度L設計包括穿孔錐長度L1、輾軋錐長度L2及規圓區長度L3的設計，即L=L1+L2+L3。頂頭穿孔錐長度L1通常為入口處實際螺距Pe的0.65～1.10倍，頂頭輾軋錐長度L2通常為毛管出口處實際螺距Pu的0.50～0.75倍，頂頭規圓區長度L3應被設計為在頂頭后端和軋輥脫離端面之間具有至少25 mm的距離［18］，計算公式為：

式中a——軋輥的送進角，（°），通常為8°～14°；

X——經驗數值，mm，取值為40～65 mm；

λ——延伸系數，指穿孔機入口管坯與出口毛管斷面積之比。

由于頂頭的穿孔錐起著穿孔機擴徑、均壁的作用，故將其設計為一段圓弧狀。頂頭穿孔錐圓弧半徑Rp的計算公式（8）為：

式中a1——輾軋區角度，（°），取3.2°；

Φh——頂頭在管坯端部疏松區直徑，mm，取（0.18～0.25）Dp。

2.2.3 確定Φ245 mm坯型頂頭

根據以上計算分析，以軋制Φ219 mm×6 mm規格成品管為例，最終設計出符合Φ245 mm管坯的穿孔機頂頭。給定DB=245 mm，Dh=273 mm，a1=3.2°；Sh=18 mm，γ=9°；E=228 mm，Ch=12。由上述給定值可計算出：入口錐長度Le=206.2 mm；出口錐長度La=410.1 mm；頂頭前伸量Ld1=95 mm；自由段長度GL=121.5 mm；螺距Pu=135.8 mm；穿孔錐長度L1=309.6 mm；輾軋錐長度L2=95 mm；規圓區長度L3=55.4 mm；頂頭長度L=460 mm；頂頭穿孔錐圓弧半徑Rp=737.1 mm；頂頭直徑Dp=225.2 mm，取225 mm；頂頭規圓區圓弧半徑Rf=Dp/2=112.6 mm。

2.3 導板設計

導板的設計原則是：一種管坯需要設計一種導板，如果是用一種管坯生產不同尺寸的毛管，可以只設計一種導板［10］。導板的縱剖面形狀應與軋輥輥形相對應，Ф180 mm Mini-MPM連軋管機組的導板由四段組成，分別為入口段、壓縮段、軋制帶及規圓區（出口錐），具體如圖2所示。導板入口段主要起到引導管坯的作用，使管坯中心線對準穿孔中心線。當管坯與左右導板接觸時，它起著限制管坯橢圓度的作用，從而避免過早形成孔腔，同時促進金屬的縱向延伸。考慮到導板在毛管的整個變形過程中有壓縮作用，通常稱其為壓縮帶，壓縮帶是過渡帶，它不在導板的中間，而是向入口方向移動，移動值x一般在20～30 mm，也有到50 mm的，移動的目的是：減小管坯在頂頭上開始輾軋時的橢圓度和導板的軸向阻力，提高穿孔速度。軋制帶主要起限制毛管橫向變形的作用，同時與頂頭、軋輥一起形成孔型，對毛管的壁厚進行均壁。規圓區的作用主要是進一步減小毛管的橢圓度，同時與軋輥一起支撐毛管，防止發生后卡事故。

圖2 Φ180 mm Mini-MPM連軋管機組導板示意

2.3.1 導板距離確定

導板距離是控制毛管外徑及毛管質量的主要變量之一，導板距離的合適與否，直接影響到毛管橢圓度的大小，同時還會影響到毛管壁厚的均勻性。導板距離增大，會導致毛管的外徑增大，橢圓度相應增加，壁厚均勻性下降，同時在軋制結束時可能導致后卡等工藝事故；導板距離減小，則會導致導板壽命降低，消耗增加，在毛管外表面產生螺旋等質量缺陷，同時還可能出現管坯卡導板工藝事故。設計中，為了保證管坯能夠順利咬入軋管機而毛管橢圓度又在合理的范圍內，通常取導板距離等于軋輥距離的1.00～1.15倍。Φ180 mm Mini-MPM連軋管機組的導板距離Dr取為1.12E，即Dr=255 mm。

2.3.2 導板形狀設計

設計導板的長度時，首先要保證導板在整個軋制區域中，導板的長度由變形區長度決定，通常其長度L=Le+La+x。導板入口段的長度Lr等于或小于自由段長度GL，壓縮帶長度Ly等于或大于頂頭前伸量，軋制帶長度Lz通常與該管坯所對應的連軋管機孔型系列值相同，如Φ245 mm管坯對應238 mm孔型系列，則Lz取值為238 mm。

設計導板的寬度時，首先要考慮導板距離，導板寬度一般是根據軋輥的形狀進行設計，通常由最小軋輥距離和導板與軋輥的最小間隙決定。導板的入口錐角一般等于軋輥入口錐角或比軋輥入口錐角大1°～2°；導板入口段寬度B1取值應比軋輥距離E小4～6 mm，取224 mm。導板的軋制帶起限制毛管橫變形，并控制毛管軋后外徑的作用，其取值必須考慮孔型的密閉性，因為如果導板與軋輥的間隙太大，在軋制薄壁鋼管時，可能導致金屬擠向導板與軋輥的間隙處，從而造成鏈帶事故。導板的規圓區（出口錐）角度一般等于軋輥的出口錐角或比軋輥的出口錐角小 0.5°～10.0°［19］，寬度 B2根據出口軋槽半徑Rc、出口錐角、導板與上下軋輥的距離而定。

設計導板的厚度時，在導板距離及導板支撐器確定的情況下，要盡量保證每個系列的導板厚度相近，這樣可以保證導板距離調整螺杠的行程在合理的工作范圍內而不被損壞，同時也方便了每個系列更換后的調整。

2.3.3 導板軋槽設計

導板的橫斷面形狀是個圓弧形凹槽，這是為了便于管坯和毛管旋轉。凹槽的圓弧可做成單半徑或雙半徑的。Ф180 mm Mini-MPM連軋管機組導板軋槽所選用的是單半徑圓弧凹槽，其設計及加工簡便。軋槽半徑分為導板入口軋槽半徑及導板出口軋槽半徑，入口軋槽半徑Rr根據Ф180 mm Mini-MPM連軋管機組其他系列導板設計總結出的經驗公式 Rr=（0.58～0.59）DB，得出 Rr=142.8 mm。

由于管坯在軋成毛管的整個軋制過程中是處于一個橢圓形的旋轉過程，故孔型存在偏心率e，根據公式Rr=Dr/2+e，可以計算出偏心率e為15.3 mm，而根據導板出口軋槽半徑Rc公式Rc=1.075Dh/2+e，可計算出出口軋槽半徑Rc=162.04 mm。

3 生產運行情況

3.1 孔型設計驗證

穿孔機孔型及熱工具設計完畢后，為了保證生產過程的穩定，需對其進行驗證［7-8］。通過CAD作出穿孔機孔型，驗證軋輥距離、導板距離、頂頭前伸量、頂前壓下率及軋制結束后毛管壓縮率，是否能夠拋鋼等。穿孔機孔型如圖3所示。

圖3所示中，E/2=114 mm，Dr/2=127.5 mm；頂前壓下量H=117.18 mm，毛管脫離軋制變形區時的外徑Do=135.49 mm，Dh=273 mm。頂前壓下率=（245-2×117.18）÷245=4.3%；軋后毛管變化率=135.49×2÷273=99.3%。

圖3 穿孔機孔型示意

通過以上驗證，軋輥距離、導板距離、頂頭前伸量、頂前壓下率及軋制結束后毛管壓縮率均在設計范圍內，且毛管按照先脫離頂頭，再脫離導板，然后脫離軋輥的步驟可順利進行拋鋼，所以該穿孔機的孔型及熱工具設計是合理的。

3.2 毛管質量抽查

抽檢Ф273 mm×18.5 mm規格毛管，測量其外徑及壁厚，實測結果如圖4～5所示。Ф273 mm×18.5 mm規格毛管是238 mm系列孔型使用Ф245 mm管坯軋制的壁厚最薄的產品規格。從抽檢結果可以看出：Ф273 mm×18.5 mm規格毛管單支測量的外徑偏差范圍在2.0 mm以內，能夠滿足生產工藝的要求；壁厚不均度也能達到設計要求。由此說明，該穿孔機的孔型設計是成功的。

圖4 Ф273 mm×18.5 mm規格毛管外徑實測結果

圖5 Ф273 mm×18.5 mm規格毛管壁厚實測結果

3.3 成品管尺寸精度抽查

在成品管中隨機抽取50根Ф168 mm×8.0 mm三倍尺規格鋼管，其壁厚尺寸精度抽檢結果如圖6所示。從圖6可以看出：238 mm系列孔型使用Ф245 mm管坯軋制Ф168 mm×8.0 mm三倍尺規格鋼管的壁厚實測范圍為7.42～8.48 mm，偏差在-7.25%S～+6.0%S（S指鋼管壁厚），滿足GB/T 8162—2008《結構用無縫鋼管》要求。

圖6 Ф168 mm×8.0 mm規格鋼管壁厚尺寸精度抽檢結果

4 結 語

Ф180 mm Mini-MPM連軋管機組使用 Ф245 mm管坯代替Φ230 mm管坯，為此重新優化設計238 mm系列穿孔機孔型及熱工具。近1年的生產運行情況結果表明：使用Φ245 mm管坯生產的成品鋼管，其外觀質量及尺寸精度均達到了要求，且熱工具壽命得到了大幅提高，生產事故逐步減少，Ф245 mm管坯選用合理，穿孔機孔型優化設計成功。