Φ460mm PQF 連軋管機鋼管內劃道分析

王君國，高建學

（天津鋼管制造有限公司，天津300301）

0 引言

鋼管內劃道是指無縫鋼管在熱連軋過程中，連軋荒管和芯棒脫離后，在鋼管內壁產生的劃痕缺陷。在熱連軋無縫鋼管生產中，鋼管徑壁比越大，鋼管產生內劃道缺陷越嚴重[1-4]。

天津鋼管集團股份有限公司原設計有五個孔型系列，其中Φ451 mm 孔型主要以生產套管和管線管為主。為了擴大產品規模，提高公司的市場競爭力，公司在Φ451 mm 孔型上開發了Φ406.4 mm×8.8 mm、Φ406.4 mm×13 mm 等規格的氣瓶管。但用460 PQF 連軋管機組的Φ451 mm 孔型，軋制徑壁比在40 以上的薄壁氣瓶管時，鋼管內劃道對鋼管表面質量產生了非常嚴重的影響，產品一次合格率低于70%，成材率不到85%，嚴重降低了一次合格率和成材率，并且鋼管內表面的缺欠增加了修復成本。如：生產鋼種為 34CrMo4、30CrMo 的 Φ406.4 mm×8.8 mm、Φ406.4 mm×9.8 mm 的氣瓶管，鋼管內表面產生質量缺欠，鋼管內劃道如圖1 所示。因此本文以460 PQF 連軋管機組生產軋制Φ406.4 mm×8.8 mm氣瓶管為例，對氣瓶管內劃道問題進行分析。

1 鋼管內劃道分析

內劃道是在鋼管內表面呈縱向分布的劃道，偶有內結疤伴隨。在穿孔過程中，向毛管內表面噴吹除氧化劑硼砂，硼砂在高溫狀態下與氧化鐵皮熔融，當芯棒插入到毛管芯部后，內表面溫度驟降，硼砂、氧化鐵皮和石墨三種物質形成的熔融物冷凝結晶，形成一種十分堅硬的結晶體，在連軋軋制過程中由于芯棒速度和鋼管軋制速度存在速差，硼砂、氧化鐵皮和石墨三種物質形成的熔融物冷凝結晶附在芯棒表面，在運行過程中劃傷鋼管內表面。

1.1 鋼管內劃道產生機理

在軋鋼過程中鋼管內表面出現劃道與很多因素有關，主要因素有：除氧化劑硼砂的氧化效果、芯棒和毛管的內表面間隙量、連軋孔型參數分配不合理等。

1.1.1 除氧化劑硼砂的影響

圖1 鋼管內表面劃道

圖2 硼砂、石墨和氧化鐵皮熔融物結晶體

當前生產所使用的BH-1 硼砂，雖然在高溫狀態下與氧化鐵皮的熔融效果比較好，但是由于其本身黏度較低，容易聚集和堆積并且在遇到溫度較低的芯棒時也容易冷凝結晶，硼砂、石墨和氧化鐵皮熔融物冷凝后形成堅硬的結晶體如圖2 所示，從而劃傷毛管內壁。

1.1.2 芯棒和毛管內表面間隙量

通過現場觀察和對各孔型毛管尺寸進行測量時發現，在生產Φ406.4 mm×8.8 mm 等規格氣瓶管時，毛管內徑存在偏小的問題，在連軋芯棒預穿的過程中，毛管發漲并且外表面氧化鐵皮脫落，說明芯棒和毛管內壁局部已經沒有間隙了。當芯棒預穿時，如果毛管內徑不足就很容易導致毛管芯部溫降加快，硼砂、石墨和氧化鐵皮的熔融物就會快速冷凝結晶，形成一種堅硬的結晶體，在連軋軋制過程中劃傷鋼管內壁。

1.1.3 連軋輥孔型參數

鋼管在連軋軋制過程中，由于連軋機孔型的寬展量過小，在連軋機的上游機架輥縫處會產生較大的凸出，造成鋼管在軋制過程中輥縫處堆積的硼砂和石墨混合物比較多，在下游機架軋制過程中不能夠把硼砂、石墨和氧化鐵皮的混合物完全消除，并且在軋制過程中硼砂、石墨和氧化鐵皮的混合物與芯棒接觸冷凝產生結晶，劃傷鋼管內壁[5-10]。表1 為MEER 設計的原始孔型參數。

表1 Φ451 mm 孔型原始孔型參數

2 解決方法

從鋼管內劃道的分析可以看出，解決鋼管內劃道的3 個重要的途徑：一是改善除氧化劑的潤滑效果；二是增加芯棒和毛管內壁間隙量；三是優化連軋輥孔型參數。

2.1 改善除氧化劑的潤滑效果

針對現有使用硼砂容易冷凝結晶的問題，我們在生產氣瓶管時投入了改進配方的硼砂，增加硼砂黏度，在現有硼砂里加入硅鋁酸鉀和硅鋁酸鈉，主要是增加了黏度防止熔融物聚集，并且通過改變其化學成份破壞鐵氧結晶。同時，為了保證硼砂和氧化鐵皮能夠充分的熔融，在軋制氣瓶管時根據當時生產情況，適當的增加硼砂的噴吹量，保證硼砂和氧化鐵皮充分熔融的基礎上，在毛管內壁形成一層保護膜，減少溫降時產生再結晶體。

2.2 增加芯棒和毛管內壁間隙量

重新設計頂頭增大毛管內徑。針對毛管內徑偏小的問題，我們重新設計了圖3 所示的Ф404 mm頂頭[11-14]，用以增加毛管內徑。通過在現場的實際觀察，在連軋軋制前的芯棒預穿過程中，毛管外表面沒有明顯的鐵皮發漲情況。同時，對該頂頭軋制的毛管，隨機選取一支進行測量，經過測量取樣，可以確保芯棒和毛管內徑的間隙增加33.3%，達到了頂頭預計的設計效果，并在實際生產中內劃道已經得到了緩解。

2.3 優化連軋孔型參數

圖3 Ф404 mm 頂頭

圖4 金屬流動有限元模擬分析

連軋孔型參數不合理，是軋制過程中產生內劃道的一方面原因，因而在合理分配各機架延伸率的同時，通過孔型優化改變各機架的變形量[15]。孔型優化的思路：在保持槽底延伸系數不變的情況下，將連軋1～5 架的脫離半徑、連接半徑和脫離比進行了適當地調整，在孔型優化的過程中，我們使用先進的有限元模擬軟件對連軋軋制過程金屬流動模擬分析（圖4），協助孔型設計。孔型調整參數對比見表2。

3 結語

本文以軋制Φ406.4 mm×8.8 mm 氣瓶管為例，分析了連軋管內劃道產生的原因。通過對連軋管內劃道產生原理的分析和采取的措施，使生產過程中的鋼管內劃道缺陷得到明顯改善（見圖5），從圖中可以看出Φ406.4 mm×8.8 mm 氣瓶管的一次合格率提高到了97.65 %，成材率提高了3.15 %，顯著提高了薄壁氣瓶管的一次合格率和成材率，為生產的順利進行和質量的穩定提供了良好的保證。

表2 連軋1-5 機架孔型優化數據

圖5 鋼管內劃道缺陷下線對比