微擴徑技術生產特厚壁熱軋無縫鋼管的工藝研發

羅忠輝，考 然，米永峰，郭志文，姜海龍，許博超，孟慶飛

（內蒙古包鋼鋼聯股份有限公司，內蒙古 包頭 014010）

通常情況下，鋼管的徑壁比 20 的鋼管稱為厚壁管，徑壁比≤10 的鋼管稱為特厚壁管，特厚壁無縫鋼管的制造方法可分為冷拔、冷軋和熱軋三種基本方式，其中以熱軋的成型方式最為經濟合理[1-3]。

開發大直徑特厚壁熱軋無縫鋼管，首先應開發錐形輥穿孔機微擴徑穿孔技術，在保證咬入條件的前提下，盡量使變形區前移，同時減小軋輥的送進角，使出口錐角減小，從而使毛管脫離處外徑盡可能減小。要做到以上條件，需對穿孔機頂頭、導板以及軋輥形成的孔型進行合理設計。

1 穿孔機孔型及工具設計

設計毛管尺寸為Φ445 mm×110 mm，采用Φ430 mm 連鑄圓坯進行穿孔機孔型及工具設計。在盡量少更改熱工具的前提下，采用已有導板和軋輥。

1.1 軋輥角度及變形區長度的確定方法

（1） 設計頂頭之前首先要確定軋輥的參數，即入口錐角度α，出口錐角度β 等。此次采用入口錐角為二段式軋輥，二段式的軋輥主要是為了增大頂前壓下量，利于咬入。軋輥的出口錐角越小越好，這樣毛管的內外表面會更加光滑[4-5]。

（2） 選擇合適的總壓下量，根據理論及現場的驗證，得出經驗公式：碳鋼E=（88%～92%）×DB；低合金鋼E=（85%～90%）×DB；高合金鋼E=（88%～91%）×DB。式中，E 為輥距；DB為管坯直徑。

此次試制產品材質為20 鋼，壁厚較厚，需控制毛管外徑，不能按照以往經驗公式套用，選用總壓下量系數為87.4%，計算輥距為376 mm。

（3） 根據輥距確定變形區的長度，即入口變形區長度Le、出口變形區長度La，如圖1 所示。

圖1 軋輥的入口、出口變形區示意

式中 Le2—— 入口錐第2 段變形區的長度，mm；

α1，α2—— 軋輥1，2 段入口錐角度，（°）；

β —— 軋輥的出口錐角度，（°）；

A —— 毛管外徑，mm。

特厚壁毛管軋制設計要以軋輥拋鋼計算，不是導板拋鋼點計算，因主要以軋輥擴徑為主，不是導板擴徑。特厚壁穿孔基本都是微擴徑、微縮徑或等徑穿孔。頂桿直徑盡量要大一些，保證頂桿剛性，頂桿壁厚不能低于25 mm，至少為30CrMo 鋼調質后。頂頭具體參數方案見表1[6-7]。

表1 頂頭基本參數

1.2 頂頭參數計算

（1） 計算頂前壓下率及頂頭前伸量LD1，軋制大直徑的管坯采用相對較大的頂前壓下率來保證順利咬入，穿孔機軋制碳鋼的頂前壓下率為6%～7%，此次生產應用微擴徑工藝，為保證咬入和控制毛管外徑，頂前壓下率為12.5%。

（2） 根據生產毛管規格選擇擴展值C，如頂頭的擴徑率大，擴展值會相應增大，從而確定頂頭的直徑，生產應用頂頭直徑為247 mm。

（3） 頂頭長度LDcum依據以下公式確定：

式中 L —— 歸圓區與反錐長度之和，mm。

（4） 確定頂頭輾軋錐長度LGT2、角度γ，頂頭鼻部直徑d 及穿孔錐曲率半徑R，如圖2 所示。輾軋錐長度長，毛管輾軋充分，毛管壁厚均勻，但拋鋼時的阻力會增大，易發生后卡[8-15]。

圖2 頂頭曲率計算示意

式中 θ —— 喂入角，（°）。

γ 一般大于軋輥的出口錐角度0.3°～0.6°。

頂頭基本參數見表1。

1.3 設計結果及試制產品數據分析

最終設計的頂頭及熱工具工藝調整參數見表2。采用以上設計數據，現場使用低轉速軋制，建立了3D 模型（圖3）。試制生產了3 支坯料，根據生產情況，每支毛管在生產過程中采用了不同的頂頭前伸量，1 號管采用頂頭前伸量70 mm 軋制，2號管采用頂頭前伸量120 mm 軋制，其調整方式及毛管尺寸見表3。

圖3 通過設計數據建立的3D 模型

表2 頂頭和熱工具工藝調整參數

鋼管實物尾端切除長度較短僅50 mm，尾端壁厚情況僅代表尾端縮徑變形的不穩定情況。由表3可知：毛管尺寸基本符合設計要求，但尾端100 mm 內存在一定的縮口，影響連軋工序的穿棒動作，這與厚壁管尾端拋鋼扭矩驟降有關，頂桿小車回退動作由拋鋼扭矩啟動，因厚壁管扭矩整體偏低，導致拋鋼動作時頂桿小車同時回退，造成了毛管尾端內徑偏小，壁厚不均度較差。內外表面方面，毛管外表面存在一定的穿孔軋制螺旋印，螺距間波峰與波谷差不超過0.5 mm，且圓滑過渡，外表面光滑；內表面質量較好，無內折及結疤等缺陷。最終毛管的擴徑率為3.4%，毛管計算徑壁比為4，毛管延伸率為1.25%。軋制鋼管如圖4 所示。

圖4 軋制鋼管實物示意

表3 不同頂頭前伸量下試制毛管實測尺寸數據 mm

2 結 語

使用穿孔機孔型計算公式結合3D 建模的方法進行頂頭設計，簡化了穿孔機孔型設計過程，使設計過程更加直觀，對工藝執行具有更強的指導性，達到了錐形輥穿孔機微擴徑技術的應用目的。通過合理的穿孔機孔型設計，結合錐形輥穿孔機微擴徑工藝技術，實現了錐形輥穿孔機生產徑壁比≤5 的特厚壁無縫鋼管的工藝路徑，為拓寬無縫鋼管產品應用市場奠定了基礎。