熱擠壓無縫鋼管橘皮缺陷分析

董亞彪，馬振華，牛 博

（山西太鋼不銹鋼鋼管有限公司，山西 太原 030008）

熱擠壓無縫鋼管橘皮缺陷是指在擠壓鋼管內表面呈現的像橘子皮表面形狀的一種質量缺陷。橘皮缺陷主要出現在鋼管長度方向的中部和尾部，其中尾部最為嚴重。頭部非常輕微或者無橘皮缺陷。嚴重的橘皮缺陷主要通過后續工序的修磨將以消除，但介于修磨工序內修磨工藝的特點，尾部的橘皮容易修磨干凈，但鋼管中部的缺陷不容易消除。該缺陷在后續工序中拉拔工序的空拉工藝能將此缺陷消除，但是如果后續工序軋制或者拉伸，容易形成軋折或拉折，造成鋼管報廢。所以橘皮缺陷對后續工序工藝路線形成限制，并降低了無縫鋼管的一次合格率和成材率。

1 橘皮缺陷形貌

從生產熱擠壓鋼管以來，擠壓荒管的橘皮一直都存在。如Φ306 mm壁厚20 mm、Φ273 mm壁厚15 mm、Φ250 mm壁厚20 mm、Φ194 mm壁厚15 mm、Φ140 mm壁厚14 mm等荒管的橘皮現象特別嚴重；在1Φ94 mm壁厚7 mm、Φ168 mm壁厚8 mm、Φ140 mm壁厚8 mm、Φ140 mm壁厚6 mm等規格也能看到橘皮，但其深度淺、尺寸寬度小、出現幾率低，基本經過后續修磨工序、軋制或者拉拔道次即可基本消除。

圖1是擠壓荒管Φ250 mm壁厚14 mm酸洗前；圖2是擠壓荒管Φ140 mm壁厚11 mm酸洗后。其主要的表現特征為橫向的如橘皮狀的紋路，手指摸上去有凹凸不平的感覺。

圖1 擠壓荒管Φ250 mm壁厚14 mm酸洗前

圖2 擠壓荒管Φ140 mm壁厚11 mm酸洗后

2 橘皮的形成機制分析

2.1 擠壓過程

圖3為坯料在擠壓筒中的示意圖，從二次感應爐出來的坯料到擠壓成荒管分為三個過程：

1）坯料鐓粗：坯料的外表面和擠壓筒內襯接觸，坯料的內孔和擠壓針接觸。

2）坯料前端突破：坯料從鐓粗后的坯料向荒管成型轉變的過程。

3）平順擠壓過程。

2.2 褶皺紋形成機理

在擠壓鐓粗階段，由于坯料的外表面和擠壓筒內襯有5 mm的間隙，在鐓粗的過程中必然會產生褶皺紋，同樣坯料內孔和擠壓針有10 mm以上的間隙，也會產生褶皺紋（見圖3）。

圖3 坯料在擠壓筒中的示意圖

在實際生產過程中坯料內外表面受力不可能絕對均勻，坯料表面的強度由于受到組織均勻性、加熱均勻性、以及潤滑均勻性的的影響也不會完全相等，這樣鐓粗的過程必然會受到剪切力的作用而在縱向上產生崎嶇，橫向方向形成凹凸不平即褶皺紋。在擠壓過程中如果擠壓較小，延展不夠的情況下，褶皺紋無法完全消除，即產生橘皮。

3 橘皮現象形成機理

3.1 橘皮產生在大外徑、厚壁管內

由于外徑大、壁厚厚的管子，一般都擠壓比均較小，由于其延展不夠，無法完全消除褶皺而最終產生橘皮。

3.2 橘皮內表面產生

由于整個擠壓過程，從鐓粗的坯料到荒管的變形過程中，實質上是經過坯料外徑減徑來實現外徑和壁厚的縮小而形成荒管，整個過程坯料內徑的大小卻和擠壓針保持一致而未發生大的變化，換句話說就是荒管的形成過程主要是經過外表面的延展所實現的。

3.3 尾部橘皮很嚴重

從圖3可以看出在鐓粗的過程中，頭部是擠壓模一端為自由向，雖然沒有突破，但坯料內外表面均會向擠壓模一端流動，使得褶皺紋產生的機率大大縮小；而在坯料末端無自由向，故褶皺紋較多、較深。

4 各種因素對橘皮形成的影響

4.1 玻璃粉潤滑

擠壓機在生產材質為304規格為Φ250 mm壁厚14 mm的荒管時，二次感應爐都采用同一電爐，將二次感應后壓余平臺加大撒粉量，后用笤帚將玻璃粉掃平，連續3支均這樣操作，荒管的橘皮無明顯變化。

后分析玻璃粉內涂是不是撒的太多，故又減少粉槍噴撒次數（以前噴撒2～3次，當時要求操作工只撒一次），連續3支以上，未見荒管橘皮有明顯變化。

從橘皮形成機理上分析，如果玻璃粉的潤滑性較好，會提升鋼管內表面的延展，從而減少橘皮的產生，上面的試驗是對涂撒玻璃粉的量上進行的分析，后續應在玻璃粉本身的特性上做進一步的探索，以找到生產不同鋼種，對應最適合的玻璃粉。

4.2 感應爐加熱

生產的過程中，在荒管檢驗處發現一支荒管橘皮紋路很淺很細，下一支橘皮缺陷卻比較嚴重。這兩支鋼管是由1號和3號二次感應爐分別加熱的。圖4為1號爐和3號爐生產的鋼管尾端內表面對比圖。

圖4 1號爐和3號爐生產的鋼管尾端內表面對比圖

將1號和3號感應爐設定相同的目標加熱溫度為（1200±10）℃，加熱功率為（600±10）kW，但是兩臺爐子實際的加熱時間明顯不同，1號爐的加熱時間為2.5 min，3號爐的加熱時間為4 min；保溫時間均為1 min。

后又將1號爐的加熱功率提高到（700±10）kW，縮短加熱時間但橘皮并未減輕相反在加重，可見加熱時間太長和太短均對坯料熱物理性能有很大的影響，在實際生產中應尋找最佳的加熱時間和保溫時間，以便是坯料內部組織能夠更加均勻，坯料的塑性和延展性也會更好，從而減少橘皮的產生。

4.3 擴孔后坯料與擠壓荒管的擠壓比

從表1中的數據對比可以看出，橘皮嚴重的大多是擠壓比較小、大外徑的厚壁管。

表1 橘皮缺陷嚴重度與擠壓比的關系

4.4 擠壓針和擴孔后鋼坯內孔間隙

對于一些大口徑的無縫鋼管，生產實踐中發現生產同系列同規格的無縫鋼管，擴孔的內徑越大，橘皮缺陷會越加嚴重。隨著擠壓針和擴孔坯料內孔的間隙增大，在坯料鐓粗的過程中，坯料內表面在橫截面方向失穩的風險在加大，故而其在內表面形成褶皺的可能性也越來越大。所以說生產實踐的現象和坯料橘皮產生的機制理論是相吻合的。

5 預防橘皮缺陷的措施

1）增配擴孔錐及相關配套工模具，使擴孔后的坯料內徑和擠壓針外徑差縮小，控制在8～10 mm之間。

2）對于特別小的擠壓比的荒管，改變其工藝路徑。

3）提高機械手將坯料運送到擠壓筒入口的準確性和精確性。

4）對于擠壓不同系列不同管徑的鋼管試驗并設定最佳的感應爐溫度、加熱時間和保溫時間。

5）由于感應爐的工況不同，使各個感應爐的參數可以單獨設置。

6）玻璃粉的噴撒要均勻，但不是越多越好，能保證擠壓后荒管表面覆蓋即可。

7）針對不同的鋼種選用不同的玻璃粉，以達到更好的潤滑效果。

6 結語

通過對擠壓過程的分解，分析每個過程中鋼坯的變形特點，對橘皮的形成機理進行分析，找到橘皮形成的全部動態過程。然后根據該形成機制分別從玻璃粉潤滑、感應爐參數的設定、擠壓比以及針孔間隙對橘皮形成的影響，并制定了預防橘皮缺陷的措施。