Φ180 mm PQF連軋管機組238 mm孔型的設計與開發

王芳波，劉啟增，李 飛，劉 俊

（衡陽華菱鋼管有限公司，湖南 衡陽 421001）

衡陽華菱鋼管有限公司（簡稱華菱衡鋼）Φ180 mm PQF三輥限動芯棒連軋管機組是由“錐形穿孔機+6機架PQF連軋管機+3機架脫管機+14機架微張力定（減）徑機”組成，產品規格為Φ73~180 mm×4~22 mm。為適應新的市場形勢，擴大產品規格范圍，優化產品結構，發揮PQF連軋管機組的優勢，提高生產組織靈活性，華菱衡鋼決定在此機組上設計開發238 mm新孔型，生產Φ219 mm×5.7 mm規格氣瓶管。這里將重點介紹此規格氣瓶用管生產時的穿孔工藝、連軋管機238 mm孔型、微張力定（減）徑機工藝的設計與開發以及試生產情況。

1 產品實現的思路

產品目標規格確定后，工藝設計應從后面工序依次往前推，路徑如下：Φ219 mm×5.7 mm（定徑后成品管）→Φ228 mm×5.7 mm（脫管后荒管）→Φ238 mm×5.6 mm（連軋后鋼管）→Φ272 mm×16 mm（穿孔毛管）→Φ250 mm（管坯）。

連軋管機組孔型設計一般是按該孔型所軋制的最小名義壁厚作為計算依據。選取成品管規格Φ219 mm×5.7 mm進行設計，考慮到Φ180 mm PQF連軋管機組微張力定（減）徑機定（減）徑后鋼管的外表面質量以及原有連軋管機和脫管機的設計，連軋管機孔型按238 mm進行設計。連軋后荒管壁厚選5.6 mm，芯棒直徑選227 mm，考慮連軋管機變形能力，減壁量選≤11 mm，穿孔毛管壁厚為16 mm，毛管外徑為272 mm。由于工藝設計核心在連軋管機孔型開發，因此該開發也稱為238 mm孔型開發。

設計開發分3個主要部分：①為獲得相應尺寸的毛管，對穿孔區工模具如穿孔頂頭、導板等進行設計；②對連軋區（含脫管機）連軋孔型進行設計，建立相應的數學模型，實現不同軋輥直徑、壁厚、芯棒等條件下軋制參數的自動計算；③考慮到鋼管的實際減徑量和實際橢圓度要求，對14機架微張力定（減）徑機孔型進行設計。

2 錐形穿孔機工藝設計

Φ180 mm PQF連軋管機組的穿孔機采用“導板+錐形穿孔輥+頂頭”構成相對封閉的軋制孔型。根據初步計算，錐形穿孔輥輥型可不作更改，但需對導板和頂頭進行重新設計。根據坯料、毛管的尺寸，對穿孔機入口導套、頂桿等輔助工模具進行設計。

2.1 導板設計

導板過渡帶主要采用一段圓弧，這樣有利于毛管規圓，由于穿孔毛管相對較薄，導板寬度的設計和軋輥開度應緊密結合，保證導板迎鋼側和軋輥輥面距離不超過2 mm［1-3］。采用已批量用于生產的Φ250 mm連鑄坯，據此設計新導板：厚度105 mm，總長630 mm；入口角3.5°，出口角2.6°。

2.2 頂頭設計

在設計Φ232 mm規格頂頭時，綜合考慮了坯料直徑、毛管尺寸、穿孔變形區長度、頂頭前伸量、頂前壓下率等因素。頂頭一般由圓弧段、圓錐段（輾軋段）、反錐段（含平整段）組成。頂頭前端設計為平頭，并倒圓角處理。頂頭圓弧段半徑較大，緩和了穿孔減壁的過程，減少變形過程的頂頭阻力，使變形均勻，降低頂頭的磨損。頂頭輾軋錐長度設計為大于1個管坯螺距，使毛管任意截面在穿孔變形區頂頭輾軋段軋制兩次，實現毛管的均壁和平整，輾軋錐角與軋輥實際出口錐角接近。設計頂頭時用到的兩個主要公式如下。

頂頭輾軋段長度LK計算公式：

式中β——送進角，（°）；

D——坯料直徑，mm；

Fa——軋輥送進角，（°）。

穿孔頂頭圓弧段半徑RD計算公式：

式中LR——圓弧段長度，mm；

DR——頂頭直徑，mm；

βK——輾軋錐角，（°）；

F——頂頭平頭直徑，mm。

最終設計的Φ232 mm穿孔機頂頭參數見表1。

表1 Φ232 mm穿孔機頂頭參數 mm

3 連軋管機和脫管機孔型設計

3.1 孔型設計基本思路

由于數學模型在軋制參數計算時需要調用脫管機孔型參數，所以設計連軋管機孔型時要設計脫管機孔型參數。孔型參數設計完成后，建立一個可以自動計算的數學模型。根據數學模型計算一定條件下的軋制力、壁厚分布、延伸分配、芯棒運行制度、電機速度等參數，判斷設計是否合理。為穩妥起見，需進行有限元模擬。

連軋管機組孔型設計一般是將該孔型所軋制的最小名義壁厚作為計算依據［3］，該設計的荒管的最小名義壁厚為5.6 mm，連軋管機孔型設計時，應考慮以下分配規律：

（1）第1～4機架的延伸較大，第1機架延伸大；第5～6機架為精軋機架，延伸系數較少，接近1［4-15］。

（2）每一機架最大的延伸系數應小于1.6。

（3）前面兩個機架為適應生產實踐中毛管外徑的變化，設計一定的偏心距；后面4個機架均不帶偏心距，有利于獲得壁厚均勻的荒管。

表2 各機架延伸系數和減壁率分配

（5）單機架的減壁量之和等于雙機架的減壁量之和，且等于總減壁量，即：ΔS1＋ΔS3＋ΔS5＝ΔS2＋ΔS4＋ΔS6=11 mm。各機架減壁量和減壁率見表2。

設計的連軋管機孔型如圖1所示，PQF連軋管機238 mm孔型基本設計參數見表3。

表3 PQF連軋管機238 mm孔型基本設計參數

圖1 PQF連軋管機238 mm孔型示意

3.2 脫管機孔型設計

PQF連軋管機之后設置了脫管機，其主要作用對連軋后荒管實施一定量的減徑，產生脫棒力，從而達到脫管的目的。脫管機孔型參數見表4。

表4 脫管機孔型參數

在此基礎上建立數學模型，計算出荒管規格Φ238 mm×5.6 mm（采用Φ227 mm芯棒，出口速度為4.2 m/s）時連軋參數，主要參數見表5。

表5 生產Φ219 mm×5.7 mm鋼管連軋管機各機架參數

4 微張力定（減）徑機孔型設計

脫管后的荒管在再加熱爐內進行再加熱后進行定（減）徑軋制。生產Φ219 mm規格薄壁管用微張力定（減）徑機孔型參數見表6。

表6 生產Φ219 mm×5.7 mm鋼管微張力定（減）徑機孔型參數

5 生產情況

2019年5月，Φ180 mm PQF連軋管機組進行了238 mm孔型試生產，試軋37Mn材質Φ219 mm×5.7 mm氣瓶用管，一次試軋成功。隨機抽取5支鋼管進行頭部、中部、尾部外徑和壁厚測量，同一橫截面壁厚偏差ΔS為0.6 mm，外徑偏差ΔD為1.0 mm。截至2019年底，該機組生產Φ219 mm×5.7 mm氣瓶用管6 000 t；并在此基礎上生產了Φ219.1 mm×6.35 mm，Φ168.3 mm×12.7 mm，Φ193.68 mm×15.88 mm，Φ196.85 mm×15.11 mm等多種規格鋼管，超過20 000 t。所生產鋼管的表面質量良好，壁厚精度高，標志著開發的238 mm孔型具備批量生產多種規格鋼管的能力。

6 結 語

Φ180 mm PQF連軋管機組實現Φ219 mm×5.7 mm氣瓶用管的批量生產，產品壁厚精度及內外表面質量滿足了相關標準和用戶要求，達到了預期目的；相關的穿孔設計、連軋管機孔型設計為其他規格的鋼管的熱軋生產創造了條件。